工业仪表第3章温度测量.ppt

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1、Chapter Three,Measure of Temperature,3.1 概述(Summary),3.1.1 温度测量的意义 监测和控制化学反应及高温固相烧结反应中的温度，使过程在要求的温度下进行； 合理利用热量，提高热量利用率 3.1.2 温标 摄氏温标C、华氏温标F、热力学温标T，关系为,按测量温度范围分： 高温计600；温度计 600,按用途分： 标准温度计、范型温度计、实用温度计,按工作原理分： 膨胀式、压力式、热电阻式、热电偶式、辐射式,按测量方式分： 接触式、非接触式,3.1.3 温度仪表的分类,3.2 热电偶温度测量,热电偶温度计（热电温度计）,测温范围： 1001600

2、,热电偶测温系统： 感温元件 毫伏测量仪表 导线,3.2.1 热电偶测温原理,3.2.1.1热电偶测温基本原理 1、构成 热电偶：二性质不同的金属丝A、B焊接成的闭合回路 热电极：金属丝A、B 热端（高温端），置于温度为t 的介质中的接头 参比端（冷端)：处于环境温度的一端。(使用时并不焊接，而与测量仪表相接）,热电现象：将热电偶的工作端插入温度为t的介质环境中，当tt0时，仪表指针则偏转，说明回路中有电流产生。 由此产生的电流称为热电流； 产生热电流的电动势称为热电势（包括接触电势和温差电势）。,2、热电现象,(1) 接触电势,不同金属材料的电子密度不同，且自由电子密度随温度的变化规律不同。

3、 不同性质的金属接触时自由电子的扩散和迁移产生电位差（接触电势）,玻尔兹曼常数 1.381023J/K,温度为t时A的自由电子密度,单位电荷 4.8021012静电单位,温度为t时B的自由电子密度,接触电势的计算：,金属二端温度分别为t和t0时，,(2) 温差电势,失电子带正电,得电子带负电,温差电势：,(3) 热电偶回路的热电势,不同材料接触电势： eAB(t) 和eAB(t0),A和B二端的温差电势：eA(t，t0)和 eB(t，t0),回路的总电势：,B 中间导体定律：在热电偶回路中插入另外的导体时，只要插入导体是均质的，且二端的温度相等，则无论其温度分布如何，都不影响原热电偶的热电势。

4、,3.2.2 热电偶的基本定律,A 均质导体定律：二种均质金属组成的热电偶的电势与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，仅与热电极材料及二端温度有关；热电势值是二端温度差的函数，若二端温度相等，则热电势为零。不均质材料各处温度不同时，将产生附加热电势造成测温误差。,A,B,C,tn,t0,t0,3.2.3 标准电极规则,中间导体C为标准电极，因其二端温度相同，故热电势仍为EAB(T，T0)。同时可将其看成是由A、C和C、B组成的二对热电偶。 EAB(T，T0)= EAC(T，T0)+ ECB(T，T0) = EAC(T，T0) ECB(T，T0),常为铂电极,C 中间温度定律：接点温

5、度为t、t0时的热电势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电势的代数和。中间温度tn对此没有任何影响。,3.2.4 热电偶的类型及结构,3.2.4.1 热电极材料和热电偶种类 (1）热电极材料的选择 热电偶的性能要求：可靠性、稳定性、灵敏度 材质要求(除测温物质的基本要求外)： 高温下稳定的物理化学性能； 不氧化、不变质； 电极间互不渗透；电阻系数小； 热电阻与温度之间呈线性或近似线性关系； 机械性能好,(2) 标准化热电偶 A 铂铑-铂热电偶 优点：纯度高；便于复制，精确度高；物理化学稳定性好，宜在氧化和中性气氛中使用；熔点高，故测温上限高，长期使用：1300 ；短期： 1

6、600 缺点：热电势较小，价格昂贵；在还原气氛下易污染；热电性质非线性较大；高温下升华，导致热电性不稳定,B 镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶 优点：抗氧化性好；抗腐蚀性好；化学稳定性好；复制性好；热电势较大；热电势与温度的线性关系好；热电极材料便宜。长期使用：1000 ；短期： 1300 缺点：在500 和还原气氛下易被腐蚀；测量精度较铂铑-铂低,C 镍铬-考铜热电偶 优点：热电势大；价格便宜 缺点：易氧化；不能测高温,E 铜-康铜热电偶 优点：灵敏度高；热电极易复制；价格低；低温测量精确度高。 缺点：测量温度低,D 铂铑30-铂铑6热电偶 优点：抗污能力强；高温稳定性好；精度高。 长期使用：

7、14001600 ；短期： 1800 缺点：灵敏度较低,正极含铑30%,负极含铑6%,3）非标准热电偶,A 钨-钼热电偶 易氧化，宜在还原气氛下使用，测量温度高。 测温范围： 13002200 B 钨-铼系热电偶 测温上限高，高温灵敏度高，电势-温度关系近线性。 测温范围： 24002800 。 缺点：易氧化,C 铱铑系热电偶 热电势大，热电关系近线性，是宇航技术中极其重要的测温热电偶 D 铁-康铜热电偶 灵敏度高，热电关系近线性，价格低。但易锈蚀 E 其它非标准热电偶,3.2.4.2 热电偶的结构,1）普通型 主要组成部分：热电偶、保护套管、绝缘子 热电偶 偶丝直径：贵金属0.350.65m

8、m；贱金属1 2mm 绝缘子 作用：避免二极之间短路 常用的绝缘材料及使用温度 保护套管 作用：避免热电偶受有害气体腐蚀或沾污及机械损伤 要求：不透气、化学惰性、耐腐蚀、热惯性小,高温下不分解，不与氧化、还原性气体反应,常用绝缘材料及其使用温度 橡皮、绝缘漆 6080 丝、绝缘漆 100 130 珐琅、绝缘漆 100 150 玻璃管 500 以下 石英管 1000 以下 瓷管 1000 1500 高温陶瓷管 1500 以上,常用保护套管及其使用温度 无缝钢管 600以下 不锈钢管 1000 以下 高铬钢管、石英管 1200 以下 普通瓷管 1400 以下 氧化铝瓷管 1500 以下 高温陶瓷管

9、 1500 以上,3.2.4.3 铠装热电偶,将保护套管、绝缘材料与热电偶组合在一起拉制而成,又称套管热电偶。 套管外径：1-8mm；偶丝直径：0.025-1.3mm；管壁厚度：0.12-0.6mm；长度可达 100m以上 优点：体积小；反应快，时间常数小，20s；柔性好，可弯成各种形状；机械性能好，耐震动，耐冲击性好。,一般地，在常压下可采用普通式结构；测量动态温度时采用时间常数小的热电偶；在被测介质具有一定压力的情况下，可采用固定螺纹和普通接线盒结构；当环境恶劣须防水、防气、防爆时，应采用防溅式接线盒；对于高压流动介质，需采用具有固定螺纹和锥形保护套管的结构；对于狭小管道内温度的测量，则采

10、用铠装热电偶，它也适用于高压和动态温度测量。,3.2.4.4 热电偶型式的选择,3.2.4.5 热电偶参比端温度的处理,1、恒温法将参比端置入恒温器中，使温度恒定在某一数值。 2、冷端温度修正法 测量数值是一个相对量，因此，冷端温度可以不在零度，而是其他温度。这个时候需要查出冷锻温度下的热电势，修改测量的数值。 3、校正仪表零点法 在工作环境相对稳定的情况下，采用环境下热电势为零的方法，使仪表指针从环境温度开始偏转。 4、补偿导线法 用于热点极性能相近的材料代替贵重热电偶材料，延长热电偶至远离被测量对象的冷端。该材料为补偿导线，该方法为补偿导线法,辅助热电偶参比端恒温法 辅助热电偶测量端恒温法

11、,与普通型相比，结构不同。测量时: 将测量端直接焊在被测金属表面或紧压在被测固体表面。,3.2.4.6 测量表面温度的热电偶,便式表面温度计,3.2.4.7热电偶的误差来源,1）分度误差 2）补偿导线所致误差 3）参比端温度变化所致误差 4）热电极变质使热电性质变化所致误差,测量范围： 270500 ，特殊情况2701000 热电阻传感器的特点： 1）精确度高（铂电阻温度计作为基准温度计）； 2）灵敏度高； 3）中低温（500以下）测量时热电势信号大，易于信号显示和远距离传送； 4）金属热电阻的电阻-温度线性关系好，重现性和稳定性都好；但体积大，热惯性大，不利于动态测量；半导体与之相反； 5）

12、无冷端补偿问题,3.3 热电阻温度计,3.3.1 热电阻的测温原理,导体（或半导体）的电阻随温度的变化关系 对于导体 对于半导体,电阻温度系数,参比温度,（1）热电阻的材料 对热电阻材料的要求： 电阻温度系数大，且不随温度变化； 电阻率大；重现性和稳定性好；价格便宜。,3.3.2 热电阻传感器的材料和结构形式,灵敏度高,制作的热电阻体积小，热惯性小，对温度的响应时间快。,（2）结构形式,1）铂热电阻 特点： 精度高， 稳定性好，性能可靠。 还原介质中易被沾污而变脆。 测温范围： -12,2）铜热电阻 在-50150 范围内电阻-温度关系近似线性； 价格便宜，但易氧化。,3.3.3 热电阻的结构

13、型式 它主要由四部分组成：电阻丝、支架、引出线 和保护套管。,.半导体热电阻,1-电阻体；2-引线；3-导体；4-玻璃管；5-保护管；6-密封填料；7-锡箔,特点：抗腐蚀性好，灵敏度高，热惯性小，体积小，寿命长，远距离传送；但是，互换性差，测温范围小。,对骨架材料的要求： 1）电绝缘性能好； 2）足够的机械强度； 3）体积膨胀系数小，以免给热阻丝造成应力； 4）对电阻丝无化学作用。 引线的要求： 1）电阻小，且电阻-温度系数很小； 2）与热电阻丝连接处的热电势小。 保护套管的要求：免遭有害气体的腐蚀和沾污，以及机械损伤。,结构组成：骨架、引出线、保护套管,3.4 非接触式测温仪表,特点： （1

14、）测温传感器不破坏被测对象的温度场； （2）不受被测介质的腐蚀和毒化； （3）传感器不必与被测介质达到热平衡； （4）动态特性好，可测量处于运动状态的对象温度,非接触式测温的主要原理：利用物体的热辐射,光学高温计 全辐射高温计 比色高温计 红外温度计,辐射高温计的种类：,在热辐射分析中，光谱吸收比与波长无关的物体,（1）物体的热辐射与温度的关系 绝对黑体的单色辐射强度与波长和温度的关系：,3.4.1 辐射测温的物理基础,单位时间单位面积上对应于波长的辐射能,维恩公式,普郎克第一辐射常数,普郎克第二辐射常数,（2）灰体和实际物体的黑度 在同温度下，灰体的辐射能力低于绝对黑体，其单色辐射强度E和全

15、辐射能E均比绝对黑体小。关系：,对单色辐射强度在0区间积分得全辐射能E0：,灰体的单色辐射黑度,斯蒂芬波尔兹曼公式,灰体的黑度等于它的吸收比，它们不随波长而变化！ 实际物体的黑度随波长而变化，但一般工程物体的黑度随波长的变化不太明显，可近似看作是灰体。,灰体的全辐射强度,显然，温度越高，辐射能越大。,3.4.2 光学高温计,工业用光学高温计有： 隐丝式:利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与被测物体的亮度致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。 恒定亮度式：利用减光楔来改变被测物体的亮度，使它与恒定亮度的高温灯泡相比较，当两者亮度相等时，根据减光楔旋转的角度来确定被测物体的亮

16、度温度 。 该仪器测量的温度是亮度温度，它不等于物体的真是温度。,（1）光学高温计的原理 单色辐射强度的测量非常困难，常采用亮度测量方法。 依据：物体的发光亮度与物体的辐射强度成正比。,直接测量亮度也不易，故用比较亮度的方法，即：用一已知亮度的高温灯丝的亮度与被测物体的亮度相比较。当其亮度相等时，按高温灯丝的已知温度来反映被测物体的温度。,单色亮度与单色辐射强度的关系：,（2）亮度温度,对于灰体,灰体亮度等于同温度下黑体亮度与灰体黑度之积,亮度温度的定义：在波长为的单色辐射中，当物体在温度T时的亮度B与黑体在温度Ts时的亮度B0相同时，则黑体的温度Ts即为物体的亮度温度。,T与TS的关系：,1

17、）光学系统 物镜：调节物镜使被测物体在灯丝平面上清晰成像 目镜：调节目镜使灯丝清晰可见 红色滤光片：置于目镜和物镜之间，以满足单色辐射条件 灰色吸光玻璃：位于物镜与灯泡之间，使被测物体亮度减弱后再与灯丝亮度比较，扩大量程 2）电测系统 组成：钨丝灯、直流电路、电流调节变阻器、显示仪表 作用：通过调整灯丝电流调整高温计灯丝的亮度，再用磁电式仪表来测量，并显示与被测亮度相应的温度值。 钨丝灯作为亮度比较的标准，其灯丝亮度、加热电流与温度的关系已知，故可用电流表示亮度，进而表示温度。 灯泡电源：24V直流电源,（3）光学高温计的构造,物镜,灯泡,吸收玻璃,目镜,红色滤光片,显示仪表,滑线电阻,将望远

18、系统对准被测物体，调节物镜使测物体清晰成像在灯丝平面上； 调节目镜使在观察孔能清楚看到被测物体和灯丝像。 调节好后，用定位螺丝将目镜锁紧。 此时，在被测物体的像所形成的发光背景上可看到灯丝。若灯丝亮度低于被测物体的亮度，则物像背景上有一条暗的灯丝弧线；若高于被测物体亮度，则呈亮的弧线；若二者亮度相等，灯丝隐没在物像背景中。,（4）光学高温计的使用,将电流值换算成黑体温度对显示仪表进行分度，即可得到按黑体温度分度的标尺。 因仪表在灯丝隐没于被测物体的像中时读数，故称隐丝式光学高温计。,灯丝亮度低于被测物体的亮度,灯丝亮度等于被测物体的亮度,灯丝亮度高于被测物体的亮度,（1）红色滤光片：保证亮度比

19、较在波长为0.66m的波段内进行。原因： 1）所选波段既要有较大辐射强度，又要在人眼视觉范围内。红光可同时满足此二条件。 2）红光区颜色随波长的变化小于其它颜色的可见光，因而减小附加误差。 3）获得较窄的工作波段，更接近单色辐射。,（5）红色滤光片和灰色吸收玻璃的作用,（2）灰色吸收玻璃 作用：扩大测温范围 测量温度 1400时，不是用提高灯丝亮度的方法而是用灰色玻璃按已知比例将被测物体辐射至高温计的亮度减弱，然后再与灯丝亮度相比较。因此，光学高温计有二个量程： 第一量程：8001400（不加灰玻璃）； 第二量程：12002000（加灰玻璃）,（6）光学高温计的测量电路,1）电流测量：通过测量

20、流过灯丝的电流来确定被测物体的亮度温度。实验室用手动电位差计；现场测量多用自动电位差计 2）电压测量：通过测量灯丝二端的电压来确定被测物体的亮度温度。（电压表串接限流电阻后与灯丝并接）特点：测量线路简单，但导线电阻变化时会带来误差，故一般用作工业测量。,3）电阻测量：通过测量灯丝电阻来确定被测物体的亮度温度。 方法： 平衡电桥法； 不平衡电桥法,（7）影响光学高温计测温精度的因素,1）非黑体辐射： 被测物体已知时，按式（3-25）计算出真实温度 被测物体未知时，用一根一端封闭的高温管的封闭端插入被测介质中，管底的辐射近似于黑体辐射 2）中间吸收介质：烟雾、灰尘、二氧化碳、水蒸汽等，无规律性,实

21、际温度,3）火焰和其它发光体：应尽量避免 4）测量距离：一般在12m内测量，最好不超过3m。 光学温度计的允许误差： 8001400时，14 ； 12002000， 20,3.4.3 光电高温计：与光学高温计的结构区别、操作特点区别（自学）,全辐射高温计：依据物体发射出的全辐射能测量物体温度的仪表,3.4.4 全辐射高温计,（1）全辐射传感器的原理 黑体的绝对温度：,当温度为T的被测物体的全辐射能ET等于温度为TP的黑体的全辐射能E0Tp时，TP称为被测物体的全辐射温度（简称辐射温度）。,（2）全辐射传感器的结构,组成：光学系统、辐射变换器,有吸收作用，不能接收和聚集全部反射能,波段较宽,响应

22、波段较宽，稳定性好，但响应慢，热惯性大,响应波段较窄，非全辐射变换，但响应很快,热电堆的性能要求： 热惯性小， 灵敏度高， 参比端温度恒定,3）热电势的参比端温度补偿方法 A 补偿电阻法：导线电阻随着环境【冷端】温度而变化。 B 补偿光栏法：光阑孔大小随着环境温度改变而增大，或者缩小。,4）全辐射计的显示仪表及测量系统,3.4.5 比色高温计,测量原理： 利用同一被测物体的二个辐射波长下单色辐射强度之比随温度的变化特性来测温。 据维恩公式，黑体温度为T时，波长1和2的单色辐射强度分别为：,二者之比为：,对于灰体，有单色辐射黑度,在以黑体温度分度的比色高温计上将显示温度TBS，所以有,即 TTB

23、S,测量过程： 光电检测器交替接受来自调节盘的波长为1和2的单色辐射，向比值运算器输入电信号，经比较运算后输至显示仪表。目镜通过反射镜接受平行于平面玻璃反射的部分辐射，以便瞄准目标并调节成相大小。,实际物体近似灰体，选择适当波长使,则 TTBS 这说明：,用比色高温计测量近似灰体的温度时，无需考虑黑度的修正，测量结果误差不大,比色高温计的优点： （1）不受实际物体黑度的影响，即无需修正黑度。 （2）不受辐射通道上介质选择性吸收单色辐射能的影响,缺点：结构复杂,定义：测量物体红外辐射来确定物体温度的温度计 种类：全红外辐射型、单色红外辐射型、比色型 特点：可测低温,3.4. 6 红外线温度传感器

24、（红外测温仪）,测温原理： 任何物体在低温时向外辐射的能量大部分为红外辐射。 单色红外辐射感温器实际上是接受某一窄波段12的红外辐射线。此波段的ET关系用普郎克或维恩公式积分求得,红外线波长范围：0.8100m,红外测温仪的结构组成： 1）红外辐射通道（光学系统）：通过光学系统或某些透红外窗口材料获得一定波段的红外辐射 A 棱镜分光,不同材料的波长上限： MgO、MgF2 9m； CaF2 11m； ZnS 14m； ZnSe 22m； CaTe 31m,B 采用不同的红外窗口材料,2）红外变换元件：接受红外辐射后将其转换为其它信号（电信号或热信号） A 光电变换器 变换元件所用材料不同，其红

25、外线响应波长也不同： Tl2 1.2 m；PbTe 6 m；PbSe 7 m,B 热探测器：热电堆、热电阻等，响应波谱范围宽,热电堆通常由铋银、铋锑、铜、康铜、铋铋锡合金等组成。组成热电堆的热电偶数量从十几支至几十支。 为了使热电偶反应加快，可减小热电堆体积。利用真空镀膜和光刻技术，将铋锑材料制成薄膜型热电堆，每cm2可排列20支以上热电偶。,3.4.7 光纤辐射式温度测试仪,以物体辐射理论为基础的非接触式温度测试仪。 工作原理：选定一波长,则被测物体的辐射度是温度的单值函数。只要测出下的辐出度,就可以确定该物体的亮度温度,并有下列关系式: （3-30）,式中,c2常数, 波长, 光谱发射率,

26、Ts 测量温度,T 实际温度,结构特点：,（1）光纤探头：完成辐射光线的采集,采用多模石英光纤束。透镜耦合：提高对温度信号的灵敏试,（2）前置器,1）窄带干涉滤光片 位置：光电探测器前端 作用：滤除其他波长的辐射和背景干扰辐射。干涉滤光片的中心波长为所选用的测量波长。 半波带宽度的选取原则：在保证测量灵敏度的前提下，选取尽量小半波带宽度,以保证测量准确度。 中温通道干涉滤光片的参数： =1.5m，=25 nm，最大透过率为70%。 高温通道干涉滤光片的参数： =0.9m，=20 nm，最大透过率为70%。,2) 光电探测器及其转换电路,构成：光电探测器与前置放大器 作用：提高抗干扰性能和抗环境

27、温度变化能力。,3）有源低通滤波器 作用：滤除信号中的高频噪声。,（3）二次仪表,1）低通滤波及零点调整 作用：零点调整、阻抗变换 2）线性化处理 作用：在一定范围内获得VT线性关系,参比电压,输入电压,电路传输系数,3.5 水晶测温仪,利用水晶音叉压电谐振频率与温度严格对应关系外加数字电路构成的温度测控仪。 传感器采用水晶音叉温度传感器 水晶具有压电性,当施加电场后,就会发生机械形变，不同的水晶音叉具备特有的谐振频率(它取决于水晶的弹性、柔顺常数、密度和音叉结构等)，当外加电信号满足振荡条件时(增益大于，相位同相)，则回路发生压电谐振，此谐振频率fT与温度T是一一对应的，即：,fTfT0= fT01+A ( TT0) +B(TT0)2+C(TT0) 3 式中，f温度T时的振荡频率； fT0温度T0时的振荡频率； T任意温度； T0参考温度。 解此方程可得： T=-A+A24B(fT0fT)/ fT0/2B1/2+ T0,优点：,传感器输出与温度相对应的频率信号，抗噪声能力强，容易进行数字信号处理。 优良的抗老化特性。 频率信号的分辨率高，频率低，可实现信号的长线传输，因此该传感器能够测量很小的温度差。 与热电阻和热电偶温度传感器相比，输出的是频率信号，供电电源的电压、环境温度的变化对石英温度传感器几乎无影响。,