第五章温度检测技术借鉴教学

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1、检测技术与控制工程基础检测技术与控制工程基础第五章第五章 温度检测技术温度检测技术材料成型及控制工程专业（必修）材料成型及控制工程专业（必修）1技术教育温度检测技术温度检测技术l温度和温度和测温方法分温方法分类l接触式接触式测温方法温方法l非接触式非接触式测温方法温方法2技术教育5.1 温度和测温方法分类温度和测温方法分类l前言前言l温度与温度与标定定l测温方法分温方法分类及其特点及其特点3技术教育前言前言l温度是反映物体冷温度是反映物体冷热状状态的参数。从的参数。从热平衡的平衡的观点来看，点来看， 温度是物体内部分子无温度是物体内部分子无规则热运运动剧烈程度的烈程度的标志，志， 温度高的物体

2、，温度高的物体， 其内部其内部分子平均分子平均动能大；能大； 温度低的物体，温度低的物体， 其内部分其内部分子的平均子的平均动能小。能小。 l两个物体两个物体处于同一于同一热平衡状平衡状态就具有一个共同就具有一个共同的物理性的物理性质，表征，表征这一性一性质的量就是温度，即的量就是温度，即两物体温度相等。如果两物体温度不同，它两物体温度相等。如果两物体温度不同，它们之之间不会平衡，会有不会平衡，会有热交交换，热量由高温物体量由高温物体传输到低温物体。到低温物体。4技术教育前言前言l热平衡是温度平衡是温度测量的基本出量的基本出发点，只有通点，只有通过测定某一物定某一物质的某方面物理特性（的某方面

3、物理特性（诸如如尺寸、密尺寸、密度、硬度、度、硬度、弹性模量、性模量、辐射射强度度等）随温度而等）随温度而变化的情况，才能判断温度的化的情况，才能判断温度的变化，化，这种物种物质称称为测温物温物质。l用来判断温度用来判断温度变化的物理特性，化的物理特性，应当与温度成当与温度成连续的的单值线性函数关系，基本上能性函数关系，基本上能满足要求足要求的物的物质种种类较多，但常用的只有几种。多，但常用的只有几种。5技术教育温度与标定温度与标定l温温标的基本概念的基本概念l为了保了保证温度量温度量值的准确和便于的准确和便于传递，需要建，需要建立一个衡量温度的立一个衡量温度的统一一标准尺度，即准尺度，即温温

4、标用来用来衡量物体温度的衡量物体温度的标尺尺。l建立一个温建立一个温标包括包括2个方面：采用什么个方面：采用什么测量物量物质，利用哪一，利用哪一物理特性物理特性；如何；如何分度分度。6技术教育温度与标定温度与标定l温温标有下面几种：有下面几种：经验温温标热力学温力学温标绝对气体温气体温标国国际实用温用温标和国和国际温温标7技术教育1)1) 经验温标经验温标l借助于某一种物借助于某一种物质的物理量与温度的物理量与温度变化的关系，化的关系，用用实验方法或方法或经验公式所确定的温公式所确定的温标，称，称为经验温温标，有，有华氏、氏、摄氏、氏、兰氏、列氏温氏、列氏温标等。等。 （1 1） 华氏温氏温标

5、 17141714年德国人法勒海特年德国人法勒海特(Fahrenheit)(Fahrenheit)以水以水银为测温介温介质，制成玻璃水，制成玻璃水银温度温度计。它它规定水的定水的沸沸腾温度温度为212212度，度， 氯化化铵和冰的混合物和冰的混合物为0 0度，度， 这两个固定点中两个固定点中间等分等分为212212份，份， 每一份每一份为1 1度，度，记为。按照按照华氏温氏温标，则水的冰点水的冰点为3232。 8技术教育1)1)经验温标经验温标（2 2）摄氏温氏温标 17401740年瑞典人年瑞典人摄氏氏(Celsius)(Celsius)提出在提出在标准准大气大气压下，把水的冰点下，把水的冰

6、点规定定为0 0度，水的沸点度，水的沸点规定定为100100度。将两个固定点之度。将两个固定点之间的距离等分的距离等分为100100份，每一份份，每一份为1 1度，度，记为。 摄氏温度和氏温度和华氏温度的关系氏温度的关系为 T T = t= t + 32 + 32 式中式中 T T华氏温度氏温度值; ; t t摄氏温度氏温度值。9技术教育1)1)经验温标经验温标 经验温温标的缺点在于其局限性和随意性。的缺点在于其局限性和随意性。例如，若例如，若选用水用水银温度温度计作作为温温标规定的温度定的温度计， 那么那么别的物的物质（例如酒精）就不能用了，（例如酒精）就不能用了，而且使用温度范而且使用温度

7、范围也不能超也不能超过上下限（如上下限（如00， 100100），超），超过了就不能了就不能标定温度了。定温度了。 10技术教育2)2)热力学温标热力学温标热力学温力学温标是由开是由开尔文文(Ketvin)(Ketvin)在在18481848年提出年提出的，以卡的，以卡诺循循环(Carnot cycle)(Carnot cycle)为基基础。热力学温力学温标是国是国际单位制中七个基本物理位制中七个基本物理单位位之一。之一。热力学温力学温标为了在分度上和了在分度上和摄氏温氏温标相一致，相一致，把理想气体把理想气体压力力为零零时对应的温度的温度绝对零零度与水的三相点温度分度与水的三相点温度分为27

8、32731616份，每份份，每份为1 1 K (Kelvin) K (Kelvin) 。11技术教育3)3)绝对气体温标绝对气体温标从从理理想想气气体体状状态方方程程入入手手，来来复复现热力力学学温温标叫叫绝对气体温气体温标。由由波波义耳定律耳定律： PV=RT PV=RT 当当气气体体的的体体积为恒恒定定( (定定容容) )时，其其压强就就是温度的是温度的单值函数。函数。这样就有：就有： T T2 2/T/T1 1=P=P2 2/P/P1 112技术教育4)4)国际实用温标国际实用温标l第一个国第一个国际温温标是是19271927年第七届国年第七届国际计量大会决定采量大会决定采用的温用的温标

9、, ,称称为“19271927年国年国际温温标”，记为ITS-27ITS-27。此后大此后大约每隔每隔2020年年进行一次重大修改，相行一次重大修改，相继有有ITS-48ITS-48、IPTS-68IPTS-68和和EPT-76EPT-76、ITS-90ITS-90。 l国国际温温标做重大修改的原因，主要是由于温做重大修改的原因，主要是由于温标“三要三要素素”发生生变化。化。ITS-90ITS-90是是19891989年年7 7月第月第7777届国届国际计量量委委员会批准的、国会批准的、国际温度咨温度咨询委委员会制定的新温会制定的新温标。 l从从19941994年年1 1月月1 1日起全面日起

10、全面实行新温行新温标。指指导思想思想：尽可：尽可能地接近能地接近热力学温力学温标，复，复现精度要高，制作精度要高，制作较容易，容易，性能性能稳定，使用方便。定，使用方便。13技术教育4)4)国际实用温标国际实用温标ITSITS一一9090基本内容基本内容为： 1 1）重申国）重申国际实用温用温标单位仍位仍为K K； 2 2）ITS-90ITS-90的的热力力学学温温度度仍仍记作作T T，为了了区区别于于以以前前的的温温标，用用T90T90代代表表新新温温标的的热力力学学温温度度，其其单位位仍仍是是K K。与与此此并并用用的的摄氏氏温温度度记为t90t90，单位是位是。T90T90与与t90t9

11、0的关系仍是的关系仍是14技术教育4)4)国际实用温标国际实用温标3 3）把整个）把整个温温标分成分成4 4个温区，其相个温区，其相应的的标准准仪器器如下：如下： 0.650.655.0K5.0K，用，用3 3HeHe和和4 4HeHe蒸汽温度蒸汽温度计； 3.03.024.5561K24.5561K，用，用3 3HeHe和和4 4HeHe定容气体温度定容气体温度计； 13.803K13.803K961.78961.78，用，用铂电阻温度阻温度计； 961.78961.78以上，用光学或光以上，用光学或光电高温高温计；4 4）新新确确认和和规定定1717个个固固定定点点温温度度值以以及及借借助

12、助依依据据这些些固固定定点点和和规定定的的内内插插公公式式分分度度的的标准准仪器来器来实现整个整个热力学温力学温标。15技术教育16技术教育各温标间的换算关系各温标间的换算关系17技术教育温度计的标定温度计的标定对温度温度计的的标定，有定，有标准准值法法和和标准表法准表法两种方法。两种方法。标准准值法法 就就是是用用适适当当的的方方法法建建立立起起一一系系列列国国际温温标定定义的的固固定定温温度度点点( (恒恒温温) )作作标准准值，把把被被标定定温温度度计( (或或传感感器器) )依依次次置置于于这些些标准准温温度度值之之下下，记录下下温温度度计的的相相应示示值( (或或传感感器器的的输出出

13、) )，并并根根据据国国际温温标规定定的的内内插插公公式式对温温度度计( (传感感器器) )的的分分度度进行行对比比记录，从从而而完完成成对温温度度计的的标定定；标定定后后的的温温度度计可作可作为标准温度准温度计来来测温度。温度。18技术教育温度计的标定温度计的标定标准表法：准表法： 把被把被标定温度定温度计(传感器感器)与已被与已被标定好的定好的更高一更高一级精度的温度精度的温度计(传感器感器)，紧靠在一起，靠在一起，共同置于可共同置于可调节的恒温槽中，分的恒温槽中，分别把槽温把槽温调节到所到所选择的若干温度点，比的若干温度点，比较和和记录两者的两者的读数，数，获得一系列得一系列对应差差值，

14、经多次升温，降温、多次升温，降温、重复重复测试，若，若这些差些差值稳定，定，则把把记录下的下的这些差些差值作作为被被标定温度定温度计的修正量，就成了的修正量，就成了对被被标定温度定温度计的的标定。定。19技术教育测温方法分类及其特点测温方法分类及其特点l按照按照测温原理和所用的感温元件的不同，温原理和所用的感温元件的不同，测温方法温方法可以分可以分为膨膨胀式式、压力式力式、电阻式阻式、热电式式和和辐射射式式5 5大大类。l膨膨胀式温度式温度计有玻璃温度有玻璃温度计和双金属温度和双金属温度计。玻璃。玻璃温度温度计利用玻璃感温包内的利用玻璃感温包内的测温物温物质（水（水银、酒精、酒精、甲苯、煤油等

15、）甲苯、煤油等）热胀冷冷缩的原理来的原理来测量的。温度量的。温度值用刻度用刻度显示，示，测量范量范围为200200600 600 。双金属温。双金属温度度计是采用膨是采用膨胀系数不同的两种金属片牢固地黏合系数不同的两种金属片牢固地黏合在一起作在一起作为感温元件，温度感温元件，温度变化化时，通，通过双金属片双金属片的弯曲的弯曲变形形带动指指针来指示相来指示相应的温度，其温度的温度，其温度测量范量范围一般一般为8080600 600 。20技术教育测温方法分类及其特点测温方法分类及其特点l压力温度力温度计由温包、毛由温包、毛细管和管和弹簧管簧管组成的一成的一个密个密闭系系统，里面充，里面充满感温物

16、感温物质。温包放入被。温包放入被测介介质中，当温度中，当温度发生生变化化时，封，封闭系系统中的中的压力会随之力会随之变化，通化，通过弹簧管的簧管的变形形带动指指针指示相指示相应的温度。的温度。测温范温范围为8080500 500 。l电阻式温度阻式温度计是利用金属或半是利用金属或半导体的体的电阻随温度阻随温度的的变化情况来化情况来测量温度量温度值，其，其输出信号是出信号是电阻阻值，测温范温范围一般在一般在200200600 600 。21技术教育测温方法分类及其特点测温方法分类及其特点l热电式温度式温度计是利用金属是利用金属导体的体的热效效应，将温度，将温度转换为热电势输出。出。热电势的大小反

17、映被的大小反映被测温度温度的高低，其的高低，其测量范量范围可达可达2712711800 1800 。l辐射式射式测温方法温方法是通是通过被被测物体的物体的热辐射射强度来度来确定其温度的。确定其温度的。辐射式射式测温方法的温方法的测温范温范围宽，响响应速度速度块，特，特别适合于高温适合于高温测量。量。l近年来，一些新技近年来，一些新技术也用到了也用到了测温温领域，如光域，如光纤温度温度传感器等。感器等。22技术教育测温方法分类及其特点测温方法分类及其特点l根据根据传感器的感器的测温方式，温度基本温方式，温度基本测量方法通量方法通常可分成常可分成接触式接触式和和非接触式非接触式两大两大类。1 1）

18、接触式）接触式测温方法温方法测温精度温精度相相对较高，直高，直观可靠及可靠及测温温仪表价格表价格相相对较低；低；由于感温元件与被由于感温元件与被测介介质直接接触直接接触，从而要影，从而要影响被响被测介介质热平衡状平衡状态，而接触不良，而接触不良则会增加会增加测温温误差；被差；被测介介质具有具有腐腐蚀性及温度太高性及温度太高亦亦将将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。重影响感温元件性能和寿命等缺点。23技术教育测温方法分类及其特点测温方法分类及其特点2 2）非接触式）非接触式测温方法温方法感温元件感温元件不与被不与被测对象直接接触象直接接触，而是通，而是通过接受接受被被测物体的物体的热辐射能射能实

19、现热交交换，据此，据此测出被出被测对象的温度象的温度;非接触式非接触式测温温具有不改具有不改变被被测物体的温度分布，物体的温度分布，热惯性小，性小，测温上限可温上限可设计得很高，便于得很高，便于测量运量运动物体的温度和快速物体的温度和快速变化的温度等化的温度等优点。点。24技术教育接触式与非接触式测温特点比较接触式与非接触式测温特点比较接触式与非接触式测温特点比较接触式与非接触式测温特点比较方方 式式 接接 触触 式式 非非 接接 触触 式式 测量测量 条件条件 感感温温元元件件要要与与被被测测对对象象良良好好接接触触；感感温温元元件件的的加加入入几几乎乎不不改改变变对对象象的的温温度度；被被

20、测测温温度度不不超超过过感感温温元元件件能能承承受受的的上上限限温温度度; ;被被测测对对象象不不对对感感温温元件产生腐蚀元件产生腐蚀 需准确知道被测对象表面发射率；被测对需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上象的辐射能充分照射到检测元件上 测量测量 范围范围 特别适合特别适合12001200以下、热容大、无腐蚀性以下、热容大、无腐蚀性 对象的连续在线测温，对高于对象的连续在线测温，对高于l 300l 300以上以上 的温度测量较困难的温度测量较困难 原理上测量范围可以从超低温到极高温，原理上测量范围可以从超低温到极高温，但但10001000以下，测量误差大，能测运

21、动物以下，测量误差大，能测运动物 体和热容小的物体温度体和热容小的物体温度 精精 度度 工业用表通常为工业用表通常为1.01.0、0.50.5、0.20.2及及0.10.1级，级，实验室用表可达实验室用表可达0.010.01级级 通常为通常为1.01.0、1.51.5、2.52.5级级 响应响应 速度速度慢，通常为几十秒到几分钟慢，通常为几十秒到几分钟 快，通常为快，通常为2 23 3秒钟秒钟 其它其它 特点特点 整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维 护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被 测物体实际温度；可方便地组成多

22、路集中测物体实际温度；可方便地组成多路集中 测量与控制系统测量与控制系统 整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度物体表现温度( (需进一步转换需进一步转换) )；不易组成；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置测温、控温一体化的温度控制装置 25技术教育各类温度检测方法构成的测温仪表大体测温范围各类温度检测方法构成的测温仪表大体测温范围各类温度检测方法构成的测温仪表大体测温范围各类温度检测方法构成的测温仪表大体测温范围26技术教育5.2 接触式测温方法接触式测温方法l热膨胀式测

23、温方法l热阻式测温方法l热电式测温方法27技术教育5.2.1热膨胀式测温方法热膨胀式测温方法膨膨胀式式测温温是是基基于于物物体体受受热时产生生膨膨胀的的原原理理，分分为液体膨液体膨胀式和固体膨式和固体膨胀式两式两类。膨膨胀式式温温度度计种种类很很多多，按按膨膨胀基基体体可可分分成成液液体体膨膨胀式式玻玻璃璃温温度度计、液液体体或或气气体体膨膨胀式式压力力温度温度计及固体膨及固体膨胀式双金属温度式双金属温度计。本本节简单介介绍3种种热膨膨胀式式测温温方方法法：玻玻璃璃温温度度计、压力温度力温度计和双金属温度和双金属温度计。28技术教育玻璃温度计玻璃温度计玻璃液体温度玻璃液体温度计简称玻璃温度称玻

24、璃温度计，是一种直，是一种直读式式仪表。表。水水银是玻璃温度是玻璃温度计最常用的液体，其最常用的液体，其凝固点凝固点为-38.9-38.9、测温上限温上限为538538。玻玻璃璃温温度度计特特点点：结构构简单，制制作作容容易易，价价格格低低廉廉，测温温范范围较广广，安安装装使使用用方方便便，现场直直接接读数数，一一般般无无需需能能源源，易易破破损，测温温值难自自动远传记录。29技术教育玻璃温度计玻璃温度计玻璃温度玻璃温度计的分的分类：l全浸式全浸式：测温准确度高，温准确度高，但但读刻度困刻度困难，使用操作，使用操作不便。不便。l局局浸浸式式：读数数容容易易，但但测量量误差差较大大，即即使使采采

25、取取修修正正措措施施其其误差差比比全全浸浸式式仍仍要大好几倍或更多。要大好几倍或更多。V V V V形工业玻璃温度计形工业玻璃温度计形工业玻璃温度计形工业玻璃温度计30技术教育压力温度计压力温度计压力温度力温度计是根据一定是根据一定质量的液体、气体、量的液体、气体、蒸汽在体蒸汽在体积不不变的条的条件下其件下其压力与温度呈力与温度呈确定函数关系的原理确定函数关系的原理实现其其测温功能的。温功能的。压力温度力温度计的典型的典型结构构示意示意图如右如右图。31技术教育压力温度计压力温度计这类压力温度力温度计其毛其毛细管管细而而长( (规格格为1 160m)60m)它的作它的作用主要是用主要是传递压力

26、，力，长度愈度愈长，则使温度使温度计响响应愈慢，愈慢，在在长度相等条件下，管愈度相等条件下，管愈细，则准确度愈高。准确度愈高。压力温度力温度计和玻璃温度和玻璃温度计相相比，具有比，具有强度大、不易破度大、不易破损、读数方便，但准确度数方便，但准确度较低、低、耐腐耐腐蚀性性较差等特点。差等特点。电接点压力式温度计电接点压力式温度计电接点压力式温度计电接点压力式温度计32技术教育双金属温度计双金属温度计固体固体长度随温度度随温度变化的情况可用下式表示：化的情况可用下式表示：基于固体基于固体受受热膨膨胀原理原理，测量温度通常是把两量温度通常是把两片片线膨膨胀系数差异相系数差异相对很大的金属片叠很大的

27、金属片叠焊在一在一起，构成双金属片感温元件当温度起，构成双金属片感温元件当温度变化化时，因，因双金属片的两种不同材料双金属片的两种不同材料线膨膨胀系数差异相系数差异相对很大而很大而产生不同的膨生不同的膨胀和收和收缩，导致双金属片致双金属片产生弯曲生弯曲变形。形。33技术教育双金属温度计双金属温度计下图是双金属温度计原理图：下图是双金属温度计原理图：34技术教育双金属温度计双金属温度计双金属温度双金属温度计的感温双的感温双金属元件的形状有金属元件的形状有平面平面螺旋型和直螺旋型和直线螺旋型螺旋型两两大大类，其，其测温范温范围大致大致为-80-80600600，精度，精度等等级通常通常为1.51.

28、5级左右。左右。双双金金属属温温度度计抗抗振振性性好好，读数数方方便便，但但精精度度不不太太高高，只只能能用用做做一一般般的的工工业用用仪表。表。35技术教育5.2.2热阻式测温方法热阻式测温方法l几乎所有物几乎所有物质的的电阻率都随本身温度的阻率都随本身温度的变化而化而变化化-热电阻效阻效应。l根据根据电阻和温度之阻和温度之间的函数关系，可以将温度的函数关系，可以将温度变化量化量转换为相相应的的电参量，从而参量，从而实现温度的温度的电测量。量。l利用利用这一原理制成的温度敏感元件称一原理制成的温度敏感元件称为热电阻。阻。l热电阻材料可分阻材料可分为金属金属热电阻阻和和半半导体体热电阻阻。36

29、技术教育金属热电阻式温度传感器金属热电阻式温度传感器l纯金属具有正的温度系数，金属具有正的温度系数， 可以作可以作为测温元温元件。作件。作为测温用的温用的热电阻阻应具有下列要求：具有下列要求：1.电阻温度系数大，以阻温度系数大，以获得得较高的灵敏度；高的灵敏度；2.电阻率高，阻率高， 元件尺寸可以小；元件尺寸可以小； 3.电阻阻值随温度随温度变化尽量是化尽量是线性关系；性关系；4.在在测温范温范围内，物理、化学性能内，物理、化学性能稳定；定；5.材料材料质纯、加工方便和价格便宜等。、加工方便和价格便宜等。l铂、铜、铁和和镍是常用的是常用的热电阻材料，阻材料， 其中其中铂和和铜最常用。最常用。3

30、7技术教育铂热电阻铂热电阻l铂热电阻的阻的统一型号一型号为WZPWZP，其物理、化学性能，其物理、化学性能非常非常稳定，定，长期复期复现性最好，性最好， 测量精度高。量精度高。铂热电阻主要用作阻主要用作标准准电阻温度阻温度计。l国国际标准有准有Pt100Pt100， 测温范温范围为-200-200960960， 电阻温度系数阻温度系数为3.93.91010-3-3/，00时电阻阻值为100 100 。但。但铂在高温下，易受在高温下，易受还原性介原性介质污染，染，使使铂丝变脆并改脆并改变铂丝电阻与温度阻与温度间的关系，的关系， 因此使用因此使用时应装在保装在保护套管中。套管中。38技术教育铂热电

31、阻铂热电阻39技术教育铜热电阻铜热电阻l铜热电阻的阻的统一型号一型号为WZCWZC，其，其优点是价格便点是价格便宜、宜、纯度高、度高、 复制性好，复制性好，电阻温度系数阻温度系数为（4.254.254.284.28）1010-3-3/， 线性特性性特性仅次次于于铂和和银， 但比但比铂电阻有阻有较高的灵敏度，常高的灵敏度，常用来做用来做-50-50150150范范围内的工内的工业用用电阻温度阻温度计；其缺点是其缺点是电阻率阻率较低，容易氧化，低，容易氧化，为此只能用此只能用在在较低温度和没有水份及腐低温度和没有水份及腐蚀性的介性的介质中。中。l目前国目前国标规定的定的铜热电阻有阻有Cu50Cu5

32、0和和Cu100Cu100两种。两种。40技术教育铜热电阻铜热电阻41技术教育热电阻的引线形式热电阻的引线形式l内引内引线是是热电阻出厂阻出厂时自身具自身具备的引的引线，其功，其功能是使感温元件能与外部能是使感温元件能与外部测量及控制装置相量及控制装置相连接。接。l热电阻的外引阻的外引线有有两两线制、三制、三线制制及及四四线制制三三种，如种，如图所示。所示。42技术教育热电阻的引线形式热电阻的引线形式两线制两线制两线制两线制两线制热电阻测量电桥两线制热电阻测量电桥两线制热电阻测量电桥两线制热电阻测量电桥 当用两线制接法时，引出线电阻被接于电桥的一当用两线制接法时，引出线电阻被接于电桥的一当用两

33、线制接法时，引出线电阻被接于电桥的一当用两线制接法时，引出线电阻被接于电桥的一臂上，当环境温度或通过电流引起导线电阻变化时，臂上，当环境温度或通过电流引起导线电阻变化时，臂上，当环境温度或通过电流引起导线电阻变化时，臂上，当环境温度或通过电流引起导线电阻变化时，将产生附加电阻，引起测量误差。将产生附加电阻，引起测量误差。将产生附加电阻，引起测量误差。将产生附加电阻，引起测量误差。43技术教育热电阻的引线形式热电阻的引线形式三线制三线制三线制三线制三线制热电阻测量电桥三线制热电阻测量电桥三线制热电阻测量电桥三线制热电阻测量电桥 当用三线制接法时，具有相同温度特性的引出线当用三线制接法时，具有相同

34、温度特性的引出线当用三线制接法时，具有相同温度特性的引出线当用三线制接法时，具有相同温度特性的引出线电阻被接于电桥的相邻两臂上，当环境温度或通过电电阻被接于电桥的相邻两臂上，当环境温度或通过电电阻被接于电桥的相邻两臂上，当环境温度或通过电电阻被接于电桥的相邻两臂上，当环境温度或通过电流引起导线电阻变化时产生附加电阻自行平衡。流引起导线电阻变化时产生附加电阻自行平衡。流引起导线电阻变化时产生附加电阻自行平衡。流引起导线电阻变化时产生附加电阻自行平衡。44技术教育热电阻的引线形式热电阻的引线形式四线制四线制四线制四线制四线式测温电路需要采用线性好的恒流源电路，恒流源输出四线式测温电路需要采用线性好

35、的恒流源电路，恒流源输出2mA2mA的电流。的电流。R RT T两端电压通过两端电压通过R Rw2w2和和R Rw3w3直接输入由直接输入由A A1 1A A3 3构成构成的仪表放大器的输入端。的仪表放大器的输入端。45技术教育热电阻的引线形式热电阻的引线形式 从从A A2 2和和B B1 1两两点点来来看看，放放大大器器的的输入入阻阻抗抗非非常常高高，因因此此，流流经两两导线的的电流近似流近似为0 0，其，其电阻阻R Rw2w2和和R Rw3w3可忽略不可忽略不计。 R R1 1和和C C1 1及及R R2 2和和C C2 2构构成成低低通通滤波波器器, ,R Rw1w1和和R Rw4w4串

36、串联在在恒恒流流源源电路路中中，除除作作为电流流的的通通路路以以外外，还用用于于限限制制恒恒流流电路路和和放放大大器器的的工工作作电压范范围，与与A A2 2和和B B1 1端端子子间电位位差差无无关关，对测量量精度影响不大。精度影响不大。 测量量精精度度依依赖于于恒恒流流电路路输出出电流流的的调整整，调整整时若若无无实际使用的使用的传感器与感器与电缆，用适当的，用适当的电阻阻进行行调整即可。整即可。 46技术教育热敏电阻热敏电阻1. 1. 热敏敏电阻的阻的类型型热敏敏电阻可按阻可按电阻的温度特性、阻的温度特性、 结构、构、 形形状、状、 用途、用途、 材料及材料及测量温度范量温度范围等等进行

37、分行分类1 1） 按温度特性分按温度特性分类 热敏敏电阻按温度特性可分阻按温度特性可分为三三类：负温度系温度系数数热敏敏电阻（阻（NTCNTC）、正温度系数正温度系数热敏敏电阻阻（PTCPTC）和和临界界负温度系数温度系数热敏敏电阻（阻（CTRCTR）， 其其电阻温度特性如下阻温度特性如下页图所示。所示。 47技术教育热敏电阻热敏电阻48技术教育热敏电阻热敏电阻（1 1）负温度系数温度系数热敏敏电阻阻 简称称NTCNTC，型号用，型号用MFMF表示。在工作温度范表示。在工作温度范围内，内，电阻阻随温度上升而非随温度上升而非线性下降，温度系数性下降，温度系数为-(1-(16)%/6)%/，如上，

38、如上页图曲曲线1 1所示。所示。（2 2）临界界负温度系数温度系数热敏敏电阻阻 简称称CTRCTR。CTRCTR是一种开关型是一种开关型NTCNTC，在，在临界温度附近，界温度附近，阻阻值随温度上升而急随温度上升而急剧减小，如上减小，如上图曲曲线4 4所示。所示。 （3 3）正温度系数正温度系数热敏敏电阻阻 简称称PTCPTC，型号用，型号用MZMZ表示。在工作温度范表示。在工作温度范围内，其内，其电阻阻值随温度上升而非随温度上升而非线性增大。曲性增大。曲线2 2为缓变型，其型，其温度系数温度系数为0.5%/0.5%/8%/8%/，曲，曲线3 3为开关型，在居开关型，在居里点附近的温度系数可达

39、里点附近的温度系数可达10%/10%/60%/60%/。 49技术教育热敏电阻热敏电阻2 2） 按材料分按材料分类 热敏敏电阻按材料一般分阻按材料一般分为陶瓷、塑料、金陶瓷、塑料、金刚石、石、单晶、非晶晶、非晶热敏敏电阻等。阻等。 3 3） 按工作温度范按工作温度范围分分类 （1 1）低温）低温热敏敏电阻：工作温度低于阻：工作温度低于-55-55。 （2 2）常温）常温热敏敏电阻：工作温度范阻：工作温度范围为-55-55315315。 （3 3）高温）高温热敏敏电阻：工作温度高于阻：工作温度高于315315。 50技术教育热敏电阻热敏电阻51技术教育热敏电阻热敏电阻热敏敏电阻的阻的优点点：灵敏

40、度高灵敏度高，其灵敏度比，其灵敏度比热电阻要大阻要大1 12 2个数量个数量级；很好地与各种很好地与各种电路路匹配匹配，而且，而且远距离距离测量量时几几乎无需考乎无需考虑连线电阻的影响阻的影响；体体积小小；热惯性小，响性小，响应速度快速度快，适用于快速，适用于快速变化的化的测量量场合；合；结构构简单坚固固，能承受，能承受较大的冲大的冲击、振、振动。52技术教育热敏电阻热敏电阻热敏敏电阻的阻的主要缺点主要缺点： 阻阻值与温度的关系与温度的关系非非线性性严重重； 元件的元件的一致性差一致性差，互互换性差性差； 元件元件易老化易老化，稳定性定性较差差； 除特殊高温除特殊高温热敏敏电阻外，阻外，绝大多

41、数大多数热敏敏电阻阻仅适合适合0150范范围，使用，使用时必必须注意。注意。53技术教育5.2.3 热电式测温方法热电式测温方法、热电效效应、热电偶基本定律偶基本定律、热电偶冷端温度偶冷端温度误差及其差及其补偿、热电偶偶实用用测量量电路路54技术教育热电效应热电效应l热电效效应于于18211821年由年由SeebackSeeback发现的，故又称的，故又称为赛贝克效克效应。如。如图所示：所示：lA A、B B两种两种导体称体称为热电偶的偶的热电极。一端极。一端为工作端或工作端或热端（端（T T），），测温温时置于被置于被测温度温度场中；另一端中；另一端为参参考端或冷端（考端或冷端（T T0 0

42、），恒定在某一温度。），恒定在某一温度。l热电偶的偶的热电势由由接触接触电势和和温差温差电势两部分两部分组成。成。55技术教育热电效应热电效应56技术教育热电效应热电效应57技术教育热电效应热电效应结论：如果如果热电偶两材料相同，偶两材料相同，则无无论接点接点处的温度如何，的温度如何，总电势为零；零；58技术教育热电效应热电效应如果两接点如果两接点处的温度相同，尽管的温度相同，尽管A A、B B材料不同，材料不同，总热电势为零；零；热电偶偶产生的生的热电势只与材料、接点只与材料、接点处的温度有关，而的温度有关，而与材料的尺寸、几何形状无关；与材料的尺寸、几何形状无关；若若A A、B B材料确定

43、，材料确定，热电势E EABAB(T,T(T,T0 0) )是两接点温度是两接点温度T T和和T T0 0的的函数差函数差, ,即即 如果如果T T0 0保持恒定保持恒定, ,则f(Tf(T0 0)=C()=C(常数常数) )热电势E EABAB(T,T(T,T0 0) )只是工作端温度只是工作端温度T T的的单值函数。函数。59技术教育(1)(1)热电偶的热电偶的中间导体定律中间导体定律60技术教育(2)(2)连接导体定律与中间温度定律连接导体定律与中间温度定律61技术教育(2)(2)连接导体定律与中间温度定律连接导体定律与中间温度定律62技术教育(2)(2)连接导体定律与中间温度定律连接导

44、体定律与中间温度定律63技术教育(3)(3)标准电极定律标准电极定律64技术教育热电偶的温度误差及补偿热电偶的温度误差及补偿一、温度一、温度误差差 输出的出的热电势是被是被测温度的温度的单值函数，一般将函数，一般将T T作作为被被测温度端温度端,T,T0 0作作为固定冷端（或参考温度端），固定冷端（或参考温度端），通常要求通常要求T T0 00 0。 参考端的温度参考端的温度变化化, ,必然引起温度必然引起温度测量的量的误差差, ,因因此需要此需要进行行补偿。65技术教育热电偶的温度误差及补偿热电偶的温度误差及补偿66技术教育热电偶的温度误差及补偿热电偶的温度误差及补偿67技术教育热电偶实用测

45、量电路热电偶实用测量电路68技术教育热电偶实用测量电路热电偶实用测量电路69技术教育热电偶实用测量电路热电偶实用测量电路70技术教育热电偶实用测量电路热电偶实用测量电路71技术教育5.3 非接触式测温方法非接触式测温方法 非接触式非接触式测温方法温方法以物体的以物体的热辐射原理射原理为依据依据, ,因因此又称此又称为热辐射射测温法温法. . 1 1、任任何何物物体体温温度度高高于于绝对零零度度（-273.16-273.16 C C）时，都都将将有有热辐射射，温温度度越越高高，则发射射到到周周围空空间的的能能量量就就越多。越多。 2 2、辐射射能能以以波波动形形式式表表现出出来来，其其波波长的的

46、范范围极极广广，从从短短波波、x x光光、紫紫外外光光、可可见光光、红外外光光一一直直到到电磁波。磁波。 3 3、温温度度测量量中中主主要要是是可可见光光和和红外外光光，因因为此此类能能量量被被接接收收以以后后，多多转变为热能能，使使物物体体的的温温度度升升高高，所以一般就称所以一般就称为热辐射射。72技术教育辐射测温特点辐射测温特点l非接触非接触测量量 - - 不影响被不影响被测温度分布温度分布l响响应速度快：速度快：对高速运高速运动物体物体测温。温。l灵敏度高，能分辨微小的温度灵敏度高，能分辨微小的温度变化；化；l测量范量范围广广(-10(-1013001300 C)C)；l抗干抗干扰能力

47、能力强，无需修正。，无需修正。73技术教育一、热辐射基本定律一、热辐射基本定律( (一一) ) 基基尔霍夫定律霍夫定律( (二二) ) 斯忒潘斯忒潘玻耳玻耳兹曼定律曼定律( (三三) ) 普朗克定律普朗克定律( (四四) ) 维恩位移定律恩位移定律74技术教育( (一一) ) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律1 1、出射、出射辐射能与吸收射能与吸收辐射能的一致性射能的一致性辐通量通量：单位位时间内通内通过某一截面的某一截面的辐射能，又射能，又称称辐射功率，射功率，SI单位位为瓦。瓦。光光谱吸收率吸收率 ：-表示物体表示物体对辐射到射到其上的其上的辐通量可吸收的比例。通量可吸收的比例。式式中中 为被被物

48、物体体吸吸收收的的辐通通量量； 为照射到物体照射到物体单位面位面积上的上的辐通量。通量。75技术教育( (一一) ) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律l当当 时称称为黑体，能全部吸收黑体，能全部吸收辐射到其上能量的物体（理想）。射到其上能量的物体（理想）。l当当 时称称为非黑体，只能部分非黑体，只能部分吸收吸收辐射到其上能量的物体（射到其上能量的物体（实际）。）。l辐射出射度射出射度：从：从辐射源表面射源表面单位面位面积发射出的射出的辐通量称通量称为辐射出射度。射出射度。l单色色辐射出射度射出射度：某一特定波：某一特定波长的的辐射出射度射出射度称称为单色色辐射出射度。射出射度。76技术教育( (一一)

49、 ) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律热平衡时物体向四周的辐射功率等于它能吸收的功率。热平衡时物体向四周的辐射功率等于它能吸收的功率。物体的单色辐射出射度物体的单色辐射出射度 与单色吸收比与单色吸收比 的比值为一普适函数的比值为一普适函数与温度和波长有关。与温度和波长有关。77技术教育( (一一) ) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：在相同温度下，各种不同物体对相同在相同温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。78

50、技术教育( (一一) ) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律结论：结论：即：物体的即：物体的光谱发射率光谱发射率等于其等于其光谱吸收率光谱吸收率。吸收辐。吸收辐射能力强的物体，受热后向外辐射的能力也强。射能力强的物体，受热后向外辐射的能力也强。79技术教育( (二二) )斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律l斯忒潘斯忒潘玻耳玻耳兹曼定律描述物体曼定律描述物体辐射出射度与温射出射度与温度度间的关系。的关系。l温度温度为T T的的绝对黑体，黑体，单位面位面积元在半球方向上元在半球方向上所所发射的全部波射的全部波长的的辐射出射度射出射度 与温度与温度T T的四次方成正比。的四次方成正比。l对于非黑体的一般物体

51、于非黑体的一般物体80技术教育( (二二) )斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律l式中式中 为温度温度为T时全波全波长范范围的材料的材料发射率，也称射率，也称为黑度系数；黑度系数；l 为斯忒潘斯忒潘玻耳玻耳兹曼常数曼常数lT T为物体的物体的热力学温度。力学温度。l斯忒潘斯忒潘玻耳玻耳兹曼定律是曼定律是辐射式射式测温的理温的理论依据。依据。81技术教育（三）普朗克定律（单色辐射强度定律）（三）普朗克定律（单色辐射强度定律）式中，式中，cc光速；光速； hh普朗克常数，普朗克常数，6.6261766.6261761010-34-34J Js s； kk波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，1.38066

52、2441.380662441010-23-23J/KJ/K； C C1 1第一辐射常数，第一辐射常数，3.74183.74181010-16-16W Wm m2 2； C C2 2第二辐射常数，第二辐射常数，1.43881.43881010-12-12m mK K； TT绝对温度。绝对温度。温度为温度为T T的单位面积元的的单位面积元的绝对黑体绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长，在半球面方向所辐射的波长为为的辐射出射度为的辐射出射度为普朗克定律普朗克定律描述辐射能量在各波长上的分布关系描述辐射能量在各波长上的分布关系也可以用辐射亮度来表示也可以用辐射亮度来表示：82技术教育（四）维恩位移定律（

53、四）维恩位移定律l维恩位移定律描述最大恩位移定律描述最大辐射波射波长与温度的关系与温度的关系l热辐射光射光谱中包含着各种波中包含着各种波长，从，从实验可知，可知，物体峰物体峰值辐射波射波长 与物体自身的与物体自身的绝对温温度度T T成以下关系成以下关系83技术教育温度升高：温度升高：单单色色辐辐射射强强度度随随温温度度升升高高而增加；而增加；总辐射能量增加；总辐射能量增加；峰值波长减小。峰值波长减小。 每每一一条条曲曲线线下下的的面面积积表表示示该该温温度度下下物物体体辐辐射射能能量量的的总总和和，与与温温度度的的四四次次方成正比。方成正比。（四）维恩位移定律（四）维恩位移定律84技术教育二、

54、辐射温度计二、辐射温度计（一）全（一）全辐射温度射温度计 利利用用物物体体的的温温度度与与总辐射射出出射射度度的的关关系系来来测量量温温度度。根根据据斯斯忒忒潘潘一一玻玻耳耳兹曼曼定定律律总辐射射出出射射度度为：85技术教育二、辐射温度计二、辐射温度计l采用敏感元件采用敏感元件测量出量出辐射功率的大小，就可以射功率的大小，就可以测量出量出被被测对象的温度；象的温度；l主要由光学系主要由光学系统、辐射接收器、射接收器、测量量仪表和表和辅助装置助装置组成；成；l可用于可用于测量量-50-50200020000 0C C的高温；的高温；l对物体黑度系数的估物体黑度系数的估计偏差会偏差会给仪表表带来来

55、误差；差；l环境温度的境温度的变化也会使化也会使仪表表产生生误差。差。86技术教育87技术教育二、辐射温度计二、辐射温度计l被被测物与物与仪表之表之间的距离要的距离要满足距离系数要求：足距离系数要求：L/DL/D（传感器前端面到被感器前端面到被测对象表面的距离与象表面的距离与被被测对象的有效直径之比）象的有效直径之比）进行正确瞄准，使行正确瞄准，使目目标的像充的像充满接收器，不能偏离，否接收器，不能偏离，否则也会也会产生生误差。差。l应该注意：注意：仪表是以表是以绝对黑体黑体辐射功率与温度射功率与温度的关系分度的，而的关系分度的，而实际使用使用时，被，被测物体并不物体并不是黑体，是黑体，这样测

56、出的温度自然要低于被出的温度自然要低于被测物体物体的的实际温度。温度。这个温度被称个温度被称为 “辐射温度射温度”。88技术教育二、辐射温度计二、辐射温度计T T和和T TF F分别为物体的分别为物体的真实温度真实温度和和辐射温度辐射温度； T T为温度为温度T T时物体全辐射的发射率。因为非黑体时物体全辐射的发射率。因为非黑体T T11，则，则T TF FTT。89技术教育二、辐射温度计二、辐射温度计 ( (二二) )部分部分辐射温度射温度计 为提高提高仪表的灵敏度，表的灵敏度，热敏元件不采用敏元件不采用热电堆，而采用光堆，而采用光电池、光敏池、光敏电阻以及其它阻以及其它的一些的一些探探测元

57、件元件，这些元件和些元件和热电堆相比具堆相比具有光有光谱选择性，它性，它们仅能能对某一波某一波长范范围的的光光谱产生效生效应。因此它。因此它们对测量的要求是，量的要求是，只能使工作光只能使工作光谱仅限于一定的光限于一定的光谱范范围内。内。我我们称此称此类辐射温度射温度计为部分部分辐射温度射温度计。90技术教育三、亮度温度计三、亮度温度计l亮度温度亮度温度计是利用物体在不同温度下是利用物体在不同温度下辐射的射的单色光亮度不同原理而色光亮度不同原理而测温的。温的。l根据普朗克定律根据普朗克定律l亮度温度亮度温度计有有2种种类型：型：灯灯丝隐灭式光学温度式光学温度计和和光光电亮度温度亮度温度计（用光

58、敏元件代替人眼，（用光敏元件代替人眼，实现自自动测量量 ）。）。91技术教育灯丝隐灭式光学温度计（示意图）灯丝隐灭式光学温度计（示意图）优优点点：结结构构简简单单，使使用用方方便便，测测温温范范围围广广（700-3200700-3200），一般可满足工业测温的准确度要求。一般可满足工业测温的准确度要求。缺缺点点：人人眼眼观观察察，并并需需用用手手动动平平衡衡，因因此此不不能能实实现现快快速速 测量和自动记录，且测量结果带有主观性。测量和自动记录，且测量结果带有主观性。 将将物物体体辐辐射射的的单单色色亮亮度度和和仪仪表表内内部部的的高高温温灯灯泡泡灯灯丝丝亮亮度度比比较较。利利用用调调节节电电

59、阻阻来来改改变变高高温温灯灯泡泡的的工工作作电电流流，当当灯灯丝丝的的亮亮度度与与被被测测物物体体的的亮亮度度一一致致时时，灯灯泡泡的的亮亮度度就就代代表表了了被被测测物物体的亮度温度。体的亮度温度。92技术教育四、颜色温度计四、颜色温度计l颜色温度色温度计：通：通过两个光两个光谱能量比的方法能量比的方法测量量温度，所以也称温度，所以也称为比色温度比色温度计。l用用这种方法种方法测量非黑体温度量非黑体温度时得到的得到的“颜色温色温度度” ：绝对黑体黑体辐射的两个波射的两个波长 和和 的亮度比等于非黑体的相的亮度比等于非黑体的相应亮度比亮度比时，绝对黑黑体的温度就称体的温度就称为这个非黑体的个非黑体的颜色温度色温度TC。93技术教育四、颜色温度计四、颜色温度计根据根据热辐射体的光射体的光谱发射率与波射率与波长的关系特性，的关系特性，颜色温度可以小于、等于或大于真色温度可以小于、等于或大于真实温度。温度。94技术教育