第2章参数检测技术-温度检测

常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测温度检测日常生活中,人们通常用温度来表示物体的冷热程度。实质上,温度反映了物体分子无规则热运动的剧烈程度,是物体分子运动平均动能大小的标志,分子运动的平均动能越大,分子运动越剧烈,物体的温度越高,在宏观上即表现为物体越热。由于不同物质的不同物理特性与温度有着不同的关系，因此即使用同一物质的不同特性，或不同物质的同一种特性对同一个温度进行测量，也会得出不同的量值，这就需要建立统一的标准温度单位，即温标。常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测一、温标世界上第一支温度计是1597年由伽利略（G.Galileo）发明的。最早发明而且有重要意义的温度计是1641年意大利的FerdinandⅡ发明的封口式的玻璃酒精温度计,它具有温度计的雏形,但因为当时还没有温标,这支温度计也就由于没有温标为依据而被淘汰。温标是用来度量物体温度高低的标尺，只有在确定温标之后,温度计量才有实际意义。1）首先应规定一系列恒定的温度作为固定点通常用纯物质的三相点、沸点、凝固点和超导转变点等作为温度计量的固定点,并赋予固定点一个确定的温度。2）然后选择一个随温度变化而呈线性或一定函数关系变化的物理参量作为温度指示的标志温标的三要素：定义固定点、内插标准仪器和内插公式常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测1经验温标——借助某一物质的物理量和温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标主要有华氏温标和摄氏温标缺点:(1)不同温标所确定的温度数值不同(2)不能保证各国采用的基本测温单位完全一致2热力学温标——理论温标，无法直接实现3国际实用温标——协商决定，既能体现热力学温度，又使用方便、容易实现的温标我国是从1991年7月正式执行1990年国际温标(ITS-90)的,这是统一我国温度量值的法定标准,一切温度计量必须以此为准。常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测TK=273.16+tC或tC=TK-273.16各温标间数值的换算关系如下:摄氏温度与华氏温度的数值关系为：3259CFttTK表示热力学温度,单位为K;tC表示摄氏温度,单位为℃;tF表示华氏温度,单位为F常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测二、温度检测的主要方法和分类1、温度检测方法的分类根据测温方式（介质与敏感元件是否接触）（1）接触式（2）非接触式根据工作原理（1）膨胀式（2）压力式（3）热电阻（4）热电偶常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测三、热电偶及测温原理在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于热电效应。常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测一、热电效应如右图所示，两种不同性质的导体或半导体材料A、B串接成一个闭合回路，如果两接合点处的温度不同，即T≠T0，则在两导体间产生热电势，也称热电动势，常用EAB(T，T0)表示。同时在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。几个概念：热电极：闭合回路中的导体或半导体A、B，称为热电极；热电偶：闭合回路中的导体或半导体A、B的组合，称为热电耦；工作端：两个结点中温度高的一端，称为工作端（热端、测量端）；参比端：两个结点中温度低的一端，称为参比端；（冷端、自由端）热电动势：两导体的接触电势＋单一导体的温差电势；ABTT0常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测二、热电偶回路热电势接触电势，佩尔杰效应温差电势，汤姆逊效应热电势EAB(T,T0)常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测1.佩尔杰（Peltier）效应AB＋＋＋－－－ABnn()ABET两种同温度不同导体材料A和B互相接触，由于不同金属内自由电子的密度不同，在A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，当扩散达到平衡时，在两接触点处产生的电动势称为佩尔杰电势，又称接触电势。常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测BAABNNekTTEln)(其中：k—波尔兹曼常数:kJk/1038.123T—节点所处温度；e—电子电荷NA、NB—导体A、B的电子密度；若BANN，则0)(TeAB。结论：电子密度高的材料电位高。①不同材料具有不同的自由电子密度；②两种不同材料的导体接触时，接触面会发生电子扩散；当扩散达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位，表示为：AB＋＋＋－－－ABnn()ABET常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测BAABNNekTTEln)(热电偶回路中，总的接触电势为：BAABNNekTTEln)(00BAABABNNTTekTETEln)()()(00ABTT0常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测2.汤姆逊（Thomson）效应对于均质的单一导体，若单一导体两端温度不同，有温度梯度时，导体内的自由电子将从温度高的一端向温度低的一端扩散，并在温度较低一端聚集起来，使导体内建立起一电场。当这电场对电子的作用力与扩散力向平衡时，扩散作用立即停止。电场产生的电势称为汤姆逊电势或温差电势。常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测①导体中自由电子在高温端具有较大的动能；②电子从高温端向低温端扩散，因而高温端带正电，低温端带负电，形成静电场，并阻碍电子扩散；当扩散达到动态平衡时，两端产生一个相应的电位差，称为温差电势，表示为：dTTTETTAA0),(0其中：A—汤姆逊系数，表示单一导体两端单位温度差为1℃时所产生的温差电势，与材料性质和两端温度有关。CV/若，则，反之亦然。0TT0),(0TTeA常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测热电偶回路热电势TTAAdTTTE0),(0热电偶回路中，总的温差电势为：TTBBdTTTE0),(0dTTTETTETTBABA0)(),(),(00常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测热电偶回路中，总的温差电势为：dTTTETTETTBABA0)(),(),(00热电偶回路中，总的接触电势为：BAABABNNTTekTETEln)()()(00热电偶回路中，总的热电势为：TTBABABAABABABTFTFdTNNTTekTTETTETETETTE0)()()(ln)()],(),([)]()([),(000000ABTT0)(TeAB),(0TTeA)(0TeAB),(0TTeB常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测热电偶回路的几点结论：1.如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，即NA=NB，σA=σB，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极。2.如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电势亦为零。dTTTETTETTBABA0)(),(),(00BAABABNNTTekTETEln)()()(00温差电势接触电势所以形成热电势的两个必要条件：两种导体的材料不同；节点所处的温度不同；3.工程实际中，标定热电偶时，令：cCfTfTEAB0)()(00则：是T的单值函数。)(),(0cTfcTETTEABAB常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。供查阅使用，每10℃分档。中间值按内插法计算。)(LHLHLMLMTTEEEETT常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测S型(铂铑10-铂)热电偶分度表常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测三、热电偶基本定律(一)均质导体定律如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同(称为同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测（二）中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。热电偶中接入第三种导体常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测如果回路中三接点的温度相同，即T＝T0，则回路总电动势必为零，即热电偶中接入第三种导体ABBC0CA0E(T)E(T)E(T)=0(2)或者AB0BC0CA0-E(T)E(T)E(T)(3)将(3)式代入(1)式ABC0ABAB0E(T,T)E(T)E(T)(4)如图在热电偶回路中接人第三种导体C。设导体A与B接点处的温度为t，A与C、B与C两接点处的温度为t0，则回路中的总电动势为ABC0ABBC0CA0E(T,T)E(T)E(T)E(T)(1)常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测可以用同样的方法证明，断开热电偶的任何一个极，用第三种导体引入测量仪表，其总电动势也是不变的。热电偶的这种性质在实用上有着重要的意义，它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。tABt0t0CCBt1t1AACCtt0(a)(b)常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测（三）中间温度定律热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律可以用下式表示)t,(tE)t(t,E)t(t,E0nABnAB0AB常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测（四）标准电极定律（热电偶相配定律）如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。常州大学信息学院ChangzhouUniversity过程检测技术及仪表温度检测如图，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若它们所产生的热电动势为已知，即BC0BCBC0E(T,T)E(T)-E(T)AC0ACAC0E(T,T)E(T)-E(T)AB0AC0BC0E(T,T)E(T,T)-E(T,T)那么，导体A与B组成的热电偶，其热电动势可由下式求得（1）（2）（3）常州大学信息学院ChangzhouUniv