温度检测项目报告.doc

南通航运职业技术学院机电系模块化课程项目研究报告课程名称： 工业检测 项目名称： 温度测量 班 级： * 姓 名： * 学号 * 同组学员： 成 绩： 教师签名： 目录一、任务提出 2二、资讯 2（一）、温度检测的基本概念 2（二）、温度检测的方法及分类 3（1）、膨胀式测温 3（2）、热电阻传感器测温 3（3）、热电偶式传感器 8（三）、温度传感器的主要发展方向13三、决策 14四、计划 14五、实施 15七、评价 17六、检查 17一、任务提出温度是与人类生活息息相关的物理量，人类早在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始研究使用温度传感器。在工业生产过程中，温度是需要进行测量和控制的重要参数之一，在生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右，人类离不开温度检测，更离不开温度传感器。因此，温度传感器有着非常广泛的应用。那么究竟什么是温度，什么是温度传感器，测量温度的传感器有哪些，温度传感器是怎样进行温度的测量，温度检测的发展方向是怎么样。这些问题将在下面的报告中找到答案。二、资讯温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。（一）、温度检测的基本概念 （1）温度的基本概念温度是表征物体冷热程度的物理量。温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。 （2）温标温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。我国常用摄氏温标（C ），国外多用华氏温标（F），而热力学温标（K）一般为实验室研究使用。华氏温标与摄氏温标的关系式为： 热力学温标和摄氏温标的关系为：（二）、温度检测的方法及分类温度测量方法有很多种， 按工作原理可分为膨胀式、热电阻式、热电偶式等。（1）、膨胀式测温膨胀式测温是一种比较传统的测温方法，它主要利用物质的热胀冷缩原理即根据物体体积或几何形变与温度的关系进行温度测量。膨胀式温度计包括玻璃液体温度计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计等。膨胀式温度计结构简单，价格低廉，可直接读数，使用方便，并且由于是非电量测温方式，适用于防爆场合。但准确度较低，不易实现自动化，而且容易损坏。（2）、热电阻传感器测温热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。主要用于测量温度以及与温度有关的参量。测量精度高，易于使用在自动测量和远距离测量中。在工业上，它被广泛用来测量200960范围内的温度。按热电阻性质不同，可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。一般把金属热电阻称为热电阻,而把半导体热电阻称为热敏电阻。1）、金属热电阻1、金属热电阻的工作原理及其特点金属热电阻的电阻值和温度一般可以用一下的近似关系式表示：热电阻是根据金属材料的电阻和温度的线性关系来进行温度测量，输出信号大，准确度较高，稳定性好，适用于中低温的测量场合。2、常用金属热电阻目前较为广泛应用的热电阻材料是铂、铜，它们的电阻温度系数在3610/范围内。作为测温用的热电阻材料，希望具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。在铂、铜中，铂的性能最好，采用特殊的结构可以制成标准温度计，它的适用温度范围为-200 +960，但成本太高；铜电阻价廉并且线性较好，适用于温度在50一150的环境中，目前铜热电阻应用很普遍。3、金属热电阻的结构热电阻主要由感温元件、内引线、保护管3部分组成。通常还具有与外部测量及控制装置、机械装置连接的部件。4、金属热电阻传感器应用内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种。二线制中引线电阻对测量影响大,用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温采用三线制或四线制。 （内部引线方式）2）、半导体热敏电阻传感器1、热敏电阻的工作原理及其特点 半导体热敏电阻的阻值和温度的关系：热敏电阻是一种电阻值随温度呈指数变化的半导体热敏元件，电阻温度系数大，灵敏度高结构简单，电阻率高，热惯性小，价格便宜的特点。但其电阻值和温度的关系线性度差，且稳定性和互换性也较差。2、常用的热敏电阻热敏电阻按其温度系数可分为负温度系数热敏电阻（NTC）和正温度系数热敏电阻(PTC)两大类。所谓正温度系数是指电阻的变化趋势与温度的变化趋势相同；所谓负温度系数是指当温度上升时，电阻值反而下降的变化特性。NTC热敏电阻研制得较早，也较成熟。最常见的是由金属氧化物组成的。如锰、钴、铁、镍、铜等多种氧化物混合烧结而成，其标称阻值(25时)，可以从0.1至几兆欧范围内选择，视氧化物的比例而定。典型的PTC热敏电阻通常是在钛酸钡中掺入其他金属离子，以改变其温度系数和临界温度。它的温度电阻特性曲线呈非线性，它在电子线路中多起限流、保护作用。当流过PTC的电流超过一定限度或PTC感受的温度超过一定限度时，其电阻突然增大。3、热敏电阻的结构热敏电阻可根据使用要求加工成各种形状的探头，如园片型、柱型、珠型、铠装型、薄膜型等，如下图所示。热敏电阻的外形、结构及符号a）圆片型热敏电阻 b）柱型热敏电阻 c）珠型热敏电阻 d）铠装型 e）厚膜型 f）图形符号1热敏电阻 2玻璃外壳 3引出线 4紫铜外壳 5传热安装孔4、热敏电阻的应用热敏电阻几乎在每个部门都有使用，如家用电器、制造工业、医疗设备、运输、通信、保护报警装置和科研等。下面仅举几个例子，介绍热敏电阻的应用情况。半导体点温计，热敏电阻很适合作点温计，因为它的体积小，响应速度快。半导体点温计采用不平衡电桥电路。热敏电阻用于热保护，利用热敏电阻可以对特定的温度进行监视，例如可以监测电机绕组的过热状态。只需将珠状阻体装在电机绕组间，通过长导线引出，当电枢绕组温度过高时，就会发出警报或自动切断电源，液面位置传感器，作被面位置传感器用的热敏电阻通以电流将引起自身发热。当处于两种不同介质中，电阻的散热条件石同，流过的电流也不同。通过电流表的指示可以反映液面的水平位置。（3）、热电偶式传感器1、热电偶传感器的工作原理及特点将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示工作原理图当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。热电偶传感器的特点：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50 1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达 2800（如钨-铼）。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。2、常用的热电偶常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。3、热电偶的结构热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：1、组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；2、两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；3、补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；4、保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。根据测温环境不同，以及使用方法等不同，将热电偶分为装配式热电偶和铠装热电偶两大类。工业用装配式热电偶作为测量温度的变送器通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从0到1800范围的液体、蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。4、热电偶的温度补偿由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100。从热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电势才是热端温度的单值函数。用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定， 因此将产生误差。一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小，应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 。为此，必须采取一些相应的措施，常用的方法有以下几种：冷端恒温法，将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0C不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0C而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实训室中，图611是冷端置于冰瓶中的接法布置图。计算修正法，当热电偶的冷端温度t0 0C时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0C时所测得的热电势EAB（t，0C）不等。若冷端温度高于0C，则EAB（t，t0）EAB（t，0C）。可以利用下式计算并修正测量误差： EAB（t，0C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C） （7）上式中，EAB（t，t0）是用毫伏表直接测得的热电动势毫伏数。修正时先测出冷端温度t0，然后从该热电偶分度表中查出EAB（t0，0C）(此值相当于损失掉的热电动势)，并把它加到所测得的EAB（t，t0）上。根据式(7)求出EAB（t，0C）(此值是已得到补偿的热电势)，根据此值再在分度表中查出相应的温度值。计算修正法共需要查分度两次。如果冷端温度低于0C，由于查出的EAB（t0，0C）是负值，所以仍可用式(7)计算修正。补偿导线法，热电偶由于受到材料价格的限制不可能做的很长，而要使其冷端不受到测温对象的影响，必须使冷端远离测温对象，采用补偿导线就可以做到这点。所谓补偿导线，实际上是一对化学成分不同的导线，在0150C温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。我们利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所，其实质是相当于将热电极延长。根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的两个接点温度一致，是不影响热电动势输出的。仪表机械零点调整法，当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量精度要求又不太高时，可将动圈式仪表的机械零点调整至热电偶冷端所处的t0处，这相当于在输入热电偶的热电动势前就给仪表输入一个热电动势EAB（t0，0C）。这样，仪表在使用时所指示的值约为EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）。电桥补偿法，电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。5、热电偶的应用金属表面温度的测量，对于机械、冶金、能源、国防等部门来说，金属表面温度的测量是非常普遍而又比较复杂的问题。例如，热处理工作中锻件、铸件以及各种余热利用的热交换器表面、气体蒸气管道、炉壁面等表面温度的测量。根据对象特点，测温范围从几百摄氏度到一千多摄氏度，而测量方法通常采用直接接触测温法。 直接接触测温法足指采用各种型号及规格的热电偶(视温度范围而定)，用粘接剂或焊接的方法，将热电偶与被测金属表面(或去掉表面后的浅槽)直接接触，然后把热电偶接到显示仪表上组成测温系统：被测温度在200300C左右时，可采用粘接剂将热电偶的结点粘附于金属壁面，工艺比较简单，但是在不少情况下，特别在温度较高，要求测量精度高和时间常数小的情况下，常常采用焊接的方法，将热电偶头部焊于金属壁面。此时热电偶的接点被接地，所以必须采用差动减法放大器。利用热电偶监测燃气热水器的火焰，燃气热水器的使用安全性至关重要。在燃气热水器中设置有防止熄火装置、防止缺氧不完全燃烧装置、防缺水空烧安全装置及过热安全装置等，涉及多种传感器。防熄火、防缺氧不完全燃烧的安全装置中使用了热电偶传感器。（三）、温度传感器的主要发展方向1、超高温与超低温传感器，如+3000以上和-250一下的温度传感器。2、提高温度传感器的精度和可靠性。3、研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。4、发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。5、发展适应特殊测温要求的温度传感器。6、发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。三、决策在工业应用中，膨胀式温度计准确度较低，不易实现自动化，而且容易损坏。热电偶一般用于测量500以上的较高温度。对于500以下的中低温，热电偶输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器。抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低的温度区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中低温时，一般使用热电阻温度测量传感器较为合适。目前较为广泛应用的热电阻材料是铂、铜，它们的电阻温度系数在3610/范围内。作为测温用的热电阻材料，希望具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。在铂、铜中，铂的性能最好，采用特殊的结构可以制成标准温度计，它的适用温度范围为-200 +960，但成本太高；铜电阻价廉并且线性较好，适用于温度在50一150的环境中，目前铜热电阻应用很普遍。综上所述，选择铜热电阻测温方法。四、计划本项目共两次实验，得到四组数据，每次实验从40加热到85，再从85降温至40，T=5，随温度变化记下输出电压的值，具体由孙亚玲负责连接导线，刘士冬负责通过按键进行温度的调节，王玉翠则负责读数并记录数据。五、实施1、取出温度传感器特性实训模块、K型热电偶、铜电阻传感器以及导线；2、温度传感器实训模块接上铜电阻传感器，单臂电桥K拨向铜电阻，如下图所示：3、2V4V端与地之间加直流源2V4V，合上实训台电源开关，调Rp1使电桥平衡，桥路输出端输出为零；4、在常温基础上，将设定温度值按=5读取数显表值。将结果填入下面数据记录表中；温度T（）40455055606570758085第一组 VO2(mv)30507090110130150160180200第二组 VO2(mv)30406080100120140160180200第三组 VO2(mv)4080110130150170190210230250第四组 VO2(mv)40701001201401601802002202505、将数据整理成折线图，如铜电阻热电势与温度数据分析图。铜电阻热电势与温度数据分析图6、对数据进行分析。本项目共两次实验，得到四组数据，每组实验从40加热到85，再从85降温至40，T=5，随温度变化记下输出电压的值，如上分析图（2）所示，第一、三组数据为升温是所得到铜电阻的热电势，第二、四组数据为降温是所得到铜电阻的热电势。通过铜电阻热电势与温度数据分析图可以看出此铜热电阻传感器的热电势和温度成线性关系，铜热电阻的输出信号大，准确度较高，稳定性好，但铜电阻传感器发生了迟滞现象，对于同一温度，传感器的正反行程输出热电势具有一定的迟滞差值，两组实验的迟滞误差基本都在4%左右，此温度传感器的迟滞现象产生原因主要由于铜电阻的物理性质和实验模块的老化。7、关闭电源及实训台电源开关。六、检查当输出热电势不随输入温度值而改变时，首先，检查电路，检查电路无误后，又对铜热电阻进行了检测，铜热电阻在别组实验模块进行温度检测时并无问题，因此，判定应该为实验模块的问题，在换了实验模块后，热电势便随温度而改变。当实验模块无法调零时，检查模块和接线没有问题后，征求老师意见，保留初值，记录数据时将初值除去。七、评价由于实验设备老化等问题，所测量的数据有一定的误差主要有系统误差，实验误差，环境误差等。实验前应该仔细了解实验的细节，做实验时应该注意这些小的细节，认真读取数据，减小误差，温度检测需要有足够的耐心等待温度的变化，试验后应该认真的实验数据进行分析，如果实验数据与理论推导有较大误差，要仔细分析原因，认真查阅资料，与小组成员讨论，只有这样按步就班的才能做好实验。多做几组实验得到更精确的试验数据，才能更好的让事实证明理论的正确性。实验可以证明理论的真实，理论源于无数次的实验，理论可以指导实践。