温度测量技术.ppt

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1、2024-5-91学习内容学习内容1 测温法分类及仪器设备测温法分类及仪器设备2 电阻温度计电阻温度计3热电偶的原理、分类、基本定律、温度补偿热电偶的原理、分类、基本定律、温度补偿 1.1 概述概述 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。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类一直在探索如何测量温度。人体是一种测温仪人体是一种测温仪:精度低精度低 量程小量程小2024-5-931.1 概述概述缺点缺点:受气压影响受气压影响 最早使用仪器来测量温度的是伽里略最早使用仪器来测量温度的是伽里略 1592年底，

2、伽里略发明了第一个用来测量温度年底，伽里略发明了第一个用来测量温度的仪器。的仪器。2024-5-941624年温度计第一次正式在文献里出现。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德二世做成了一年意大利的一个公爵费迪南德二世做成了一个真正不受气压影响的温度计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、华氏温标绝对温标、摄氏温标、华氏温标 1.1 概述概述2024-5-95接触式测温接触式测温 基于热平衡原理，即测温敏感元件必须与被测基于热平衡原理，即测温敏感元件必须与被测介质接触，使两者处于同一热平衡状态。介质

3、接触，使两者处于同一热平衡状态。如水银温度计、热电偶温度计、电阻温度计。如水银温度计、热电偶温度计、电阻温度计。温度测量方法可分为：温度测量方法可分为：接触式接触式、非接触式非接触式 1.1 概述概述非接触式测温非接触式测温 利用物质的热辐射原理，测温元利用物质的热辐射原理，测温元件不需与被测介质接触。件不需与被测介质接触。如如:辐射温度计、红外热象仪等。辐射温度计、红外热象仪等。2024-5-96主要介绍接触式测温原理及方法主要介绍接触式测温原理及方法)热电式传感器热电式传感器:将温度变化转换为电量变化的装置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较普通的热电

4、式传感器将温度量转换为电势和电阻阻常用热电式传感器的敏感元件有：常用热电式传感器的敏感元件有：热电偶、热电阻热电偶、热电阻热电偶：热电偶：将温度转换为电势之变化将温度转换为电势之变化热电阻：热电阻：将温度转换为电阻阻值之变化将温度转换为电阻阻值之变化 1.1 概述概述2024-5-971.2 电阻温度计电阻温度计电阻温度计原理电阻温度计原理 基于导体或半导体基于导体或半导体的电阻值随温度变化的的电阻值随温度变化的性质而工作的。性质而工作的。测温敏感元件有测温敏感元件有:金属导体金属导体半导体热敏电阻。半导体热敏电阻。2024-5-98一、一、金属测温电阻金属测温电阻(金属热电阻金属热电阻)一般

5、金属导体具有正的电阻温度系数（电阻率一般金属导体具有正的电阻温度系数（电阻率随温度的上升而增加），随温度的上升而增加），在一定的温度变化范围内在一定的温度变化范围内，电阻和温度之间的函数关系：电阻和温度之间的函数关系：)1()(1 000tRttRR其中：其中：R、R0分别表示温度为分别表示温度为t和和t0时的电阻值时的电阻值;为材料的电阻温度系数，为材料的电阻温度系数，=(46)10-3/0C。在不同温度范围内，电阻温度系数在不同温度范围内，电阻温度系数是不同的，是不同的，希望在测量温度的范围内希望在测量温度的范围内是一个常数。是一个常数。1.2 电阻温度计电阻温度计2024-5-99热电阻

6、材料应具备以下性质：热电阻材料应具备以下性质：1 1）电阻温度系数电阻温度系数 要大；要大；2 2）在测量范围内，材料的物理、化学性质稳定；在测量范围内，材料的物理、化学性质稳定；3 3）电阻率电阻率 要大，可提高温度计的动态响应；要大，可提高温度计的动态响应；4 4）电阻温度关系线性好；电阻温度关系线性好；5 5）材料要容易制作，价格便宜。材料要容易制作，价格便宜。常用材料有：铂、铜、铁、镍等。常用材料有：铂、铜、铁、镍等。热电阻的制作是用上述金属的细丝绕在云母、石英或陶瓷热电阻的制作是用上述金属的细丝绕在云母、石英或陶瓷等绝缘支架上。等绝缘支架上。1.2 电阻温度计电阻温度计2024-5-

7、910热敏电阻是由金属氧化物热敏电阻是由金属氧化物(NiO,MnO2,CuO,TiO2)(NiO,MnO2,CuO,TiO2)粉末按一定粉末按一定比例混合烧结而成的半导体。比例混合烧结而成的半导体。常用的热敏电阻的阻值随温度常用的热敏电阻的阻值随温度上升而下降上升而下降TBAeR T T是绝对温度是绝对温度(K)(K)；A A、B B是常数。是常数。电阻温度系数：单位温度变化所引起的电阻的相对变化电阻温度系数：单位温度变化所引起的电阻的相对变化dTdRRdTRdR1二、半导体热敏电阻二、半导体热敏电阻2024-5-9112221)()(TBdTdRRTBRTBAedTdRAeRTBTB半导体热

8、敏电阻的电阻温度系数半导体热敏电阻的电阻温度系数不是常数，而不是常数，而和绝对温度的平方成反比。和绝对温度的平方成反比。当当T=T0时有电阻时有电阻R0；当当T=T时有电阻时有电阻R（1）（2）2024-5-912)11(0000TTBTBTBeReeRR电阻值电阻值R与温度与温度T的关系：的关系：010111lnlnTTRRB常数常数B可通过实验获得：可通过实验获得：(即只要测定温度分别为即只要测定温度分别为T1和和T0时半导体的热敏电阻的阻值时半导体的热敏电阻的阻值R1和和R0)(B的范围一般为的范围一般为150050000K)2024-5-913半导体热敏电阻与金属热电阻相比半导体热敏电

9、阻与金属热电阻相比,有以下优点：有以下优点：1）温度系数的绝对值较热电阻大，灵敏度高，）温度系数的绝对值较热电阻大，灵敏度高，可测可测0.0010.00050C的微小温度变化；的微小温度变化；2）电阻率大，时间常数小）电阻率大，时间常数小(毫秒级毫秒级)。可制成体积。可制成体积小、热惯性小、响应速度快的感温元件。小、热惯性小、响应速度快的感温元件。半导体热敏电阻缺点：半导体热敏电阻缺点：1）电阻温度特性分散性大；）电阻温度特性分散性大；2）稳定性差；）稳定性差；3）非线性较严重。）非线性较严重。2024-5-9141.3 热电偶热电偶热电偶：将温度量转换为电势大小的热电式传感器热电偶：将温度量

10、转换为电势大小的热电式传感器热电偶具有以下特点：热电偶具有以下特点：结构简单，使用方便，精度高，热惯性小，可结构简单，使用方便，精度高，热惯性小，可测局部温度和便于远距离传送与集中检测。测局部温度和便于远距离传送与集中检测。2024-5-9151.3 热电偶热电偶一、工作原理一、工作原理(席贝克效应席贝克效应)两种不同材料的导体两种不同材料的导体A A和和B B串联起来形成一个闭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。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，热电势的大小与材料的性

11、质及接点的温度有关，称为温差热电效应或热电效应，该现象是称为温差热电效应或热电效应，该现象是18211821年德年德国物理学家国物理学家SecbackSecback发现的。发现的。热电势可用函数关系式表示：热电势可用函数关系式表示：E EABAB=f(T,T=f(T,T0 0)若知道若知道E EABAB,T,T0 0,即可利用热电效应来测温或温度差。即可利用热电效应来测温或温度差。2024-5-916 定义：定义：这两种不同导体的组合体称为热电偶这两种不同导体的组合体称为热电偶。两个连接端点两个连接端点,一个称为工作端一个称为工作端T,T,另一个称为自另一个称为自由端或参考端由端或参考端T T

12、0 0或冷端或冷端,两根金属丝称之为两根金属丝称之为热电极热电极。1.3 热电偶热电偶2024-5-917温差电势是如何产生的？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）所组势）与同一种导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成的。成的。1.3 热电偶热电偶2024-5-9181.1.接触电势接触电势（珀耳贴电势珀耳贴电势）不同导体自由电子的密度是不同的不同导体自由电子的密度是不同的,当两种不当两种不同导体接触时同导体接触时,在接触面上将产生电子扩散在接触面上将产生电子扩散,电子扩电子扩散的速率与自由电

13、子的密度及接触区的温度成正比。散的速率与自由电子的密度及接触区的温度成正比。1.3 热电偶热电偶2024-5-9191.3 热电偶热电偶 接触面上金属接触面上金属A A的电子扩散到的电子扩散到B B，A A失去电子带正电，失去电子带正电，B B因获得因获得电子带负电，在接触面上形成了电子带负电，在接触面上形成了静电场，这个静电场将阻止扩散静电场，这个静电场将阻止扩散过程的进行，当自由电子密度的过程的进行，当自由电子密度的不同引起的扩散能力与静电场的不同引起的扩散能力与静电场的作用相互抵消时，达到了动平衡，作用相互抵消时，达到了动平衡，在接触面上形成一个稳定的接触在接触面上形成一个稳定的接触电位

14、差。电位差。自由电子密度自由电子密度 n nA An nB B2024-5-920BAABnnekTTEln)(EAB(T)为导体为导体A和和B的接点在温度为的接点在温度为T时形成的时形成的电位差电位差。其中：。其中：e 电子的电荷电子的电荷 e=1.610-19库仑库仑 k 波尔兹曼常数波尔兹曼常数 k=1.3810-23(焦耳焦耳/库仑库仑)EAB(T)和连接点的温度和连接点的温度T有关，因此当两种金有关，因此当两种金属接成闭合回路而连接点的温度又不同时，回路中属接成闭合回路而连接点的温度又不同时，回路中将形成接触电势。将形成接触电势。1.3 热电偶热电偶2024-5-9212.同一种金属

15、的温差电势（同一种金属的温差电势（汤姆逊电势汤姆逊电势）在同一导体中，存在温度梯度时，会产生温差电势。在同一导体中，存在温度梯度时，会产生温差电势。两端的温度不一致时，高温端的自由电子具有两端的温度不一致时，高温端的自由电子具有的动能大，向低温端扩散，跑到低温端去堆积起来，的动能大，向低温端扩散，跑到低温端去堆积起来，在导体内形成一个静电场，阻止电子扩散，当两者在导体内形成一个静电场，阻止电子扩散，当两者的作用相互抵消时，在导体两端就形成一个稳定的的作用相互抵消时，在导体两端就形成一个稳定的电位差。电位差。1.3 热电偶热电偶2024-5-922作为热电偶的材料应具备以下特性：作为热电偶的材料

16、应具备以下特性：1 1）物理性能稳定，能在较宽的温度范围内使物理性能稳定，能在较宽的温度范围内使 用，用，热电性质不随时间变化热电性质不随时间变化；2 2）化学性能稳定，不易被氧化或腐蚀；化学性能稳定，不易被氧化或腐蚀；3 3）灵敏度要高，且有近似的线性关系；灵敏度要高，且有近似的线性关系；4 4）电导率高，电阻温度系数小；电导率高，电阻温度系数小；5 5）材料的复制性和工艺性能良好。材料的复制性和工艺性能良好。1.3 热电偶热电偶2024-5-923二、热电偶的基本实验定律二、热电偶的基本实验定律1.均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论回路中由一种均质导体组成的闭合回路，不论回路中是否存在温度梯度，都不会产生热电势。是否存在温度梯度，都不会产生热电势。它说明：它说明：热电偶必须由两种不同性质的热电极组成；热电偶必须由两种不同性质的热电极组成；提供了一种检查热电极材料均匀性的办法。提供了一种检查热电极材料均匀性的办法。1.3 热电偶热电偶2024-5-9242.2.热电势定律热电势定律热电偶的热电势只和接点温度有关热电偶的热电势只和接点温度有关,而和其它部而和其