第四章 过程参数检测技术(温度).

第二篇 过程参数检测技术
第4章.温度检测
4.1.测温方法及温标

4.1.1.测温原理及方法 温度——反映物体的冷热程度，是物体分子运动平 均动能大小的标志。 ⒈原理： 选择合适的物体作为温度敏感元件，已知某一物 理特性随温度而变化，通过其与被测对象的热交换， 测量相关的物理量，既可确定温度。 ⒉方法： 接触式测量和非接触式测量。
4.2.3.1集成温度传感器特点



由于制造工艺关系，可得到高精度的集成温度传感 器； 因为材料为半导体器件，测温范围相对较小，也在 室温附近的温度范围； 集成度较高，体积较小，测温灵敏； 常用作恒流器件，其电流与温度直接相关，应用电 路简单可靠； AD590（电流型） 可采用微电流驱动，低功耗状态下工作，适应性更 强；DS18B20集成数字温度传感器 常用于仪器仪表的温度补偿测温装置； 多品种，多规格的产品不断推出市场。
4.2.1.3.常用工作热电偶

几种常用工业热电偶的主要性能和特点如下： ⑴铂铑合金、铂系列的热电偶：B, R, S 型； 使用温区宽，特性稳定，用与检测较高温度 ⑵廉价金属热电偶：K, N, E 型； 性能稳定，产生的热电势大，热电特性好，复 现性好，抗氧化，抗辐射，使用范围广 ⑶低温应用热电偶：T, J 型；


P66 4-3 ，4-5， 4-7， 思考题1： 若工艺要求测量高温蒸汽温度，常用范围450C——550C，允许正负5C 的误差，需将温度信号远传到控制室。问： 1）选用何种测温元件为好？ 2）选定测温元件后，如何实现？分别以热电偶，热电阻为例设计 此温度检测系统，并作图说明。 思考题2： 热电阻测温采用三线制引线方式，设： t=0C时，Rt=R（桥路电阻）=100 Ω ； T=100C时，Rt=138.5 Ω ，其他不变，供电E=5V， 问：1）引线电阻r1=r2=r3=5 Ω（或0 Ω时），桥路输出电势的差异为 多大？ 2）说明引线电阻造成的误差在什么情况下最大？引线电阻的大小 对误差的影响有多大？ 思考题3： 热电偶测温为什么要进行冷端补偿？冷端补偿电桥采用的是什么原理？
9 tF 32 tC 5
4.1.2.1.国际实用温标



世界上实际通用的温标是国际实用温标，由其 来统一各国之间的温度计量，这是一种协议温 标。始于1927年目前推行的 是1990年国际实 用温标ITS-90。 热力学温度用符号T表示，单位为开尔文，符 号为K。摄氏温度用符号t来表示，单位是摄氏 o 度，符号为 C 。 T 90 和 90 的关系是：
⑷ 热电阻引线方式3
3）四线制方式 Ii为恒流源供电， Io为输出负载电流， 为使引线电阻的影响尽可能的 小，应有： Io = 0 要求采用高输入阻抗的测量仪表 测取输出电压U, Io接近零，才能实现Ii的恒定性。 # 适用于高精度的温度测量， # 要求高精度的恒流源。

温度测量习题与思考

⑷ 热电阻引线方式2
2）工业测温三线制模式 特点： r1和r2引线电阻分别接入对称的两个桥 臂，其阻值变化被基本抵销，使桥路 输出电压U随导线长度变化和环境温 度变化的影响减到最小。 初始平衡时：Rt+r2 = R+r1， 初始状态输出电压为零， U = 0 问题：工作状态下r1和r2的影响是否相 同？为什么? 设：r1=r2=r3=5 , R=Rt(0)=100 , 求：Rt(100)=139时，U=? 若： r1=r2=r3=1 , U=? 请比较两者差异，说明一个什么道理？
4.2.3.集成温度传感器

工作原理是利用半导体器件 的温度特性。 NPN三极管的结电压Ube是 温度的函数： KT A Ube U 0 ln( ) q Ie V3和V4的Ube差值为：
Ube KT ln m q



电路输出电流：
I 2I 1 2 KT ln m qR

当R、m一定时，输出电流与 温度有良好的线性关系
m
2
4.3.2.辐射测温仪表的基本组成及常用 方法

辐射测温仪表主要由光学系统、检测元件、转 换电路和信号处理等部分组成。
辐射测温常用的方法有四种： ⑴亮度法，⑵全辐射法，⑶比色法，⑷多色法

4.3.3.辐射测温仪表
4.3.3.1.光电高温计 它采用亮度平衡法测温，通过测量某一波长下物 体辐射亮度的变化测知其温度。 4.3.3.2.辐射温度计 它依据全辐射定律，敏感元件感受物体的全辐 射能量来测知物体的温度。 4.3.3.3.比色温度计 它是利用被测对象的两个不同波长（或波段） 光谱辐射亮度之比实现辐射测温。 分单通道和双通道两种。

EAB(T , T 0) eAB(T ) C
4.2.1.2.热电偶的应用定则



⑴ 均质导体定则 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面和 长度以及其温度分布如何，都不能产生热电势。 ⑵中间导体定则 在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端 的温度相同，对热电偶回路的总热电势值没有影响。 ⑶中间温度定则
⑶ 热电阻结构
a.普通型热电阻： 感温元件+绝缘套管+保护管+接线盒 电阻丝——无感绕制：双线并绕，单端引线。 简单结构，低价格， b.铠装热电阻： 铠装电缆封装---保护管+绝缘物+内引线 外部焊接保护套管连接感温元件 特点：体积小，响应快，抗冲击，易安装。 铠装部分均可弯曲，适合复杂场合使用。
⑷ 热电阻引线方式1
1）简单结构：二线制方式 特点：安装简单，适合近距离 测量。 问题：热电阻引线电阻r1,r2处 于单侧桥臂中， 导线长度，环境温度变化影响 测量准确度。 r1和r2的阻值随长度变化，也随 环进温度变化的影响。 平衡时（Rt+r1+r2) > R 电桥不平衡，U > 0 初始状态输出电压不为零，存 在零点漂移。
EAB(T , T 0) EAB(T , TC ) EAB(TC, T 0)
4.2.1.3.常用工作热电偶

实际选择热电极材料的要求如下： ⑴在测温范围内热电性能稳定 ⑵在测温范围内物理化学性质稳定 ⑶热电特性接近单值线性或近似线性 ⑷电导率高，电阻温度系数小 ⑸机械性能好，强度高，性价比高
4.2.1.4.工业热电偶结构形式

工业热电偶有普通型和铠装型两种型式 ⑴普通型热电偶 为装配式结构，由热电极、绝缘管、保护套管 和接线盒等部分组成。 ⑵铠装热电偶 是将热电偶丝，绝缘材料和金属保护套管三者 组合装配后，经拉伸加工而成的坚实组合体。
4.2.1.5.热电偶参比端温度的处理


⑴补偿导线法 是一对与热电偶配用的导线，在工作范围内与被补偿的 热电偶具有相同的电势-温度关系。 补偿导线分延长型和补偿型两种。 ⑵参比端温度测量计算法 式中E（T，T0）为测出的回路电势，T0为已知温度、 ⑶参比端恒温法 参比端温度测量计算法需要保持参比端温度恒定。在 实验室情况及精密测量中，是把参比端置于能保持恒温 的冰点槽中，温度为0℃，测得电势后直接查分度表得 知被测温度
4.2.2.热电阻测温


热电阻测温基于导体或半导体的电阻随温度而 变化的特性。 4.2.2.1.金属热电阻 ⑴ 热电阻材料 a.选择电阻随温度变化呈线性关系的材料 b.有尽可能大的电阻温度系数 c.有较大电阻率 d.物理化学性能稳定 e.复现性好，复制性强，价格较便宜
（2）常用工业热电阻Pt
a.铂热电阻 ：-200℃ --- 850℃ 适用范围 分度号 Pt100 , 0 ℃ 时 R(0) = 100 Ω Pt10 , 0 ℃ 时 R(0) = 10 Ω 电阻温度基本关系：(非线性） t>0 : R(t) = R0(1+At+Bt2) t<0 : R(t) = R0(1+At+Bt2+Ct3[t-100]) 其中：A, B, C为常系数； 由基本关系式可知，R(t)为t的二次方关系或三次方关系， 由于B,C数值较小，在小范围内仍可看作线性关系，高 温时非线性表现突出。 工业上常用查Pt分度表的方法，获取电阻-温度对应关系， 而非采用公式计算的方法。
4.3.非接触式测温

4.3.1.辐射测温原理 4.3.1.1.普朗克定律
E 0 c1 (e
5
c 2 T
1)
1W
m2

4.3.1.2.维恩位移定律
m T 2.8978103 m k

4.3.1.3.绝对黑体的全辐射定律
0
E 0 E 0d T 4 W
E (T ,0) E (T , T 0) E (T 0,0)

4.2.1.6.热电偶冷端温度的补偿

⑷补偿电桥法 利用不平衡电桥产生相应的电势，以补偿热电偶由于 参比温度变化而引起的漏电事故。 如图，补偿电桥串接 在热电偶回路中，与其 参比端同为温度T0，在 选定T0的情况下， 使r1=r2=r3=rCu=1Ω，电桥 平衡无信号输出当T0变化时，rCu的 阻值改变，电桥输出不平衡电压。

（2）常用工业热电阻Cu
b.铜热电阻：-40 ℃——140 ℃ 适用范围 分度号 Cu100 , 0 ℃ 时 R(0) = 100 Ω Cu50 , 0 ℃ 时 R(0) = 50 Ω 电阻温度基本关系：(非线性） R(t) = R0(1+At+Bt2+Ct3) 其中：A, B, C为不同与铂热电阻的常系数。与铂热电 阻相似的非线性温度-电阻关系。 特点：主要适合低温测量，相对灵敏度更高； 构成桥路时，在同样温度变化范围内输出更高 的电势差； 易氧化，不适合高温测量。

比色温度计原理

单通道比色温度计的原理： 由电机带动的调制盘以固定频率旋转，盘上交替镶嵌 的两种不同的滤光片是被测对象的辐射变成两束不同波 长的辐射，交替地投射到同一检测元件上，再转换成电 信号实现比值求 得被测温度。