1、3.2 温度检测仪表,浙江大学2011级本科自动化专业课程,黄平捷 控制科学与工程学系 2013年11月28日,现代传感技术和过程检测系统,2,3.2 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 热电偶的基本定律（回顾） 标准热电偶的分度和查表方法 热电偶自由端温度补偿 标准热电偶的选型 热电阻的分度、查表、选型 辐射式温度检测仪表的原理 普朗克定律 温度检测仪表的选
2、型,3,温度检测的应用例子,生产过程综合自动化系统,互动：温度检测的例子和相应的检测方法？,美丽的济公故里,4,5,发酵罐温度检测,6,发酵罐温度控制,7,温度检测的应用例子,公共卫生与公共安全,8,3.2.1 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,9,3.2.1.1 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
3、标,飞机温度场 热应力和热变形分析,10,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.
4、15 K,t=T-273.15 ,Fahrenheit =1.8*37+32=98.6,11,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-90,0,100,100等分,摄氏温标,32F,212F,180等分,华氏温标,热力学温标,0K,国际实用温标,12,1990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
5、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,13,1K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：0.655.0K 3He和4He蒸气压温度计（He同位素）3.024.5561K 3He、4He 定容气体温度计13.80331234.93K 基准铂电阻温度计1234.96K以上 光学或光电高温计,14,3.2.1.2 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
6、法 全辐射法 比色法,15,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,16,互动：选择检测方法？,17,3.2.2 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,18,热电偶 热电极 热端（工作端
7、、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,热电效应 两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路 导体A和B的连接处温度不同（设TT0） 在此闭合回路中就有电流产生 也称西拜克（Seeback）效应（1821年）,19,（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 =1.3810-23 J/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。,
8、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,e接触(T)= 系数*T*ln(电子密度之比),20,eA(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/。,（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，因而向低温端扩散。动态平衡时，产生电位差-温差电势。,E温差(T,T0)= 温度差范围内对温度的积分,21,由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势
9、：,（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。,可忽略温差电势,22,四点结论：（提问：为什么？判断题） AB为同种导体，不论温差为多大，EAB(T,T0)=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。,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,23,热电偶的基本定律 均质导体定律、中间
10、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T+ EB-E接T0 EA=(E接T - E接T0) EA + EB=X*Tln(NAT/NBT) - X*Tln(NAT0/NBT0) 积分 （A）dT+积分（B）dT,T,T0,A,B,Ln(1)=0,24,（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,T,EABC(T,T0)=e接ABT + eB + e接B
11、CT0+eC + e接ACT0 - eA,-,=e接ABT + e接BCT0 + e接ACT0 - （eA eB） +eC,Ln(B/C)+Ln(C/A)=Ln(B/A),25,中间导体定律的应用,E,T0,T0,T,E,T0,T1,T1,T,电位计接入 热电偶回路,26,E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0,三种不同导体组成的热电偶回路,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,27,（3）中间温度定律,A,因此，只要列出热电势在冷端温度
12、为0的分度表，就可以求出冷端在其它温度时的热电势值。,28,热电偶的误差 （1）分度引起的误差 热电偶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,29,3.2.2.1标准化热电偶与分度表,热电偶电极材料
13、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比较好的热电材料只有几种。根据IEC推荐，目前我国已经为八种热电偶制定了标准，被称为标准热电偶,30,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,31,标准化热电偶,32,标准化热电偶（续）,33,标准化热电
14、偶的分度表,根据国际温标规定：t00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）,判断题：各种标准热电偶，当t0时，热电势为零（）,分度表 参考函数 热电特性曲线,34,热电偶温度特性曲线： E t=0E=0 t0E0 t0E0 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：,35,例子：,型热电偶在工作时自由端温度,30，现测得热电偶的电势为7.5，求被测介质实际温度。,解：,S型，E(t0,0)=E(30,0)=0.173mV （P440/P289） E(t,0)=E(t,30
15、)+E(30,0)=7.5+0.173=7.673mV 查表：830 （P442/P291）,36,3.2.2.2热电偶自由端温度的处理,37,（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=EAB(t,t0)+EAB(t0,t0)= EAB(t,t0),判断题：热电偶的补偿导线法，可补偿自由端不为零的情况，不需再进行温度值修正了。（）,38,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
16、不为0时，仍需进行其他补偿与修正,C-补偿型、X-延伸型,39,（2）计算修正法 需查表、计算，难进行连续测量,T,T0,E总=E(T,0) =E(T,T0)+E(T0,0),40,（3）自由端恒温法 自由端引至电加热的恒温器中（如冰浴法）,41,（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,mV,EAB(T,T0),T0,T0,T,A,B,+,+,-,a,b,U,Uab,RCu,R1,R2,R3,Rs,Uab=E(t0,0),、锰铜电阻 铜电阻,42,例3.4,K型,KX,K型,300,50,20,（1）E总，T显； （2）补偿导线
17、为铜，或显示仪表为E型，求E总，T显,解：（1）K,K,K型 E总=E(t,0)=E1(t,tc)+E2(tc,t0)+E3(t0,0)（2）K,铜，且K型显示： E总=E1(t,tc)+ E2CU(tc,t0) +E3(t0,0)=E1(t,t0)-E1(tc,0)+0+E3(t0,0)K,K型，E型显示 ：E总=E1K(t,tc)+ E2K(tc,t0) +E3E(t0,0),WHY,43,3.2.2.3 热电偶的结构形式,（1）普通型热电偶,44,铠装热电偶 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,铠装式热电偶断面结构示意图1 金属套管;
18、2绝缘材料; 3热电极(a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露头型; (d)帽型,45,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。,46,3.2.2.4 热电偶温度检测系统,配套使用,自由端温度补偿器 非线性补偿 标度变换,可使用通用的显示仪表,标度变换,47,3.2.3 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；Pt100 Cu：R0=50；R0=100 分度号Cu50；Cu100,如Pt100在室温20时电
19、阻107.79（附表3.1,3.2）,0,48,热电阻的结构型式,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，加工性能好,内引线（接触电势小，大直径，大电阻）,49,热电阻温度检测系统（与热电偶的异同点）,热电阻,专用显示仪表,配套使用 非线性处理或补偿,热电阻,通用显示仪表,配套使用 非线性处理或补偿,变送器,热电阻和热电偶温度检测系统的区别 输入电路形式不同 热电偶自由端补偿器；热电阻 测量电桥 引线： 热电偶补偿导线（E接，T0一致）；热电阻 可用普通导线（ R
20、引线=Const、R接、E接）,50,热电阻的三线制接法,减小引线电阻对热电阻测温的影响 接到电源和两个桥臂，R引 R桥，而u影响不大，从而较好消除了R引的影响，准确度,51,热电阻的外引线接线方法 二线制、三线制、四线制,52,二线制,53,三线制,54,四线制,55,3.2.4 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,一般不具备远传功能，作为现场指示之用,56,（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
21、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、弹性元件和传动机构,57,（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,双金属温度计结构图,58,（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
22、度。 注意： AD590输出不是标准信号，需转换,59,3.2.5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,60,3.2.5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 具有重要的应用价值,61,普朗克定律,（1） 整个波长内的能量 （令T=1）,土星的温度辐射图,斯蒂芬-玻尔兹曼定律,（2）特定波长令波长c为常数,（3）两个特定波长，能量之比,维恩公式, 全辐射法, 亮度法, 比色法,需T校正,62,辐射式温度计主要组成框图,63,3.2.5.2 辐射温度计,（1）全辐射高温计,透射：高温测量，
23、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 注意：测量距离；根据辐射率修正 400-2000 1.5%2.0% 优点：简单方便 缺点：易受干扰 测量距离,64,（2）光电温度计,两束辐射能量（即亮度）不同时，光电元件输出对应于两辐射能量差的交变电信号 人工瞄准系统 测量距离0.53m 根据辐射率修正 结构复杂 可接受能量小 优点：抗干扰能力强 2001500 1.0%1.5%，响应时间.55s,65,（3）比色温度计,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1和2的 辐射交替地投射到同一光电元件上，经转换后得出比色温度 1 / 2 ，基本不受物体辐
24、射率的影响 结构复杂，成本高 4002000 1.0%,66,（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 不同光学元器件材料 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,67,3.2.6 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
25、送器 可作温度变送模块 也可用作仪表 功能丰富 5点,互动：温度检测正确安装？P134,68,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）,69,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？,70,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 ,71,谢 谢 ！,
