1、第五章第五章 温度测量温度测量中国民航大学电子信息与自动化学院中国民航大学电子信息与自动化学院钟伦珑钟伦珑2第五章第五章 温度测量系统温度测量系统5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 热电阻测温热电阻测温5.3 5.3 半导体半导体P-NP-N结测温结测温5.4 5.4 热电偶测温热电偶测温5.5 5.5 非接触式温度测量系统非接触式温度测量系统35.1概述概述v5.1.1温度的概念 温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量热量将由热程度高的物体向热程度低的物体传递，直至达到两个物体的冷热程度一致，处于热平衡状态，即两个物体的温度相等。 温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。温度高，表示分
2、子动能大，运动剧烈; 温度低，分子动能小，运动缓慢。45.1.2温标温标 温度大小的尺度是温度的标尺，简称温标。 常用温标 摄氏温标 华氏温标 热力学温标55.1.2温标温标 摄氏温标摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为0度，水沸点为100度，中间等分为100格，每格为摄氏1度，符号为。65.1.2温标温标 华氏温标华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为32度，水沸点为212度，中间等分180格，每格为华氏1度，符号为 。它与摄氏温标的关系为：()5CF329=-75.1.2温标温标 热力学温标 热力学温标又称开氏温标（K）或绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。它建于热力学基础，
3、体现出温度仅与热量有关而与测温物质的任何物理性质无关的理想温标，已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温标。 热力学温标规定水在标准大气压下的三相点为273.16K，沸点与三相点之间分为100等分，每等分1K，将水的三相点以下273.16K定为绝对零度（0K） 热力学温度的单位是K(开尔文)。85.1.3温度计的标定与校正温度计的标定与校正 温度计的标定用适当的方法建立起所希望的一系列温度值作为标准，把被标温度计(或传感器)依次置于这些标准温度之下，并记录温度计(或传感器)在各温度点的输出，这样就完成了对温度计的标定。 测温装置的校正通过把被校装置放置于已知的固定温度点下，对其读数与相应点的已
4、知温度值进行对比，这样就可找出被校装置的修正量。95.1.4测温方法与测温仪器的分类测温方法与测温仪器的分类v按测温方法分类：接触式和非接触式 接触式 当两个物体接触后，经过足够长的时间达到热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。 特点：温度计要与被测物体有良好地热接触，使两者达到热平衡 膨胀式温度计、电阻式温度计、热电式温度计等105.1.4测温方法与测温仪器的分类测温方法与测温仪器的分类 非接触式 利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法。 特点：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温
5、度分布，热惯性小。 通常用来测定1000以上的移动、旋转或反应迅速的高温物体的温度。 辐射温度计、亮度温度计和比色温度计等115.1.4测温方法与测温仪器的分类测温方法与测温仪器的分类v按温度测量范围分类： 超低温（010K） 低温（10800K） 中高温（5001600K） 高温（16002500K） 超高温（2500K以上）125.1.4测温方法与测温仪器的分类测温方法与测温仪器的分类分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称超高温用超高温用传感器传感器2500以上以上光学高温计、辐射传感器光学高温计、辐射传感器高温用传高温用传感器感器16002500K光学高温计、辐射传感器、光学高
6、温计、辐射传感器、热电偶热电偶中高温用中高温用传感器传感器5001600K低温用低温用传感器传感器10800K超低温用超低温用传感器传感器010KBaSrTiO3陶瓷陶瓷晶体管、热敏电阻、晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计压力式玻璃温度计 测测 温温 范范 围围热电偶、测温电阻器、热电偶、测温电阻器、 热敏电阻热敏电阻电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件135.2热电阻测温热电阻测温 分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件145.2.1金属热电阻金属热电阻 热阻效应物质的电阻率随温度变化的物理现象。大多数金属电阻随温度的升高而增加R:温度t时的电阻值R
7、0:温度t0时的电阻值a:热电阻的电阻温度系数，表示单位温度引起的电阻相对变化001()RRa tt=+-电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件155.2.1金属热电阻金属热电阻 用于金属热电阻的材料应该满足以下条件: 电阻温度系数a要大且保持常数; 电阻率 要大，以减少热电阻的体积，减小热惯性; 使用温度范围内，材料的物理、化学特性保持稳定; 生产成本要低，工艺实现容易。 常用的金属材料有铂、铜、镍等。r电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件165.2.2半导体热敏电阻半导体热敏电阻 半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化的性质而制成的温度敏感元件。 与金属热电阻相比 电阻率高
8、 温度升高电阻率有可能增大也可能减小175.2.2半导体热敏电阻半导体热敏电阻 半导体热敏电阻的类型 负温度系数热敏电阻NTC电阻率随着温度的增加比较均匀地减小，缓变型 正温度系数热敏电阻PTC电阻率随温度升高而增加，当过某一温度后急剧增加的电阻，剧变型 临界温度电阻器CTR当温度升高接近某一温度，电阻率大大下降，产生突变，剧变型电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件185.2.2半导体热敏电阻半导体热敏电阻 负温度系数热敏电阻的热电特性 T:被测温度(K) T0:参考温度(K) Rt:温度T(K)时热敏电阻的电阻值( ) R0:温度T(K)时热敏电阻的电阻值( ) B:热敏电阻的材料常数，
9、通常由实验获得011()0BTTtRR e-=WW电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件195.2.2半导体热敏电阻半导体热敏电阻 半导体热敏电阻的伏安特性应尽量减小通过热敏电阻的电流，以减小热敏电阻自热效应的影响。电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件205.2.2半导体热敏电阻半导体热敏电阻与金属热电阻相比，半导体热敏电阻 优点： 具有较大的负电阻温度系数，灵敏度比较高； 半导体材料的电阻率远比金属材料大得多，因此它的体积可做得非常小，同时热惯性就小并适合用于测量点温度与动态温度 电阻值很大，连接导线的电阻变化的影响可以忽略 结构简单。 缺点 同种半导体热敏电阻的电阻温度特性分散性大，
10、非线性严重，元件性能不稳定，因此互换性差，精度较低。电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件215.3半导体半导体P-N结测温结测温 P-N结电压不变时电流随温度改变而变化 P-N结电流不变时正向压降随温度的变化近似于线性变化225.3半导体半导体P-N结测温结测温在忽略基极电流情况下，当认为各晶体三极管的温度均为T时，它们的集电极电流是相等的，Ube2与Ube4的结压降差就是电阻R上的压降.由于电流I1又与温度T成正比，因此可以通过测量I1的大小，实现对温度的测量。421lnbebebeKTUUUI RegD=-=电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件235.4热电偶测温热电偶测温v5.4
11、.1热电效应 热电偶测温的机理是利用导体的热电效应 帕尔帖(Peltier)效应 汤姆逊（Thomoson）效应电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件245.4.1热电效应热电效应 帕尔帖效应(接触热电势)当A,B两种不同材料的导体相一互紧密地连接在一起时,由于不同的导体材料的自由电子的浓度不同，单位时间内A、B相互扩散的电子数量不同，于是在接触点处产生电位差，这种电位差叫帕尔帖热电势。 e:单位电荷，1.602X10-19C K:波尔兹曼常数，K=1.3810-23J/K nA(T)、nB(T):材料A、B在温度为T时 的自由电子密度 T:A、B接触点的温度，K( )( )ln( )AAB
12、Bn TKTeTen T=电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件255.4.1热电效应热电效应热电热电偶接偶接点点电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件265.4.1热电效应热电效应 汤姆逊效应（温差热电势）对于单一均质导体A，当其两端的温度不同时，由于温度较高的一端的电子能量高于温度较低的一端的电子能量，因此产生了电子扩散，形成了温差电势，称为单一导体的温差热电势，即汤姆逊电势。 :材料的汤姆逊系数As00( ,)TAATe T TdTs=电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件275.4.1热电效应热电效应两个两个热电极热电极电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件285.4.2热电偶
13、的工作机理热电偶的工作机理A、B两种不同导体材料两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路。这样就构成了一个热电偶。当两接点温度不等（TT0）时，回路中就会产生电势，从而形成电流，这就是热电偶的工作机理。电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件295.4.2热电偶的工作机理热电偶的工作机理热电偶总热电势为接触热电势和温差热电势之和即当参考温度T0固定时即热电偶的总热电势是工作端温度T的单值函数00000()( )( ,)lnln()( )()TAAABABTBBKTn Tn TKTET TdTen Ten Tss=-00( ,)( )()ABET Tf Tf T=-0( ,)( )( )ABE
14、T Tf TCTf=-=电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件305.4.3热电偶的基本定律热电偶的基本定律 中间温度定律00( ,)( ,)(,)ABABCABCET TET TET T=+电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件315.4.3热电偶的基本定律热电偶的基本定律电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件325.4.3热电偶的基本定律热电偶的基本定律 中间导体定律00( ,)( ,)ABCABET TET T=00( ,)( ,)ABCABET T TET T=电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件335.4.3热电偶的基本定律热电偶的基本定律 标准电极定律00000( ,)(
15、 ,)( ,)( ,)( ,)ABACBCACBCET TET TET TET TET T=+=-电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件345.4.4热电偶的误差及补偿热电偶的误差及补偿 热电偶冷端误差及其补偿热电偶的分度表是根据冷端温度为0制作的，因此热电偶测温时应使冷端保持0 ，但实际测量中，热电偶的两端距离很近，冷端温度会受热源温度或周围温度影响，并不为0 ，且不为恒定值。 0恒温法将热电偶的冷端保持在0的器皿内电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件355.4.4热电偶的误差及补偿热电偶的误差及补偿 修正法将热电偶的冷端置于恒温箱中，再利用中间温度定律修正 补偿电桥法利用不平衡电桥产
16、生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件365.4.4热电偶的误差及补偿热电偶的误差及补偿 延引热电极法将热电偶输出的电势传输到10 m以外的显示仪表处，也就是将冷端移至温度变化比较平缓的环境中，再采用前面的补偿方法进行补偿。电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件375.4.4热电偶的误差及补偿热电偶的误差及补偿 热电偶的动态误差及时间常数由于质量与热惯性，测温仪表的指示温度都不是被测介质温度变化的瞬时值，而是有一个时间滞后 被测介质某瞬时的温度为TK，而热接点感受到的温度为T，两者之差称为热电偶的动态误差T=Tk-T 动态误差值取决于热
17、电偶的时间常数 和热接点温度随时间变化率dT/dt的值 想求得任一瞬时被测介质温度，只要求出曲线在该时刻的斜率，乘以该热电偶的时间常数即可得到动态误差值,用该动态误差来修正热电偶的指示值gdTTTTTdt电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件385.4.4热电偶的误差及补偿热电偶的误差及补偿热电偶的时间常数 c:热接点的比热(J/(kgK) :热接点的密度(kg/m3) V:热接点容积(m3) :热接点与被测介质间的对流传热系数(W/(m2K) A0:热接点与被测介质间接触的表面积(m2)减小动态误差，必须减小时间常数 减小热接点直径，使其容积减小，传热系数增大 增大热接点与被测介质接触的表
18、面积，将球形热接点压成扁平状，体积不变而使表面积增大0c VA电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件395.5非接触式温度测量系统非接触式温度测量系统 采用热辐射和光电检测的方法 工作机理当物体受热后，电子运动的动能增加，有一部分热能转变为辐射能、辐射能量的多少与物体的温度有关电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件405.5非接触式温度测量系统非接触式温度测量系统电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件415.5.1全辐射测温系统全辐射测温系统 全辐射侧温系统利用物体在全光谱范围内总辐射能量与温度的关系测量温度 能够全部吸收辐射到其上能量的物体称为绝对黑体。由于实际物体的吸收能力小于绝对黑
19、体，所以用全辐射测温系统测得的温度总是低于物体的真实温度。 这种测温系统适用于远距离、不能直接接触的高温物体，其测温范围为1002000。电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件425.5.2亮度式测温系统亮度式测温系统 亮度式测温系统利用物体的单色辐射亮度随温度变化的原理，并以被测物体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐射体的亮度进行比较来测量温度。 实际物体的单色辐射发射系数小于绝对黑体，因而实际物体的单色亮度小于绝对黑体的单色亮度，故系统测得的温度值低于被测物体的真实温度。电子信息与自动化学院航空传感器与控制元件435.5.3比色测温系统比色测温系统 比色测温系统以测量两个波长的辐射亮度之比为基础
