第2章 温度检测技术

度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做的光
反射计可测很高的温度，精度为1％。美国麻省理 工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达
8000℃，专门用于核聚变研究。瑞士Browa
Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)
的高温。
2.1.2 测温方法分类及其特点
温度传感器的主要发展方向 1 ．超高温与超低温传感器，如 +3000℃以上和 –250℃以下 ：
2.1
温度检测技术
2.1.1 温度与标定
2.1.2 测温方法分类及其特点 2.1.3 热膨胀式测温方法
2.1.4 热电式测温方法 2.1.5 热阻式测温方法 2.1.6 辐射法测温 2.1.7 温度变送器
4
2.1
温度检测技术
温度 → 标志（物体内部分子无规则热运动剧烈
程度）
两个物体温度相同 → 热平衡状态(第零定律)
21℃
油、水系统的温度测量
2.1.3 热膨胀式测温方法
22
2.1.3 热膨胀式测温方法
三、 双金属温度计
基本原理：固体长度随温度变化而变化，公式如下：
L1 L0 1 k t1 t0
式中：L1固体在温度t1时的长度； L0固体在温度t0时的长度；
自动化仪表
第2章 检测仪表 本章内容
•温度检测仪表
•压力的检测
•流量检测仪表
• 物位检测仪表
•机械量检测仪表
第 2章
检测仪表
过程控制对检测仪表有以下几个基本要求： (1) 测量值要能正确地反映被测变量的大小，误 差不超过规定的范围；
(2) 测量值必须迅速反映被测变量的变化，即动 态响应比较迅速； (3) 检测仪表在工作环境条件下，应能长期工作 ，以保证测量值的可靠性。
一、 玻璃温度计
• 水银凝固点：-38.9℃； 上限：538℃。 • 酒精下限：-62℃；
较低 温度 测量
• 甲苯下限：-90℃；
• 戊烷下限：-20l℃。
全浸式
局浸式
20
2.1.3 热膨胀式测温方法
二、 压力温度计
原理：一定质量的液体、气 体、蒸汽在体积不变的条件下其 压力与温度呈确定函数关系。 温度变化→感温介质体积变化→ 压力变化→弹簧变形→指针偏转 毛细管细而长，用于传递压力。 •长度长，温度计响应慢； •管细，准确度高。
6．发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。
2.1.3 热膨胀式测温方法
属于接触式测温方式一种 基本原理：基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨 胀式和固体膨胀式两类。 热膨胀式测温方法的分类 液体膨胀式玻璃温度计 液体或气体膨胀式压力温度计
固体膨胀式双金属温度计
19
2.1.3 热膨胀式测温方法
13
需准确知道被测对象表面发射率；被测 对象的辐射能充分照射到检测元件上
测量 范围
原理上测量范围可以从超低温到极高温， 但 1000℃以下，测量误差大，能测运动 物体和热容小的物体温度 通常为1.0、1.5、2.5级 快，通常为2～3秒钟 整个测温系统结构复杂、体积大、调整 麻烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映 被测物体表现温度 ( 需进一步转换 ) ；不 易组成测温控温一体化的温度控制装置
以-273.15℃作为零度； 单位：开尔文，记作：K； 它的每一度大小与摄氏温度每一度大小相同； 热力学温度的零度即0K（或-273.15℃）叫绝对零度， 它表示在宇宙中只能无限接近，但不可能达到的低温 的极限。
9
2.1.1
温标与标定
3、绝对气体温标
从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标叫绝对 气体温标； 若选用同一固定点(水的三相点)来作参考点，则两种温
2.1.2 测温方法分类及其特点
非接触式温度计又可分为： 辐射温度计、亮度温度计和比色温度计， 由于它们都是以光辐射为基础，故也按统称为
辐射温度计。
2.1.2 测温方法分类及其特点
☻ 按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中高
温和超高温温度测量。超低温一般是指0～10K， 低温指10～800K，中温指800～1900K，高温 指1900～2800K的温度，2800K以上被认为是 超高温。
6
2.1.1
温标与标定
1、经验温标
定义：根据某些物质体积膨胀与温度的关系，用实验方 法或经验公式所确定的温标称为经验温标。 华氏温标：
• 单位：华氏度，记作：℉
• 水的冰点为32℉，沸点为212℉ 摄氏温标： • 单位：摄氏度，记作：℃ • 水的冰点为0 ℃ ，沸点为100 ℃
7
2.1.1
2.1.4 热电式测温方法
c. 镍铬一镍硅热电偶(K型) 使用十分广泛的贱金属热电偶，热电丝直径一般为1.2 ～2.5mm。 热电极材料具有较好的高温抗氧化性，可在氧化性 或中性介质中长时间地测量900℃以下的温度。 K型热电偶具有复现性好，产生的热电势大，而且 线性好，价格便宜等优点； 测量精度偏低，但完全能满足一般工业测量要求。 主要缺点： 不宜用于还原性介质中，热电极会很快受到腐蚀， 在还原性介质中应用，只能用于测量500℃以下的 温度。
标在数值上将完全相同。
10
2.1.1
温标与标定
4、国际实用温标和国际温标
IPTS一90温标 重申国际实用温标单位仍为K； 热力学温度（T）与摄氏温度（t）之间的换算关系： T = t + 273.15；
11
2.1.2 测温方法分类及其特点
测温方式 → 接触式和非接触式
接触式温度计
由直径为0.5mm以下的铂铑合金丝(铂90％，铑10％) 和纯铂丝制成。属贵金属热电偶。 具有较高的复制精度，且测量准确度较高，可用于精 密温度测量。 S型热电偶在氧化性或中性介质中具有较高的物理化 学稳定性，在1300℃以下范围内可长时间使用。 主要缺点： 金属材料的价格昂贵； 热电势小，而且热电特性曲线非线性较大； 在高温时易受还原性气体所发出的蒸气和金属蒸气的 侵害而变质，失去测量准确度。
超高温传感器如：前苏联研制的YCI—I型自动测温通用
光谱高温计,其测量范围为400～6000℃,它是采用电子化自
动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。
2.1.2 测温方法分类及其特点
超声波温度传感器 特点是响应快(约为10ms左 右)，方向性强。目前国外有可测到5000℉的产
品。
激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温
当冷端（自由端）温度T0固定不变时，即f(T0)=常数。此时：
EAB (T , T0 ) f (T ) C (T )
热电偶测温基本公式
标准的热电偶分度表：将自由端温度保持为0℃，通过实验建立 热电势与温度之间的数值关系
32
2.1.4 热电式测温方法
2、热电偶分类及特性
33
2.1.4 热电式测温方法
基准温度值 → 比较
→
得待测物体的温度
5
2.1.1
温标与标定
一、 温标
原因：目前尚难以直接测量物体内部的分子动能，为了保 证温度量值的准确和利于传递，需要建立一个衡量温度的 统一标准尺度，即温标。
• 经验温标，
• 热力学温标 • 绝对气体温标 • 国际实用温标和国际温标 温标经历了一个逐渐发展，不断修改和完善的渐进过程
k固体在温度t0、t1之间的平均线膨胀系数。
23
2.1.3 热膨胀式测温方法
把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起， 构成双金属片感温元件。
弯曲变形
温度越高线膨胀差越大

弯曲角度也越大。
24
2.1.3 热膨胀式测温方法
感温双金属元件的形状： 平面螺旋型
直线螺旋型
测温范围：-80 ～ 600℃
温标与标定
摄氏温度和华氏温度的关系：
9 T t 32 5
式中：T — 华氏温度值； t — 摄氏温度值；
局限性：
经验温标均依赖于其规定的测量物质，测温范围也不 能超过其上、下限(如摄氏为0℃、l00℃)。超过了这个温 区，摄氏将不能进行温度标定。
8
2.1.1
温标与标定
2、热力学温标
1. 分类 国际电工委员会(IEc)推荐的工业用标准热电偶为 八种。 ❥ 贵金属热电偶： 由铂和铂铑合金制成。 包括分度号为S、 R、B三种热电偶。 ❥ 属贱金属热电偶： 由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属的 合金制成。 包括分度号为K、N、T、E、J的五种热电偶。
2.1.4 热电式测温方法
2. 常用标准化热电偶介绍 a. 铂铑10一铂热电偶(分度号：S)
精度等级：1.5级左右
双金属温度计抗振性好，读数方便，但精度不太高， 只能用做一般的工业用仪表。
25
2.1.4 热电式测温方法
热电偶测温
特点：测温范围宽、精度较高、性能稳定、电信号
1、测温基本原理
热电极 工作端或热端 热电极 参比端或冷端
热电效应 → 热电势 → 温差电势、接触电势
26
2.1.4 热电式测温方法
12
非接触式测温
2.1.2 测温方法分类及其特点
方 式
测量 条件
接
触
式
非
接
触
式
感温元件要与被测对象良好接触；感温元 件的加入几乎不改变对象的温度；被测温 度不超过感温元件能承受的上限温度 ; 被 测对象不对感温元件产生腐蚀 特别适合 1200℃以下、热容大、无腐蚀性 对象的连续在线测温，对高于 l 300℃以 上的温度测量较困难 工业用表通常为 1.0 、0.5 、 0.2 及0.1 级， 实验室用表可达0.01级 慢，通常为几十秒到几分钟 整个测温系统结构简单、体积小、可靠、 维护方便、价格低廉，仪表读数直接反映 被测物体实际温度；可方便地组成多路集 中测量与控制系统