第11章温度测量技术.ppt

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1、2019/4/6,1,学习内容 1 测温法分类及仪器设备 2 电阻温度计 3热电偶的原理、分类、基本定律、温度补偿,11.1 概述 温度是用来定量地描述物体冷热程度的物理量，温度是建立在热平衡基础上的。 人类一直在探索如何测量温度。 人体是一种测温仪: 精度低 量程小,2019/4/6,3,11.1 概述,缺点: 受气压影响,最早使用仪器来测量温度的是伽里略 1592年底，伽里略发明了第一个用来测量温度的仪器。,2019/4/6,4,1624年温度计第一次正式在文献里出现。 1654年意大利的一个公爵费迪南德二世做成了一个真正不受气压影响的温度计,开尔文、牛顿等建立了各种温标: 绝对温标、摄氏

2、温标、华氏温标,11.1 概述,2019/4/6,5,接触式测温 基于热平衡原理，即测温敏感元件必须与被测介质接触，使两者处于同一热平衡状态。 如水银温度计、热电偶温度计、电阻温度计。,温度测量方法可分为： 接触式、非接触式,11.1 概述,非接触式测温 利用物质的热辐射原理，测温元件不需与被测介质接触。 如:辐射温度计、红外热象仪等。,2019/4/6,6,(本课程主要介绍接触式测温原理及方法) 热电式传感器: 将温度变化转换为电量变化的装置较普通的热电式传感器将温度量转换为电势和电阻 常用热电式传感器的敏感元件有： 热电偶、热电阻 热电偶：将温度转换为电势之变化 热电阻：将温度转换为电阻阻

3、值之变化,11.1 概述,2019/4/6,7,11.2 电阻温度计,电阻温度计原理 基于导体或半导体 的电阻值随温度变化的 性质而工作的。 测温敏感元件有: 金属导体 半导体热敏电阻。,2019/4/6,8,一、金属测温电阻(金属热电阻) 一般金属导体具有正的电阻温度系数（电阻率随温度的上升而增加），在一定的温度变化范围内，电阻和温度之间的函数关系：,其中： R、R0分别表示温度为t和t0时的电阻值; 为材料的电阻温度系数，=(46)10-3/0C。 在不同温度范围内，电阻温度系数是不同的，希望在测量温度的范围内是一个常数。,11.2 电阻温度计,2019/4/6,9,热电阻材料应具备以下性

4、质： 1）电阻温度系数要大； 2）在测量范围内，材料的物理、化学性质稳定； 3）电阻率要大，可提高温度计的动态响应； 4）电阻温度关系线性好； 5）材料要容易制作，价格便宜。 常用材料有：铂、铜、铁、镍等。 热电阻的制作是用上述金属的细丝绕在云母、石英或陶瓷等绝缘支架上。,11.2 电阻温度计,2019/4/6,10,热敏电阻是由金属氧化物(NiO,MnO2,CuO,TiO2)粉末按一定比例混合烧结而成的半导体。 常用的热敏电阻的阻值随温度 上升而下降,T是绝对温度(K)；A、B是常数。 电阻温度系数：单位温度变化所引起的电阻的相对变化,二、半导体热敏电阻,2019/4/6,11,半导体热敏电

5、阻的电阻温度系数不是常数，而和绝对温度的平方成反比。 当T=T0时有电阻R0；当T=T时有电阻R,（1）,（2）,2019/4/6,12,电阻值R与温度T的关系：,常数B可通过实验获得： (即只要测定温度分别为T1和T0时半导体的热敏电阻的阻值R1和R0),(B的范围一般为150050000K),2019/4/6,13,半导体热敏电阻与金属热电阻相比, 有以下优点： 1）温度系数的绝对值较热电阻大，灵敏度高，可测0.0010.00050C的微小温度变化； 2）电阻率大，时间常数小(毫秒级)。可制成体积小、热惯性小、响应速度快的感温元件。 半导体热敏电阻缺点： 1）电阻温度特性分散性大； 2）稳

6、定性差； 3）非线性较严重。,2019/4/6,14,三、电阻测定 1.测量方法 可采用电桥测定热电阻的电阻值 2.常用电桥测热阻存在的问题(二线接桥法),注意：将热电阻接到电桥的导线会产生附加电阻r1、r2，这是产生测量误差的一个重要原因。,3.采取的技术措施 (可采用三线接桥法及四线接桥法),11.2 电阻温度计,用具有相同温度特性的导线r1、r2分别接到两个邻臂上，因而可互相抵消，而第三根线与负载电阻 相串联，由于负载的输入阻抗都很大，r3则可忽略不计。,2019/4/6,16,11.3 热电偶,热电偶：将温度量转换为电势大小的热电式传感器 热电偶具有以下特点： 结构简单，使用方便，精度

7、高，热惯性小，可测局部温度和便于远距离传送与集中检测。,2019/4/6,17,11.3 热电偶,一、工作原理(席贝克效应) 两种不同材料的导体A和B串联起来形成一个闭合回路，如果两个接合点的温度不同，电路中将产生热电势，并形成热电流。 热电势的大小与材料的性质及接点的温度有关，称为温差热电效应或热电效应，该现象是1821年德国物理学家Secback发现的。 热电势可用函数关系式表示： EAB=f(T,T0) 若知道EAB, T0, 即可利用热电效应来测温或温度差。,2019/4/6,18, 定义：这两种不同导体的组合体称为热电偶。, 两个连接端点,一个称为工作端T,另一个称为自由端或参考端T

8、0或冷端,两根金属丝称之为热电极。,11.3 热电偶,2019/4/6,19,温差电势是如何产生的？ 温差电势是由两种导体的接触电势（珀耳贴电势）与同一种导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成的。,11.3 热电偶,2019/4/6,20,1.接触电势（珀耳贴电势） 不同导体自由电子的密度是不同的,当两种不同导体接触时,在接触面上将产生电子扩散,电子扩散的速率与自由电子的密度及接触区的温度成正比。,11.3 热电偶,2019/4/6,21,11.3 热电偶,接触面上金属A的电子扩散到B，A失去电子带正电，B因获得电子带负电，在接触面上形成了静电场，这个静电场将阻止扩散过程的进行，当自由电子密度的不

9、同引起的扩散能力与静电场的作用相互抵消时，达到了动平衡，在接触面上形成一个稳定的接触电位差。,自由电子密度 nAnB,2019/4/6,22,EAB(T)为导体A和B的接点在温度为T时形成的电位差 。其中： e 电子的电荷 e=1.610-19库仑 k 波尔兹曼常数 k=1.3810-23(焦耳/库仑) EAB(T)和连接点的温度T有关，因此当两种金属接成闭合回路而连接点的温度又不同时，回路中将形成接触电势。,11.3 热电偶,2019/4/6,23,2. 同一种金属的温差电势（汤姆逊电势）,在同一导体中，存在温度梯度时，会产生温差电势。 两端的温度不一致时，高温端的自由电子具有的动能大，向低

10、温端扩散，跑到低温端去堆积起来，在导体内形成一个静电场，阻止电子扩散，当两者的作用相互抵消时，在导体两端就形成一个稳定的电位差。,11.3 热电偶,2019/4/6,24,作为热电偶的材料应具备以下特性： 1）物理性能稳定，能在较宽的温度范围内使 用，热电性质不随时间变化； 2）化学性能稳定，不易被氧化或腐蚀； 3）灵敏度要高，且有近似的线性关系； 4）电导率高，电阻温度系数小； 5）材料的复制性和工艺性能良好。,11.3 热电偶,2019/4/6,25,二、热电偶的基本实验定律 1.均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论回路中是否存在温度梯度，都不会产生热电势。 它说明： 热电偶必

11、须由两种不同性质的热电极组成； 提供了一种检查热电极材料均匀性的办法。,11.3 热电偶,2019/4/6,26,2.热电势定律 热电偶的热电势只和接点温度有关,而和其它部位的温度无关。 它说明： 用热电偶测温时，只需要关注接点温度，其他部位以及引线所处的温度环境，都不会影响测量结果。,11.3 热电偶,2019/4/6,27,3.中间导体定律 在热电偶回路中加入第三种均质材料，只要它的两个接点温度相同，则对回路的热电势没有影响。 它说明： 第三种均质材料可以是接在两个热电极之间，也可接在某个热电极之中，因此在用热电偶测温时，只要保证热电偶和连接后续测量电路或仪表的引线的两个接点温度相同，接入

12、电路或仪表都不会影响热电势的数值。,11.3 热电偶,2019/4/6,28,4.标准电极定律(参考电极定律) 有三种金属A、B、C两两相接，当接点温度分别为T1和T2时，金属A和C的热电势为EAC，金属C和B的热电势为ECB，则金属A和B的热电势： EAB=EAC+ECB,11.3 热电偶,2019/4/6,29,5.中间温度定律 某热电偶接点温度为T1和T2时的热电势为E1，接点温度为T2和T3时的热电势为E2，则当接点温度为T1和T3时的热电势为E1+E2。,11.3 热电偶,2019/4/6,30,该定律的两点启发： 1）热电偶的分度都是在冷端为00C的条件下制定的，当冷端温度不是零度

13、时，也可使用该分度表。 如用铜-镍热电偶测定某未知温度，冷端温度取200C，测得的热电势E2为6.418mV，而当接点温度为200C和00C时可查表得热电势为E1=0.789 mV，则接点温度为00C和未知测量温度时有E3=E1+E2=7.207 mV，由此可查出响应的温度值为1600C,11.3 热电偶,2019/4/6,31,2）使用补偿线法 为使热电偶冷端温度保持不变，不受热源的影响，往往需要使冷端远离工作点，为了不使用过多的贵重的热电偶导线，往往采用价格低廉的导线来替代部分热电偶导线，如图。A、 B这就是补偿线法。要求补偿导线的热电性质与所用热电偶相同或相近。,11.3 热电偶,201

14、9/4/6,32,在温度T2-T0的范围内，要求 EAB（T2，T0）=E AB（T2，T0） 由中间温度定律： EAB（T1，T0）= EAB（T1，T2）+ E AB（T2，T0） = EAB（T1，T2）+ EAB（T2，T0）,11.3 热电偶,2019/4/6,33,说明： 1)用补偿导线后，不管T2部分温度如何变化，用补偿导线测得的结果和原来的贵重热电偶丝结果是一样的； 2)使用时应注意补偿线不要接错极性。,11.3 热电偶,2019/4/6,34,三、热电偶的类型及结构 1.热电偶的类型,11.3 热电偶,2019/4/6,35,2.热电偶的结构形式 普通热电偶,11.3 热电偶

15、,2019/4/6,36,2.热电偶的结构形式 铠装热电偶,（a）碰底型 （b）不碰底型 （c）裸露型 （d）帽型 图11-2铠装热电偶示意图,11.3 热电偶,2019/4/6,37,2.热电偶的结构形式 薄膜热电偶,图11-3片状薄膜热电偶结构图 1-测量接点 2-薄膜A 3-薄膜B 4-衬底 5-接头夹,11.3 热电偶,2019/4/6,38,2.热电偶的结构形式 表面热电偶 具有永久性安装和非永久性安装两种，用于测量金属块、炉壁、涡轮叶片等固体的表面温度。 浸入式热电偶 用于测量铜水、钢水、铝水及熔融合金的温度，可直接插入液态金属中。,11.3 热电偶,2019/4/6,39,四、热

16、电势的测量方法 PP275277 （自学） 五、热电偶测温中的几个技术问题 1.热电偶测温的系统组成,热电偶冷端温度的控制和补偿 水槽法 自然恒温法,11.3 热电偶,2019/4/6,40,水槽法：如上图。将电极放在一盛满变压器油的试管中，再将试管放在冰水混合物中。 自然恒温法：将电极放置在一已知恒定温度的地方,11.3 热电偶,2019/4/6,41,2.标定方法 1）直接标定法 同可靠的标准相比较，如锡凝固点231.9。,11.3 热电偶,2019/4/6,42,）比对标定法（非标准热电偶） 将工作热电偶与标准的测温系统一起测定同一个静态热源的温度，就可以用两个显示的数值来确定工作热电偶

17、的热电势与温度的对应关系。,2019/4/6,43,3.温度测量系统的动态误差 热电偶是一种一阶线性系统，其工作状态可以用一阶微分方程来描述。,待测温度,热电偶的响应,可试图采用直径尽量小的热电偶丝来制作热电偶。,时间常数,11.3 热电偶,2019/4/6,44,但这种热电偶除制作困难外，机械强度也极差，极容易断，所以使用寿命很短，一般都要采取补偿方法。如在电路中加一补偿网络。,图11-4 热电偶幅频特性,11.3 热电偶,2019/4/6,45,图11-5 补偿电路,11.3 热电偶,2019/4/6,46,图11-6补偿电路的幅频特性,11.3 热电偶,2019/4/6,47,作 业,1

18、1-1.下面三种说法哪种正确：热电偶的热电动势大小（1）取决于热端温度；（2）取决于热端和冷端两个温度；（3）取决于热端和冷端温度之差。为什么？ 11-2.热电偶的热电动势大小和热电极的长短、粗细有关吗？若热电偶接有负载后，负载上得到的电压和热电极长短、粗细有关吗？ 11-3.热电偶的冷端延长导线的作用是什么？使用冷端延长线（即补偿导线）应满足什么样的条件和注意什么问题？,2019/4/6,48,11-4.有人查补偿导线所用材料资料发现铂铑-铂热电偶的补偿导线是由铜-铜镍材料，而镍铬-镍硅热电偶的补偿导线所用材料就是镍铬-镍硅，这是为什么？既然铜-铜镍热电特性可替代铂铑-铂，为什么不用铜-铜镍热电偶代替铂铑-铂去测温？ 11-5.试比较热电阻、热敏电阻及热电偶三种测温传感器的特点及对测量电路的要求,作 业,