《温度检测技术》课件.ppt
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1、第9章 温度检测技术,温度是国际单位制给出的基本物理量之一,它是工农业生产、科学试验中需要经常测量和控制的主要参数。从热平衡的观点看,温度可以作为物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志。温度与人们日常生活紧密相关。,9.1 概述 温度是用来定量地描述物体冷热程度的物理量,温度是建立在热平衡基础上的。人类一直在探索如何测量温度。人体是一种测温仪:精度底 量程小,2023/5/30,4,9.1概述,缺点:受气压影响,最早使用仪器来测量温度的是伽里略 1592年底,伽里略发明了第一个用来测量温度的仪器。,2023/5/30,5,1624年温度计第一次正式在文献里出现。1654年意大利的一个公爵费迪南
2、德二世做成了一个真正不受气压影响的温度计,开尔文、牛顿等建立了各种温标:绝对温标、摄氏温标、华氏温标,概述,9.1.2 测温方法分类及其特点,根据传感器的测温方式,温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。,接触式与非接触式测温特点比较,测量条件接触式:感温元件要与被测对象良好接触;感温元件的加入几乎不改变对象的温度;被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀非接触式:知道被测对象表面发射率;被测对象的辐射能充分照射到检测元件上,测量范围接触式:1200以下、热容大、无腐蚀性,对象的连续在线测温非接触式:从超低温到极高温,但1000以下,测量误差大,接触式与非
3、接触式测温特点比较,精 度接触式:通常为1.0、0.5、0.2及0.1级非接触式:通常为1.0、1.5、2.5级,响应速度接触式:慢,通常为几十秒到几分钟非接触式:快,通常为23秒钟,其它特点接触式:结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉非接触式:结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵,各种温度检测方法及其测温范围,第9章 温度检测技术,9.1 概述9.2 接触式测温方法9.3 辐射法测温,9.2 接触式测温方法,根据测温转换的原理,接触式测温可分为:1、膨胀式(包括液体和固体膨胀式)2、热阻式(包括金属热电阻和半导体热电阻)3、热电式(包括热电偶和PN结),2023/5/30,12,(本课
4、程主要介绍接触式测温原理及方法)热电式传感器:将温度变化转换为电量变化的装置 较普通的热电式传感器将温度量转换为电势和电阻。常用热电式传感器的敏感元件有:热电偶、热电阻热电偶:将温度转换为电势之变化热电阻:将温度转换为电阻阻值之变化,9.2.1 热膨胀式测温方法,基于物体受热时产生膨胀的原理,分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。按膨胀基体可分成:液体膨胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金属温度计,特点:1、测量范围大都在-50550内2、用于温度测量或控制精度要求较低,不需自动记录的场合。,热阻式测温技术,基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质,将电
5、阻值的变化转换为电信号,从而达到测温的目的。热电阻的材料:电阻率、电阻温度系数要大,热容量、热惯性要小,电阻与温度的关系最好近于线性;物理、化学性质要稳定,复现性好,易提纯,同时价格尽可能便宜。,优点:信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传(与热电偶相比)、无需参比温度;金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高,可以用作基准仪表。缺点:需要电源激励、有自热现象(会影响测量精度)以及测量温度不能太高。,常用热电阻种类主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。,热阻式测温技术,铂电阻测温,铂电阻(IEC)的电阻率较大,电阻温度关系呈非线性,但测温范围广,精度高,且材料易提纯,复现性好;在氧化性介质中,甚至
6、高温下,其物理、化学性质都很稳定。目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10,其中Pt100更为常用。,铂电阻与温度的关系当 时 当 时,铂电阻测温,式中 R0温度为零时铂热电阻的电阻值 R(t)温度为t时铂热电阻的电阻值;A=3.9080210-3 B=-5.801910-7 C=-4.2735010-12,热电阻的结构,铂电阻测温,热电阻感温元件是用来感受温度的电阻器。它是热电阻的核心部分,由电阻丝及绝缘骨架构成。作为热电阻丝材料应具备如下条件:电阻温度系数大、线性好、性能稳定;使用温度范围广、加工方便;固有电阻大,互换性好,复制性强。,铂电阻测温,热电阻的引线形式热电阻的内引线是出厂时
7、自身具备的引线,其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种,如图9-4所示。,铂电阻测温,铂电阻测温,1.两线制测量电桥,2.三线制测量电桥,3.四线制测量原理,3.四线制测量原理,该测量原理的误差主要来自于恒流源的精度、电压表的测量精度、引线的固有热电势。可采用如下措施提高测量精度:在电流回路中加入一具有极低温度系数的高精密电阻作为采样电阻,测量该采样电阻上的电压值VS进而精确得到恒流源的电流值I,从而消除由于温漂、失调等因素造成的恒流源误差;变换恒流源极性测量热电阻,可大大抑制热电势的影响。,铜电阻和热敏电阻测温,铜电阻 铜电阻(WZC)的电
8、阻值与温度的关系几乎呈线性,其材料易提纯,价格低廉;但因其电阻率较低(仅为铂的1/2左右)而体积较大,热响应慢;另因铜在250以上温度本身易于氧化,故通常工业用铜热电阻(分度号分别为Cu50和Cul00)一般其工作温度范围为-40120。其电阻值与温度的关系为:当时,热敏电阻的缺点:阻值与温度的关系非线性严重;元件的一致性差,互换性差;元件易老化,稳定性较差;除特殊高温热敏电阻外,绝大多数热敏电阻仅适合0150范围,使用时必须注意。,铜电阻和热敏电阻测温,2023/5/30,28,9.2.3 热电偶,热电偶:将温度量转换为电势大小的热电式传感器热电偶具有以下特点:结构简单,使用方便,精度高,热
9、惯性小,可测局部温度和便于远距离传送与集中检测。,2023/5/30,30,9.2.3 热电偶,一、工作原理(席贝克效应)两种不同材料的导体A和B串联起来形成一个闭合回路,如果两个接合点的温度不同,电路中将产生热电势,并形成热电流。热电势的大小与材料的性质及接点的温度有关,称为温差热电效应或热电效应,该现象是1821年德国物理学家Secback发现的。热电势可用函数关系式表示:EAB=f(T,T0)若知道EAB,T0,即可利用热电效应来测温或温度差。,2023/5/30,31,定义:这两种不同导体的组合体称为热电偶。,两个连接端点,一个称为工作端T,另一个称为自由端或参考端T0或冷端,两根金属
10、丝称之为热电极。,2023/5/30,32,温差电势是如何产生的?温差电势是由两种导体的接触电势(珀耳贴电势)与同一种导体的温差电势(汤姆逊电势)所组成的。,1.接触电势,接触电势原理图,+,A,B,eAB(T),-,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。,A,eA(T,To),To,T,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
11、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,温差电势原理图,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:,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,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。,根据电磁场理论得,EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T),由于NA、NB是温度的单值函数,在工程应用中,
12、常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格,以供备查。由公式可得:,EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T,0)-EAB(T0,0),热电偶的热电势,等于两端温度分别为T 和零度以及T0和零度的热电势之差。,4.导体材料确定后,热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数,则回路热电势EAB(T,T0)就只与温度T有关,而且是T的单值函数,这就是利用热电偶测温的原理。,3.只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不 同时才能有热电势产生。,热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有
13、关;与热电偶的长度、粗细无关。,2.只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶;相同材料不会产生热电势,因为当A、B两种导体是同一种材料时,ln(NA/NB)=0,也即EAB(T,T0)=0。,结论(4点):,对于有几种不同材料串联组成的闭合回路,接点温度分别为T1、T2、Tn,冷端温度为零度的热电势。其热电势为 E=EAB(T1)+EBC(T2)+ENA(Tn),由一种均质导体组成的闭合回路,不论其导体是否存在温度梯度,回路中没有电流(即不产生电动势);反之,如果有电流流动,此材料则一定是非均质的,即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。(用途),二、热电偶回路的性质,1.均质导体定律,
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