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1、温度测量系统第1页，本讲稿共61页本章要点第1节 热电偶测温系统第2节 热电阻测温系统第3节 其他接触式测温系统第4节 非接触式测温系统第5节 半导体PN结测温系统第2页，本讲稿共61页8.1 热电偶测温系统u热电势l定义定义:在两个不同成分的导体（或半导体）A和B 组成的闭合回路中，如果它们的两个接点温度不同，则回路中会产生一个电动势。l热电势的大小热电势的大小：和两端的温度差有关。u热电偶l定义：定义：A、B焊接成对后称之为热电偶。l特点特点：结构简单、热容量小、材料的互换性好、滞后效应小、信号能远距离传送、多点测量、便于检测和控制。l应用应用：作为感温元件在工业生产和科学研究中广泛应用。
2、第3页，本讲稿共61页测温原理n热电阻闭合回路中产生热电动势的现象被认为是导体的接触电动势和温差电动势的综合结果。接触电动势的大小与温度高低及导体中的自由电子密度有关。温度 接触电动势 ；导体自由电子密度比 接触电动势n温差电动势是由于热电极两端的温度不同，存在着温度梯度而产生的电势。温差电动势的大小取决于热电极两端的温差和热电极的自由电子密度。温差 温差电动势 两端问相同温差为零，温差电动势为零n电子密度和热电极材料成分有关。第4页，本讲稿共61页.接触电势 高 EAB（T）低 e单位电荷；K玻耳兹曼常数NA（T),NB（T）A、B电子密度（温度T）电势方向：电势方向：低低高高由电子密度加大
3、（相对扩散前）由电子密度加大（相对扩散前）电子密度减小电子密度减小第5页，本讲稿共61页.温差电势 T0 EA(T,T0)T 低 EA（T，T0）高电势方向：由电子密度大 电子密度小回路总电势回路总电势 接触电势和温差电势综合成总热电势 BA EAB(T0)TT0EAB（T）EA(T,T0)EB（T,T0）第6页，本讲稿共61页.NA(t),NB(t)只是温度的函只是温度的函数数第7页，本讲稿共61页三点结论三点结论1)热电势大小，只与材料性质和两接点温度有关。2)不同性质材料才能组成热电偶，相同材料组成的闭合回路热电势为零。3)热电极材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端温度有关。一端温度恒
4、定，热电势只是另一端温度的单值函数。（方便使用）几个术语热端与冷端(或测量端与参比端)分度表（E t表）分度号问题热电偶（热电势）能否测量？接入第三种材料接入第三种材料热接点能否焊接？（第三种材料）（第三种材料）热、冷端间的温度梯度是否影响测量结果？（相同温差，热电偶长短是否有影响？）（相同温差，热电偶长短是否有影响？）第8页，本讲稿共61页二.二.热电偶回路性质热电偶回路性质 1.均质材料定律均质材料定律表述：均质材料组成的回路，不论回路有无温度梯度，回路表述：均质材料组成的回路，不论回路有无温度梯度，回路中均不产生热电势（无电流）。中均不产生热电势（无电流）。应用：要求组成热电偶的两种材料
5、必须各自都是均质的，否应用：要求组成热电偶的两种材料必须各自都是均质的，否则引入误差。（温度梯度无影响）则引入误差。（温度梯度无影响）2.中间导体定律中间导体定律 表述：热偶回路中插入第三种（或多种）均质材料，只要插表述：热偶回路中插入第三种（或多种）均质材料，只要插入材料两连接点温度相同，则所插入的第三种材料不影响入材料两连接点温度相同，则所插入的第三种材料不影响原回路的热电势。原回路的热电势。应用：回路中可接入测量热电势的仪表；接点可以焊接应用：回路中可接入测量热电势的仪表；接点可以焊接 证明？证明？第9页，本讲稿共61页系统结构系统主要元件：热电偶感温元件、冷端补偿器、补偿导线、普通导线
6、和温度显示装置热电偶感温元件是热电偶测温系统的核心部件。1.热电偶；2.补偿导线；3.普通导线；4.显示装置5.补偿器热电偶温度系统测量回路第10页，本讲稿共61页冷端补偿器法冷端补偿器法（与补偿导线联用、适用于工业生产）原理：将补偿器串接于热电偶回路中，自动补偿由于冷端温度变化而对回路热点势的影响。平衡点温度点（0或20）与计算温度点（40）。热电特性的非线性，只能在平衡点温度点与计算温度点上而不可能在全程范围内，完全补偿。使用：补偿器与热偶相匹配；仪表的机械零点调至平衡温度点。第11页，本讲稿共61页。n测温系统的正确使用l热电偶温度测试系统的测试信号来源于热电偶感温元件的热电极。l保护管
7、选择是否合适，将直接影响热电偶的使用寿命和测量的可靠性。l对测量结果的影响因素：1.高温影响 2.外部压力的影 响 3.强磁场的影响第12页，本讲稿共61页8.2.1 测温原理(1)导体电阻率 (8-4)E电场强度 J电流密度 在E的作用下，J的数值与自由电子数n、电荷e和电子定向运动 速度平均值u成正比，可通过自由电子运动时的平均自由程及质量m得出电阻率与温度之间的关系，即 (8-5)8.2 热电阻测量系统第13页，本讲稿共61页式中，k为玻尔兹曼常量;T为温度。导体的电阻率还与其晶格点阵和缺陷有关 (8-6)式中，A为金属的特性常数；M为金属原子质量；为金属的德拜温度。当T0.5时,式(8
8、-6 (8-7)这就是公认的金属在高温下,电阻率与温度的正比关系.第14页，本讲稿共61页 而在低温下,即T0.5时，式(8-6)的积分上限可认为，求解式（8-6）中的函数的结果是124.4.此时金属电阻率为 （8-8）对金属而言，在一定的温度下，物质的电阻率和电阻有确定的函数关系 (8-9)R导体电阻 l导体长度 s导体截面积 （2）半导体电阻率第15页，本讲稿共61页 受到掺杂程度和制造工艺的影响，很难给出统一形式的方程来描述鍺半导体电阻温度特性。典型的经验公式是 (8-10)式中 B取决于掺杂的种类和浓度，并随温度而变；E与禁宽度有关；k为玻尔兹曼常量。由式（8-9）或（8-10）知：温
9、度的变化引起了电阻的变化。第16页，本讲稿共61页 感温元件的电阻与温度的关系特性在实际应用中可以用以下方式表示：列表法、内插法和作图法。第17页，本讲稿共61页1）列表法：第18页，本讲稿共61页 2）内插法。内插法的一般表达式：(8-11)式中,为热电阻在温度为t时的电阻值；为热电阻在温度为0时的电阻值；A、B、C为在固定温度上所确定的分度常数，对于不同材料的热电阻，其数值也不同。第19页，本讲稿共61页 即便是同一材料，在不同的测量范围，其值也不一定相同。铂热电阻的电阻与温度关系特性，在温度为-2000时，关系特性可表示为 (8-12)在0850时，电阻与温度关系特性则表示为 (8-13
10、)第20页，本讲稿共61页3）作图法。下图是铂、铜、钨和热敏电阻的电阻与温度关系特性曲线。第21页，本讲稿共61页8.2.2 系统结构 铂嗲组测温仪器按其用途分有标准型和工业型两类。标准型：长杆型、套管型和高温型。不管它们是什么类型的测温仪器，它们都是由感温元件铂丝、绝缘管、保护管、引出线以及显示装置等几部分组成。第22页，本讲稿共61页8.2.3 系统的正确使用 在实际应用热电阻测温系统时，应注意以下几个反面：（1）避免受到过大的振动和应力作用 （2）避免在强磁场中使用 （3）自然效应 在实际测温中，有时加大工作电流来增加测温系统的灵敏度。此时，就应计算出该测量系统的自然效应误差，以衡量灵敏
11、度与自然效应的利弊。第23页，本讲稿共61页工业铂热电阻引起的自然效应：（8-14）I工作电流 R测温系统标称电阻值 k系数，取决于测温系统的结构和工作环境其近似式为 （8-15）第24页，本讲稿共61页 其中，R为R2与R1之差；R1、R2分别为工作电流等于I1和I2时电阻值；为测温系统的电阻温度系数。（4）压力影响 用电阻测温系统 测量高压容器中的温度时，由于大多数金属在高压情况下，原子在其晶格中的正常位置振动时的幅度将减少，导致电阻值减小，测试的温度偏低。偏低的温度可以用下述经验公式估算 （8-16）T=t+273.15（K），t为测温系统指示温度；p为容器压力。第25页，本讲稿共61页
12、（5）引线电阻的影响 通常，当引出线温度发生变化时，引起的误差t，可用下式计算 （8-17）式中，t2、t1为引出线温度发生变化后的温度；r为引线电阻；R为温度仪器标称电阻；1、2分别为感温元件和引线的电阻系数。第26页，本讲稿共61页8.3 其他接触式测温系统其他接触式测温系统8.3.1 数字式测温系统 传统式的热电式温度传感器是将温度的变化转换成模拟电量的变化，再由测量电路对这些变化的电量进行放大、滤波等处理，以进行模拟显示或经过AD转换后进行 数字显示。随着数字温度传感器的出现和应用可以看出这种传感器存在不足。所以，新的传感器就出现了。第27页，本讲稿共61页 美国美国Dallas半导体
13、公司的数字化温度传感器半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持是世界上第一片支持 一线总线一线总线一线总线一线总线 接口的温接口的温度传感器，在其内部使用了在板（度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。专利技术。如图所示为DS1820的实物图：第28页，本讲稿共61页DS1820内部结构图内部结构图64位和单接线接口存储器控制逻辑温度传感器高温度触发低温度触发存储器8位位CRC触发器电源检测第29页，本讲稿共61页DS1820数字温度传感器只有三根外引线：单总线数字温度传感器只有三根外引线：单总线数据输出端口数据输出端口DQ，共用地线，共用地线GNDGND，
14、外供，外供 电源线电源线VDD。其引脚如图：2.DQ-2.DQ-数据输入数据输入/输出输出1.GND-1.GND-地地3.VDD-3.VDD-可选电源可选电源第30页，本讲稿共61页单总线供电原理：当单总线供电原理：当单总线供电原理：当单总线供电原理：当DQ或或VDDVDD为高电平时，高电为高电平时，高电平通过平通过D1D1或或D2向向C充电得到内部的电源电压。充电得到内部的电源电压。充电得到内部的电源电压。充电得到内部的电源电压。除了DS1820以外还有其他的数字温度传感器，如：DS18B20、DJW系列系列 PT100温温度传感器度传感器和MAX1464数字传感器等。以下是它们的一些图片：
15、第31页，本讲稿共61页新型新型新型新型DS18B20数字温度传感器：数字温度传感器：第32页，本讲稿共61页DJW系列PT100温度传感器第33页，本讲稿共61页DS75LXDS75LX数字温度传感器数字温度传感器数字温度传感器数字温度传感器第34页，本讲稿共61页8.3.2 膨胀式测温系统膨胀式测温系统 膨胀式测温系统是指利用物质的热膨胀性质与温度的物理关系为基础制作的温度测试系统。按制造材料可分为液体膨胀式、气体膨胀式和固体膨胀式三大类。液体膨胀式测温系统是根据物质的热胀冷缩原理制造的。第35页，本讲稿共61页液体膨胀式液体膨胀式液体膨胀式液体膨胀式(如：玻璃液体测温系统：如：玻璃液体测
16、温系统：如：玻璃液体测温系统：如：玻璃液体测温系统：WXG11t、WXG12t系列可调电接点玻璃水银温度计系列可调电接点玻璃水银温度计系列可调电接点玻璃水银温度计系列可调电接点玻璃水银温度计）第36页，本讲稿共61页 气体膨胀式测温系统是基于一个封闭的充满介气体膨胀式测温系统是基于一个封闭的充满介质的容器内感温介质的体积或压力随温度发生质的容器内感温介质的体积或压力随温度发生变化的原理。如：压力式测温系统等。变化的原理。如：压力式测温系统等。电接点压力式温度计：第37页，本讲稿共61页 固体膨胀式温度测试系统是以双金属测温系统固体膨胀式温度测试系统是以双金属测温系统最为典型最为典型。双金属测温
17、系统的测温原理是：利用膨双金属测温系统的测温原理是：利用膨胀系数的不同将两层金属或（合金）牢固结合在一胀系数的不同将两层金属或（合金）牢固结合在一起，并将一端固定，一端为自由。起，并将一端固定，一端为自由。WSS-300双金属温度计：第38页，本讲稿共61页万向型双金属温度计：万向型双金属温度计：第39页，本讲稿共61页 总之，测温环境对感温元件的影响是复杂的。接触式测温时，要尽可能获得被测物体的准确温度，测量时即要使感温元件和被测物体充分接触，又要避免感温元件的温度-热电特性受到破坏，这些都要求使用者在使用中充分考虑以上的影响因素，从而真确使用接测式测温仪器。第40页，本讲稿共61页8.4
18、非接触式测温系统第41页，本讲稿共61页8.4.1 红外线测温系统、红外测温系统定义、红外测温系统中的辐射定律 1.普朗克定律（单色辐射强度定律）2.维恩位移定律 3.绝对黑体的全辐射定律、红外测温系统的优缺点、基于上述定律的测温系统及例子第42页，本讲稿共61页、红外测温系统定义、红外测温系统定义 非接触温度测量中最重要的波长或光谱范围是在非接触温度测量中最重要的波长或光谱范围是在0.5-20m,0.5-20m,这一范围内的自然射线，称为热辐射或这一范围内的自然射线，称为热辐射或红外线。红外线。把从被测物接收的红外线，由透镜经过滤波器把从被测物接收的红外线，由透镜经过滤波器聚焦在检波器上。检
19、波器通过被测物辐射密度的积聚焦在检波器上。检波器通过被测物辐射密度的积分，产生一个与温度成正比例的电流或电压信号。分，产生一个与温度成正比例的电流或电压信号。在此后相连接的电器部件中，把此温度信号线性化，在此后相连接的电器部件中，把此温度信号线性化，进行发射率区域的修正，并转化成一个标准的输出进行发射率区域的修正，并转化成一个标准的输出信号。这种通过北侧为辐射的红外线进行温度测量信号。这种通过北侧为辐射的红外线进行温度测量的测试仪器，被称为红外测温系统。的测试仪器，被称为红外测温系统。第43页，本讲稿共61页、红外测温系统中的辐射定律、红外测温系统中的辐射定律物体分类：物体分类：黑体（绝对黑体
20、）：黑体（绝对黑体）：照射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射也无透射。照射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射也无透射。透明体：透明体：照射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸收又无反射。照射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸收又无反射。镜体、白体：镜体、白体：照射到物体上的辐射能全部反射出去。若物体表现平整光滑照射到物体上的辐射能全部反射出去。若物体表现平整光滑，反射具有一定规律，则该物体称之为，反射具有一定规律，则该物体称之为“镜体镜体”；若反射无；若反射无一定规律，则该物体称为一定规律，则该物体称为“绝对白体绝对白体”或者简称为或者简称为“白体白体”。第44页，本讲稿共61页1.普朗
21、克定律（单色辐射强度定律）绝对黑体的单色辐射强度绝对黑体的单色辐射强度E E与波长与波长 及温度及温度T T的关的关系，有普朗克公式确定系，有普朗克公式确定 C1C1为普朗克第一辐射常数，为普朗克第一辐射常数，C1C1（3.7418320.0000203.7418320.000020）10W10W m2m2；C2C2普普朗克第二辐射常数，朗克第二辐射常数，C2C2（1.4387860.0000441.4387860.000044）10m10m K K；为真空中；为真空中的波长，单位的波长，单位mm。第45页，本讲稿共61页2.维恩位移定律单色辐射强度的峰值波长mm与温度T之间的关系式用下式表示
22、：mm T=2.897810(mK)第46页，本讲稿共61页3.绝对黑体的全辐射定律若在若在=0-=0-的全部波长范围内对的全部波长范围内对E E积分，可求积分，可求出全辐射能量出全辐射能量斯蒂芬波尔兹曼常数，斯蒂芬波尔兹曼常数，=（5.670320.000705.670320.00070）10 W/(m210 W/(m2 K4)K4)第47页，本讲稿共61页 实实验表明大多数工程材料的辐射特性接近黑体的辐验表明大多数工程材料的辐射特性接近黑体的辐射特性，称为灰体。可以用黑度系数来表示灰体的相对射特性，称为灰体。可以用黑度系数来表示灰体的相对辐射能力，黑度系数定义为同一温度下灰体和黑体的辐辐射
23、能力，黑度系数定义为同一温度下灰体和黑体的辐射能力之比，用符号射能力之比，用符号 表示，其值均在表示，其值均在0-10-1之间，一般用之间，一般用实验方法确定。实验方法确定。代表单色辐射黑度系数，代表单色辐射黑度系数，代表全辐射代表全辐射黑度系数。可修正为黑度系数。可修正为：和第48页，本讲稿共61页第49页，本讲稿共61页、红外测温系统的优缺点红外测温系统的优点：由于通过接收被测体辐射德红外线而进行测温，故可对那些难以接触到的或运动着的物体进行温度测量，如传热性能差的或是很小的热容量材料。响应时间短，能快速地实现对回路的有效调节。没有磨损的部件，因而不存在如使用温度计所存在的连续费用。对于很
24、小的被测物体，及腐蚀性的化学物或敏感的表层的温度测试，使用辐射测温系统可避免由于物体的导热性产生的测量误差。通过原距离的遥控测量，可远离危险区域，保护操作人员。第50页，本讲稿共61页红外测温系统的缺点：红外测温系统的缺点：一般来说，它不能直接测得被测对象的实际温度。要得到实际温度，需要进行材料发射率的修正，而发射率是一个影响相当复杂的参数。增加了对测量结果的处理。由于非接触，辐射式温度系统的测量受中间介质的影响。尤其是在工业环境下，周围环境比较恶劣，中间介质对测量结果的影响更大。由于辐射测温相对较复杂的原理，测量仪器的就、结构也相对复杂，价格较高。第51页，本讲稿共61页、基于上述定律的测温
25、系统及例子、基于上述定律的测温系统及例子 根据不同的测温原理，目前红外测温系统可以分为全辐射测温系统、亮度测温系统、比色测温系统和双色测温系统四类。1)全辐射测温系统 全辐射测温系统是根据全辐射定律，利用敏感元件感受目标发出整波段的辐射功率来测量物质温度的红外测温系统。其光学系统分为透镜式和发射镜式，检测元件有热电堆、热释电元件、硅光电池和热敏电阻等。透镜式系统将物体的全辐射能透过物镜及光栅、滤光片等聚焦于敏感元件。发射式系统则将全辐射能反射后聚集在敏感元件上。第52页，本讲稿共61页基于透镜光学系统的全辐射测温系统为例说明全辐射测温系统的应用。第53页，本讲稿共61页2）亮度测温系统 亮度测
26、温系统通常采用亮度平衡法，通过测量某一波长下物体辐射量度的变化测知其温度的温度测量系统，光敏器件是其感受元件，系统自动进行亮度平衡。第54页，本讲稿共61页3）比色测温系统定义：测出物体在两个特定相近波长范围上的辐射能量之比，确定被测物体的比色温度。优点：灵敏度较高，偏差小，中高温测量，抗干扰能力强。缺点：结构复杂，价格昂贵。第55页，本讲稿共61页比色系统可以分为单色通道、双色通道型和色敏型。下面以通道比色测温系统为例：第56页，本讲稿共61页1.1.比色温度计原理结构比色温度计原理结构第57页，本讲稿共61页4）双色测温系统 双色测温系统是有两组不通的单色滤波片筛选目标在两个相近波长的辐射功率，并根据两波长辐射功率的比值来确定目标温度的。双色测温系统典型测温方框图：第58页，本讲稿共61页第八章第八章 温度测量系统温度测量系统第59页，本讲稿共61页8.5 半导体PN结测量系统半导体材料和器件的许多性能参数利用PN结的温度特性可制成PN结温度传感器，这类传感器分为两种在实验温度检测时，只有温敏三极管本身是不够的，必须附加适当的外围电路，才构成温度传感器。PN结温度传感器与热敏电阻一样具有体积小、反应快的优点。第60页，本讲稿共61页谢谢欣赏谢谢欣赏第61页，本讲稿共61页