温检测学习教程.pptx

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1、13.2温度检测仪表温度检测仪表3.2.1 概述温标温度检测仪表分类3.2.2 热电偶温度计标准化热电偶与分度表热电偶自由端温度的处理结构形式热电偶温度检测系统3.2.3 热电阻温度计3.2.4 其它接触式3.2.5 非接触式3.2.6 温度检测仪表的使用 知识要点知识要点热电偶的基本定律（回顾）热电偶的基本定律（回顾）标准热电偶的分度和查表方法标准热电偶的分度和查表方法热电偶自由端温度补偿热电偶自由端温度补偿标准热电偶的选型标准热电偶的选型热电阻的分度、查表、选型热电阻的分度、查表、选型辐射式温度检测仪表的原理辐射式温度检测仪表的原理普朗克定律普朗克定律温度检测仪表的选型温度检测仪表的选型第

2、1页/共71页2温度检测的应用例子温度检测的应用例子互动：温度检测的例子和相应的检测方法互动：温度检测的例子和相应的检测方法？第2页/共71页美丽的济公故里美丽的济公故里3第3页/共71页4发酵罐温度发酵罐温度检测检测第4页/共71页5发酵罐温度控制发酵罐温度控制第5页/共71页6温度检测的应用例子温度检测的应用例子第6页/共71页73.2.1概述概述温度描述系统不同自由度之间能量分布状况的基本物理量，决定一系统是否与其它系统处于热平衡的宏观性质（互为热平衡相同温度）分子物理学：大量分子的平均动能，无规则运动的剧烈程度物理、化学性质与温度的关系工业生产和科学实验中，温度及温度检测与控制第7页/

3、共71页83.2.1.1温标温标温标温度的数值表示方法，标尺规则和方法（如零点）测量单位常用的温标经验温标热力学温标国际实用温标飞机温度场飞机温度场 热应力和热变形分析热应力和热变形分析第8页/共71页9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根据液体（水银）受热后体积膨胀的性质摄氏温标（）-中国暂时使用-标准大气压下，冰点和沸点（0-100，100等分）华氏温标（）-中国已不用-（32-212，180等分）/=(1.8t/+32)t/=(/-32)/1.8 热力学温标开尔文温标（Kelvin，K）以热力学第二定律为基础的理论温标，被采纳为国际统一基准

4、温标绝对零度不与温度计、不与测温物质的性质相联系（纯理论）国际实用温标（国际温标）人的体表温度37，应为多少？T=t+273.15 Kt=T-273.15 Fahrenheit =1.8*37+32=98.6第9页/共71页10国际实用温标（国际温标）温标基准点：选择了一些固定点（可复现的平衡态）温度作为温标基准点基准仪器：规定了不同温度范围内的基准仪器内插公式：标准仪器示值与国际温标数值间的关系越来越接近热力学温标ITS-27（第一个国际温标）ITS-48 ITS-68 ITS-900100100等分摄氏温标32F212F180等分华氏温标热力学温标0K国际实用温标第10页/共71页1119

5、90年国际温标（ITS-90）简介定义固定点：17个标准仪器：4个温区下限：0.65K上限：单色辐照的普朗克辐射定律实际可测的最高温度内插公式：每种内插标准仪器在n个固定点温度下分度第11页/共71页121K等于水三相点热力学温度的1/273.16 ITS90 基准仪器及温度范围基准仪器及温度范围：0.655.0K 3He和和4He蒸气压温度计（蒸气压温度计（He同位素）同位素）3.024.5561K 3He、4He 定容气体温度计定容气体温度计 13.80331234.93K 基准铂电阻温度计基准铂电阻温度计 1234.96K以上以上 光学或光电高温计光学或光电高温计第12页/共71页133

6、.2.1.2温度检测仪表的分类温度检测仪表的分类接触式膨胀式 （体积/长度-温度）热电阻式 （电阻值-温度）热电偶 （热电效应）非接触式主要是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系（普朗克定律 E(,T)能量（波长，温度）亮度法 全辐射法比色法第13页/共71页14接触式和非接触式的比较接触式被测物体温度，若被测物体热容量较小测量精度较低要准确：被测物体的热容量非接触式利用被测物体热辐射而发出红外线制造成本较高，测量精度却较低优点：可进行遥测不从被测物体上吸收热量不会干扰被测对象的温度场连续测量不会产生消耗反应快等第14页/共71页15互动：选择检测方法互动：选择检测方法？第15页/共71页

7、163.2.2热电偶温度计热电偶温度计温差热电偶（简称热电偶）使用最普遍的传感元件之一结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换测量流体、固体、固体壁面的温度微型热电偶还可测快速及动态温度变化第16页/共71页17TT0AB热电偶热电极热端（工作端、测量端）冷端（自由端、参考端）接触电势（帕尔贴电势）两种导体接触E温差电势（汤姆逊电势）单一导体E差总热电势=接触电势+温差电势热端自由端l热电效应热电效应两种两种不同的导体或半导体不同的导体或半导体A和和B组合成闭合回路组合成闭合回路导体导体A和和B的连接处的连接处温度不同温度不同（设（设TT0）在此闭合回路中就

8、在此闭合回路中就有电流产生有电流产生也称西拜克（也称西拜克（Seeback）效应（）效应（1821年）年）第17页/共71页18（1）接触电势eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；e单位电荷，e=1.610-19C；k波尔兹曼常数，k=1.3810-23J/K；NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。电子扩散速率与两种导体的电子密度电子扩散速率与两种导体的电子密度有关，并与接触区的温度成正比有关，并与接触区的温度成正比 接触电势原理图+ABTeAB(T)-eAB(T)e接触

9、接触(T)=系数系数*T*ln(电子密度之比电子密度之比)第18页/共71页19eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；A 汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的=2V/。AeA(T,To)ToT（2）温差电势单一导体，如果两端温度不同，则：高温端自由电子动能大，因而向单一导体，如果两端温度不同，则：高温端自由电子动能大，因而向低温端扩散。动态平衡时，产生电位差低温端扩散。动态平衡时，产生电位差-温差电势。温差电势。E温差温差(T,T0)=温度差范围内对温度温度差范围内对温度的积分的积分第19页/共71页20由

10、由导导体体材材料料A A、B B组组成成的的闭闭合合回回路路，其其接接点点温温度度分分别别为为T T、T T0 0,如如果果T TT T0 0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：（3）回路总电势NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；A、B导体A和B的汤姆逊系数。T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB可忽略温差可忽略温差电势电势第20页/共71页21四点结论：（提问：为什么？判断题）AB为同种导体，不论温差为多大，EAB(T,T

11、0)=0材料不同，有温差才有热电势热电势只与热电极材料和两端温差有关，与热电 极几何尺寸（长短、粗细等）无关热电极材料确定之后，热电势只与T，T0有关。若T0已定，则E与T为单值函数。T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB第21页/共71页22热电偶的基本定律均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律（1）均质导体定律由一种导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度如何都不产生热电势。EAB(T,T0)=E接接T+EB-E接接T0 EA =(E接接T-E接接T0)EA+EB =X*Tln(NAT/NBT)-X*Tln(NAT0/NBT0)积分积

12、分（A）dT+积分（积分（B）dTTT0ABLn(1)=0第22页/共71页23（2）中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要中间导体两端温度相同，那么中间接入导体对热电偶回路总热电势没有影响 应用：引入各种检测仪表、各种连线，不影响测量T0T0ABC接入第三种导体示意图接入第三种导体示意图TEABC(T,T0)=e接ABT+eB+e接BCT0 +eC+e接ACT0-eA-=e接ABT+e接BCT0+e接ACT0-（eA eB）+eCLn(B/C)+Ln(C/A)=Ln(B/A)第23页/共71页24中间导体定律的应用ET0T0TET0T1T1T电位计接入电位计接入 热电偶回路热电偶回路

13、第24页/共71页25E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三种不同导体组成的热电偶回路三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT中间导体定律（引伸）：一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则第25页/共71页26（3）中间温度定律ABTT0TT0TC因此，只要列出热电势在因此，只要列出热电势在冷端温度为冷端温度为00的分度表的分度表，就可以求，就可以求出出冷端在其它温度时的热电势值冷端在其它温度时的热电势值。第26页/共71页27热电偶的误差（1）分度引起的误差热电偶

14、的输出电势与温度之间是非线性关系（2）冷端温度引起的误差工业上使用的热电偶分度表和根据分度表刻度的显示仪表都是在冷端温度为零时进行的（需补偿）（3）测量线路及仪表误差需有配套的测量电路和相应的仪表，要选用合适的仪表量程，热电偶与仪表连接时应选用电阻小且恒定的导线（4）干扰和漏电引起的误差电磁场绝缘不好可能造成热电势的分流（5）其它热电偶的材料不均匀、补偿导线与热电偶的热电特性不完全一致、热电偶的热惰性引起的动态误差等等 第27页/共71页283.2.2.1标准化热电偶与分度表标准化热电偶与分度表热电偶电极材料的要求（可靠性、准确度）热电性质、物理化学性能稳定（时间和被测介质、不易氧化或腐蚀）导

15、电率要高，并且电阻温度系数要小热电势随温度的变化率要大，const机械强度要高，复制性要好，复制工艺要简单，价格便宜 目前在国际上被公认的目前在国际上被公认的比较好的热电材料只有几种比较好的热电材料只有几种。根据。根据IECIEC推荐，推荐，目前我国已经为目前我国已经为八种热电偶八种热电偶制定了标准，被称为制定了标准，被称为标准热电偶标准热电偶 第28页/共71页29同一型号的标准化热电偶，国家进行了统一规定（因此，互换性好）热电极材料及其化学成分热电性质允许偏差 S R B K N T E J选型考虑：测量范围、精度和稳定性要求、被测对象的特殊要求、成本等 第29页/共71页30标准化热电偶

16、第30页/共71页31标准化热电偶（续）第31页/共71页32标准化热电偶的分度表根据国际温标规定：根据国际温标规定：t t0 000时，用实验的方法测出时，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同的工作温度下各种不同热电极组合的热电偶在不同的工作温度下所产生的热电势值，列成一张张表格，这就是常说所产生的热电势值，列成一张张表格，这就是常说的分度表（也可用参考函数表示）的分度表（也可用参考函数表示）判断题判断题：各种：各种标准标准热电偶，当热电偶，当t t00时，热电势为零（）时，热电势为零（）分度表分度表参考函数参考函数热电特性曲线热电特性曲线第32页/共71页33热电偶温度特性曲线

17、：Et=0E=0t0E0t0E0不同型号，E有较大差别非线性自由端t00，求t，需用如下公式：第33页/共71页34例子：型热电偶在工作时自由端温度型热电偶在工作时自由端温度3030，现测得热电偶的电势为，现测得热电偶的电势为7.57.5，求被测介质实际温度。求被测介质实际温度。l解：解：S型，型，E(t0,0)=E(30,0)=0.173mV（P440/P289）E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=7.5+0.173=7.673mV查表：查表：830（P442/P291）第34页/共71页353.2.2.2热电偶自由端温度的处理热电偶自由端温度的处理TT0AB总热电势=接触电势+温

18、差电势热端自由端第35页/共71页36（1）补偿导线法用较廉价的导体来加长热电偶（要求热电特性相近）中间导体定律中间温度定律若自由端不为0，仍需修正E总总=EAB(t,t0)+EAB(t0,t0)=EAB(t,t0)判断题判断题：热电偶的补偿导线法，可补偿自由端不为零：热电偶的补偿导线法，可补偿自由端不为零的的情况，不需再进行温度值修正了。（情况，不需再进行温度值修正了。（）第36页/共71页37补偿导线法注意事项补偿导线只能在一定温度范围内与热电偶特性相近不同型号-不同型号t0处的两个点，温度需一致+/-接+/-补偿导线的作用只是延伸自由端，当自由端温度不为0时，仍需进行其他补偿与修正C-补

19、偿型、补偿型、X-延伸型延伸型第37页/共71页38（2）计算修正法需查表、计算，难进行连续测量TT0E总总=E(T,0)=E(T,T0)+E(T0,0)第38页/共71页39（3）自由端恒温法自由端引至电加热的恒温器中（如冰浴法）mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0第39页/共71页40（4）自动补偿法采用补偿电桥，补偿自由端温度变化导致的热电势自由端温度补偿器4V DC、电桥、Rs mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3RsUab=E(t0,0)、锰铜电阻铜电阻第40页/共71页41例3.4K型型KXK型型3005020（1）E总

20、，总，T显；显；（2）补偿导线为铜，或显示仪表为）补偿导线为铜，或显示仪表为E型，求型，求E总，总，T显显解解：（：（1）K,K,K型型 E总总=E(t,0)=E1(t,tc)+E2(tc,t0)+E3(t0,0)（2）K,铜铜，且，且K型显示：型显示：E总总=E1(t,tc)+E2CU(tc,t0)+E3(t0,0)=E1(t,t0)-E1(tc,0)+0+E3(t0,0)K,K型，型，E型显示型显示 ：E总总=E1K(t,tc)+E2K(tc,t0)+E3E(t0,0)WHY第41页/共71页423.2.2.3热电偶的结构形式热电偶的结构形式（1）普通型热电偶 第42页/共71页43铠装热

21、电偶测量端热容量小，动态响应快；机械强度高；挠性好，可安装在结构复杂的装置上工业应用广泛(a)(b)(c)(d)132铠装式热电偶断面结构示意图铠装式热电偶断面结构示意图1金属套管金属套管;2绝缘材料绝缘材料;3热电极热电极(a)碰底型碰底型;(b)不碰底型不碰底型;(c)露头型露头型;(d)帽型帽型第43页/共71页44薄膜热电偶可以实现物体表面的温度的测量体积很小，所以热容量小快速温度变化的测量，时间常数小于10ms。第44页/共71页453.2.2.4热电偶温度检测系统热电偶温度检测系统配套使用配套使用自由端温度补偿器自由端温度补偿器非线性补偿非线性补偿标度变换标度变换可使用通用可使用通

22、用的显示仪表的显示仪表标度变换标度变换第45页/共71页463.2.3热电阻温度计热电阻温度计热电阻效应热电阻铂（Pt）铜（Cu）半导体热敏电阻热电阻的分度号和分度表 R0要合适Pt:R0=10；R0=100分度号Pt10；Pt100Cu：R0=50；R0=100分度号Cu50；Cu100如如Pt100在室温在室温20时电阻时电阻107.79（附表（附表3.1,3.2）0第46页/共71页47热电阻的结构型式 无感绕法无感绕法支架材料：云母、石英玻璃、陶瓷等 电绝缘性能 热膨胀系数要与热电丝的一致或相近 较高的热电率，较小的比热 有稳定的物理、化学性能，不污染电阻丝 有足够的机械强度，加工性能

23、好 内引线（接触内引线（接触电势小，大直电势小，大直径，大电阻）径，大电阻）第47页/共71页48热电阻温度检测系统（与热电偶的异同点）热电阻热电阻专用显示仪表专用显示仪表配套使用配套使用非线性处理或补偿非线性处理或补偿热电阻热电阻通用显示仪表通用显示仪表配套使用配套使用非线性处理或补偿非线性处理或补偿变送器变送器热电阻和热电偶温度检测系统的热电阻和热电偶温度检测系统的区别区别输入电路形式不同输入电路形式不同热电偶热电偶自由端补偿器；热电阻自由端补偿器；热电阻 测量电桥测量电桥引线：引线：热电偶热电偶补偿导线（补偿导线（E接接，T0一致）；热电阻一致）；热电阻 可用可用普通导线（普通导线（R引

24、线引线=Const、R接、接、E接）接）第48页/共71页49热电阻的三线制接法减小引线电阻对热电阻测温的影响减小引线电阻对热电阻测温的影响接到电源和两个桥臂，接到电源和两个桥臂，R引引 R桥，而桥，而u影响影响不大，从而较好消除了不大，从而较好消除了R引的影响，准确度引的影响，准确度第49页/共71页50热电阻的外引线接线方法二线制、三线制、四线制第50页/共71页51二线制第51页/共71页52三线制第52页/共71页53四线制第53页/共71页543.2.4其它接触式温度检测仪表其它接触式温度检测仪表接触式：除了热电偶、热电阻式，还有玻璃管温度计压力式温度计双金属温度计集成温度传感器一般

25、不具备远传功能，一般不具备远传功能，作为现场指示之用作为现场指示之用第54页/共71页55（1）玻璃管温度计玻璃温包、毛细管、工作液体和刻度标尺等体积膨胀系数水银、酒精等为工作液工业、标准和实验室（2）压力式温度计受热后体积膨胀或压力增大的原理液体、气体、蒸汽压力式，结构基本相同，但原理有些区别（关系式不一样）毛细管：容积尽量，但太小会增加传递阻力弹性元件、传动机构合理设计毛细管、弹性合理设计毛细管、弹性元件和传动机构元件和传动机构第55页/共71页56（3）双金属温度计利用两种膨胀系数不同的金属元件来测量温度，替代水银温度计测量范围较宽-80600，准确度等级12.5级，但测量滞后较大 双金

26、属温度计结构图第56页/共71页57（4）集成温度传感器晶体三极管发射结电压与温度T、反向饱和电流与温度T等变化关系敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，并封装起来特点：体积小、反应快的优点外，还具有线性好、性能高、价格低等AD590，输出电流绝对温度的微安，可测绝对温度。注意：AD590输出不是标准信号，需转换 第57页/共71页583.2.5非接触式温度检测仪表非接触式温度检测仪表主要是辐射式物体的辐射能随温度而变化优点：非接触，运动，不破坏温度场原理普朗克定律第58页/共71页593.2.5非接触式温度检测仪表非接触式温度检测仪表士兵突击防红外探测侦察非接触式温度探测与检测非接触式温

27、度探测与检测具有重要的应用价值具有重要的应用价值第59页/共71页60普朗克定律（1 1）整个波长内的能量整个波长内的能量 （令（令T=1）土星的土星的温度辐射温度辐射图图 斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 物体在温度T下的辐射率(也称“黑度系数”)为辐射波长 为第一辐射常数 为第二辐射常数 普朗克公式普朗克公式 （2 2）特定波长）特定波长 令波长令波长c c为常数为常数（3 3）两个特定波长，能量之比）两个特定波长，能量之比 维恩公式维恩公式 全辐射法全辐射法 亮度法亮度法 比色法比色法 需需T T校正校正第60页/共71页61辐射式温度计主要组成框图第61页/共71页623.2.5

28、.2辐射温度计辐射温度计（1）全辐射高温计透射：高温测量，反射：中温测量透射：高温测量，反射：中温测量检测元件：热电偶堆、热释电元件、硅光电池和热敏电阻等检测元件：热电偶堆、热释电元件、硅光电池和热敏电阻等注意：测量距离；根据辐射率修正注意：测量距离；根据辐射率修正400-2000 1.5%2.0%400-2000 1.5%2.0%优点：简单方便优点：简单方便 缺点：易受干扰缺点：易受干扰 测量距离测量距离第62页/共71页63（2）光电温度计两束辐射能量（即亮度）不同两束辐射能量（即亮度）不同时，光电元件输出对应于两辐射时，光电元件输出对应于两辐射能量差的交变电信号能量差的交变电信号人工瞄准

29、系统人工瞄准系统测量距离测量距离0.53m根据辐射率修正根据辐射率修正结构复杂结构复杂可接受能量小可接受能量小优点：优点：抗干扰能力强抗干扰能力强20015001.0%1.5%，响，响应时间应时间.55s 第63页/共71页64（3）比色温度计基于维恩位移定律（维恩公式）工作基于维恩位移定律（维恩公式）工作被测物体的辐射能中对应波长为被测物体的辐射能中对应波长为1和和2的的辐辐射交替地投射到同一光电元件上，经转换后得射交替地投射到同一光电元件上，经转换后得出比色温度出比色温度1/2，基本不受物体辐射率的影响基本不受物体辐射率的影响结构复杂，成本高结构复杂，成本高40020001.0%第64页/

30、共71页65（4）红外温度计检测被测物体产生的红外波长段的辐射能，红外检测器检测被测物体产生的红外波长段的辐射能，红外检测器不同光学元器件材料不同光学元器件材料适用波长、测温范围也不同适用波长、测温范围也不同光学玻璃、石英；氟化镁、氧化镁；硅、锗光学玻璃、石英；氟化镁、氧化镁；硅、锗第65页/共71页663.2.6温度检测仪表的使用温度检测仪表的使用接触式和非接触式目前 工业应用大部分是接触式非接触：接触式不能胜任之处，选之，比如炉膛火焰温度检测热电偶、金属热电阻 比如铂电阻可做标准仪器工业现场就地指示半导体热敏电阻和集成温度传感器接触式温度检测仪表使用测温位置尽可能缩小温度敏感元件和保护套管

31、的体积正确安装 1 2 3一体型温度变送器 测温元件和变送模块集成智能型温度变送器 可作温度变送模块 也可用作仪表 功能丰富 5点互动：温度检测互动：温度检测正确安装正确安装？P134P134第66页/共71页67温度检测仪表小结接触式（常用）和非接触式现场就地指示：一般用膨胀式温度仪表集中显示、记录和控制用的温度检测：热电偶、热电阻非工业生产过程领域：半导体热敏电阻和集成温度传感器接触式：缩小温度敏感元件的体积（热平衡时间）；保护套管（抗腐蚀、机械强度）第67页/共71页68思考题思考题用热电偶测温时为什么要保持参比端温度恒定?一般都采用哪些方法?用电桥法测定热电阻的电阻值时，为什么常采用三线制接线方法?辐射测温仪表的基本组成是什么？列举出生活中见到的几个测温的例子。温度检测仪表的选型主要考虑些什么因素？如何选型？第68页/共71页69科研训练小贴士科研训练小贴士蔬菜大棚的温度检测与控制系统特种养殖的温度控制系统基于彩色三基色原理的测温技术小的新的点子 第69页/共71页70谢谢 谢谢 ！第70页/共71页71感谢您的观看！第71页/共71页