现代测控技术

第三章温度检测接触式测温2非接触式测温33测温方法及温标31光纤温度传感器43.1测温方法及温标测温原理温度是国际单位制(SI)7个基本物理量之一温度反映物体的冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。温度的定量测量以热平衡现象为基础，两个受热程度不同的物体相接触后，经过一段时间的热交换，达到共同的平衡态后具有相同的温度。温度测量原理就是选择合适的物体作为温度敏感元件，其某一物理性质随温度而变化的特性为已知，通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，即可确定被测对象的温度。3.1测温方法及温标温度测量方式分为接触式测温和非接触式测温两大类。采用接触式测温时，温度敏感元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换，二者需要良好的热接触，以获得较高的测量精度。但是它往往会破坏被测对象的热平衡，存在置入误差。由于测量环境特点，对温度敏感元件的结构和性能要求较高。采用非接触式测温方法，温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或者是温度敏感元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能的大小报出校测对象的温度。用这种方法测温响应快，对被测对象干扰小，可测量高温、运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。3.1测温方法及温标温度检测方法的分类3.1测温方法及温标温标为了客观地计量物体的温度，必须建立一个衡量温度的标尺，简称温标。建立温标就是规定温度的起点及其基本单位。早期建立的华氏温标和摄氏温标都是根据物体体积的热胀冷缩现象制定的，通常称为经验温标。华氏温标规定，冰点为32℉，水沸点为212℉，两者中间分180等份。摄氏温标规定，冰点为0℃，水沸点为100℃，两者中间分100等份。3.1测温方法及温标华氏温标tF和摄氏温标tC的换算关系？010003221232CFttCFtt59323.1测温方法及温标国际实用温标根据卡诺循环原理建立的热力学温标是一种理想的、科学的温标，但在实际上难以实现。世界上实际通用的温标是国际实用温标，由其来统一各国之间的温度计量，这是一种协议温标。第一个国际实用温标自1927年开始采用，随着科学技术的发展，对国际实用温标也在不断地进行改进和修订，使之更符合热力学温标，有更好的复现性和能够更方便地使用。目前推行的国际实用温标定义为1990年国际温标ITS—90。3.1测温方法及温标ITS—90国际温标中规定热力学温度用符号T90表示，单位为开尔文，符号为K。开尔文的大小为水的三相点热力学温度的1/273.16。同时使用的国际摄氏温度的符号为t90，单位是摄氏度，符号为℃，每一个摄氏度和每一个开尔文的量值相同。t90=T90-273.15ITS—90国际温标由三部分组成：定义固定点、内插标准仪器、内插公式3.1测温方法及温标温标的传递国际实用温标系由各国计量部门按规定分别保持和传递，由定义固定点及一整套基准仪表复现温度标准，再通过基准和标准测温仪表逐级传递，各类温度计在使用前均要按传递系统的要求进行检定。一般实用工作温度计的检定装置采用各种恒温槽和管式电炉，用比较法进行检定。比较法是将标准温度计和被校温度计同时放入检定装置内，以标准温度计测定的温度为已知，将被校温度计的测量值与其相比较，从而确定被校温度计的精度。3.2接触式测温一、热电偶测温热电偶是温度测量中应用最普遍的测温器件，它的特点是测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要；结构简单，动态响应好；输出为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。3.2接触式测温热电偶测温原理热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同的导体或半导体连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，这种现象称为热电效应。闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：温差电势和接触电势。温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电势，不同的导体具有不同的电子密度，所以它们的温差电势也不一样。接触电势是指两种不同的导体相接触时，因各自的电子密度不同而产生电子扩散，当达到动平衡后所形成的电势，接触电势的大小取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。3.2接触式测温如图所示，在这个闭合回路中，电子密度高的导体称正电极，电子密度低的导体称负电极，T端称测量端或热端，T0端称参比端或冷端。测温时，两电极焊接在一起形成测量端，置于被测温度处。而参比端一般要保持恒定温度，并与测量仪表相接。由于接触电势远大于温差电势，在工程测量中，通常忽略温差电势。回路总热电势表示为EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)3.2接触式测温(1)热电偶产生热电势的条件是两种不同的导体材料构成回路，两端接点处的温度不同。(2)热电势大小只与热电极材料及两端温度有关，与热偶丝的粗细和长短无关。(3)热电极材料确定以后，热电势的大小只与温度有关。3.2接触式测温热电偶的应用定则1、均质导体定则2、中间导体定则3、中间温度定则3.2接触式测温1、均质导体定则由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面和长度以及其温度分布如何，都不能产生热电势。这一定则说明，一种均质材料不能构成热电偶。由两种不同材料组成的热电偶则要求材质的均匀性要好，否则热电极的温度分布将会对热电势值产生影响。热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。3.2接触式测温2、中间导体定则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，对热电偶回路的总热电势值没有影响。图示为热电偶接入中间导体的两种情况。3.2接触式测温3、中间温度定则热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势EAB(T,T0)等于热电偶AB在接点温度为T、TC和TC、T0时的热电势EAB(T,TC)、EAB(TC,T0)的代数和。EAB(T,T0)=EAB(T,TC)+EAB(TC,T0)根据这一定则，只需列出热电偶在参比端温度为0℃的分度表，就可以求出参比端在其它温度时的热电势值。3.2接触式测温分度表和参考函数在T0=0℃条件下，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同热端温度下所产生的热电势值，可以列出对应的分度表，常用热电偶的热电特性有分度表可查。温度与热电势之间的关系也可以用函数式表示，称为参考函数。ITS—90给出了热电偶分度表和参考函数，它们是热电偶测温的依据。3.2接触式测温在实际应用中需选择合适的热电极材料，对热电极材料一般有以下要求：在测温范围内热电性能稳定，不随时间和被测对象而变化；在测温范围内物理化学性能稳定，不易氧化和腐蚀，耐辐射；所组成的热电偶要有足够的灵敏度，热电势随温度的变化牢要足够大；热电特性接近单值线性或近似线性；电导率高，电阻温度系数小；机械性能好，机械强度高，材质均匀；工艺性好，易加工，复制性好价格便宜。3.2接触式测温常用工业热电偶目前国际上已有8种标准化热电偶作为工业热电偶在不同场合中使用。标准化热电偶已列入工业化标准文件，具有统一的分度表，标准文件对同一型号的标淮化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，所以同一型号的标准化热电偶具有良好的互换性。通常表示热电偶所用热电极材料时，前者为正极，后者为负极。3.2接触式测温3.2接触式测温3.2接触式测温工业热电偶的结构形式1、普通型热电偶2、铠装热电偶3.2接触式测温热电偶参比端温度处理方式1、补偿导线法3.2接触式测温2、参比端温度测量计算法采用补偿导线将热电偶参比端温度移到T0处，但是T0通常为环境温度而不是0℃，此时需要测量参比端温度。进行计算修正后，可查分度表求得T。参比端温度测量计算法需要保持参比端温度恒定。3.2接触式测温3、参比端恒温法在实验室情况及精密测量中，是把参比端置于能保持恒温的冰点槽中，参比端温度为0℃。测得热电势后，直接查分度表得知被测温度。工业应用时，一般把参比端放在电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。3.2接触式测温4、补偿电桥法补偿电桥法利用不平衡电桥产生相应的电势，以补偿热电偶由于参比端温度变化而引起的热电势变化。3.2接触式测温5、一体化温度变送器现在有一种装配式热电偶，直接制成“一体化温度变送器”。这种温度变送器具有参比端温度补偿功能，并装在接线盒中，因而不需要补偿导线，输出信号为4~20mA或0~10mA标准信号，适用于-20~100℃的环境温度，精确度可达±0.2％，配用这种装置可简化测温电路设计。DDZⅡ0~10mADDZⅢ4~20mA1~5V练习题1用铂铑10-铂(分度号S)的热电偶测温，已知参比端温度为20℃，测得热电势E(t,20)=11.30mV，试求被测温度t？查热电偶的分度表知：E(20,0)=0.113mVE(t,0)=E(t,20)+E(20,0)=11.30+0.113=11.413mV查表知：t=1155℃练习题2用镍镉-镍硅(分度号K)的热电偶测温，已知参比端温度为25℃，检测端温度为506℃，求产生的热电势是多少？E(506,25)=E(506,0)-E(25,0)=20.900-1.000=19.900mV在炼钢厂中有时直接将廉价热电极(易耗品，例如镍铬-镍硅热偶丝，时间稍长即熔化)插入钢水中测量钢水温度，如图所示：试说明1)为什么不必将工作端焊在一起?2)要满足哪些条件才不影响测量精度?采用上述方法是利用了热电偶什么定律？3)如果检测物不是钢水，而是熔化的塑料行吗？为什么？3.2接触式测温二、热电阻测温热电阻测温基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性。由导体或半导体制成的感温器件称为热电阻。热电阻测温的优点是信号可以远传、灵敏度高、无需参比温度；缺点是需要电源激励、有自热现象会影响测量精度。金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。3.2接触式测温金属热电阻材料的选择：选择电阻随温度变化成单值连续关系的材料，最好是呈线性或平滑特性，这一特性可以用分度公式和分度表描述。有尽可能大的电阻温度系数。电阻温度系数一般表示为：有较大的电阻率，以便制成小尺寸元件，较小测温热惯性。测温范围内物理化学性能稳定。复现性好、易于得到高纯物质，价格便宜等。工业热电阻：铂热电阻-200~850℃Pt10、Pt100铜热电阻-40~140℃Cu50、Cu1000001TRRRTT3.2接触式测温工业热电阻也有普通型和铠装型两种形式3.2接触式测温热电阻的引线方式工业上常用三线制接法，为什么？3.2接触式测温热敏电阻热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。有三种基本类型：正温度系数负温度系数临界温度系数特点：温度系数大、灵敏度高电阻值大、引线电阻可忽略体积小，热响应快，廉价互换性差、测温范围窄在汽车、家电领域得到大量应用3.3非接触式测温非接触式测温非接触式测温方法以辐射测温为主。具有一定温度的物体都会向外辐射能量，其辐射强度与物体的温度有关，可以通过测量辐射强度来确定物体的温度。辐射测温时，辐射感温元件不与被测介质相接触，不会破坏被测温度场，可实现遥测；测量元件不必达到与被测对象相同的温度，测量上限可以很高；辐射测温适用于很宽的测量范围，可达-50~6000℃。但是，影响其测量精度的因素较多，应用技术较复杂。3.3非接触式测温辐射测温仪表的组成主要由光学系统、检测元件、转换电路和信号处理等部分组成。光学系统包括瞄准系统、透镜、滤光片等，把物体的辐射能通过透镜聚焦到检测元件；检测元件为光敏或热敏器件；转换电路和信号处理系统将信导转换、放大、进行辐射率修正和标度变换后，输出与被测温度相应的信号。3.3非接触式测温常用方法光学系统和检测元件对辐射光谱均有选择性，因此，各种辐射测温系统一般只接收波长范围内的辐射能。辐射测温的常用方法有四种：亮度法：按物体的光谱或部分连续波长辐射亮度推算温度全辐射法：按物体全波长范围