第11章-温度测量技术-检测技术与仪器-工程测试技术-教学课件.pptx
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1、第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三1本章主要内容:本章主要内容:11.1 概述概述11.2 电阻温度计电阻温度计11.3 热电偶热电偶第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 11.1 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:精度底精度底 量程小量程小第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三3 11.1 概述概述缺点缺点:受气压影响受气
2、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,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。第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三4 1624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 11.1 概述概述第第1111章章
3、 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三5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。非接触式测温非接触式测温 利用物质的热辐射原理,测温元件不需与被测利用物质的热辐射原理,测温元件不需与被测介质接触。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。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 11.1 概述概述第第1111章章
4、温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三6(本课程主要介绍接触式测温原理及方法本课程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阻较普通的热电式传感器将温度量转换为电势和电阻。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 11.1 概述概述第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10
5、 周三711.2 电阻温度计电阻温度计电阻温度计原理电阻温度计原理 基于导体或半导体的电阻值随温度变化的性质基于导体或半导体的电阻值随温度变化的性质而工作的。而工作的。测温敏感元件有测温敏感元件有:金属导体、半导体热敏电阻。金属导体、半导体热敏电阻。第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三8一、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:其
6、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,希是不同的,希望在测量温度的范围内望在测量温度的范围内是一个常数。是一个常数。11.2 电阻温度计电阻温度计第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三9热电阻材料应具备以下性质:热电阻材料应具备以下性质:1)电阻温度系数电阻温度系数要大;要大;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)电路率电路率要大,可提高
7、温度计的动态响应;要大,可提高温度计的动态响应;4)电阻温度关系线性好;电阻温度关系线性好;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。英或陶瓷等绝缘支架上。11.2 电阻温度计电阻温度计第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三10二、二、半导体热敏电阻半导体热敏电阻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)粉末按一定比例混合烧结而成的半导体。粉末按一
8、定比例混合烧结而成的半导体。电阻值随温度上升而下降,具有负温度系数电阻值随温度上升而下降,具有负温度系数:T是绝对温度是绝对温度0K;A、B是常数,是常数,B单位是单位是0K。电阻温度系数:单位温度变化所引起的电阻的相电阻温度系数:单位温度变化所引起的电阻的相对变化对变化11.2 电阻温度计电阻温度计第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三11半导体热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,而和不是常数,而和绝对温度的平方成反比。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)11.2 电阻温度计电阻
9、温度计第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三12电阻值电阻值R与温度与温度T的关系:的关系:11.2 电阻温度计电阻温度计常数常数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)第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三13半导体热敏电阻与金属热电阻相比半导体热敏电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,可)温度系数的绝对值较热电阻大,灵敏度高
10、,可测测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。11.2 电阻温度计电阻温度计第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三14三、电阻测定三、电阻测定1.测量方法测量方法 可采用电桥测定热电阻的电阻值可采用电桥测定热电阻的电阻值2.常用电桥测热阻存在的问题
11、常用电桥测热阻存在的问题(二线接桥法二线接桥法)11.2 电阻温度计电阻温度计注意:将热电阻接注意:将热电阻接到电桥的导线会产生到电桥的导线会产生附加电阻附加电阻r1、r2,这,这是产生测量误差的一是产生测量误差的一个重要原因。个重要原因。第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 3.采取的技术措施采取的技术措施 (可采用三线接桥法及四线接桥法可采用三线接桥法及四线接桥法)11.2 电阻温度计电阻温度计用具有相同温度特性的导用具有相同温度特性的导线线r1、r2分别接到两个邻分别接到两个邻臂上,因而可互相抵消,臂上,因而可互相抵消,而第三根线与负载电阻而第三根线与负载电阻RL相串联,由于负载的
12、输入相串联,由于负载的输入阻抗都很大,阻抗都很大,r3则可忽略则可忽略不计。不计。第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三1611.3 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。第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三1711.3 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)
13、两种不同材料的导体两种不同材料的导体A和和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,电路中将产生合回路,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。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1821年德国年德国物理学家物理学家Secback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:EAB=f(T,T0)若知道若知道EAB,T0,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
14、。第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三18 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 T0 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。11.3 热电偶热电偶第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三19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(珀耳贴电势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
15、成)与同一种导体的温差电势(汤姆逊电势)所组成的。的。11.3 热电偶热电偶第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三201.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,当两种不同当两种不同导体接触时导体接触时,在接触面上将产生电子扩散在接触面上将产生电子扩散,电子扩散电子扩散的速率与自由电子的密度及接触区的温度成正比。的速率与自由电子的密度及接触区的温度成正比。11.3 热电偶热电偶第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三2111.3 热电偶热电偶 接触面上金属接触面上金属A的电子
16、扩散的电子扩散到到B,A失去电子带正电,失去电子带正电,B因获因获得电子带负电,在接触面上形成得电子带负电,在接触面上形成了静电场,这个静电场将阻止扩了静电场,这个静电场将阻止扩散过程的进行,当自由电子密度散过程的进行,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,达到了动平的作用相互抵消时,达到了动平衡,在接触面上形成一个稳定的衡,在接触面上形成一个稳定的接触电位差。接触电位差。自由电子密度自由电子密度 nAnB第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三22 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
17、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,因此当两种金属有关,因此当两种金属接成闭合回路而连接点的温度又不同时,回路中将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。形成接触电势。11.3 热电偶热电偶第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三232.同一种金属的温差电势(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
18、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的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,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。11.3 热电偶热电偶第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2024/4/10 周三24作为热电偶的材料应具备以下特性:作为热电偶的材料应具备以下特性:1)物理性能稳定,能在较宽的温度范围内使用,物理性能稳
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