第五章 温度检测技术

检测技术与控制工程基础第五章温度检测技术材料成型及控制工程专业（必修）温度检测技术温度和测温方法分类接触式测温方法非接触式测温方法5.1温度和测温方法分类前言温度与标定测温方法分类及其特点前言温度是反映物体冷热状态的参数。从热平衡的观点来看，温度是物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志，温度高的物体，其内部分子平均动能大；温度低的物体，其内部分子的平均动能小。两个物体处于同一热平衡状态就具有一个共同的物理性质，表征这一性质的量就是温度，即两物体温度相等。如果两物体温度不同，它们之间不会平衡，会有热交换，热量由高温物体传输到低温物体。前言热平衡是温度测量的基本出发点，只有通过测定某一物质的某方面物理特性（诸如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等）随温度而变化的情况，才能判断温度的变化，这种物质称为测温物质。用来判断温度变化的物理特性，应当与温度成连续的单值线性函数关系，基本上能满足要求的物质种类较多，但常用的只有几种。温度与标定温标的基本概念为了保证温度量值的准确和便于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，即温标——用来衡量物体温度的标尺。建立一个温标包括2个方面：采用什么测量物质，利用哪一物理特性；如何分度。温度与标定温标有下面几种：经验温标热力学温标绝对气体温标国际实用温标和国际温标1)经验温标借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标，称为经验温标，有华氏、摄氏、兰氏、列氏温标等。（1）华氏温标1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计。它规定水的沸腾温度为212度，氯化铵和冰的混合物为0度，这两个固定点中间等分为212份，每一份为1度，记为℉。按照华氏温标，则水的冰点为32℉。1)经验温标（2）摄氏温标1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。将两个固定点之间的距离等分为100份，每一份为1度，记为℃。摄氏温度和华氏温度的关系为T℉=t℃+32式中T——华氏温度值;t——摄氏温度值。1)经验温标经验温标的缺点在于其局限性和随意性。例如，若选用水银温度计作为温标规定的温度计，那么别的物质（例如酒精）就不能用了，而且使用温度范围也不能超过上下限（如0℃，100℃），超过了就不能标定温度了。2)热力学温标热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的，以卡诺循环(Carnotcycle)为基础。热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度——绝对零度与水的三相点温度分为273．16份，每份为1K(Kelvin)。3)绝对气体温标从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标叫绝对气体温标。由波义耳定律：PV=RT当气体的体积为恒定(定容)时，其压强就是温度的单值函数。这样就有：T2/T1=P2/P14)国际实用温标第一个国际温标是1927年第七届国际计量大会决定采用的温标,称为“1927年国际温标”，记为ITS-27。此后大约每隔20年进行一次重大修改，相继有ITS-48、IPTS-68和EPT-76、ITS-90。国际温标做重大修改的原因，主要是由于温标“三要素”发生变化。ITS-90是1989年7月第77届国际计量委员会批准的、国际温度咨询委员会制定的新温标。从1994年1月1日起全面实行新温标。指导思想：尽可能地接近热力学温标，复现精度要高，制作较容易，性能稳定，使用方便。4)国际实用温标ITS一90基本内容为：1）重申国际实用温标单位仍为K；2）ITS-90的热力学温度仍记作T，为了区别于以前的温标，用T90代表新温标的热力学温度，其单位仍是K。与此并用的摄氏温度记为t90，单位是℃。T90与t90的关系仍是9090273.15tT4)国际实用温标3）把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器如下：①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽温度计；②3.0—24.5561K，用3He和4He定容气体温度计；③13.803K—961.78℃，用铂电阻温度计；④961.78℃以上，用光学或光电高温计；4）新确认和规定17个固定点温度值以及借助依据这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器来实现整个热力学温标。各温标间的换算关系温度计的标定对温度计的标定，有标准值法和标准表法两种方法。标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度点(恒温)作标准值，把被标定温度计(或传感器)依次置于这些标准温度值之下，记录下温度计的相应示值(或传感器的输出)，并根据国际温标规定的内插公式对温度计(传感器)的分度进行对比记录，从而完成对温度计的标定；标定后的温度计可作为标准温度计来测温度。温度计的标定标准表法：把被标定温度计(传感器)与已被标定好的更高一级精度的温度计(传感器)，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应差值，经多次升温，降温、重复测试，若这些差值稳定，则把记录下的这些差值作为被标定温度计的修正量，就成了对被标定温度计的标定。测温方法分类及其特点按照测温原理和所用的感温元件的不同，测温方法可以分为膨胀式、压力式、电阻式、热电式和辐射式5大类。膨胀式温度计有玻璃温度计和双金属温度计。玻璃温度计利用玻璃感温包内的测温物质（水银、酒精、甲苯、煤油等）热胀冷缩的原理来测量的。温度值用刻度显示，测量范围为－200～600℃。双金属温度计是采用膨胀系数不同的两种金属片牢固地黏合在一起作为感温元件，温度变化时，通过双金属片的弯曲变形带动指针来指示相应的温度，其温度测量范围一般为－80～600℃。测温方法分类及其特点压力温度计由温包、毛细管和弹簧管组成的一个密闭系统，里面充满感温物质。温包放入被测介质中，当温度发生变化时，封闭系统中的压力会随之变化，通过弹簧管的变形带动指针指示相应的温度。测温范围为－80～500℃。电阻式温度计是利用金属或半导体的电阻随温度的变化情况来测量温度值，其输出信号是电阻值，测温范围一般在－200～600℃。测温方法分类及其特点热电式温度计是利用金属导体的热效应，将温度转换为热电势输出。热电势的大小反映被测温度的高低，其测量范围可达－271～1800℃。辐射式测温方法是通过被测物体的热辐射强度来确定其温度的。辐射式测温方法的测温范围宽，响应速度块，特别适合于高温测量。近年来，一些新技术也用到了测温领域，如光纤温度传感器等。测温方法分类及其特点根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。1）接触式测温方法测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低；由于感温元件与被测介质直接接触，从而要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。测温方法分类及其特点2）非接触式测温方法感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度;非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。接触式与非接触式测温特点比较方式接触式非接触式测量条件感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上测量范围特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于l300℃以上的温度测量较困难原理上测量范围可以从超低温到极高温，但1000℃以下，测量误差大，能测运动物体和热容小的物体温度精度工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级通常为1.0、1.5、2.5级响应速度慢，通常为几十秒到几分钟快，通常为2～3秒钟其它特点整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被测物体实际温度；可方便地组成多路集中测量与控制系统整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度(需进一步转换)；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置各类温度检测方法构成的测温仪表大体测温范围5.2接触式测温方法热膨胀式测温方法热阻式测温方法热电式测温方法5.2.1热膨胀式测温方法膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。膨胀式温度计种类很多，按膨胀基体可分成液体膨胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金属温度计。本节简单介绍3种热膨胀式测温方法：玻璃温度计、压力温度计和双金属温度计。玻璃温度计玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读式仪表。水银是玻璃温度计最常用的液体，其凝固点为-38.9℃、测温上限为538℃。玻璃温度计特点：结构简单，制作容易，价格低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直接读数，一般无需能源，易破损，测温值难自动远传记录。玻璃温度计玻璃温度计的分类：全浸式：测温准确度高，但读刻度困难，使用操作不便。局浸式：读数容易，但测量误差较大，即使采取修正措施其误差比全浸式仍要大好几倍或更多。V形工业玻璃温度计压力温度计压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能的。压力温度计的典型结构示意图如右图。压力温度计这类压力温度计其毛细管细而长(规格为1—60m)它的作用主要是传递压力，长度愈长，则使温度计响应愈慢，在长度相等条件下，管愈细，则准确度愈高。压力温度计和玻璃温度计相比，具有强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差等特点。电接点压力式温度计双金属温度计固体长度随温度变化的情况可用下式表示：基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。10101LLktt双金属温度计下图是双金属温度计原理图：双金属温度计双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类，其测温范围大致为-80℃—600℃，精度等级通常为1.5级左右。双金属温度计抗振性好，读数方便，但精度不太高，只能用做一般的工业用仪表。5.2.2热阻式测温方法几乎所有物质的电阻率都随本身温度的变化而变化----热电阻效应。根据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻。热电阻材料可分为金属热电阻和半导体热电阻。金属热电阻式温度传感器纯金属具有正的温度系数，可以作为测温元件。作为测温用的热电阻应具有下列要求：1.电阻温度系数大，以获得较高的灵敏度；2.电阻率高，元件尺寸可以小；3.电阻值随温度变化尽量是线性关系；4.在测温范围内，物理、化学性能稳定；5.材料质纯、加工方便和价格便宜等。铂、铜、铁和镍是常用的热电阻材料，其中铂和铜最常用。铂热电阻铂热电阻的统一型号为WZP，其物理、化学性能非常稳定，长期复现性最好，测量精度高。铂热电阻主要用作标准电阻温度计。国际标准有Pt100，测温范围为-200～960℃，电阻温度系数为3.9×10-3/℃，0℃时电阻值为100Ω。但铂在高温下，易受还原性介质污染，使铂丝变脆并改变铂丝电阻与温度间的关系，因此使用时应装在保护套管中。铂热电阻铜热电阻铜热电阻的统一型号为WZC，其优点是价格便宜、纯度高、复制性好，电阻温度系数为α＝（4.25～4.28）×10-3/℃，线性特性仅次于铂和银，但比铂电阻有较高的灵敏度，常用来做-50～150℃范围内的工业用电阻温度计；其缺点是电阻率较