《温度测量系统》PPT课件

制 作 者 ： 潘 敏 利 、 黄 庄 泉 、 朱 光 刚 、 程 杰 、 曹 文 静 本 章 要 点第 1 节 热 电 偶 测 温 系 统第 2 节 热 电 阻 测 温 系 统第 3 节 其 他 接 触 式 测 温 系 统第 4 节 非 接 触 式 测 温 系 统第 5 节 半 导 体 PN结 测 温 系 统 8 .1 热 电 偶 测 温 系 统u热 电 势l定 义 :在 两 个 不 同 成 分 的 导 体 （ 或 半 导 体 ） A和 B 组 成 的 闭合 回 路 中 ， 如 果 它 们 的 两 个 接 点 温 度 不 同 ， 则 回 路 中 会 产生 一 个 电 动 势 。l热 电 势 的 大 小 ： 和 两 端 的 温 度 差 有 关 。u热 电 偶l定 义 ： A、 B焊 接 成 对 后 称 之 为 热 电 偶 。l特 点 ： 结 构 简 单 、 热 容 量 小 、 材 料 的 互 换 性 好 、 滞 后 效 应小 、 信 号 能 远 距 离 传 送 、 多 点 测 量 、 便 于 检 测 和 控 制 。l应 用 ： 作 为 感 温 元 件 在 工 业 生 产 和 科 学 研 究 中 广 泛 应 用 。 测 温 原 理n热 电 阻 闭 合 回 路 中 产 生 热 电 动 势 的 现 象 被 认 为 是 导 体的 接 触 电 动 势 和 温 差 电 动 势 的 综 合 结 果 。接 触 电 动 势 的 大 小 与 温 度 高 低 及 导 体 中 的 自 由 电 子 密 度 有关 。 温 度 接 触 电 动 势 ； 导 体 自 由 电 子 密 度 比 接 触 电 动 势n温 差 电 动 势 是 由 于 热 电 极 两 端 的 温 度 不 同 ， 存 在 着 温度 梯 度 而 产 生 的 电 势 。温 差 电 动 势 的 大 小 取 决 于 热 电 极 两 端 的 温 差 和 热 电 极 的 自由 电 子 密 度 。温 差 温 差 电 动 势 两 端 问 相 同 温 差 为 零 ， 温 差 电 动 势 为 零n电 子 密 度 和 热 电 极 材 料 成 分 有 关 。 . 接 触 电 势 高 EAB（ T） 低 e单 位 电 荷 ； K玻 耳 兹 曼 常 数N A（ T), NB（ T） A、 B电 子 密 度 （ 温 度 T） 电 势 方 向 ： 低 高由 电 子 密 度 加 大 （ 相 对 扩 散 前 ） 电 子 密 度 减 小)( )(ln)( TN TNeKTTE BAAB 温 差 电 势 T0 EA(T,T0 ) T 低 EA（ T， T0） 高电 势 方 向 ： 由 电 子 密 度 大 电 子 密 度 小回 路 总 电 势 接 触 电 势 和 温 差 电 势 综合 成 总 热 电 势 BA EAB(T0)TT0E AB（ T）EA(T,T0) EB（ T,T0）),()(),()(),( 0000 TTETETTETETTE AABBABAB . TT BBTT AATT BA TT BATT BATT BA B ABAABAB tN tdNteKtN tdNteKdttN tNeK tN tNtdeKdttN tNeKtN tNtdeK TN TNeKTTN TNeKTTETE 000 000 )()()()()()(ln )()(ln)()(ln)()(ln( )( )(ln)( )(ln)()( 0000 NA(t), NB(t)只 是 温 度 的 函 数 三点结论1 )热 电 势 大 小 ， 只 与 材 料 性 质 和 两 接 点 温 度 有 关 。2 )不 同 性 质 材 料 才 能 组 成 热 电 偶 ， 相 同 材 料 组 成 的 闭 合 回路 热 电 势 为 零 。3 )热 电 极 材 料 确 定 后 ， 热 电 势 的 大 小 只 与 热 电 偶 两 端 温 度有 关 。 一 端 温 度 恒 定 ， 热 电 势 只 是 另 一 端 温 度 的 单 值 函数 。 （ 方 便 使 用 ）几 个 术 语热 端 与 冷 端 (或 测 量 端 与 参 比 端 ) 分 度 表 （ E t表 ） 分 度 号问 题热 电 偶 （ 热 电 势 ） 能 否 测 量 ？接入第三种材料热 接 点 能 否 焊 接 ？ （第三种材料）热 、 冷 端 间 的 温 度 梯 度 是 否 影 响 测 量 结 果 ？ （ 相 同 温 差 ， 热 电 偶 长 短 是 否 有 影 响 ？ ） 2 热 电 偶 回 路 性 质 1 . 均 质 材 料 定 律表 述 ： 均 质 材 料 组 成 的 回 路 ， 不 论 回 路 有 无 温 度 梯度 ， 回 路 中 均 不 产 生 热 电 势 （ 无 电 流 ） 。应 用 ： 要 求 组 成 热 电 偶 的 两 种 材 料 必 须 各 自 都 是 均质 的 ， 否 则 引 入 误 差 。 （ 温 度 梯 度 无 影 响 ）2 . 中 间 导 体 定 律 表 述 ： 热 偶 回 路 中 插 入 第 三 种 （ 或 多 种 ） 均 质 材 料 ，只 要 插 入 材 料 两 连 接 点 温 度 相 同 ， 则 所 插 入 的 第 三种 材 料 不 影 响 原 回 路 的 热 电 势 。 应 用 ： 回 路 中 可 接 入 测 量 热 电 势 的 仪 表 ； 接 点 可 以焊 接 证 明 ？ n系 统 结 构系 统 主 要 元 件 ： 热 电 偶 感 温 元 件 、 冷 端 补 偿 器 、 补 偿 导 线 、普 通 导 线 和 温 度 显 示 装 置 热 电 偶 感 温 元 件 是 热 电 偶 测 温 系 统 的 核 心 部 件 。1.热 电 偶 ； 2.补 偿 导 线 ；3.普 通 导 线 ； 4.显 示 装 置 5.补 偿 器热 电 偶 温 度 系 统 测 量 回 路 冷 端 补 偿 器 法 （ 与 补 偿 导 线 联 用 、 适 用 于 工 业 生 产 ） 原 理 ： 将 补 偿 器 串 接 于 热 电 偶 回 路 中 ， 自 动 补 偿由 于 冷 端 温 度 变 化 而 对 回 路 热 点 势 的 影 响 。 平 衡 点 温度 点 （ 0 或 20 ） 与 计 算 温 度 点 （ 40 ） 。 热 电 特 性 的 非 线 性 ， 只 能 在 平 衡 点 温 度 点 与 计算 温 度 点 上 而 不 可 能 在 全 程 范 围 内 ， 完 全 补 偿 。 使 用 ： 补 偿 器 与 热 偶 相 匹 配 ； 仪 表 的 机 械 零 点 调至 平 衡 温 度 点 。 。n测 温 系 统 的 正 确 使 用l热 电 偶 温 度 测 试 系 统 的 测 试 信 号 来 源 于 热 电 偶 感温 元 件 的 热 电 极 。l保 护 管 选 择 是 否 合 适 ， 将 直 接 影 响 热 电 偶 的 使 用寿 命 和 测 量 的 可 靠 性 。l对 测 量 结 果 的 影 响 因 素 ： 1 .高 温 影 响 2 .外 部 压 力 的 影 响 3 .强 磁 场 的 影 响 8.2.1 测 温 原 理 (1) 导 体 电 阻 率 (8-4) E电 场 强 度 J电 流 密 度 在 E的 作 用 下 ， J的 数 值 与 自 由 电 子 数 n、 电 荷e和 电 子 定 向 运 动 速 度 平 均 值 u成 正 比 ， 可 通 过自 由 电 子 运 动 时 的 平 均 自 由 程 及 质 量 m得 出 电 阻 率与 温 度 之 间 的 关 系 ， 即 (8-5) JEJE 8.2 热 电 阻 测 量 系 统 式 中 ， k为 玻 尔 兹 曼 常 量 ;T为 温 度 。 导 体 的 电 阻 率 还 与 其 晶 格 点 阵 和 缺 陷 有 关 (8-6) 式 中 ， A为 金 属 的 特 性 常 数 ； M为 金 属 原 子质 量 ； 为 金 属 的 德 拜 温 度 。 当 T0.5时 ,式 (8-6 (8-7) 这 就 是 公 认 的 金 属 在 高 温 下 ,电 阻 率 与 温 度 的 正比 关 系 . 而 在 低 温 下 ,即 T0.5时 ， 式 (8-6)的 积 分 上 限 可 认 为 ，求 解 式 （ 8-6） 中 的 函 数 的 结 果 是 124.4.此 时 金 属 电 阻率 为 （ 8-8） 对 金 属 而 言 ， 在 一 定 的 温 度 下 ， 物 质 的 电 阻 率 和电 阻 有 确 定 的 函 数 关 系 (8-9) R导 体 电 阻 l导 体 长 度 s导 体 截 面 积 （ 2） 半 导 体 电 阻 率 受 到 掺 杂 程 度 和 制 造 工 艺 的 影 响 ， 很 难给 出 统 一 形 式 的 方 程 来 描 述 鍺 半 导 体 电 阻 温 度 特 性 。 典 型 的 经 验 公 式 是 (8-10) 式 中 B取 决 于 掺 杂 的 种 类 和 浓 度 ， 并 随温 度 而 变 ； E与 禁 宽 度 有 关 ； k为 玻 尔 兹 曼 常量 。 由 式 （ 8-9） 或 （ 8-10） 知 ： 温 度 的 变 化引 起 了 电 阻 的 变 化 。 )2/exp( kTEBR 感 温 元 件 的 电 阻 与 温 度 的 关 系 特性 在 实 际 应 用 中 可 以 用 以 下 方 式 表 示 ：列 表 法 、 内 插 法 和 作 图 法 。 1） 列 表 法 ： 2） 内 插 法 。 内 插 法 的 一 般 表 达 式 ： (8-11) 式 中 , 为 热 电 阻 在 温 度 为 t时 的 电 阻值 ； 为 热 电 阻 在 温 度 为 0时 的 电 阻 值 ； A、 B、 C为 在 固 定 温 度 上 所 确 定的 分 度 常 数 ， 对 于 不 同 材 料 的 热 电 阻 ，其 数 值 也 不 同 。 即 便 是 同 一 材 料 ， 在 不 同 的 测 量 范 围 ， 其 值也 不 一 定 相 同 。 铂 热 电 阻 的 电 阻 与 温 度 关 系 特 性 ， 在 温 度 为 -2000时 ， 关 系 特 性 可 表 示 为 (8-12) 在 0850时 ， 电 阻 与 温 度 关 系 特 性 则 表 示为 (8-13) 3） 作 图 法 。 下 图 是 铂 、 铜 、 钨 和 热 敏 电 阻 的电 阻 与 温 度 关 系 特 性 曲 线 。 8.2.2 系 统 结 构 铂 嗲 组 测 温 仪 器 按 其 用 途 分 有 标准 型 和 工 业 型 两 类 。 标 准 型 ： 长 杆 型 、 套 管 型 和 高 温型 。 不 管 它 们 是 什 么 类 型 的 测 温 仪 器 ，它 们 都 是 由 感 温 元 件 铂 丝 、 绝 缘 管 、保 护 管 、 引 出 线 以 及 显 示 装 置 等 几 部分 组 成 。 8.2.3 系 统 的 正 确 使 用 在 实 际 应 用 热 电 阻 测 温 系 统 时 ， 应注 意 以 下 几 个 反 面 ： （ 1） 避 免 受 到 过 大 的 振 动 和 应 力 作用 （ 2） 避 免 在 强 磁 场 中 使 用 （ 3） 自 然 效 应 在 实 际 测 温 中 ， 有 时 加 大 工 作 电 流来 增 加 测 温 系 统 的 灵 敏 度 。 此 时 ， 就 应计 算 出 该 测 量 系 统 的 自 然 效 应 误 差 ， 以衡 量 灵 敏 度 与 自 然 效 应 的 利 弊 。 工 业 铂 热 电 阻 引 起 的 自 然 效 应 ： （ 8-14） I工 作 电 流 R测 温 系 统 标 称 电 阻 值 k系 数 ， 取 决 于 测 温 系 统 的 结 构 和 工作 环 境其 近 似 式 为 （ 8-15） 其 中 ， R为 R2与 R1之 差 ； R1 、 R2分 别 为工 作 电 流 等 于 I1和 I2时 电 阻 值 ； 为 测 温 系 统 的电 阻 温 度 系 数 。 （ 4） 压 力 影 响 用 电 阻 测 温 系 统 测 量 高 压 容 器 中 的 温 度 时 ，由 于 大 多 数 金 属 在 高 压 情 况 下 ， 原 子 在 其 晶 格中 的 正 常 位 置 振 动 时 的 幅 度 将 减 少 ， 导 致 电 阻值 减 小 ， 测 试 的 温 度 偏 低 。 偏 低 的 温 度 可 以 用下 述 经 验 公 式 估 算 （ 8-16） T=t+273.15（ K） ， t为 测 温 系 统 指 示 温 度 ； p为容 器 压 力 。 （ 5） 引 线 电 阻 的 影 响 通 常 ， 当 引 出 线 温 度 发 生 变 化 时 ， 引 起 的 误差 t， 可 用 下 式 计 算 （ 8-17） 式 中 ， t2、 t1为 引 出 线 温 度 发 生 变 化 后 的 温度 ； r为 引 线 电 阻 ； R为 温 度 仪 器 标 称 电 阻 ； 1、2分 别 为 感 温 元 件 和 引 线 的 电 阻 系 数 。tt21 64位和 单接 线接 口 存 储 器 控 制 逻 辑温 度 传 感 器高 温 度 触 发低 温 度 触 发存储器8位 CRC触 发 器电源检测 )/()1()1(2 21511520 2 mWeCehcE TCTkhc 0 4432 451510 0 152)1(),( 2 TThc kdeCdTE TC 4TM )/()1( 2151 2 mWeCE TC 和 红 外 测 温 系 统 的 优 点 ：由 于 通 过 接 收 被 测 体 辐 射 德 红 外 线 而 进 行 测 温 ， 故 可 对那 些 难 以 接 触 到 的 或 运 动 着 的 物 体 进 行 温 度 测 量 ， 如传 热 性 能 差 的 或 是 很 小 的 热 容 量 材 料 。响 应 时 间 短 ， 能 快 速 地 实 现 对 回 路 的 有 效 调 节 。没 有 磨 损 的 部 件 ， 因 而 不 存 在 如 使 用 温 度 计 所 存 在 的 连续 费 用 。对 于 很 小 的 被 测 物 体 ， 及 腐 蚀 性 的 化 学 物 或 敏 感 的 表 层的 温 度 测 试 ， 使 用 辐 射 测 温 系 统 可 避 免 由 于 物 体 的 导热 性 产 生 的 测 量 误 差 。通 过 原 距 离 的 遥 控 测 量 ， 可 远 离 危 险 区 域 ， 保 护 操 作 人员 。 红 外 测 温 系 统 的 缺 点 ：一 般 来 说 ， 它 不 能 直 接 测 得 被 测 对 象 的 实 际 温 度。 要 得 到 实 际 温 度 ， 需 要 进 行 材 料 发 射 率 的 修正 ， 而 发 射 率 是 一 个 影 响 相 当 复 杂 的 参 数 。 增加 了 对 测 量 结 果 的 处 理 。由 于 非 接 触 ， 辐 射 式 温 度 系 统 的 测 量 受 中 间 介 质的 影 响 。 尤 其 是 在 工 业 环 境 下 ， 周 围 环 境 比 较恶 劣 ， 中 间 介 质 对 测 量 结 果 的 影 响 更 大 。由 于 辐 射 测 温 相 对 较 复 杂 的 原 理 ， 测 量 仪 器 的 就、 结 构 也 相 对 复 杂 ， 价 格 较 高 。 根 据 不 同 的 测 温 原 理 ， 目 前 红 外 测 温 系 统 可 以 分为 全 辐 射 测 温 系 统 、 亮 度 测 温 系 统 、 比 色 测 温 系 统 和双 色 测 温 系 统 四 类 。 1)全 辐 射 测 温 系 统 全 辐 射 测 温 系 统 是 根 据 全 辐 射 定 律 ， 利 用 敏 感 元件 感 受 目 标 发 出 整 波 段 的 辐 射 功 率 来 测 量 物 质 温 度 的红 外 测 温 系 统 。 其 光 学 系 统 分 为 透 镜 式 和 发 射 镜 式 ，检 测 元 件 有 热 电 堆 、 热 释 电 元 件 、 硅 光 电 池 和 热 敏 电阻 等 。 透 镜 式 系 统 将 物 体 的 全 辐 射 能 透 过 物 镜 及 光 栅、 滤 光 片 等 聚 焦 于 敏 感 元 件 。 发 射 式 系 统 则 将 全 辐 射能 反 射 后 聚 集 在 敏 感 元 件 上 。 2） 亮 度 测 温 系 统 亮 度 测 温 系 统 通 常 采 用 亮 度 平 衡 法 ， 通 过 测 量 某 一 波 长 下 物 体 辐射 量 度 的 变 化 测 知 其 温 度 的 温 度 测 量 系 统 ， 光 敏 器 件 是 其 感 受 元 件 ，系 统 自 动 进 行 亮 度 平 衡 。 定 义 ： 测 出 物 体 在 两 个 特 定 相 近 波 长 范 围 上的 辐 射 能 量 之 比 ， 确 定 被 测 物 体 的 比 色 温 度。优 点 ： 灵 敏 度 较 高 ， 偏 差 小 ， 中 高 温 测 量 ，抗 干 扰 能 力 强 。缺 点 ： 结 构 复 杂 ， 价 格 昂 贵 。 比 色 系 统 可 以 分 为 单 色 通 道 、 双 色 通 道 型 和 色 敏 型 。下 面 以 通 道 比 色 测 温 系 统 为 例 ： 4） 双 色 测 温 系 统 双 色 测 温 系 统 是 有 两 组 不 通 的 单 色 滤 波 片筛 选 目 标 在 两 个 相 近 波 长 的 辐 射 功 率 ， 并 根 据两 波 长 辐 射 功 率 的 比 值 来 确 定 目 标 温 度 的 。 双 色 测 温 系 统 典 型 测 温 方 框 图 ： 8.5 半 导 体 PN结 测 量 系 统 半 导 体 材 料 和 器 件 的 许 多 性 能 参 数 利 用 PN结 的 温 度 特 性 可 制 成 PN结 温 度 传 感 器 ，这 类 传 感 器 分 为 两 种 在 实 验 温 度 检 测 时 ， 只 有 温 敏 三 极 管 本 身 是 不够 的 ， 必 须 附 加 适 当 的 外 围 电 路 ， 才 构 成 温 度传 感 器 。 PN结 温 度 传 感 器 与 热 敏 电 阻 一 样 具 有 体 积 小 、反 应 快 的 优 点 。