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'测温 10.1概述一、温度的基本概念和测量方法宏观概念---是物体冷热程度的表示.热平衡的两物体，其温度相等。微观概念---是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。2 一、温度的基本概念和测量方法温度量的特殊性:1.二温度不能相加或相减；2.无标准量直接进行比较测量；3.温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。3 2.热力学温标热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标。分子运动停止时的温度为绝对零度；热力学温标（符号为T）它的单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。相当摄氏温标0℃，华氏温标32℉的开氏温标为273.15K。7 三、测温方法与测温仪器的分类温度测量分为接触式和非接触式两大类。1.接触式测温测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。优点：直观可靠。缺点:感温元件影响被测温度场的分布；接触不良等带来测量误差；高温和腐蚀性介质影响感温元件的性能和寿命。8 2、非接触式测温感温元件不与被测对象相接触，而通过热辐射进行热交换；具有较高的测温上限；热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。9 接触式与非接触式测温特点比较方式接触式非接触式测量条件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需准确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特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于l300℃以上的温度测量较困难原理上测量范围可以从超低温到极高温，但1000℃以下，测量误差大，能测运动物体和热容小的物体温度精度工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级通常为1.0、1.5、2.5级响应速度慢，通常为几十秒到几分钟快，通常为2～3秒钟其它特点整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被测物体实际温度；可方便地组成多路集中测量与控制系统整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度(需进一步转换)；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置10 3、测温仪器接触式测温仪器膨胀式温度计（包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计）：利用物体热胀冷缩原理电阻式温度计（包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计）：利用电阻随温度变化的特性热电式温度计（包括热电偶和P-N结温度计以及其它原理的温度计）：利用热电效应非接触式温度计可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它们都是以热辐射为基础，故也统称为辐射温度计。11 各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围12 10.2膨胀式温度计和压力式温度计1.液体膨胀式温度计由液体储存器、毛细管和标尺组成。测温上限取决于所用液体汽化点的温度，下限受液体凝点温度的限制。为防止毛细管中液柱出现断续现象，并提高测温液体的沸点，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。一、膨胀式温度计是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。13 14 液体玻璃温度计分全浸式和部分浸入式两种。全浸：测温时把液柱部分全部浸入被测介质中。部分浸入：把温度计部分插入被测介质中。全浸式测量精度较高，故多用于实验室和标准温度计，部分浸入式用于一般工业测温。修正值计算：15 16 2、固体膨胀式温度计金属材料的热膨胀效应也可以作为温度测量的基础。以铝为例，当温度改变ΔT=1℃时，初始长度L0=10cm的铝条的长度变化为可见想要直接利用金属的线膨胀来测温度，需要测量微米级的长度变化，这样做不太实用。17 将膨胀系数不同的两种材料结合在一起，对膨胀系数加以放大。分为杆式和双金属式两大类。范围：-30~600oC；精度：0.5-1.0级18 19 双金属片温度计是由膨胀系数不同的两种金属片牢固结合在一起而制成，一端固定，另一端为自由端。当温度变化时，由于两种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲率发生变化，自由端产生位移，经传动放大机构带动指针指示温度值。双金属片温度计20 设在零摄氏度时双金属片处于没有弯曲的水平状态，当温度变为T时，自由端的弯曲变形为:式中：K——两种金属的热膨胀系数的差值；L——双金属片的长度；T——温度；t——双金属片的厚度。设双金属片的长度为L=10cm，厚度为t=0.0005m，钢和锌的热膨胀系数的差值为K=20×10-6/℃，温度改变ΔT=1℃时，自由端的变形量为21 为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状。22 双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类，其测温范围大致为-80℃—600℃，精度等级通常为1.5级左右。双金属温度计抗振性好，读数方便，但精度不太高，只能用做一般的工业用仪表。23 二、压力温度计压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能的。压力温度计的典型结构示意图24 这类压力温度计其毛细管细而长(规格为1—60m)它的作用主要是传递压力，长度愈长，则使温度计响应愈慢，在长度相等条件下，管愈细，则准确度愈高。压力温度计和玻璃温度计相比，具有强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差等特点。电接点压力式温度计25 26 10.4电阻温度计利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。大多数金属在温度升高1C时电阻将增加0.4％～0.6％。半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高1C，电阻约减小2％～6％。目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和镍。27 28 (一)铂电阻温度计铂是一种贵金属。它的特点是精度高，性能稳定性，耐氧化性能很强。铂在1200C以下都能保证上述特性。铂很容易提纯，复现性好，可制成很细的铂丝（0.02mm或更细）或极薄的铂箔。与其它材料相比，铂有较高的电阻率，因此普遍认为是一种较好的热电阻材料。缺点：铂电阻的电阻温度系数比较小；价格贵29 在0C以上，其电阻与温度的关系接近于直线，其电阻温度系数A为3.85×10-3/C。按IEC标淮，使用温度已扩大到-200～850C，初始电阻有100和10两种。30 目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用。当℃时当℃时31 (二)铜电阻温度计在测量精度要求不高、温度较低的场合，普遍地使用铜电阻。它可用来测量-50~+150C的温度，在这温度范围内，铜电阻和温度呈线性关系：32 铜电阻的缺点是电阻率小。制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械强度就不高，或者就要长，使体积增大。铜很容易氧化，所以它的工作上限为150C。但铜电阻价格便宜，因此仍被广泛采用。初始电阻有100和50两种。33 材料：特点：分类：（1）温度系数大→灵敏度高（为热电阻10-100倍）（2）结构简单，体积小→可以测量点温度（3）电阻率高、热惯性小→适于动态测温（4）易于维护、使用寿命长→适于现场测温（5）互换性差，非线性严重，精度低正温度系数热敏电阻(PTC)负温度系数热敏电阻(NTC)临界温度系数热敏电阻(CTR)半导体---半导体热电阻（6）成本低，应用广泛非线性(三)半导体热敏电阻34 (四)热电阻测量电路热电阻把温度量转换成电阻量，测量电阻通常可利用欧姆表或电桥。w平衡电桥法如果电阻R1=R2，当热电阻Rt阻值随温度变化时，调节电位器Rw的电刷位置x，使电桥处于平衡状态，则有L、R0——电位器有效长度和总电阻x——电刷位置35 (五)电阻温度计的测温误差热电阻测温系统的误差包括：热电阻的基本误差引线电阻误差36 自热误差由流过电阻体的电流引起电流，输出信号，自热误差一般工业热电阻工作电流被限制在6mA以内，这样自热温差就不会超过0.1C。37 引线电阻误差电路中两根连线的电阻随环境温度变化时，全部变化量都加在同一桥臂上，带来连线误差。为了减小该项误差，一般采用三线连接法，将热电阻的两根连线分别置于相邻两桥臂内，温度引起连线电阻的变化对电桥的影响相互抵消。38 三线制接法39 二线制接法要求引线电阻不超过铜电阻R0的0.2%40 四线制接法电位差计测量电阻电路41 (五)P-N结与集成电路温度传感器1、锗和硅二极管的正向压降以-2mV/C的斜率随温度变化；2、晶体管的基极-发射极电压Vbe与温度基本成线性关系。集成电路温度传感器将温敏晶体管与激励电路、放大电路等辅助电路集成在同一块芯片上，能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于-55℃~150℃之间的温度测量，AD590（1μA/C），ICL8073（1mV/C）….42 10.5光辐射测温方法及仪表非接触测温—利用光辐射来测量物体温度1、任何物体温度高于绝对零度（-273.16C）时，都将有热辐射，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。2、辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。3、温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。43 辐射测温特点：非接触测量---不影响被测温度分布响应速度快：对高速运动物体测温。灵敏度高，能分辨微小的温度变化；测量范围广(-10～1300C)；抗干扰能力强，无需修正。44 一、热辐射基本定律(一)基尔霍夫定律(二)斯忒潘—玻耳兹曼定律（三）普朗克定律（四）维恩位移定律45 出射辐射能与吸收辐射能的一致性辐通量：单位时间内通过某一截面的辐射能，又称辐射功率，SI单位为瓦。(一)基尔霍夫定律光谱吸收率：----表示物体对辐射到其上的辐通量可吸收的比例。式中，为被物体吸收的辐通量；为照射到物体单位面积上的辐通量。46 47 基尔霍夫定律：辐射出射度：从辐射源表面单位面积发射出的辐通量，某一特定波长的辐射出射度称为单色辐射出射度。48 基尔霍夫定律：在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。49 结论：则：物体的光谱发射率等于其光谱吸收率。吸收辐射能力强的物体，受热后向外辐射的能力也强；50 (二)斯忒潘—玻耳兹曼定律物体辐射出射度与温度间的关系温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出射度与温度T的四次方成正比。辐射式温度计测温的理论根据。51 （三）普朗克定律（单色辐射强度定律）式中，c―光速；h―普朗克常数，6.626176×10-34J·s；k―波尔兹曼常数，1.38066244×10-23J/K；C1―第一辐射常数，3.7418×10-16W·m2；C2―第二辐射常数，1.4388×10-12m·K；T―绝对温度。温度为T的单位面积元的绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长为λ的辐射出射度为描述辐射能量在各波长上的分布关系也可以用辐射亮度来表示：52 （四）维恩位移定律最大辐射波长与温度的关系热辐射光谱中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长与物体自身的绝对温度T成以下关系53 温度升高：单色辐射强度随温度升高而增加；总辐射能量增加；峰值波长减小。每一条曲线下的面积表示该温度下物体辐射能量的总和，与温度的四次方成正比。54 二、辐射温度计（一）全辐射温度计利用物体的温度与总辐射出射度的关系来测量温度的。根据斯忒潘一玻耳兹曼定律总辐射出射度为：55 采用敏感元件测量出辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度；主要由光学系统、辐射接收器、测量仪表和辅助装置组成；可用于测量-50～20000C的高温；对物体黑度系数的估计偏差会给仪表带来误差；环境温度的变化也会使仪表产生误差。56 被测物与仪表之间的距离要满足距离系数要求：L/D（传感器前端面到被测对象表面的距离与被测对象的有效直径之比）进行正确瞄准，使目标的像充满接收器，不能偏离，否则也会产生误差。57 应该注意：仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。这个温度被称为“辐射温度”。T和TF分别为物体的真实温度和辐射温度；T为温度T时物体全辐射的发射率。因为非黑体εT<1，则TF