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1、3 温度测量及仪表温度测量及仪表课件3.1 温度、温标的概念及测量方法温度测量及仪表课件温度的概念(1) 温度是一个基本独立量,是ISO七个基本单位之一(2) 直观上看,温度是表征冷热程度的参数(3) 从热力过程看,温度是决定一个系统是否与其它系统处于热平衡状态的宏观性质(4) 从微观上看,温度是物体内部分子无规则运动剧烈程度的标志温度测量及仪表课件测温原理选择以合适的物体作为敏感元件，其某一物理性质随温度而变换的特性已知。敏感元件与被测物体发生热交换当热交换达到平衡时，敏感元件反映出被测物体的温度特征根据热交换的方式，可以划分为接触温度测量与非接触温度测量两大类。温度测量及仪表课件接触测温敏
2、感元件直接与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换，直观可靠。必须与对象接触，容易引起被测温场的分布，破坏对象热平衡，存在置入误差。接触不充分时，易出现误差测量环境对元件的寿命有影响温度测量及仪表课件接触测温仪器热胀冷缩原理：玻璃温度计、压力式温度计、双金属温度计热电效应：热电偶电阻效应：铂、铜热电阻，热敏电阻半导体性能：集成温度传感器晶体频率：石英晶体温度计光纤：光纤温度传感器温度测量及仪表课件非接触测温仪器光纤：光纤辐射温度计辐射能量的大小：辐射温度计单色亮度与温度的关系：亮度温度计两个波长亮度随温度变化的关系：比色温度计温度测量及仪表课件非接触测温敏感元件与被测对象不接触，依靠对流或辐射
3、方式进行热交换响应快，不破坏温度场，对被测对象干扰小便于对运动物体进行测量和强电磁干扰、强腐蚀的场合可以用扫描方式测量温度场分布温度测量及仪表课件温标不同的敏感元件、不同的温度范围，物理特性随温度的变换是不相同的。温标就是建立一个衡量温度的标准，规定温度的起点及其基本单位。温标包含实现方法、使用元件、特性曲线等内容。温度测量及仪表课件国际实用温标华氏：冰32F，水沸点212F，中间分180份摄氏：冰0C，水沸点100C，中间分100份国际实用温标：协议温标，由固定点、内插标准仪器和内插公式三部分组成(1) 水的三相点为热力学温度的1/273.16(2) 每一摄氏度与每一开尔文的量值相同，t90
4、=T90-273.15温度测量及仪表课件温标的传递(1) 各国根据国际温标的规定，建立自己的国家基准(2) 各地区保存次级标准，定期到国家基准检定(3) 给企业、部分对自己的产品建立温度标定方法，定期与计量部门核准(4) 在进行计量鉴定时，往往采用比较法温度测量及仪表课件3.2 热电偶温度计3.2.1 热电偶测温原理(1) Peltier效应两种不同电子密度的导体接触在一起时，接点出会发生电子扩散，电子密度大的导体因失去电子而带正电，电子密度小的导体因得到电子而带负电。扩散稳定后形成的电势除与材料有关外，还与接点温度有关。温度测量及仪表课件Peltier效应k玻尔兹曼常数(1.3810-23J
5、/K)e电子电荷(1.60210-19C)温度测量及仪表课件(2) Thomson效应同一金属，当两端温度不同时，温度高的一端因电子动能高会向温度低的一端扩散而带正电。温度测量及仪表课件热电效应结论(1) 产生热电势的条件是两种不同的导体材料构成回路，两端接点处温度不同(2) 热电势大小只与材料、温度有关(3) 当材料确定以后，热电势只与温度有关。当T0恆定时，只与测量点的温度有关。温度测量及仪表课件3.2.2 热电偶的应用定律(1) 均质导体定律(2) 中间导体定律 在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端的温度相同，对热电偶回路的总电势值没有影响。(3) 中间温度定律温度测量及仪表课
6、件3.3 常用热电偶温度测量及仪表课件对热电极材料的要求(1) 热电性能稳定,不随时间和被测对象而变化(2) 物理化学性能稳定,不易氧化和腐蚀,耐辐射(3) 有足够的灵敏度(4) 热电特性接近单值线性或近似线性(5) 电导率高,电阻温度系数小(6) 机械性能好,价格便宜温度测量及仪表课件工业热电偶分类及性能温度测量及仪表课件高温热电偶铂、铂铑系列测温范围宽、特性稳定。测量精度高，可用于精密测量在高温时性能稳定，可以长期工作在高温环境热电势小，非线性大价格贵温度测量及仪表课件低温热电偶铜-康铜温度范围-200 400 测量精度高、温度性好低温时有较高灵敏度0以上时铜为正，0以下时康铜为正0 10
7、0 为二等标准热电偶，用来检定其它低温热电偶温度测量及仪表课件低温热电偶镍铬-金铁、铜-金铁低温时灵敏度高性能稳定主要用于超导、宇航、受控核反应等温度测量及仪表课件廉价热电偶镍基系列性能稳定、热电势大热电特性好、复现性好高温下抗氧化能力强耐辐射使用范围宽、应用广泛。温度测量及仪表课件热电偶的结构形式普通热电偶：为装配式结构，由热电极、绝缘管、保护套和接线盒组成。热容大，对温度的响应慢铠装热电偶：将热电偶丝、绝缘材料、保护管组合装配后，经拉伸加工而成。热容小，反映快，挠性好，可弯曲，可安装在负责结构的测量场合。温度测量及仪表课件冷端温度处理(1) 补偿导线法 选用与热电偶具有相同热电势-温度特性
8、的导线与热电偶配套使用。(2) 参比端温度测量计算法 用补偿导线将冷端温度移到室外常温环境，测量环境温度进行补偿(3) 冷端恒温(4) 补偿电桥法。温度测量及仪表课件3.4 热电阻测温原理：金属或导体的电阻随温度变化而变化(温度每升高1度，金属电阻增加0.40.6%，半导体电阻减小26%)优点：测量精度高，温度性能稳定，复现性好测量范围大，尤其在低温测量方面信号可以远传、灵敏度高无需参比温度温度测量及仪表课件热电阻材料选择有尽可能大、稳定的温度系数电阻率要大，以便在同样灵敏度下，可以制成小尺寸的元件，减小测温热惯性在测温范围内物理化学性能稳定复现性好与温度为单值连续关系，最好是线性或平滑特性温
9、度测量及仪表课件铂电阻性能极为稳定，耐氧化能力强易于提纯，复现性好电阻率高，工艺性好，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔测温范围宽(-200850)价格贵温度系数小真空和还原气氛会导致电阻值飘移温度测量及仪表课件铂电阻有10和100 两种规格(Pt10、Pt100)t0时 R(t)=R0(1+At+Bt2) t0时 R(t)= R0(1+At+Bt2 +Ct3(t-100) A=3.908310-3/ B=-5.77510-7/2 C=-4.18310-12/4 温度测量及仪表课件铜电阻温度范围：-50150线性温度系数：Rt=R0(1+at)温度系数比铂高： 4.25 4.28 10-3/易得到
10、纯态，加工性能好价格低电阻率低、体积大，热响应慢 温度测量及仪表课件铜电阻有50和100 两种规格(Cu50、Cu100)R(t)=R0(1+At+Bt2 +Ct3)A=4.2889910-3/ B=-2.13310-7/2 C=1.233310-9/3温度测量及仪表课件热电阻的结构普通型：感温元件、内引线、绝缘套管、接线盒。电阻线要用无感绕法铠装：铠装电缆作为保护管、绝缘物、内引线，前端与感温元件连接，外部焊接保护管温度测量及仪表课件热电阻的引线方式温度测量及仪表课件热敏电阻的特性温度测量及仪表课件热敏电阻的特点电阻温度系数大，为金属的几十倍电阻值高，引线电阻对测温没有影响体积小、热响应快结
11、构简单可靠，价格低廉化学性能稳定、寿命长互换性差温度测量及仪表课件3.5 集成温度传感器DS18B20DS18B20是美国达拉斯半导体公司生产的新型温度检测器件单一总线接口，只需一条通讯/控制线可以通过数据线供电测温范围-55+125,在-10+85时分辨率达0.5 温度值可在912Bit之间选择，转换12Bit最多需要750ms可设置高低温报警片内固化着不同的地址序列号,可多片共用一条通讯线 温度测量及仪表课件DS18B20的封装温度测量及仪表课件DS18B20的结构温度测量及仪表课件DS18B20的供电温度测量及仪表课件DS18B20温度测量操作分辨率：可通过程序配置为9、 10、 11、
12、12 (默认)bits，分别对应温度为 0.5C、 0.25C、0.125C、 0.0625C. 温度测量：在发送转换 T 44h 命令后开始温度测量，测量结果存放在缓冲区内，为带符号的16bit数据。测量结束后可以通过1-Wire 总线设置读缓冲区命令BEh 读取测量结果。数据格式:通过 1-Wire 总线读温度数据时，低位在前、高位在后，符号在高位。温度测量及仪表课件DS18B20温度数据的格式温度测量及仪表课件DS18B20的地址控制每个 DS18B20包含了一个唯一的64-bits ROM 代码，其中前 8 bits 是 1-Wire系列的产品代码 (DS18B20 的代码为 28h)
13、. 接下来的 48 bits 是一个唯一的序列号，最后8 bits是前 的CRC64-bit ROM 及ROM 功能控制代码 使DS18B20 可以实现 1-Wire 功能。只有满足ROM功能协议的DS18B20才可以相应操作。 工作时，1-Wire 主机必须先发送下列命令之一： 1) Read ROM, 2) Match ROM, 3) Search ROM, 4) Skip ROM, or 5) Alarm Search. 在ROM命令结束后，命令制定的DS18B20可以响应控制主机的操作，主机可以进行常见的存储器控制操作温度测量及仪表课件ROM功能操作流程温度测量及仪表课件DS18B20
14、的存储器温度测量及仪表课件DS18B20的配置存储器温度测量及仪表课件DS18B20的硬件配置主机要能驱动总线上的所有DS18B20DS18B20的数据线为集电极开路输出DS18B20的数据线平时应为高电平，当为低电平的时间超过480us时，DS18B20会自动复位温度测量及仪表课件DS18B20的温度测量流程初始化ROM命令MEMORY命令数据传输温度测量及仪表课件DS18B20的初始化所有的操作必须以初始化开头初始化过程由主机发送复位脉冲开始，初始化后从机会发出响应信号连接的DS18B20通过响应信号告诉DS18B20已准备好，可以开始工作温度测量及仪表课件DS18B20的ROM功能主机机
15、检测到有DS18B20从机时，随时可以发送ROM命令。一个ROM命令为1个字节。读ROM命令33h 读64bit产品号、序列号、CRC，只能在总线只有一个DS18B20时使用温度测量及仪表课件DS18B20的ROM匹配命令命令字为55h主机通过发送64bit的数据选择需要控制的DS18B20，只有ROM数据完全与发送的数据相同的DS18B20才能响应后续的命令与64bit数据不匹配的DS18B20必须等待下一个复位脉冲到来后才能再次工作温度测量及仪表课件DS18B20的忽略ROM命令命令字为CCh主机通过发送该命令后，总线上的所有DS18B20都可以响应后面的存储器指令，对只有一个DS18B2
16、0的系统来说，可以节省时间当有多个DS18B20时，忽略ROM后的读操作会发生总线干涉温度测量及仪表课件DS18B20的ROM搜索命令命令字为F0h新装系统时，主机不知道有多少个DS18B20，也不知道它们的ROM地址，必须通过ROM搜索命令来获取。例：有四个DS18B20，地址分别为：ROM1 00110101.ROM2 10101010.ROM3 11110101.ROM4 00010001.温度测量及仪表课件DS18B20的ROM搜索过程(1) 主机发送复位脉冲，从机响应，主机知道有DS18B20在总线上(2) 主机发送ROM搜索命令，启动搜索过程(3) 主机读数据总线上的数据，这时候所
17、有的从机会回应，都把第1位数据放到数据总线上。主机读到的是所有从机的第1位数据“与”0。主机再读数据总线上的数据，这时候，所有的从机会把第1位数据求反后放到数据总线上。主机读到的数据有以下情况：00 本位为0和1的从机都有01 所有的从机本位为010 所有的从机本位为011 没有从机在总线上温度测量及仪表课件DS18B20的ROM搜索过程(4) 主机写“0”，表示只有本位为0(ROM1/4)的从机继续响应下面的搜索(5) 主机再连续读两次，得到“0”和“1”，表明ROM1/4的第2位都是0(6) 主机写“0”，继续保持对(ROM1/4)的搜索(7)主机再连续读两次，得到“0”和“0”，表明总线
18、上的从机地址的第3位有的为0，有的为1(8) 主机写“0”，只保留ROM4继续响应下面的搜索(9) 主机继续读ROM4的后续位，完成任务第1遍的搜索，找到总线上的一个DS18B20的ROM地址温度测量及仪表课件DS18B20的ROM搜索过程(10) 主机主机启动一次新的搜索，从步骤1做到7(11) 主机写“1”，只保留ROM1继续响应下面的搜索(12) 主机继续读ROM1的后续位，完成任务第2遍的搜索，找到总线上的又一个DS18B20的ROM地址(13) 主机主机启动一次新的搜索，从步骤1做到3(14) 主机写“1”，继续保持对(ROM2/3)的搜索(15)主机再连续读两次，得到“0”和“0”
19、，表明总线上的从机地址的第2位有的为0，有的为1(16) 主机写“0”，只保留ROM2继续响应下面的搜索(17) 主机继续读ROM2的后续位，完成任务第3遍的搜索，找到总线上的又一个DS18B20的ROM地址温度测量及仪表课件DS18B20的ROM搜索过程(18) 主机主机启动一次新的搜索，从步骤1做到15(19) 主机写“1”，只保留ROM3继续响应下面的搜索(20) 主机继续读ROM3的后续位，完成任务第4遍的搜索，找到总线上的最后一个DS18B20的ROM地址温度测量及仪表课件DS18B20的信号时序DS18B20需要严格的信号通讯协议，以确保数据的完整性信号时序包括：复位脉冲、确认存在
20、脉冲、写1、写0、读1、读0任何通讯过程必须以初始化时序开始，复位脉冲后出现的确认存在脉冲表明DS18B20已经做好准备，可以开始通讯。温度测量及仪表课件DS18B20复位时序图温度测量及仪表课件DS18B20写时序图温度测量及仪表课件DS18B20读时序图温度测量及仪表课件DS18B20的读、写缓冲区命令命令字为：写4Eh，读BEH写命令用来写TH、TL和CONFIG，三个字节的数据紧跟在命令字后读命令用来用缓冲区的9字节数据，读的时候应连续把9个单元的内容依此读完，若中途退出，必须在退出后发送一个复位信号温度测量及仪表课件DS18B20的缓冲区复制命令命令字为48H该命令把TH、TL写到E
21、EPROM中在写的过程中若主机读总线，将一致是0，复制结束后才回到1。若采用数据线供电，在发送完本命令后，数据总线应立即保持高电平10ms以上温度测量及仪表课件DS18B20的温度测量命令命令字为44H该命令发送后不需要其它信息，DS18B20开始温度测量在测量过程中若主机读温度，数据总线将一致是0，测量结束后才回到1。若采用数据线供电，在发送完本命令后，数据总线应立即保持高电平，其时间不得小于不同分辨率测量需要的时间温度测量及仪表课件DS18B20的温度测量过程发送ROM命令，选择需要测量的点启动温度测量读缓冲区，获取温度信息温度测量及仪表课件DS18B20复位控制程序rstDS3: JNB
22、 DS18B20,rstDS4 ;1T(0.5us) DJNZ B,rstDS3 ;2T(1us) SETB C SJMP rstDS_End ;300us内无反应说明无DS18B20 rstDS4: MOV B,#150 CLR CrstDS5: JB DS18B20_IN,rstDS_End ;2T(1us) DJNZ B,rstDS5 ;2T(1us) SETB C ;300us内总线未释放则有故障 SJMP rstDS_EndrstDS_End: SETB EA POP ACC POP B RET;复位DS1820B ;24MHz晶振 ;出口 C=0:成功, C=1:失败RESET_D
23、S18B20: PUSH B PUSH ACC CLR DS18B20 ;产生DS18B20复位低电平 CLR EA MOV B,#100 DJNZ B,$ MOV B,#250 DJNZ B,$ MOV B,#250 DJNZ B,$ ;低电平保持600us SETB DS18B20 ;释放DS18B20总线 MOV B,#40rstDS1: JB DS18B20,rstDS2 ;2T(1us) DJNZ B,rstDS1 ;2T(1us) SETB C ;若80us内总线未变高则复位失败 SJMP rstDS_EndrstDS2: MOV B,#200温度测量及仪表课件DS18B20写数据
24、位程序 ;写DS18B20数据位程序 ; C 要写的数据位WRBIT_DS18B20: PUSH B CLR EA CLR DS18B20 MOV B,#5 DJNZ B,$ ;数据总线先保持低电平5us MOV DS18B20,C ;送出数据 MOV B,#60 DJNZ B,$ ;数据总线保持60us SETB DS18B20_IN ;释放数据总线 SETB EA POP B RET温度测量及仪表课件DS18B20写数据字节程序 ;写DS18B20数据字节程序; A 要写的数据WRBYTE_DS18B20: PUSH B MOV B,#8wrByteDS1: RRC A LCALL WRB
25、IT_DS18B20 DJNZ B,wrByteDS1 POP B RET温度测量及仪表课件DS18B20读数据位程序 ;读DS18B20数据位程序 ;出口：C 读到的数据位RDBIT_DS18B20: PUSH B CLR EA CLR DS18B20 MOV B,#4 DJNZ B,$ ;数据总线先保持低电平4us SETB DS18B20_IN ;释放数据总线 NOP NOP NOP NOP MOV C,DS18B20_IN ;读取数据 MOV B,#60 DJNZ B,$ ;延时60us SETB EA POP B RET温度测量及仪表课件DS18B20读数据字节程序 ;读DS18B2
26、0数据字节程序 ;入口：PSW.1=0: 从DS18B20_IN读DS18B20 ;出口：A 读到的数据RDBYTE_DS18B20: PUSH B MOV B,#8rdByteDS1: LCALL RDBIT_DS18B20 RRC A DJNZ B,rdByteDS1 POP B RET温度测量及仪表课件DS18B20初始化程序 ;初始化DS18B20_InitDS18B20:MOV B,#2init18B20_1: LCALL RESET_DS18B20 ;复位DS18B20 MOV A,#0CCH LCALL WRBYTE_DS18B20 ;忽略DS18B20 ROM地址 MOV A,
27、#4EH LCALL WRBYTE_DS18B20 ;准备写DS18B20寄存器 MOV A,#0 LCALL WRBYTE_DS18B20 ;写TH MOV A,#0 LCALL WRBYTE_DS18B20 ;写TL MOV A,#1FH LCALL WRBYTE_DS18B20 ;选择9Bit数据格式 LCALL RESET_DS18B20 ;复位DS18B20DJNZ B,init18B20_1 RET温度测量及仪表课件DS18B20读温度程序;读DS18B20温度程序;出口：A 读到的温度RD_DS18B20: LCALL RESET_DS18B20 MOV A,#0CCH LCAL
28、L WRBYTE_DS18B20 MOV A,#44H LCALL WRBYTE_DS18B20 ;启动温度测量 MOV A,C10ms ADD A,#75rd18B20_1: CJNE A,C10ms,rd18B20_1 ;等待测量结束(750ms) LCALL RESET_DS18B20 ;复位DS18B20 MOV A,#0CCH LCALL WRBYTE_DS18B20 ;忽略DS18B20 ROM地址 MOV A,#0BEH LCALL WRBYTE_DS18B20 ;准备读暂存寄存器 LCALL RDBYTE_DS18B20 ;读温度低字节 MOV B,A LCALL RDBYTE
29、_DS18B20 ;读温度高字节 LCALL RESET_DS18B20 ;复位DS18B20 SWAP A ANL A,#70H ;取D6D5D4 XCH A,B SWAP A ANL A,#0FH ;取D3D2D1D0 ORL A,B RET温度测量及仪表课件3.6 辐射测温仪表普朗克定律斯第芬-波尔兹曼定律维恩位移定律温度测量及仪表课件辅射测温仪表组成温度测量及仪表课件全辐射温度计原理:系统组成：光学系统、辐射接收器、测量仪表、辅助装置特点： 传感器对光谱没有选择，如热敏电阻测量范围：7002000 注意事项：测量距离、黑度、中间介质、环境温度温度测量及仪表课件亮度温度计理论原理：采用平衡法，测量某一波长下物体辐射亮度的变化特点：采用平衡法，精度高平衡过程的处理：手动/自动温度测量及仪表课件比色温度计原理：类型：单通道、双通道、色敏型测量范围：5503200温度测量及仪表课件表观温度与真实温度表观温度：黑体，真实温度：物体表面亮度温度：辐射温度：比色温度温度测量及仪表课件3.7 光纤温度传感器功能型与非功能型光纤传感器液晶光纤传感器：精度0.1，范围-50250 荧光光纤传感器：范围-50200 半导体光纤传感器：光纤辐射温度传感器：范围2004000 ，精度0.01温度测量及仪表课件
