Chapter Three Chapter Three Measure of Temperature工业仪表温度测量课件3.1 概述概述(Summary)v3.1.1温度测量的意义温度测量的意义v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；v合理利用热量，提高热量利用率v3.1.2 温标温标v摄氏温标C、华氏温标F、热力学温标T，关系为工业仪表温度测量课件按测量温度范围分：按测量温度范围分：高温计高温计600；温度；温度计 600按用途分：按用途分：标准温度计、范型温度计、实用温度计标准温度计、范型温度计、实用温度计按工作原理分：按工作原理分：膨胀式、压力式、热电阻式、热电偶式、辐射式膨胀式、压力式、热电阻式、热电偶式、辐射式按测量方式分：按测量方式分：接触式、非接触式接触式、非接触式3.1.3温度仪表的分类温度仪表的分类工业仪表温度测量课件工业仪表温度测量课件3.23.2热电偶温度测量热电偶温度测量v热电偶温度计（热电温度计）热电偶温度计（热电温度计）v测温范围：测温范围：v10010016001600v热电偶测温系统：热电偶测温系统：v感温元件感温元件v毫伏测量仪表毫伏测量仪表v导线导线工业仪表温度测量课件3.2.13.2.1热电偶测温原理热电偶测温原理3.2.1.13.2.1.1热电偶测温基本原理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v热电极：金属丝A、Bv热端（高温端），置于温度为t 的介质中的接头v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）工业仪表温度测量课件v热电现象：热电现象：将热电偶的工作端插入温将热电偶的工作端插入温度为度为t t的介质环境中，当的介质环境中，当tttt0 0时，仪表时，仪表指针则偏转，说明回路中有电流产生。指针则偏转，说明回路中有电流产生。v由此产生的电流称为由此产生的电流称为热电流热电流；v产生热电流的电动势称为产生热电流的电动势称为热电势（热电势（包包括括接触电势接触电势和和温差电势温差电势）。2 2、热电现象、热电现象工业仪表温度测量课件(1) 接触电势接触电势v不不同同金金属属材材料料的的电电子子密密度度不不同同，且且自自由由电电子子密密度度随随温温度度的变化规律不同。的变化规律不同。v不不同同性性质质的的金金属属接接触触时时自自由由电电子子的的扩扩散散和和迁迁移移产产生生电电位位差（接触电势）差（接触电势）工业仪表温度测量课件玻尔兹曼常数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vv接触电势的计算：接触电势的计算：工业仪表温度测量课件 金属二端温度分别为t和t0时，(2) 温差电势温差电势失电子失电子带正电带正电得电子得电子带负电带负电温差电势：温差电势：tt0自由电子自由电子工业仪表温度测量课件(3) 热电偶回路的热电势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：分热电势工业仪表温度测量课件B B 中中间间导导体体定定律律：在在热热电电偶偶回回路路中中插插入入另另外外的的导导体体时时，只只要要插插入入导导体体是是均均质质的的，且且二二端端的的温温度度相相等等，则则无无论论其其温度分布如何，都不影响原热电偶的热电势。温度分布如何，都不影响原热电偶的热电势。3.2.2 3.2.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律A A均均质质导导体体定定律律：二二种种均均质质金金属属组组成成的的热热电电偶偶的的电电势势与与热热电电极极直直径径、长长度度及及沿沿热热电电极极长长度度上上的的温温度度分分布布无无关关，仅仅与与热热电电极极材材料料及及二二端端温温度度有有关关；热热电电势势值值是是二二端端温温度度差差的的函函数数，若若二二端端温温度度相相等等，则则热热电电势势为为零零。不不均均质质材材料料各各处处温度不同时，将产生附加热电势造成测温误差。温度不同时，将产生附加热电势造成测温误差。ABCtnt0t0工业仪表温度测量课件3.2.3 标准电极规则标准电极规则v中间导体中间导体C为为标准电极标准电极，因其二端温度相同，因其二端温度相同，故热电势仍为故热电势仍为EAB(T，T0)。同时可将其看成。同时可将其看成是由是由A、C和和C、B组成的二对热电偶。组成的二对热电偶。vEAB(T，T0)= EAC(T，T0)+ ECB(T，T0)v = EAC(T，T0) ECB(T，T0)常为铂电极常为铂电极C C中中间间温温度度定定律律：接接点点温温度度为为t t、t t0 0时时的的热热电电势势等等于于该该热热电电偶偶在在接接点点温温度度为为t、tn和和tn、t0时时的的相相应应热热电电势势的的代代数数和和。中中间温度间温度t tn对此没有任何影响。对此没有任何影响。工业仪表温度测量课件3.2.4 3.2.4 热电偶的类型及结构热电偶的类型及结构v3.2.4.1 热电极材料和热电偶种类热电极材料和热电偶种类v(1）热电极材料的选择）热电极材料的选择v热电偶的性能要求：可靠性、稳定性、灵敏度热电偶的性能要求：可靠性、稳定性、灵敏度v材质要求材质要求(除测温物质的基本要求外除测温物质的基本要求外)： 高温下高温下稳定的物理化学性能；稳定的物理化学性能；v不氧化、不变质；不氧化、不变质；v电极间互不渗透；电阻系数小；电极间互不渗透；电阻系数小；v热电阻与温度之间呈线性或近似线性关系；热电阻与温度之间呈线性或近似线性关系；v机械性能好机械性能好工业仪表温度测量课件工业仪表温度测量课件v(2) 标准化热电偶标准化热电偶vA 铂铑铂铑-铂热电偶铂热电偶v优点：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： 1600 v缺点：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，导致热电性不稳定工业仪表温度测量课件B B 镍铬镍铬- -镍硅（镍铬镍硅（镍铬- -镍铝）热电偶镍铝）热电偶 优点：优点：抗氧化性好；抗腐蚀性好；化学稳抗氧化性好；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。长期温度的线性关系好；热电极材料便宜。长期使用：使用：1000 1000 ；短期：短期： 1300 1300 缺点：缺点：在在500 500 和还原气氛下易被腐蚀；和还原气氛下易被腐蚀；测量精度较铂铑测量精度较铂铑- -铂低铂低C C 镍铬镍铬- -考铜热电偶考铜热电偶优点：优点：热电势大；价格便宜热电势大；价格便宜缺点：缺点：易氧化；不能测高温易氧化；不能测高温 工业仪表温度测量课件E E 铜铜- -康铜热电偶康铜热电偶优点：优点：灵敏度高；热电极易复制；价格灵敏度高；热电极易复制；价格低；低温测量精确度高。低；低温测量精确度高。缺点：缺点：测量温度低测量温度低D D 铂铂铑铑3030- -铂铑铂铑6 6热电偶热电偶优点：优点：抗污能力强；高温稳定性好；精度高。抗污能力强；高温稳定性好；精度高。v长期使用：长期使用：14001600 ；短期：短期： 1800 缺点：缺点：灵敏度较低灵敏度较低 正极含铑30%负极含铑6%工业仪表温度测量课件工业仪表温度测量课件3）非标准热电偶）非标准热电偶A 钨钨-钼热电偶钼热电偶v易氧化，宜在还原气氛下使用，测量温度高。易氧化，宜在还原气氛下使用，测量温度高。v测温范围：测温范围： 13002200 vB 钨钨-铼系热电偶铼系热电偶v 测温上限高，高温灵敏度高，电势测温上限高，高温灵敏度高，电势-温度关系近温度关系近线性。线性。v测温范围：测温范围： 24002800 。v缺点：缺点：易氧化易氧化工业仪表温度测量课件vC 铱铑系热电偶铱铑系热电偶v热电势大，热电关系近线性，是宇航技术热电势大，热电关系近线性，是宇航技术中极其重要的测温热电偶中极其重要的测温热电偶vD 铁铁-康铜热电偶康铜热电偶v灵敏度高，热电关系近线性，价格低。但灵敏度高，热电关系近线性，价格低。但易锈蚀易锈蚀vE 其它非标准热电偶其它非标准热电偶工业仪表温度测量课件3.2.4.23.2.4.2 热电偶的结构热电偶的结构v1）普通型普通型v主要组成部分：主要组成部分：热电偶、保护套管、绝缘子热电偶、保护套管、绝缘子v热电偶热电偶v偶丝直径：偶丝直径：贵金属贵金属0.350.65mm；贱金属贱金属1 2mmv绝缘子绝缘子v作用：作用：避免二极之间短路避免二极之间短路v常用的绝缘材料及使用温度常用的绝缘材料及使用温度v保护套管保护套管v作用：作用：避免热电偶受有害气体腐蚀或沾污及机械损伤避免热电偶受有害气体腐蚀或沾污及机械损伤v要求：要求：不透气、不透气、化学惰性化学惰性、耐腐蚀、热惯性小、耐腐蚀、热惯性小高温下不分解，不与氧高温下不分解，不与氧化、还原性气体反应化、还原性气体反应工业仪表温度测量课件工业仪表温度测量课件常用绝缘材料及其使用温度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 1500 以上工业仪表温度测量课件3.2.4.3 铠装热电偶铠装热电偶v将保护套管、绝缘材料与热电偶组合在将保护套管、绝缘材料与热电偶组合在一起拉制而成一起拉制而成, ,又称又称套管热电偶套管热电偶。v套管外径：套管外径：1-81-8mmmm；偶丝直径：偶丝直径：0.025-0.025-1.31.3mmmm；管壁厚度：管壁厚度：0.12-0.60.12-0.6mmmm；长度可长度可达达 100 100m m以上以上v优点：优点：体积小；反应快，时间常数小，体积小；反应快，时间常数小，20s20s；柔性好，可弯成各种形状；机械；柔性好，可弯成各种形状；机械性能好，耐震动，耐冲击性好。性能好，耐震动，耐冲击性好。工业仪表温度测量课件工业仪表温度测量课件工业仪表温度测量课件 一般地，在常压下可采用普通式结构；测一般地，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，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，则采用铠装热电偶，于狭小管道内温度的测量，则采用铠装热电偶，它也适用于高压和动态温度测量。它也适用于高压和动态温度测量。3.2.4.4 3.2.4.4 热电偶型式的选择热电偶型式的选择工业仪表温度测量课件3.2.4.5 热电偶参比端温度的处理热电偶参比端温度的处理1、恒温法恒温法将参比端置入恒温器中，使温度恒定在某一数值。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。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、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。仪表指针从环境温度开始偏转。4、补偿导线法、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工业仪表温度测量课件工业仪表温度测量课件v与与普普通通型型相相比比，结结构构不不同同。测测量量时时:v将将测测量量端端直直接接焊焊在在被被测测金金属属表表面面或或紧紧压压在在被被测测固体表面。固体表面。3.2.4.6 测量表面温度的热电偶测量表面温度的热电偶v便式表面温度计便式表面温度计工业仪表温度测量课件3.2.4.7热电偶的误差来源热电偶的误差来源v1）分度误差）分度误差v2）补偿导线所致误差）补偿导线所致误差v3）参比端温度变化所致误差）参比端温度变化所致误差v4）热电极变质使热电性质变化所致误差热电极变质使热电性质变化所致误差工业仪表温度测量课件v测量范围：测量范围： 270500 ，特殊情况特殊情况2701000 v热电阻传感器的特点：热电阻传感器的特点：v1 1）精确度高（铂电阻温度计作为基准温度计）；）精确度高（铂电阻温度计作为基准温度计）；v2 2）灵敏度高；）灵敏度高；v3 3）中低温（）中低温（500500以下）测量时热电势信号大，易于以下）测量时热电势信号大，易于信号显示和远距离传送；信号显示和远距离传送；v4 4）金属热电阻的）金属热电阻的电阻电阻- -温度线性关系好温度线性关系好，重现性和稳，重现性和稳定性都好；但体积大，热惯性大，不利于动态测量；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；半导体与之相反；v5 5）无冷端补偿问题）无冷端补偿问题3.3 3.3 热电阻温度计热电阻温度计工业仪表温度测量课件、 、B 希望希望 稳定，数值尽可能大，以便获稳定，数值尽可能大，以便获得灵敏和精确度高的电阻温度传感器。得灵敏和精确度高的电阻温度传感器。3.3.1 热电阻的测温原理热电阻的测温原理v导体（或半导体）的电阻随温度的变化关系导体（或半导体）的电阻随温度的变化关系v对于导体对于导体v对于半导体对于半导体电阻温度系数参比温度工业仪表温度测量课件工业仪表温度测量课件（1）热电阻的材料）热电阻的材料vv对热电阻材料的要求：对热电阻材料的要求：对热电阻材料的要求：对热电阻材料的要求：v电阻温度系数大，且不随温度变化；电阻温度系数大，且不随温度变化；v电阻率大；电阻率大；重现重现性和稳定性好；价格便宜。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。工业仪表温度测量课件（2）结构形式）结构形式v1）铂热电阻铂热电阻v特点：特点：v精度高，精度高， 稳定性好，性稳定性好，性能可靠。能可靠。v还原介质中易被沾污而还原介质中易被沾污而变脆。变脆。v测温范围：测温范围：v-12-12工业仪表温度测量课件v2）铜热电阻）铜热电阻v在在-50150 范范围围内内电电阻阻- -温度关系近似线性；温度关系近似线性；v价格便宜，但易氧化。价格便宜，但易氧化。3.3.3 3.3.3 热电阻的结构型式热电阻的结构型式它主要由四部分组成：电它主要由四部分组成：电阻丝、支架、引出线阻丝、支架、引出线 和和保护套管。保护套管。工业仪表温度测量课件.半导体热电阻半导体热电阻1-电阻体；电阻体；2-引线；引线；3-导体；导体；4-玻璃管；玻璃管；5-保护管；保护管；6-密密封填料；封填料；7-锡箔锡箔特点：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。工业仪表温度测量课件对骨架材料的要求：对骨架材料的要求： 1 1）电绝缘性能好；）电绝缘性能好； 2 2）足够的机械强度；）足够的机械强度； 3 3）体积膨胀系数小，以免给热阻丝造成应力；）体积膨胀系数小，以免给热阻丝造成应力； 4 4）对电阻丝无化学作用。）对电阻丝无化学作用。引线的要求：引线的要求： 1 1）电阻小，且电阻）电阻小，且电阻- -温度系数很小；温度系数很小； 2 2）与热电阻丝连接处的热电势小。）与热电阻丝连接处的热电势小。保护套管的要求：保护套管的要求：免遭有害气体的腐蚀和沾污，以免遭有害气体的腐蚀和沾污，以及机械损伤。及机械损伤。结构组成：结构组成：骨架、引出线、保护套管骨架、引出线、保护套管工业仪表温度测量课件3.4 非接触式非接触式测温仪表测温仪表v特点：特点：v（1）测温传感器不破坏被测对象的温度场；）测温传感器不破坏被测对象的温度场；v（2）不受被测介质的腐蚀和毒化；）不受被测介质的腐蚀和毒化；v（3）传感器不必与被测介质达到热平衡；）传感器不必与被测介质达到热平衡；v（4）动态特性好，可测量处于运动状态的对象温度）动态特性好，可测量处于运动状态的对象温度v非接触式测温的主要原理：利用物体的热辐射非接触式测温的主要原理：利用物体的热辐射光学高温计光学高温计全辐射高温计全辐射高温计比色高温计比色高温计红外温度计红外温度计v辐射高温计的种类：工业仪表温度测量课件在热辐射分析中，光谱吸收比与波长无关的物体v（1）物体的热辐射与温度的关系）物体的热辐射与温度的关系v绝对黑体的绝对黑体的单色辐射强度单色辐射强度与波长和温度的关系：与波长和温度的关系：3.4.13.4.1辐射测温的物理基础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维恩公式普郎克第一辐射常数普郎克第二辐射常数v（2）灰体和实际物体的黑度）灰体和实际物体的黑度v在同温度下，灰体的辐射能力低于绝对黑体，其单色在同温度下，灰体的辐射能力低于绝对黑体，其单色辐射强度辐射强度E和全和全辐射能射能E均比均比绝对黑体小。关系：黑体小。关系：对单色辐射强度在对单色辐射强度在0 0区间积分得全辐射能区间积分得全辐射能E E0 0：灰体的单色辐射黑度斯蒂芬波斯蒂芬波尔兹曼公式尔兹曼公式工业仪表温度测量课件工业仪表温度测量课件灰体的黑度等于它的吸收比，它们不灰体的黑度等于它的吸收比，它们不随波长而变化！随波长而变化！实际物体的黑度随波长而变化，但一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，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。可近似看作是灰体。灰体的全辐射强度显然，显然，温度越高，辐射能越大。温度越高，辐射能越大。工业仪表温度测量课件3.4.2光学高温计光学高温计v工业用光学高温计有工业用光学高温计有：v隐隐丝丝式式: :利利用用调调节节电电阻阻来来改改变变高高温温灯灯泡泡的的工工作作电电流流，当当灯灯丝丝的的亮亮度度与与被被测测物物体体的的亮亮度度致致时时，灯灯泡泡的的亮亮度度就就代代表表了了被被测测物体的亮度温度。物体的亮度温度。 v恒恒定定亮亮度度式式：利利用用减减光光楔楔来来改改变变被被测测物物体体的的亮亮度度，使使它它与与恒恒定定亮亮度度的的高高温温灯灯泡泡相相比比较较，当当两两者者亮亮度度相相等等时时，根根据据减减光光楔楔旋转的角度来确定被测物体的亮度温度旋转的角度来确定被测物体的亮度温度 。v该仪器测量的温度是亮度温度，它不等于物体的真是温度。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 1）光学高温计的原理）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。单色辐射强度的测量非常困难，常采用亮度测量方法。 依据依据：物体的发光亮度与物体的辐射强度成正比物体的发光亮度与物体的辐射强度成正比。工业仪表温度测量课件直直接接测测量量亮亮度度也也不不易易，故故用用比比较较亮亮度度的的方方法法，即即：用用一一已已知知亮亮度度的的高高温温灯灯丝丝的的亮亮度度与与被被测测物物体体的的亮亮度度相相比比较较。当当其其亮亮度度相相等等时时，按按高高温温灯灯丝丝的的已已知知温温度度来来反反映映被被测物体的温度。测物体的温度。单色亮度与单色辐射强度的关系：单色亮度与单色辐射强度的关系：工业仪表温度测量课件（2）亮度温度）亮度温度对于灰体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：亮度温度的定义：在波长为在波长为的的单色色辐射中，当物体射中，当物体在温度在温度T时的亮度的亮度B与黑体在温度与黑体在温度Ts时的亮度的亮度B0相同相同时，则黑体的温度黑体的温度Ts即即为物体的亮度温度。物体的亮度温度。T与与TS的关系：的关系：工业仪表温度测量课件v1）光学系统）光学系统v物镜：调节物镜使被测物体在灯丝平面上清晰成像物镜：调节物镜使被测物体在灯丝平面上清晰成像v目镜：调节目镜使灯丝清晰可见目镜：调节目镜使灯丝清晰可见v红色滤光片：置于目镜和物镜之间，以满足单色辐射条件红色滤光片：置于目镜和物镜之间，以满足单色辐射条件v灰色吸光玻璃：位于物镜与灯泡之间，使被测物体亮度减灰色吸光玻璃：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，扩大量程弱后再与灯丝亮度比较，扩大量程v2）电测系统）电测系统v组成：钨丝灯、直流电路、电流调节变阻器、显示仪表组成：钨丝灯、直流电路、电流调节变阻器、显示仪表v作用：通过调整灯丝电流调整高温计灯丝的亮度，再用磁作用：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。电式仪表来测量，并显示与被测亮度相应的温度值。v钨丝灯作为亮度比较的标准，其灯丝亮度、加热电流与温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。度的关系已知，故可用电流表示亮度，进而表示温度。v灯泡电源：灯泡电源：24V直流电源直流电源（3）光学高温计的构造）光学高温计的构造工业仪表温度测量课件物镜灯泡吸收玻璃目镜红色滤光片显示仪表滑线电阻工业仪表温度测量课件v将将望望远远系系统统对对准准被被测测物物体体，调调节节物物镜镜使使测测物物体体清清晰晰成像在灯丝平面上；成像在灯丝平面上；v调节目镜使在观察孔能清楚看到被测物体和灯丝像。调节目镜使在观察孔能清楚看到被测物体和灯丝像。v调节好后，用定位螺丝将目镜锁紧。调节好后，用定位螺丝将目镜锁紧。v此此时时，在在被被测测物物体体的的像像所所形形成成的的发发光光背背景景上上可可看看到到灯灯丝丝。若若灯灯丝丝亮亮度度低低于于被被测测物物体体的的亮亮度度，则则物物像像背背景景上上有有一一条条暗暗的的灯灯丝丝弧弧线线；若若高高于于被被测测物物体体亮亮度度，则则呈呈亮亮的的弧弧线线；若若二二者者亮亮度度相相等等，灯灯丝丝隐隐没没在在物物像像背景中。背景中。（4）光学高温计的使用）光学高温计的使用工业仪表温度测量课件v将将电电流流值值换换算算成成黑黑体体温温度度对对显显示示仪仪表表进进行行分分度度，即即可得到按黑体温度分度的标尺。可得到按黑体温度分度的标尺。v因因仪仪表表在在灯灯丝丝隐隐没没于于被被测测物物体体的的像像中中时时读读数数，故故称称隐丝式光学高温计隐丝式光学高温计。灯灯丝丝亮亮度度低低于于被被测测物体的亮度物体的亮度灯灯丝丝亮亮度度等等于于被被测测物体的亮度物体的亮度灯灯丝丝亮亮度度高高于于被被测测物体的亮度物体的亮度工业仪表温度测量课件v（1）红色滤光片：保证）红色滤光片：保证亮度比较亮度比较在在波长为波长为0.66m的波段内的波段内进行。原因：行。原因：v1）所）所选波段既要有波段既要有较大大辐射射强强度，又要在人度，又要在人眼眼视觉范范围内。内。红光可同光可同时满足此二条件。足此二条件。v2）红光区光区颜色随波色随波长的的变化小于其它化小于其它颜色的色的可可见光，因而减小附加光，因而减小附加误差。差。v3）获得得较窄的工作波段，更接近窄的工作波段，更接近单色色辐射。射。（5）红色滤光片和灰色吸收玻璃的作用）红色滤光片和灰色吸收玻璃的作用工业仪表温度测量课件v（2）灰色吸收玻璃）灰色吸收玻璃v作用：作用：扩大大测温范温范围v测量温度量温度 1400时，不是用提高灯，不是用提高灯丝亮亮度的方法而是用灰色玻璃按已知比例将被度的方法而是用灰色玻璃按已知比例将被测物体物体辐射至高温射至高温计的亮度减弱，然后再的亮度减弱，然后再与灯与灯丝亮度相比亮度相比较。因此，光学高温。因此，光学高温计有有二个量程：二个量程：v第一量程：第一量程：80080014001400（不加灰玻璃）；（不加灰玻璃）；v第二量程：第二量程：1200120020002000（加灰玻璃）（加灰玻璃）工业仪表温度测量课件（6）光学高温计的测量电路）光学高温计的测量电路v1）电流测量：通过测量流过灯丝的电流）电流测量：通过测量流过灯丝的电流来确定被测物体的亮度温度。来确定被测物体的亮度温度。实验室用实验室用手动电位差计；现场测量多用自动电位手动电位差计；现场测量多用自动电位差计差计v2）电压测量：通过测量灯丝二端的电压）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）串接限流电阻后与灯丝并接）特点：特点：测测量线路简单，但导线电阻变化时会带来量线路简单，但导线电阻变化时会带来误差，故一般用作工业测量。误差，故一般用作工业测量。工业仪表温度测量课件3 3）电电阻阻测测量量：通通过过测测量量灯灯丝丝电电阻阻来来确确定定被被测测物物体体的的亮亮度温度度温度。方法：方法：平衡电桥法；平衡电桥法；不平衡电桥法不平衡电桥法工业仪表温度测量课件（7）影响光学高温计测温精度的因素）影响光学高温计测温精度的因素v1）非黑体辐射：）非黑体辐射：v被测物体被测物体已知已知时，按式（，按式（3-25）计算出真算出真实温度温度v被测物体被测物体未知未知时，用一根一端封，用一根一端封闭的高的高温管的封温管的封闭端插入被端插入被测介介质中，管底的中，管底的辐射射近似于黑体近似于黑体辐射射v2）中间吸收介质）中间吸收介质：烟雾、灰尘、二氧化碳、烟雾、灰尘、二氧化碳、水蒸汽等，无规律性水蒸汽等，无规律性实际温度工业仪表温度测量课件v3）火焰和其它发光体：）火焰和其它发光体：应尽量避免应尽量避免v4）测量距离：）测量距离：一般在一般在12m内测量，最内测量，最好不超过好不超过3m。v光学温度计的允许误差：光学温度计的允许误差：v80080014001400时，14 14 ；v1200120020002000， 20 20v3.4.3 光电高温计：光电高温计：与光学高温计的结构区别、与光学高温计的结构区别、操作特点区别操作特点区别（自学）（自学）工业仪表温度测量课件v全辐射高温计：全辐射高温计：依据物体发射出的全辐射能测量依据物体发射出的全辐射能测量物体温度的仪表物体温度的仪表3.4.4全辐射高温计全辐射高温计（1）全辐射传感器的原理）全辐射传感器的原理黑体的绝对温度：黑体的绝对温度：当温度为当温度为T的被测物体的全辐射能的被测物体的全辐射能ET等于温等于温度为度为TP的黑体的全辐射能的黑体的全辐射能E0Tp时，时，TP称为被测物称为被测物体的全辐射温度（简称辐射温度）。体的全辐射温度（简称辐射温度）。工业仪表温度测量课件（2）全辐射传感器的结构）全辐射传感器的结构组成：光学系统、辐射变换器组成：光学系统、辐射变换器辐射变换器辐射变换器热变换器光电变换器光电阻光电池热电堆热电阻双金属片光学系统光学系统（接受、聚集辐射能）（接受、聚集辐射能）透镜式反射镜式透镜反射镜混合式有吸收作用，不能接收和聚集全部反射能波段较宽响应波段较宽，稳定性好，但响应慢，热惯性大响应波段较窄，非全辐射变换，但响应很快工业仪表温度测量课件热电堆的性能热电堆的性能要求：要求：热惯性小，热惯性小，灵敏度高，灵敏度高，参比端温度恒参比端温度恒定定工业仪表温度测量课件3）热电势的参比端温度补偿方法）热电势的参比端温度补偿方法A补偿电阻法：补偿电阻法：导线电阻随着环境导线电阻随着环境【冷端冷端】温度而变化。温度而变化。B补偿光栏法：补偿光栏法：光阑孔大小随着环境温度改变而增大，或者缩光阑孔大小随着环境温度改变而增大，或者缩小。小。工业仪表温度测量课件4）全辐射计的显示仪表及测量系统）全辐射计的显示仪表及测量系统工业仪表温度测量课件3.4.5比色高温计比色高温计测量原理：测量原理：利用同一被测物体的利用同一被测物体的二个辐射波长二个辐射波长下单色辐下单色辐射强度之比随温度的变化特性来测温。射强度之比随温度的变化特性来测温。据维恩公式，据维恩公式，黑体温度黑体温度为T时，波长波长1和和2的的单色色辐射射强强度分度分别为：二者之比为：二者之比为：工业仪表温度测量课件对于灰体，有单色辐射黑度对于灰体，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在以黑体温度分度的比色高温计上将显示温度度TBS，所以有，所以有即即TTBS工业仪表温度测量课件测量过程：测量过程：光电检测器交替接受来自调节盘的波长为光电检测器交替接受来自调节盘的波长为1和和2的的单色色辐射，向比射，向比值运算器运算器输入入电信号，信号，经比比较运算后运算后输至至显示示仪表。目表。目镜通通过反射反射镜接受平行于平面玻璃接受平行于平面玻璃反射的部分反射的部分辐射，以便瞄准目射，以便瞄准目标并并调节成相大小成相大小。实际物体近似灰体，选择适当波长使实际物体近似灰体，选择适当波长使则则TTBS这说明：这说明：用比色高温计测量近似灰体的温度时，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，测量结果误差不大无需考虑黑度的修正，测量结果误差不大工业仪表温度测量课件工业仪表温度测量课件比色高温计的优点：比色高温计的优点：（1）不受实际物体黑度的影响，即无）不受实际物体黑度的影响，即无需修正黑度。需修正黑度。（2）不受辐射通道上介质选择性吸收）不受辐射通道上介质选择性吸收单色辐射能的影响单色辐射能的影响缺点：缺点：结构复杂结构复杂工业仪表温度测量课件v定义：定义：测量物体红外辐射来确定物体温度的温度计测量物体红外辐射来确定物体温度的温度计v种类：种类：全红外辐射型、单色红外辐射型、比色型全红外辐射型、单色红外辐射型、比色型v特点：可测低温特点：可测低温3.4. 6红外线温度传感器（红外测温仪）红外线温度传感器（红外测温仪）测温原理：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。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单色红外辐射感温器实际上是接受某一窄波段12的的红外辐射线。此波段的红外辐射线。此波段的ET关系关系用普郎克或维恩公式积用普郎克或维恩公式积分求得分求得工业仪表温度测量课件红外线波长范围：红外线波长范围：0.8100m工业仪表温度测量课件红外测温仪的结构组成：红外测温仪的结构组成：1）红红外外辐辐射射通通道道（光光学学系系统统）：通通过过光光学学系系统统或或某些透红外窗口材料获得一定波段的红外辐射某些透红外窗口材料获得一定波段的红外辐射A棱镜分光棱镜分光不同材料的波长上限：不同材料的波长上限：MgOMgO、MgFMgF2 2 9 9m m；CaFCaF2 2 11 11m m；ZnS 14ZnS 14m m；ZnSe 22ZnSe 22m m；CaTe 31CaTe 31m mB B采用不同的红外窗口材料采用不同的红外窗口材料工业仪表温度测量课件2）红红外外变变换换元元件件：接接受受红红外外辐辐射射后后将将其其转转换为其它信号（电信号或热信号）换为其它信号（电信号或热信号）A光电变换器光电变换器变变换换元元件件所所用用材材料料不不同同，其其红红外外线线响响应应波波长也不同：长也不同：Tl2 1.2 m；PbTe 6 m；PbSe 7 mB B热探测器：热探测器：热电堆、热电阻等，响应波热电堆、热电阻等，响应波谱范围宽谱范围宽工业仪表温度测量课件热电堆通常由铋银、铋锑、铜、热电堆通常由铋银、铋锑、铜、康铜、铋铋锡合金等组成。康铜、铋铋锡合金等组成。组成热电堆组成热电堆的热电偶数量从十几支至几十支。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，将堆体积。利用真空镀膜和光刻技术，将铋铋锑材料制成薄膜型热电堆，每锑材料制成薄膜型热电堆，每cm2可排列可排列20支以上热电偶。支以上热电偶。工业仪表温度测量课件3.4.7 3.4.7 光纤辐射式温度测试仪光纤辐射式温度测试仪v以物体辐射理论为基础的非接触式温度以物体辐射理论为基础的非接触式温度测试仪。测试仪。v工作原理：工作原理：选定一波长选定一波长,则被测物体的辐则被测物体的辐射度是温度的单值函数。只要测出射度是温度的单值函数。只要测出下的下的辐出度辐出度,就可以确定该物体的亮度温度就可以确定该物体的亮度温度,并并有下列关系式有下列关系式:v （3-30）v式中式中, ,c c2 2常数常数, , 波长波长, , 光谱发射率光谱发射率, ,TsTs 测量温度测量温度, ,T T 实际温度实际温度 工业仪表温度测量课件结构特点：结构特点：工业仪表温度测量课件（1 1）光纤探头：）光纤探头：完成辐射光线的采集完成辐射光线的采集采用多模石英光纤束。采用多模石英光纤束。透镜耦合：透镜耦合：提高对温度信号的灵敏试提高对温度信号的灵敏试工业仪表温度测量课件（2 2）前置器）前置器v1）窄带干涉滤光片）窄带干涉滤光片v位置：光电探测器前端位置：光电探测器前端v作用：滤除其他波长的辐射和背景干扰辐射。干涉滤光片作用：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。的中心波长为所选用的测量波长。v半波带宽度的选取原则：在保证测量灵敏度的前提下，选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取尽量小半波带宽度,以保证测量准确度。以保证测量准确度。v中温通道干涉滤光片的参数：中温通道干涉滤光片的参数：v=1.5m，=25 nm，最大透过率为，最大透过率为70%。v高温通道干涉滤光片的参数：高温通道干涉滤光片的参数：v=0.9m，=20 nm，最大透过率为，最大透过率为70%。工业仪表温度测量课件2) 2) 光电探测器及其转换电路光电探测器及其转换电路v构成：光电探测器与前置放大器构成：光电探测器与前置放大器v作用：提高抗干扰性能和抗环境温度变作用：提高抗干扰性能和抗环境温度变化能力。化能力。v3）有源低通滤波器）有源低通滤波器v作用：滤除信号中的高频噪声。作用：滤除信号中的高频噪声。工业仪表温度测量课件（3）二次仪表）二次仪表v1）低通滤波及零点调整）低通滤波及零点调整v作用：零点调整、阻抗变换作用：零点调整、阻抗变换v2）线性化处理）线性化处理v作用：在一定范围内获得作用：在一定范围内获得VTT线性关系线性关系参比电压参比电压输入电压输入电压电路传输系数电路传输系数工业仪表温度测量课件3.5 3.5 水晶测温仪水晶测温仪v利用水晶音叉压电谐振频率与温度严格对应关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。系外加数字电路构成的温度测控仪。 v传感器采用水晶音叉温度传感器传感器采用水晶音叉温度传感器 v水晶具有压电性水晶具有压电性,当施加电场后当施加电场后,就会发生机械就会发生机械形变，不同的水晶音叉具备特有的谐振频率形变，不同的水晶音叉具备特有的谐振频率(它它取决于水晶的弹性、柔顺常数、密度和音叉结取决于水晶的弹性、柔顺常数、密度和音叉结构等构等)，当外加电信号满足振荡条件时，当外加电信号满足振荡条件时(增益大增益大于，相位同相于，相位同相)，则回路发生压电谐振，此谐振，则回路发生压电谐振，此谐振频率频率fT与温度与温度T是一一对应的，即：是一一对应的，即：工业仪表温度测量课件fTfT0= fT01+A ( TT0) +B(TT0)2+C(TT0) 3式中，式中，f温度温度T时的振荡频率；时的振荡频率； fT0温度温度T0时的振荡频率；时的振荡频率； T任意温度；任意温度； T0参考温度。参考温度。解此方程可得：解此方程可得： T=-A+A24B(fT0fT)/ fT0/2B1/2+ T0 工业仪表温度测量课件优点：优点：v传感器输出与温度相对应的频率信号，抗噪声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。能力强，容易进行数字信号处理。v优良的抗老化特性。优良的抗老化特性。v频率信号的分辨率高，频率低，可实现信号的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长线传输，因此该传感器能够测量很小的温度差。差。v与热电阻和热电偶温度传感器相比，输出的是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。对石英温度传感器几乎无影响。工业仪表温度测量课件