测试技术8温度测量

1、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1、温度测量基础温度测量背景国际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、量的名称 (ty)名称 (Name)符号(Symbol)长度 (length)米(meter)m质量 (mass)千克(公斤)(kilogram)kg时间 (time)秒 (second)s电流 (electric current)(ere)A热力学温度(thermodynamic temperature)(kelvin)K物质的量 (amount of s

2、ubstance)摩尔(mole)mol发光强度 luminousensitcandelacd1、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TA C TB C 15R1acR2RBRCbRstRCuRTR3eRDdR调热电偶补偿电路外电路可调电阻动圈式仪表2、热电偶测温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压降校正工作电流回路：标准电池EK、标准电阻RK、高精度检流计G测量过程Rj可调电阻

3、E当把开关K转向1位时，整定可调电阻，使得检流计指零，确的工作电流IEK/RK到精I标准电阻RKAB当把开关K转向2位时，即接入被标准电池EKG检流计测热电势e ；调节触点B，使检流X计指零，则电流I在RAB（可精确知道）上的电压降即为热电势eXK1ex2e I.R热电偶tXAB2、热电偶测温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MV 2、热电偶测温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

4、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3、热电阻法测温在工业生产低温度的测量大多采用电阻温度计国际温标：13.81K630C，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

5、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Rt Rt 1 at t0 0某些半导体的电阻值与温度的关系为B ( 1 1 )t tRR RB tt 0e0 lnt tt 0t tR0t 03、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

6、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，价格便宜几种热电阻材料特性3、热电阻法测温金属电阻：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13.81K630范围内的测温、也是基准温度计R t R 0 1 A.t B .t 2 C .t 3 ( t 100200 t 0)R t A B R 0 (1 3 .9083A.t B .t 2 ) 10/ C0 t

7、850 3 7 5 .8019 10/ C2HT-101铂电阻元件（honeywell ）分度号：pT100,pT1000量程：-200-45012C 4 .2735 10/ C3精度：A：0.06B：0.12 25外形：1.63.23、热电阻法测温金属电阻：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-50150范围内近似呈线性关系 R 0 (1 .t )Rt 3 4 .2

8、5 10/ C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

9、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，需自己动手标定二极管-10在低温下正向电压降温度曲线3、热电阻法测温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电流回路IR电压回路U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、热电阻法测温阻值测量动圈式仪表：作为测差仪表给予一定工作电流，

10、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： R0、R2、R3、R4、RW （均为锰铜）、 Rt电源： 稳压4伏直流R4R3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5R0R2工作电流不超过6mA非线性严重，对刻度和测量RwRwRwRD工作不利Rt稳压电路桥路动圈式仪表3、热电阻法测温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Rs使回路电流I的数值达到规定值（太小降低测量精度，太大产生焦误差），用毫安表测KE通过切换开关依次用电位差计测量Rt和RB上的电压降，分别为Ut和UB毫安表URt Rt U BS

11、B测量精度高：RB 、Ut、UB 、I稳定RRt标准电阻R 阻值可根据R 大小选取SBt主要用于精确测量I四线制接法电位差计3、热电阻法测温阻值测量平衡电桥测量电阻的精度很高，GRG用平衡电桥误R1R2差可小于十万分之几，工业用电桥也很易达到 0.5级以上E三线制接：可以减少线路电阻随环境温R0度变化带来的测量误差R2=R3 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R3Rw三线制 Rt接法Rl Rl RtRl3、热电阻法测温阻值测量温度变送器特性线性化输出420mA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、

12、Pt1000 、Cu50、K、E、S供电电压:1735V负载电阻:0500输出信号:DC 420mA.电压误差: 0.005%V精度:0.1%、0.2%功耗: 0.5W工作环境:-2080, 95%RHSTWB系列温度变送器3、热电阻法测温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的分度表存在差值。焦引起的误差：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4、测温仪表标定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

13、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：低温恒温器包括瓶以及

14、瓶内恒温体等。瓶内低沸点的低温液体，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，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：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：蒸馏水和的均匀混合物到冰融点温度，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

15、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。5、其它温度场温度辐射式：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0.76100m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、其它温度辐射式：红外测温传感器型号：CT20传感头：

16、-40900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-36VD5、其它温度辐射式：红外测温仪仪器型号测温范围测量精度重复精度TI315400-1800读数值的11（环境温度为235）读数值的0.5温度分辨率 1响应时间工作波段距离系数瞄准方式模拟输出工作电压小于200ms 2.0-2.5m120:1望远镜瞄准 1mv/ 9V电池5

17、、其它温度光纤光栅温度传感器光纤布拉格光栅（FBG）FBG光栅效应：窄带光学滤波器, 每个FBG有独自的中心波全息写入光栅长 、B 2n.B反射信号通过拉伸/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5、其它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空间分布。量，从而检测出相应被测量的大小和组成：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无需供电传输