刘玉长刘玉长第二章 温度检测与仪表第一节 温标及测温方法 第二节 热电偶温度计第三节 电阻温度计第四节 辐射温度计 第五节 测温仪表的选择及安装 第六节 新型温度传感器 第七节 工业特殊测温技术刘玉长刘玉长第一节温标及测温方法 一、温标 温度的数值表示称为温标。它利用一些物质的“相平衡温度作为固定点刻在“标尺上，而固定点中间的温度值则是利用一种函数关系(内插函数或称为内插方程)来描述。各类温度计的刻度均由温标确定。温标三要素：温度计、固定点和内插方程。温标不是温度标准(Temperature Standard)，而是温度标尺(Temperature Scale)的简称。国际上规定的温标有很多种，最常用的是华氏温标(美国)、摄氏温标、热力学温标等。刘玉长刘玉长温标名称有关规定华氏温标（ ）1714年， Fahrenheit把标准大气压下纯水的沸点和冰点这两个恒定温度作固定点(212 和32 )，这两个温度点之间用水银温度计分成180等份，每等份定为1华氏度()。遗憾：把冰点定为32度而不是0度。 列氏温标(oR)1731年Raumur提出：水的冰点被定为列氏0度，而沸点则为列氏80度。因为标准浓度的酒精在水的冰点和沸点之间体积从1000单位膨胀到1080单位。 摄氏温标 ()1742年Celsius提出：最初定义“水的冰点定为一百摄氏度，沸点定为零摄氏度，其间分成一百等分，一等分为一摄氏度”。第二年将刻度颠倒过来使用，即当今用法。当前应用最广，ITS-90有专门定义。开氏温标 (K)1854年Kelvin提出：把绝对零度(0K)到水的三相点温度(273.16K)等分为273.16份，每份就是1开氏度。其分度间隔和摄氏温标间隔一致，t(1)=T(1K)。兰氏温标(oR)Rankine 温标是美国工程界使用的一种温标。起点也为绝对零度，水的冰点和沸点分别为491.67和671.67兰氏度(oR) ，中间分成180等分，每一等分为1oR 。刘玉长刘玉长几种温标间的换算关系摄氏度=5(华氏度-32)/9摄氏度=开氏度-273.15摄氏度=5兰氏度/9-273.15摄氏度=1.25列氏度=华氏度= 1.8摄氏度+32华氏度= 1.8开氏度-459.67华氏度=兰氏度-459.67华氏度=2.25列氏度+32=开氏度=摄氏度+273.15开氏度= 1.25列氏度+273.15开氏度= 5(华氏度-32)/9 +273.15开氏度= 5兰氏度/9 刘玉长刘玉长热力学温标/开氏温标/绝对温标(K) 热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文(Kelvin)根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标，其起点为绝对零度，故又称绝对温标。它的符号是T，单位是开尔文(K)。威廉威廉汤姆逊汤姆逊开尔文勋爵开尔文勋爵像像刘玉长刘玉长国际实用温标(IPTS-90/ITS-90) 国际实用温标(international practical temperature scale)也称国际温标，是一种国际协议性温标，它与热力学温标接近，且复现精度高，使用方便。国际计量委员会第18界国际计量大会(CGPM)第七号决议，授权予1989年会议通过“1990国际温标ITS-90”，并从1990年1月1日开始在全世界范围内采用【我国1994.1.1开始全面实施】。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K(0.01C)等。 刘玉长刘玉长二、测温方法及分类 测温方法很多种，可分为：按测量方法可分为接触式和非接触式；按工作原理可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等；按用途分，有基准温度计和工业温度计。 刘玉长刘玉长应用热膨胀原理测温应用热膨胀原理测温 测量原理测量原理物体受热时产生膨胀物体受热时产生膨胀 液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计 固体膨胀式温度计固体膨胀式温度计 玻璃管温度计玻璃管温度计 双金属温度计双金属温度计刘玉长刘玉长体积热膨胀式 不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。 气体的体积与热力学温度成正比刘玉长刘玉长接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。优点：结构简单、可靠，测温精度较高。缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。不适于直接对腐蚀性介质测量。刘玉长刘玉长非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。 刘玉长刘玉长 第二节 热电偶温度计热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小等特点，输出信号为电信号便于远传或信号转换。热电偶可用来测量流体、固体以及固体壁面的温度，微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。刘玉长刘玉长赛贝克实验与赛贝克效应(热电效应) 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点，发现放在回路中的指南针发生偏转，如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。【结论】指南针的偏转说明：不同金属组成闭合回路时，回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。 刘玉长刘玉长一、热电偶测温原理热电偶温度计是根据热电效应工作的。当两种不同的导体或半导体材料A和B组成闭合回路(如下图)，如果两个结合点处的温度不相等，则回路中就会有电流产生。也就是回路中会有电动势存在，这种现象叫做热电效应，该效应首先由赛贝克发现，故也称赛贝克效应。回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。热电偶原理图TT0AB冷端热端自由端自由端工作端工作端刘玉长刘玉长热电偶有关术语v两种不同的导体或半导体材料A和B组成闭合回路，如果两个结合点处的温度不相等，则该回路中就会有电动势产生，称该现象为热电效应。v回路中所产生的电动势称为热电势。v称导体A,B为热电极。v其中一个接点通常是焊接在一起被置于测温场感受被测温度，称为测量端、热端或工作端；而另一个接点远离测量端，且要求温度恒定，称为自由端、冷端或参比端。刘玉长刘玉长(一)接触电势电子密度不同的导体或半导体材料相互接触时，在其接点处产生电势，该电势主要取决于两种材料的性质和接触面温度的高低：式中 NA(T)和NB(T) 材料A和B在温度T时的电子密度； e 单位电荷，4.80210-10绝对静电单位； K 波尔兹曼常数，1.3810-23J/； T 材料温度，K。NANB刘玉长刘玉长(二)温差电势由于两端温度不同，在导体或半导体材料两端产生电势，温差电势的方向是由低温端指向高温端，其大小与材料两端温度和材料性质有关 ：式中 N材料的电子密度，是温度的函数； T,T0材料两端的温度； t沿材料长度方向的温度分布。E(T,T0)刘玉长刘玉长(三)热电偶闭合回路的总热电动势 闭合回路总热电动势应为接触电势和温差电势的代数和，即 ：结论：(1)只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，且两端温度必须不同；(2)热电势的大小，只与组成热电偶的材料和材料两端连接点处的温度有关，与热电偶丝的大小尺寸及沿程温度分布无关。刘玉长刘玉长二、 热电偶的基本定律(性质)(一)均质材料定律 由一种均质材料组成的闭合回路，不论沿材料长度方向各处温度如何分布，回路中均不产生热电势。它要求组成热电偶的两种材料A 和B必须各自都是均质的，否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加热电势，引入不均匀性误差。因此在进行精密测量时要尽可能对电极材料进行均匀性检查和退火处理。该定律是同名极法检定热电偶的理论根据。刘玉长刘玉长(二)中间导体定律在热电偶测温回路中插入第三种(或多种)导体(如图中导体C)，只要其两端温度相同，则热电偶回路的总热电势与串联的中间导体无关【证明请参考教材2.2.2.2节】。应用：金属熔体温度与金属表面温度测量。 刘玉长刘玉长(三)中间温度定律在热电偶测温回路中，测量端的温度为T，连接导线各端点的温度分别为Tn和T0(见图)，如A与A，B与B的热电性质相同，则总的热电动势等于热电偶的热电动势EAB(T,Tn)与连接导线的热电动势EA B (Tn ,T0)的代数和，其中Tn为中间温度，即 EABBA(T,Tn,T0)= EAB(T,Tn)+ EAB (Tn,T0) = EAB(T,Tn)+ EAB (Tn,T0)中间导体定律和中间温度定律是工业热电偶测温中应用补偿导线的理论依据。刘玉长刘玉长(四)参考电极定律 两种导体A，B分别与参考电极C(标准电极)组成热电偶(如图)，如果它们所产生的热电动势为已知，那么，A与B两热电极配对后的热电动势可按下式求得：EAB(t,t0)= EAC(t,t0)+ ECB(t,t0)人们多采用高纯铂丝作为参考电极，这样可大大简化热电偶的选配工作。 刘玉长刘玉长三、热电偶结构典型工业用热电偶结构如图所示。它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。刘玉长刘玉长v热 电 极：一般金属0.53.2mm，昂贵金属0.30.6mm，长度与被测物有关，一般在3002000mm，通常在350mm左右。v绝 缘 管：隔离热电偶与被测物，一般在室温下要5M以上。v保护套管：避免受被测介质的化学腐蚀或机械损伤。v接 线 盒：固定接线座，连接补偿导线。刘玉长刘玉长热电极材料要求(1) 应输出较大的热电势，以得到较高的灵敏度，且要求热电势E(t)和温度t之间尽可能地呈线性函数关系；(2) 能应用于较宽的温度范围，物理化学性能、热电特性都较稳定。即要求有较好的耐热性、抗氧性、抗还原、抗腐蚀等性能；(3) 要求热电偶材料有较高的导电率和较低的电阻温度系数；(4) 具有较好的工艺性能，便于成批生产。具有满意的复现性，便于采用统一的分度表。 刘玉长刘玉长普通装配型热电偶的外形普通装配型热电偶的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰刘玉长刘玉长普通装配型热电偶结构接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 ( (出厂时用塑料出厂时用塑料包裹包裹) )热电偶工作端热电偶工作端( (热端热端) ) 不锈钢保护管不锈钢保护管 刘玉长刘玉长四、热电偶的分类 (一)标准热电偶 国际电工委员会(IEC)推荐的工业用标准热电偶为八种(目前我国的国家标准与国际标准统一)： B 、R、S、K、N、E、J、T 。S、R、B三种热电偶均由铂和铂铑合金制成，称贵金属热电偶。K、N、T、E、J五种热电偶，是由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属的合金制成，称为廉价金属热电偶。工业用标准热电偶基本性能见表2-1。刘玉长刘玉长表2-1 工业用热电偶测温范围 名称分度号测量范围/适用气氛稳定性铂铑30铂铑6B2001800氧化、中性1500，良铂铑13铂R-401600氧化、中性1400，良铂铑10铂S镍铬镍硅(铝)K-2701300氧化、中性中等镍铬硅镍硅N-2701260氧化、中性、还原良镍铬康铜E-2701000氧化、中性中等铁康铜J-40760氧化、中性、还原、真空500，差铜康铜T-270350氧化、中性、还原、真空-170200，优钨铼3钨铼25WRe3-WRe2502300中性、还原、真空中等钨铼5钨铼26WRe5-WRe26刘玉长刘玉长(二)非标准化(特殊)热电偶 1、铠装热电偶构造：将热电偶丝用无机物绝缘及金属套管封装，压实成可挠的坚实组合体(如图)。特性：惯性小；挠性、机械强度及耐压性能好。适用场合：可用于快速测温或热容量很小的物体的测温部位，结构坚实可耐强烈的振动和冲击，还可用于高压设备上测温。1-金属套管；2-绝缘材料；3-热电极 刘玉长刘玉长铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保保护套管护套管( (铠体铠体) ) BA绝缘绝缘 资料资料铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面刘玉长刘玉长2、快速微型热电偶v特性：测温元件小，响应速度快，无需定期维修，准确度较高；v适用场合：高温熔体(钢水、铁液等金属熔体)的温度测量。目前我国有两类快速热电偶，即快速铂铑热电偶与快速钨铼热电偶。 1-外保护帽；2-U形石英管；3-外纸管；4-绝热水泥；5-热电偶自由端；6-棉花；7-绝热纸管；8-小纸管；9-补偿导线；10-塑料插件 刘玉长刘玉长3、薄膜式热电偶 v结构特点：采用真空蒸镀或化学涂层等制造工艺将两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上，形成薄膜状热电偶，其热端接点极薄，约0.010.1m。v适用场合：适于壁面温度300的快速测量。1-热电极；2-工作端；3-绝缘基板；4-引出线刘玉长刘玉长4、钨铼系热电偶 钨铼热电偶是最成功的难熔金属热电偶，可以测到24002800高温。它的特点是在高温下易氧化，只能用于真空和惰性气氛中。热电势率大约为S型的2倍，在2000时的热电势接近30mV，价格仅为S型的1/10。WRe热电偶已成为冶金、资料、航天、航空及核能等行业中重要的测温工具。刘玉长刘玉长五、热电偶冷端温度补偿v为什么要进行冷端温度补偿v(1)根据热电偶测温原理【E(t,t0)f(t)f(t0)】，只有当参比端温度t0稳定不变且已知时，才能得到热电势E和被测温度t的单值函数关系。v(2)实际使用的热电偶分度表中热电势和温度的对应值是以t0=0为基础的，但在实际测温中由于环境和现场条件等原因，参比端温度t0往往不稳定，也不一定恰好等于0，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。v常用的冷端补偿方法有如下几种。刘玉长刘玉长(一)零度恒温法(冰浴法)这是一种精度最高的处理方法，可以使t0稳定地维持在0。将碎冰和纯水的混合物放在保温瓶中，再把细玻璃试管插入冰水混合物中，在试管底部注入适量的油类或水银，热电偶的参比端就插到试管底部，满足t0=0的要求。 mVABT仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液AB刘玉长刘玉长(二)计算修正法原理：在没有条件实现冰点法时，可以设法把参比端置于已知的恒温条件，得到稳定的t0，故可根据分度表查得E(t0,0)；根据中间温度定律公式计算得到E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)。然后根据所测得的热电势E(t,t0)和查到的E(t0,0)二者之和再去查热电偶分度表，即可得到被测量的实际温度t。刘玉长刘玉长例1：用铜-康铜热电偶测某一温度t，参比端在室温环境tn中，测得热电动势E(t,tn)=1.999mV，又用室温计测出tn=21，求实际温度t。解：查T分度号表得E(21,0)=0.830mV，故：E(t,0)= E(t,21)+E(21,0) =1.999+0.830=2.829(mV)再次查分度表，得实际温度t=68。注意：分度表中68对应2.820mV，69时的热电势为 2.864mV，实际温度应采用插值法计算出来。刘玉长刘玉长(三)冷端补偿器法 结构特点：R1=R2=R3=1，采用锰铜丝无感绕制，其电阻温度系数趋于零。R4用铜丝无感绕制，其电阻温度系数约为4.310-3-1，当温度为0时R4=1，R1-4组成不平衡电桥(补偿器)。仪表输入端电压为热电势EAB(t,t0)与电桥不平衡电势Uba之和，即 EE(t,t0)+Uba。刘玉长刘玉长冷端补偿器补偿原理v补偿原理：不平衡电动势Uba补偿(抵消)热电偶因冷端温度波动引起的误差。过程如下：t0E(t,t0)R4UaUba只要冷端补偿器电路设计合理，使Uba的增加值恰等于E(t,t0)的减少量，那么指示仪表所测得的总电势EE(t,t0)+Uba将不随t0而变，相当于热电偶参比端自动处于0。E=E(t,t0)+ Uba刘玉长刘玉长(四)补偿导线法 补偿导线是在一定温度范围内(包括常温)具有与所匹配的热电偶的热电动势的标称值相同的一对带有绝缘层的导线。用它们连接热电偶与测量装置，从而可将热电偶的参比端移到离被测介质较远且温度比较稳定的场合，以免参比端温度受到被测介质的热干扰。t0变化频繁t0较为稳定刘玉长刘玉长1、补偿导线类型(1)按结构可分为普通型和带屏蔽层型；(2)按补偿原理分为补偿型及延伸型两种；(3)按使用温度可分为一般用(0100)和耐热用(0150)；(4)按精度可分为普通级与精密级。刘玉长刘玉长2、补偿导线作用(1)用廉价的补偿导线作为贵金属热电偶的延长导线，以节约贵金属热电偶；(2)将热电偶的参比端迁移至离被侧对象较远且环境温度较恒定的地方，有利于参比端温度的修正和测量误差的减少；(3)用粗直径和导电系数大的补偿导线作为热电偶的延长线，可减小热电偶回路电阻，以利于动圈式仪表的正常工作。刘玉长刘玉长3、补偿导线的使用(1)各种补偿导线只能与相应型号的热电偶用； (2)使用时必须各级相连，切勿将其极性接反；(3)热电偶和补偿导线连接点的温度不能超过规定的使用温度范围，规定为0100及 0150两种。刘玉长刘玉长(五)仪表机械调零法(现场近似法)在不需精确测量的前提下，且热电偶冷端温度较为稳定，可将显示仪表的机械零点先调整到t0(按温度刻度)或者毫伏E(t0,0)(按毫伏刻度)，从而实现近似补偿，参见下图。该法常见于动圈式仪表中。指针被预调指针被预调到冷端温度到冷端温度(40 C )刘玉长刘玉长六、热电偶测温线路 (一)单点测温基本线路 53211热电偶；2补偿导线；3铜导线；4温度补偿电桥；5显示仪表4刘玉长刘玉长(二)多点测温基本线路 1工作端热电偶； 2工作端补偿导线； 3接线板； 4铜导线； 5切换开关； 6数字显示仪； 7参比端补偿导线； 8参比端热电偶 刘玉长刘玉长(三)两点温度差的测量若热电动势若热电动势E与温度与温度T呈线性关系，则呈线性关系，则t=T1-T2。tBAABAABE=E1E2E1E2T1T2刘玉长刘玉长(四)多点平均温度的测量t 三个热电偶工作在线性区时代表着平均温度。每个热电偶需串联较大电阻，且分度与单个热电偶一样。某一热电偶坏了不易及时发现。BABABAT1T2T3刘玉长刘玉长(五)多点温度和测量t 三个热电偶工作在线性区时代表着多点温度之和。任一热电偶烧坏都可立即知道，且可得到较大的电动势。每一热电偶引出的补偿导线必须接到仪表的冷端处。BABABAT1T2T3刘玉长刘玉长第三节电阻温度计 一、热电阻测温原理 电阻温度计工作原理就是当温度变化时，感温元件的电阻值随温度而变化，将变化的电阻值作为电信号输入显示仪表，通过测量电路的转换，在仪表上显示出温度的变化值。(一)铂热电阻 采用高纯度铂丝绕制成。具有测温精度高、性能稳定、复现性好、抗氧化性强等优点，是低温测温标准仪器。 刘玉长刘玉长绕制铂电阻感温元件的铂丝纯度是决定温度计精度的关键：(1)铂丝纯度愈高其稳定性、复现性越好、测温精度也愈高；(2)铂丝纯度常用R100/R0表示，R100和R0分别表示100和0条件下的电阻值。对于标准铂电阻温度计，规定R100/R0 1.3925；对于工业用铂电阻温度计，根据ITS-90，R100/R0=1.38511.3925。 刘玉长刘玉长铂电阻的电阻-温度关系v-200t0: Rt= R01+At+Bt2+C(t-100)t3 v0t850: Rt= R0 1+At+Bt2 v当R100/R0=1.3851时，A=3.908310-3(-1); vB=-5.77510-7(-2); C=-4.18310-12(-4) v 铂电阻的分度号及允许误差表 铂热电阻测温范围分度号R0/ 最大允许误差/A级-200850Pt10Pt10010100(0.15+0.002|t|) B级Pt10Pt10010100(0.30+0.005|t|)刘玉长刘玉长(二)铜热电阻 在准确度要求不高，且温度较低的场合，可采用铜电阻测温。测温范围为-50150，分度号为Cu50和Cu100，在0时R0的阻值分别为50和100。铜电阻电阻温度系数较大，价格便宜，但电阻率低，体积大，热惯性较大。铜电阻阻值-温度关系(ITS-90)为：Rt= R0 1+At+Bt(t-100)+ Ct2 (t-100) 式中A=4.28010-3(-1); B=-9.3110-8(-2); C=1.2310-9(-3)。铜热电阻的允许误差为：(0.30+0.006|t|)刘玉长刘玉长(三)其他热电阻1、镍热电阻特点：电阻温度系数较铂大，约为铂的1.5倍。在-50150内，其电阻与温度关系为 Rt=100+0.5485t+0.66510-3t2+2.80510-9t4刘玉长刘玉长2、半导体热敏电阻半导体热敏电阻的电阻值随温度呈指数变化。在半导体热敏电阻的电阻值随温度呈指数变化。在许多场合下许多场合下(-40350)，它已经取代传统的温度传感，它已经取代传统的温度传感器。器。 电阻可以根据需要做成各种形状，由于体积可以电阻可以根据需要做成各种形状，由于体积可以做得很小，热惯性小，适合快速测温；电阻温度系数大，做得很小，热惯性小，适合快速测温；电阻温度系数大，灵敏度较高；电阻值高，在使用时连接导线电阻所引起灵敏度较高；电阻值高，在使用时连接导线电阻所引起的误差可以忽略；功耗小，适于远距离的测量与控制。的误差可以忽略；功耗小，适于远距离的测量与控制。但它的稳定性和互换性较差。但它的稳定性和互换性较差。 根据材料组成的不同，热敏电阻的温度特性也不根据材料组成的不同，热敏电阻的温度特性也不一样。按其温度特性有负温度系数热敏电阻一样。按其温度特性有负温度系数热敏电阻NTC、正温、正温度系数热敏电阻度系数热敏电阻PTC和临界温度热敏电阻和临界温度热敏电阻CTR。 刘玉长刘玉长二、热电阻的结构 工业热电阻的基本结构 直径直径1 mm的银的银丝或镀银铜丝丝或镀银铜丝云母、石英或陶云母、石英或陶瓷塑料瓷塑料双线无感双线无感绕法绕法外接线路外接线路相连相连电阻丝和电阻丝和电阻支架电阻支架刘玉长刘玉长三、热电阻测温线路 热电阻温度计的测量电路最常用的是电桥电路，其测量原理图如图所示。图中从热电阻体的一端各引出一根连接导线，共两根导线，这种方式称为两线制接法。将热电阻及其连接导线作为电桥的一臂，利用该不平衡电桥将热电阻阻值转换为相应的输出电势，再送入显示(或控制)仪表G。内引线(白)内引线(红)热电阻丝E(a)原理图 (b) 内部引线方式二线制接法引线方式RtGR1R2R3外接线端内焊接点优缺点？刘玉长刘玉长三线制热电阻引线方式及测温电桥接法(a) 内部引线方式 ;(b) 接法一;(c) 接法二优缺点？自热效应与电路设计刘玉长刘玉长四线制热电阻引线方式及测温电桥接法(a) 内部引线方式；(b) 测量桥路及其等效电路优缺点刘玉长刘玉长第四节 辐射温度计 任何物体，其温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量。这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的，其中与物体本身温度有关传播热能的那部分辐射，称为热辐射。而把能对被测物体热辐射能量进行检测，进而确定被测物体温度的仪表，通称为辐射式温度计。辐射式温度计的感温元件不需和被测物体或被测介质直接接触。辐射测温方法广泛应用于900以上的高温区测量中，近年来随着红外技术的发展，测温的下限已下移到常温区，大大扩展了非接触式测温的使用范围。刘玉长刘玉长一、辐射测温原理 (一)普朗克定律 普朗克定律阐明了绝对黑体的辐射强度E0l与温度T及波长l的关系：式中l由物体发出的辐射波长，m； C1普朗克第一辐射常数，为3.74210-16Wm2； C2普朗克第二辐射常数，1.43810-2mK； T物体的绝对温度，K。对于灰体，有El= e E0l， 其中0e 1 为灰体的辐射率，或称黑度系数。刘玉长刘玉长(二)维恩公式温度在3000K以下，即C2/(lT) 1时，普朗克公式可用如下的维恩公式代替：刘玉长刘玉长(三)斯忒潘玻耳兹曼定律 单位时间内单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的全部波长范围内的能量称为辐射力(emissive power)，其单位为Wm2。斯忒潘玻耳兹曼定律建立了物体总的辐射力E与热力学温度T间的定量关系，即：E=seT4式中 s 斯忒藩-玻尔兹曼常数，即黑体辐射常数，其值为5.669710-8Wm-2K-4 。刘玉长刘玉长辐射测温原理及有关问题由上面有关公式可知，在一定波长下，测量物体的辐射强度，可推算出其温度，这就是辐射温度计测温的基本原理。由测量原理可知，在辐射式测温中必须解决以下三个基本问题：(1)怎样测量辐射强度(2)怎样保证测量在一定波长(单色光)下进行(3)测量结果中如何考虑辐射率的影响刘玉长刘玉长二、亮度高温计依据物体光谱辐射出射度或辐射亮度和其温度T的关系，可以测出物体的温度。类型：光学高温计；光电高温计；硅辐射温度计。刘玉长刘玉长(一)亮度与亮度温度 物体在高温状态下会发光，当温度高于700就会明显地发出可见光，具有一定的亮度。由维恩公式可知，绝对黑体在波长l一定(通常选l =0.66m)时，辐射强度El就只是温度的单值函数了。因为各物体的发射率不同，即使它们的亮度相同，但实际温度并不同。因而，按某物体温度刻度的温度计不能用来测量发射率不同的其他物体的温度。为了解决上述问题，仪表将按黑体的温度刻度，故引入亮度温度TL的概念。 刘玉长刘玉长亮度温度 若某物体的辐射亮度E(l,T)与温度为TL的绝对黑体的亮度E0(l,TL)相等，则称TL为这个物体在波长为l时的亮度温度。 即E(l,T)= E0(l,T)= E0(l,TL) 从而可得被测物体实际温度T和亮度温度TL之间的关系：亮度温度总是低于真实温度： TL T 。刘玉长刘玉长(二)光学高温计特点：结构较简单，使用方便，适用于10003500K范围的温度测量，其精度通常为1.0级和l.5级，可满足一般工业测量的精度要求。它被广泛用于高温熔体、高温窑炉的温度测量。用光学高温计测量被测物体的温度时，读出的数值将不是该物体的实际温度，而是这个物体此时相当于绝对黑体的温度，即所谓的“亮度温度”。刘玉长刘玉长光学高温计通常采用0.660.01m的单一波长，将物体的光谱辐射亮度Ll 和标准光源的光谱辐射亮度进行比较，确定待测物体的温度。光学高温计有三种形式：灯丝隐灭式光学高温计恒定亮度式光学高温计光电亮度式光学高温计刘玉长刘玉长1、灯丝隐灭式光学高温计原理：由人眼对热辐射体和高温计灯泡在单一波长附近的光谱范围的辐射亮度进行判断，调节灯泡的亮度使其在背景中隐灭或消失而实现温度测量的。其原理示意图及使用时灯丝亮度调整图如下所示：1-物镜1;2-吸收玻璃;3-标准灯;4-目镜;5-滤光片;6-毫伏表;7-滑线电阻器 (a)灯丝太暗；(b)灯丝太亮；(c)隐丝(正确) 刘玉长刘玉长2、光电高温计光学高温计在测量物体温度时，是由人的眼睛来判断亮度平衡状态，带有测量人的主观性，同时由于测量温度是不连续的，使得难以做到被测温度的自动记录。光电高温计用光电器件作为敏感元件感受辐射源的亮度变化，并将其转换成与亮度成比例的电信号，再经过电子放大器放大，最后输出被测温度值，并自动记录下来。由于反馈灯和光电器件的特性有较大的分散性，使器件互换性差，因此在更换反馈灯和光电池时需要重新进行校准和分度。 刘玉长刘玉长 (a)工作原理示意图 (b)光调制器光电高温计工作原理图 1-物镜; 2-光栅; 3,5-孔; 4-光电器件; 6-遮光板;7-调制片;8-永久磁钢;9-激磁绕组;10-透镜;11-反射镜;12-观察孔;13-前置放大器;14-主放大镜;15-反馈镜;16-电子电位差计;17-被测物体刘玉长刘玉长光电高温计与光学高温计相比，主要优点有：灵敏度高；精确度高；使用波长范围不受限制；光电探测器的响应时间短；便于自动测量与控制。刘玉长刘玉长三、比色高温计绝对黑体辐射的两个波长l1和l2的亮度比等于被测辐射体在相应波长下的亮度比时，绝对黑体的温度就称为这个被测辐射体的比色温度。绝对黑体，对应于波长l1和l2的光谱辐射亮度之比R，可用下式表示： 刘玉长刘玉长根据比色温度的定义，应用维恩公式，可导出物体的真实温度T和其比色温度TR的关系： 通常l1和l2为比色高温计出厂时统一标定的定值，由制造厂家选定。例如选0.8mm的红光和lmm的红外光。刘玉长刘玉长比色法光学测温的特点(1)由于光谱发射率与波长的关系，比色温度可以小于、等于或大于真实温度。对于灰体，当el1=el21时，同样可能出现T= TR，这是比色温度计最大优点。由此，波长的选择是决定该仪表准确度的重要因素。(2)中间介质如水蒸气，二氧化碳、尘埃等对l1和l2的单色辐射均有吸收，尽管吸收率不一定相同，但对单色辐射亮度的比值R的影响相对会减小。 刘玉长刘玉长与光谱辐射温度计相比，比色高温计的准确度通常较高、更适合在烟雾、粉尘大等较恶劣环境下工作。WDS-II光电比色高温计原理图1-物镜组； 2-通孔成像镜； 3-调制盘； 4-同步电机；5-硅光电池接收器； 6-目镜； 7-倒像镜； 8-反射镜刘玉长刘玉长比色式温度传感器温度非接触测量中的应用 比色式温度传感器采用比色式(双波段)测温原理实现对被测目标的非接触测温，用户不需知道物质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄准 ,测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可准确测量。 比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如:烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。刘玉长刘玉长四、辐射温度计辐射温度计是根据全辐射定律，基于被测物体的辐射热效应进行工作的。辐射温度计由辐射敏感元件、光学系统、显示仪表及辅助装置等几大部分组成。辐射温度计与光学高温计一样是按绝对黑体进行温度分度的，因此用它测量非绝对黑体的具体物体温度时，仪表上的温度指示值将不是该物体的真实温度，我们称该温度为此被测物体的辐射温度。刘玉长刘玉长辐射温度计的敏感元件，分光电型与热敏型两大类。全辐射高温计原理图1-物镜；2-光栏；玻璃泡；4-热电堆；5-灰色滤光片；6-目镜；7-铂箔；8-云母片；9-二次仪表刘玉长刘玉长辐射高温计光学系统的作用是聚集被测物体的辐射能。其形式有透射型和反射型两大类。辐射高温计的测量仪表按显示方式可分为自动平衡式、动圈式和数字式三类。辐射高温计的辅助装置主要包括水冷却和烟尘防护装置。与光学高温计相比较，辐射高温计的测量误差要大一些。刘玉长刘玉长五、红外测温(一)红外温度计对于波长约在0.7540m的红外光谱波段，热辐射体发出的部分光谱波段的辐射通量与温度之间的关系，仍然可依据普朗克定律确定。可以通过光探测器或热探测器测量辐射通量进而确定热辐射体的温度。利用红外辐射测定温度的方法，将非接触式测温向低温方向延伸，低温区已至-50，高温区达3000。它由红外探测器和显示仪表两大部分组成，其结构与比色温度计基本相同。 刘玉长刘玉长红外测温红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线。红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。红外测温的特点非接触测温；反应速度快；灵敏度高；准确度较高；范围广泛。刘玉长刘玉长红外测温原理 全辐射测温是测量物体所辐射出来的全波段辐射能量来决定物体的温度。它是斯蒂芬玻尔兹曼定律的应用。红外辐射测温仪结构原理刘玉长刘玉长红外温度计刘玉长刘玉长(二)红外热像仪 热像仪是利用红外探测器按顺序直接测量物体各部分发射出的红外辐射，综合起来就得到物体发射红外辐射通量的分布图像，这种图像称为热像图。由于热像图本身包含了被测物体的温度信息，也称温度图。热像仪通常用于面积大且温度分布不均匀的被测对象，欲求其整个面积的平均温度或表面温场随时间的变化；在有限的区域内，寻找过热点或过热区域的情况。刘玉长刘玉长扫描热像仪原理示意图 刘玉长刘玉长第五节 测温仪表的选择及安装一、温度计的选择原则 (1)满足生产工艺对测温提出的要求；(2)组成测温系统的各基本环节必须配套；(3)注意仪表工作的环境；(4)投资少且管理维护方便。刘玉长刘玉长二、接触式测温元件的选型 一般根据温度、气氛来选：一般在t500的中、低温区用得较多的是热电阻或热敏电阻，在t500高温区在线检测中选用较多的是热电偶；在-200300时可选用T型或选用E型热电偶;当上限温度1000，可优先选K型热电偶;当测温范围为10001400时，可选S或R型热电偶; 当测温范围为14001800时，应选B型热电偶;当测温上限大于1800，应考虑选用非标准的钨铼系列热电偶。刘玉长刘玉长三、非接触式测温元件的选型 v在同一温度下，从仪表的灵敏度上讲，光学高温计的灵敏度最高；比色温度计次之；辐射温度计差一些。故国际温标以基准光学(光电)高温计作为标准温度计。v测量误差上来讲，随着温度升高，TR、TL的相对误差也增大，而TP的相对误差维持不变；对于发射率低的物体，其TP与真实温度相差较大，而比色温度TR的差别最小。v中间介质对辐射温度计测量结果的影响最大，光学高温计次之，比色温度计最小。 刘玉长刘玉长四、感温元件的安装要求(1)正确选择测温点；(2)避免热辐射等引起的误差；(3)防止引入干扰信号；(4)确保安全可靠。刘玉长刘玉长五、布线要求 (1)热电偶温度计应按规定型号配用热电偶的补偿导线，正、负极不要接错。 (2)热电阻应采用三线制接法与显示仪表相接。 (3)导线应有良好的绝缘，信号导线不能与交直流电源输电线合用一根穿线管。刘玉长刘玉长第六节 新型温度传感器一、热流计热流计由带有热电堆(若干个热电偶串联)的薄片制成，用于设备散热损失的测试。测试时，将测头贴附于壁的表面上，如下图，其输出电势E与热流q成正比关系：q=CE 式中C是热流计灵敏度系数，与热电极材料、热电偶数目以及热流测头导热材料等有关。E123q1-被测表面;2-热电堆3-热流测头刘玉长刘玉长二、光纤光栅温度传感器光纤传感器是一种将被测状态转变为可测的光信号的装置，具有灵敏度高，抗电磁干扰，耐高温、耐腐蚀，体积小、重量轻等特点。作为功能型光纤传感器中的一种新型传感器，光纤光栅制作简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活、易于同光纤集成及可构成网络等诸多优点，近年来被广泛应用于光传感领域。光纤光栅传感器可以检测的物理量很多，包括温度、压力、应变、应力、位移、扭角、扭应力、加速度、电流、电压、磁场、频率及浓度等，应用前景很好。 刘玉长刘玉长(一)光纤光栅结构与工作机理 结构特点：光纤光栅传感器所用光纤与普通通讯用光纤基本相同，一般由纤芯、包层、涂覆层和护套组成。光纤芯的主要成分为掺锗二氧化硅，用以提高纤芯的折射率，与包层形成全内反射条件将光限制在纤芯中。单模光纤其纤芯直径为9m，包层主要成分也为掺锗二氧化硅，直径为125m。涂覆层一般为环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，外径为250m，以增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性。 光纤结构示意图刘玉长刘玉长工作原理图中输入光为宽光源，在光纤纤芯传播，将在每个光栅面处发生散射，当满足布拉格条件时，每个光栅平面反射回来的光逐步累加，最后形成一个反射峰，反射光为窄带光信号，其中心波长lB(Bragg波长)随光纤芯的有效折射率n和光栅周期变化而变化，即：lB = 2n 刘玉长刘玉长(二)光纤布拉格光栅传感原理与温度检测 光纤光栅的Bragg波长对温度变化T和纵向应变很敏感，其关系为:刘玉长刘玉长光纤布拉格光栅传感原理与温度检测 由上可知，光纤受外界应变和温度影响将通过弹光效应和热光效应影响n；通过光纤长度变化和热膨胀影响，从而引起中心波长lB的改变。光纤光栅传感器原理：利用光纤光栅有效折射率n和周期的空间变化对外界参量(如温度、应变等)的敏感特性，将被测量的变化转化为Bragg波长的漂移，再通过检测该波长的移动来实现测量的。刘玉长刘玉长三、集成电路温度传感器集成温度传感器(温度IC)将温度敏感元件和放大、运算和补偿等电路采用微电子技术和集成工艺集成在一片芯片上，从而构成集测量、放大、电源供电回路于一体的高性能的测温传感器。它采用PN结作为感温元件，利用的是晶体管结电压Ube随温度改变的原理。AD590集成电路温度传感器就是典型的一种，以下以AD590为例进行讲解 。 刘玉长刘玉长AD590测温原理AD590采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件，两管的结电压差Ube(T)为： AD590原理电路图式中k波尔茨曼常数； q电子的电荷量； V1与V2的发射极面积比例因子，是由结构决定的系数；电流I1与I2由恒流源提供。刘玉长刘玉长AD590的测温电路 再通过转化电路，将温度变化转化为电流信号Io(温度灵敏系数为1A/K)输出。测量时，将AD590接入电路中即可测量出温度，下图给出的为用测绝对温度T或摄氏温度t时的电路。AD590430VUo(0.001T)910W220WRL1kW+ +- -20kW4.7kW+6VAD590-6VUo(=0.1t)20kW100kWIo-273273mAIo- -+ +Io- + - + (a)(a)测绝对温度；(b)测摄氏温度(b)刘玉长刘玉长第七节 工业特殊测温技术 一、高温金属熔体的温度测量高温金属熔体温度测量分为两种方式，一种是连续测温，另一种是间断测量。在高温熔体中进行连续温度检测，由于熔体温度高，熔体运动的机械冲刷及侵蚀等作用，温度测量的可靠性就是对其保护管的耐腐蚀与抗热震性能能力的考验。 刘玉长刘玉长高温金属熔体的温度测量金属温度范围方法铝水 10001300 SiC保护管及Si3N4结合SiC保护管 铜液 10001300MAC-6型金属陶瓷保护管 钢水 15001700Mo-MgO系金属陶瓷管配用钨铼热电偶 (1)消耗式快速微型热电偶。(2)消耗型光纤辐射温度计。(3)非接触式光纤温度计。 刘玉长刘玉长二、高温烟气温度测量 当测温元件周围有低温吸热面时，导致测温元件对冷壁面辐射热较大，使得温度计示值低于实际气体温度，造成以辐射为主的测温误差。加遮热罩 抽气式热电偶 刘玉长刘玉长三、真空炉温度测量 v对于真空状态下的高温检测，必须保证测温元件安装不应破坏真空炉的密封，一般采用实体化结构及密封性极强的连接方式，即保护管折断也不会破坏体系真空度。v在真空环境下，1100以下，选用K型或N型热电偶；炉温高于1100，可选用S型或R型；B型或钨铼系热电偶使用温度为1500以上。在烧结WC等硬质合金时，最好使用刚玉保护管。刘玉长刘玉长本章结束谢 谢!