第八章温度测量_机械工程测试技术解读课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机械工程测试技术,温度测量（,2,）,第八章,内容,1,、温度测量基础,2,、热电偶测温技术,3,、电阻法测温技术,4,、温度仪表的标定,5,、其它,重点,：,掌握热电偶与热电阻两种测温方法的原理、特点及应用场合,温度测量背景,国际单位制七个基本的物理量,测量领域,动力、机械、化工、冶金、制冷、航天、电子、,1,、温度测量基础,温度的概念,物体热平衡状态下,冷热程度,的物理量,微观上,温度是物体内部,分子热运动,激烈程度的标志，是度量分子热运动,平均动能,大小的指标,宏观上,温度是决定系统热平衡的宏观性质。当两个系统处于平衡状态时，它们拥有的,共同性质,1,、温度测量基础,T,A,C, T,B,C,15,2,、热电偶测温,R,1,d,c,R,s,R,Cu,b,a,t,e,R,3,R,2,R,C,R,T,R,B,R,调,R,D,热电偶 补偿电路 外电路可调电阻 动圈式仪表,热电势测量,直流电位差计：与已知的,标准电势,相比较,使输入信号回路没有电流流过,消除内部压降,校正工作电流回路,：,标准电池,E,K,、标准电阻,R,K,、高精度检流计,G,测量过程,2,、热电偶测温,当把开关,K,转向,1,位时，整定可调电阻，使得检流计指零，可得到精确的工作电流,I,E,K,/R,K,当把开关,K,转向,2,位时，即接入被测热电势,e,X,；调节触点,B,，使检流计指零，则电流,I,在,R,AB,（,可精确知道,）,上的电压降即为热电势,e,X,E,K,G,检流计,标准电阻,R,K,A B,e,x,K,E,2,1,标准电池,R,j,可调电阻,I,热电偶,t,热电势测量,数字式电压表,特点,分辨率很高，直接接受热电偶的电势信号,具有很高的输入阻抗（兆欧数量级）、多次放大滤波,模数转换、数字显示,完全可以忽略电极材料的粗细和引线的长短以及电阻的变化等造成的测量误差,2,、热电偶测温,MV,数字式电压表,测温误差分析,传热,误差：传热现象存在,分度,误差：材料,成分,不符以及均匀性差,补偿,导线误差：补偿导线和热电极材料的热电性质不完全相同，只是替代了昂贵的热电极材料,冷端温度误差：补偿电桥法只能在个别,设计温度段,才能完全补偿,显示仪表基本误差：由仪表的精度等级决定,线路电阻误差：线路总电阻偏差和变化引起,2,、热电偶测温,热电偶优点,结构简单、制作方便、价格低廉、测温范围宽、正确度高、输出信号便于远距离传输,流体、固体、及表面温度均可用它测量,微型热电偶可用于快速及动态温度测量,热电偶缺点：,需要恒定的冷端温度,2,、热电偶测温,在工业生产中，中低温度的测量大多采用电阻温度计,国际温标：,13.81K630,C,，铂电阻温度计作为,基准仪器,热电阻分类：金属丝电阻、膜电阻、热敏电阻,电阻温度计优点,测量精度高，复现性好,由于,电信号传递,，利于实现远距离检测、控制，以及多点切换,灵敏度高，输出信号强，便于表检测显示,测温范围,:0.3K 900K,缺点,使用贵金属鉑使价格昂贵,体积较大、热惯性大，不宜作动态测量,3,、热电阻法测温,电阻法,测温原理,导体或半导体的电阻值是温度的函数,当温度升高,1,时，大多数金属的阻值要,增加,0.40.6%,，而半导体的电阻值要,减小,36%,一般纯金属在温度变化范围不大时，其电阻值与温度的关系近似为,某些半导体的电阻值与温度的关系为,3,、热电阻法测温,电阻,温度特性曲线,铂、铜的电阻特性曲线比较理想 半导体的电阻特性曲线,3,、热电阻法测温,热电阻,材料,选择,电阻温度系数,a,要大,，制成的温度传感器的灵敏度越高。电阻温度系数与材料的纯度有关，纯度越高，,a,值就越大，且稳定,材料的,电阻率要大,，这样可使热电阻体积较小，热惯性较小，对温度变化的响应就比较快,线性或为平滑的特性曲线，而且有良好重复性,易于加工复制，价格便宜,3,、热电阻法测温,几种热电阻材料特性,金属电阻：,工业中应用最多的是铂和铜,铂电阻,具有很高的化学稳定性，容易提纯，便于加工,最常用的材料,用于,13.81K,630,范围内的测温、也是基准温度计,3,、热电阻法测温,HT-101,铂电阻元,件,（,honeywell,）,分度号：,pT100,pT1000,量程：,-200-450,精度：,A,：,0.06 B,：,0.12,外形：,1.63.2 25,金属电阻：,工业中应用最多的是铂和铜,膜铂电阻,用真空沉积的,薄膜技术,把铂,溅射,在陶瓷基片上，膜厚在,2m,以内，用玻璃烧结料固定,Ni(,或,Pd),引线，经激光调阻制成薄膜元件,微型化、反应快,3,、热电阻法测温,金属电阻：,工业中应用最多的是铂和铜,铜电阻,温度系数,a,高于其它金属的值，价格低廉，易于提纯,在,-50,150,范围内近似呈线性关系,缺点,电阻率小，体积较大，铜电阻丝细而长，故机械强度降低,易氧化，只能用于无侵蚀性介质,3,、热电阻法测温,半导体电阻,具有负的电阻温度系数：温度降低时，其电阻值增加，灵敏度增大,具有灵敏度高、体积小、热容量小的优点，可作为精密温度测量,常用的测温电阻有锗电阻和热敏电阻,锗电阻,电阻温度关系很稳定，重复性很好,迄今所研究过的半导体中最理想的低温测量元件,标定一次可长期使用，而且它的测量精度可达到,0.005K,许多国家将锗电阻温度计作为,4.2K20K,之间的标准测温仪表,3,、热电阻法测温,半导体电阻,热敏电阻,测量灵敏度较高、成本低、体积小、重复性好，可满足不同测温对象的要求，而且适合动态测量,缺点是性能不稳定，,互换性差,，导致测量精度不高,空调系统的温控元件,二极管温度计,当流过晶体管,P-N,结的电流恒定时，则,P-N,结之间的电压降会因温度的升高而降低，两者之间近似地成线性关系,P-N,结传感器,优点：灵敏度高，分辨率可达,0.1,以上，线性度比热敏电阻好，重复性和稳定性好,缺点：互换性差，需自己动手标定,3,、热电阻法测温,二极管,-10,在低温下,正向电压降温度曲线,阻值测量,给予一定工作电流，测量热电阻上的电压降来反映阻值,工作电流大小对测量灵敏度影响很大,工作电流不能太小,工作电流太大，在热电阻上产生热量,测量误差,常用测量方法：动圈式仪表、电位差计和平衡电桥,3,、热电阻法测温,电压回路,U,I,R,电流回路,阻值测量,动圈式仪表：,作为测差仪表,给予一定工作电流，测量热电阻上的电压降来反映阻值,测量线路：,电桥动圈式仪表,电桥：,R,0,、,R,2,、,R,3,、,R,4,、,R,W,（均为锰铜）、,R,t,电源： 稳压,4,伏直流,3,、热电阻法测温,R,4,R,2,R,3,R,0,R,D,R,w,R,t,R,w,R,w,稳压电路 桥路 动圈式仪表,锰铜阻值不随温度变化,Rw,作为每根连线总电阻和调整，使达到规定的,5,工作电流不超过,6mA,非线性严重，对刻度和测量工作不利,阻值测量,电位差计,采用,四线制接法,：,两根电流引线和两根电压引线,消除连接电阻影响,开关,K,闭合后调节可调电阻,R,s,使回路电流,I,的数值达到规定值（太小降低测量精度，太大产生焦耳热误差），用毫安表测,3,、热电阻法测温,通过切换开关依次用电位差计测量,R,t,和,R,B,上的电压降，分别为,U,t,和,U,B,测量精度高：,R,B,、,U,t,、,U,B,、,I,稳定,标准电阻,R,B,阻值可根据,R,t,大小选取,主要用于实验室精确测量,E,R,t,R,B,K,电位差计,I,R,S,毫安表,四线制接法,S,阻值测量,平衡电桥,测量电阻的精度很高，实验室用平衡电桥误差可小于十万分之几，工业用电桥也很易达到,0.5,级以上,三线制接线法：可以减少线路电阻随环境温度变化带来的测量误差,R,2,=R,3,时，三线制接法能够完全消除环境温度通过连接导线造成的影响,3,、热电阻法测温,R,3,R,2,R,1,R,t,G,R,G,R,w,R,0,E,三,线,制,接,法,R,t,R,l,R,l,R,l,阻值测量,温度变送器,3,、热电阻法测温,特性,线性化输出,4,20mA,标准信号,环氧树脂浇注工艺，防震、防潮,热电偶变送器冷端自动补偿,电源极性反接保护电路,技术指标,输入信号,:,Pt100,、,Pt1000,、,Cu50,、,K,、,E,、,S,供电电压,:,17,35V,负载电阻,:,0,500,输出信号,:,DC 4,20mA.,电压误差,:, 0.005%,V,精度,:,0.1%,、,0.2%,功耗,:, 0.5W,工作环境,:-,20,80, 95%RH,STWB,系列温度变送器,测温误差分析,传热误差：热传导和热辐射而引起的误差,分度误差,使用热电阻的实际电阻温度关系和统一的分度表存在差值。,焦耳热引起的误差：电流在电阻上产生的热量,线路电阻引起的误差,线路电阻不完全符合规定数值会引起测温误差,显示仪表基本误差：仪表的精度等级确定,3,、热电阻法测温,标定的意义,热电偶经过一段时间的使用，实际精度等级下降,热端受氧化、腐蚀以及在高温下热电偶材料的再结晶等均会使它的温差电特性发生变化,判断误差范围是否超过规定标准,通过校验以测出它的热电特性的变化情况，以确定能否继续使用,温度计标定的目的：确定温度计的精度等级，它包括对新仪表的标定和对旧仪表的校验,比较法、定点法,4,、测温仪表标定,基本方法,比较法,利用高一级准确度的标准温度计与被校验的温度计置于,同,一温度环境中，比较两者的温度值,，根据示值之差确定被校验温度计的基本误差,关键：,均匀的温度场,足够大的尺寸，减小测量元件的导热损失,常用的温度校验装置,管状电炉：采用不同的电加热丝并调节电加热功率（中高温度校验）,中低温用液体槽：槽内装有电加热装置或制冷装置、搅拌装置及电接点温度计可使温度场均匀并控制恒温,低温恒温器：低温恒温器包括杜瓦瓶以及瓶内恒温体等。杜瓦瓶内盛以低沸点的,低温液体,，带有调温系统的恒温体置于液体中，通过调节恒温体内的加热量，可得到从液体沸点到室温温区的任意温度,4,、测温仪表标定,基本方法,定点法,使被校温度仪表,测量某些固定点温度,，求得读数，以检定仪表质量指标的方法称为定点法。这些温度的固定点由,国际实用温标,规定，主要有：,物质沸点：实验室中水沸点是最易得到的固定点之一，温度较高时用硫沸点，稍低时用乙醇沸点，在低温下则用氧、氮、氢或氦沸点。沸点受气压影响很大，所以要同时测量大气压数值进行温度修正,凝固点：蒸馏水和纯冰的均匀混合物可得到冰融点温度，通常将冰水混合物盛在保温瓶中，以防止冰块很快溶解,金属凝固点：高温温度计定点检定常用的固定点,三相点,:,物质的三相点不受大气压的影响，也不需测量压强，比沸点更好。现在已研制成功多种密封的三相点容器（如氩、氮、氢、氧等）以及水三相点瓶,长期稳定性和良好复现性，准确度达,0.1mK,。,4,、测温仪表标定,温度,辐射式：,红外测温传感器,原理：温度辐射红外线、光电转换,温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线，波长在,0.76,100m,光学系统，光电探测器，信号放大器及信号处理,光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值,优点：,便捷，可快速提供温度测量,坚实、轻巧，便于携带,精确在,1,度以内,5,、,其它,温度场,温度,辐射式：,红外测温传感器,型号：,CT20 -40,900,传感头：,微型红外传感头重量,40g,；尺寸,2814mm,具有,D:S=20:1,光学分辨率,不锈钢传感头以及聚四氟乙烯电缆可以用于高达,180,的环境温度,变送器：,发射率,/,透过率调节、峰值,/,谷值,/,平均值测量选择,输出,0/420mA,、,010V,数字输出,USB/RS232/RS485,重量,420g,尺寸,897030mm,电源,9VDC-36VD,5,、,其它,温度,辐射式：,红外测温仪,仪器型号,TI315,测温范围,400-1800,测量精度 读数值的,11,（环境温度为,235,）,重复精度 读数值的,0.5,温度分辨率,1,响应时间 小于,200ms,工作波段,2.0-2.5m,距离系数,120:1,瞄准方式 望远镜瞄准,模拟输出,1mv/,工作电压,9V,电池,5,、,其它,温度,光纤光栅温度传感器,全息写入光栅,输入信号,反射信号,传输信号,5,、,其它,光纤布拉格光栅（,FBG,）,FBG,光栅效应：窄带光学滤波器,每个,FBG,有独自的中心波长,B,、,通过拉伸,/,压缩光纤光栅，以改变光纤光栅的,周期,和,有效折射率,n,，,从而引起光纤光栅的反射波长的移动,被测量作用,温度,光纤光栅温度传感器,分布式光纤光栅：在一根传感光纤上制作许多个布拉格光栅，每个光栅的,工作波长,相互分开，经,3dB,耦合器取出反射光后，用波长探测解调系统同时对,多个光栅的波长偏移,进行测量，从而检测出相应被测量的大小和空间分布。,组成：,光纤光栅,感温探头、连接光缆,测量部分：传输光缆、光纤光栅调制,/,解调器和二次仪表,5,、,其它,温度,光纤光栅温度传感器,测温精度及分辨率不受光源波动及传输线路弯曲损耗的影响,可直接通过光纤进行信号远程传输（超过,40km,），监测现场无需供电,表面式、埋入式、浸入式等多种封装结构,应用于桥梁、大坝、油罐、输油输气管道、隧 道、粮库、厂房、海洋石油平台等大型结构及建筑、医药、化工、电力、军工、航空航天、消防、矿业等领域大型设施或设备的准分布式精确测温。,5,、,其它,温度,光纤光栅温度传感器,FBG,中心波长,1525nm,1565nm,光栅反射率,85,分辨率,0.1 ,测量精度, 0.5 ,量程,-30,+ 80 ,或,120 ,或,200 ,外形尺寸, 7mm 55mm,（可定制其他尺寸）,引线类型,左右各,0.5m,，（可定制其他尺寸）,3mm,普通室内跳线，铠装光缆,封装结构,专业的防腐蚀、防潮设计,5,、,其它,Thank you!,