《溫度測量系統(tǒng)》PPT課件

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1、制 作 者 ： 潘 敏 利 、 黃 莊 泉 、 朱 光 剛 、 程 杰 、 曹 文 靜 本 章 要 點第 1 節(jié) 熱 電 偶 測 溫 系 統(tǒng)第 2 節(jié) 熱 電 阻 測 溫 系 統(tǒng)第 3 節(jié) 其 他 接 觸 式 測 溫 系 統(tǒng)第 4 節(jié) 非 接 觸 式 測 溫 系 統(tǒng)第 5 節(jié) 半 導(dǎo) 體 PN結(jié) 測 溫 系 統(tǒng) 8 .1 熱 電 偶 測 溫 系 統(tǒng)u熱 電 勢l定 義 :在 兩 個 不 同 成 分 的 導(dǎo) 體 （ 或 半 導(dǎo) 體 ） A和 B 組 成 的 閉合 回 路 中 ， 如 果 它 們 的 兩 個 接 點 溫 度 不 同 ， 則 回 路 中 會 產(chǎn)生 一 個 電 動 勢 。l熱 電 勢

2、的 大 小 ： 和 兩 端 的 溫 度 差 有 關(guān) 。u熱 電 偶l定 義 ： A、 B焊 接 成 對 后 稱 之 為 熱 電 偶 。l特 點 ： 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 熱 容 量 小 、 材 料 的 互 換 性 好 、 滯 后 效 應(yīng)小 、 信 號 能 遠 距 離 傳 送 、 多 點 測 量 、 便 于 檢 測 和 控 制 。l應(yīng) 用 ： 作 為 感 溫 元 件 在 工 業(yè) 生 產(chǎn) 和 科 學 研 究 中 廣 泛 應(yīng) 用 。 測 溫 原 理n熱 電 阻 閉 合 回 路 中 產(chǎn) 生 熱 電 動 勢 的 現(xiàn) 象 被 認 為 是 導(dǎo) 體的 接 觸 電 動 勢 和 溫 差 電 動 勢 的 綜 合 結(jié)

3、果 。接 觸 電 動 勢 的 大 小 與 溫 度 高 低 及 導(dǎo) 體 中 的 自 由 電 子 密 度 有關(guān) 。 溫 度 接 觸 電 動 勢 ； 導(dǎo) 體 自 由 電 子 密 度 比 接 觸 電 動 勢n溫 差 電 動 勢 是 由 于 熱 電 極 兩 端 的 溫 度 不 同 ， 存 在 著 溫度 梯 度 而 產(chǎn) 生 的 電 勢 。溫 差 電 動 勢 的 大 小 取 決 于 熱 電 極 兩 端 的 溫 差 和 熱 電 極 的 自由 電 子 密 度 。溫 差 溫 差 電 動 勢 兩 端 問 相 同 溫 差 為 零 ， 溫 差 電 動 勢 為 零n電 子 密 度 和 熱 電 極 材 料 成 分 有 關(guān)

4、。 . 接 觸 電 勢 高 EAB（ T） 低 e單 位 電 荷 ； K玻 耳 茲 曼 常 數(shù)N A（ T), NB（ T） A、 B電 子 密 度 （ 溫 度 T） 電 勢 方 向 ： 低 高由 電 子 密 度 加 大 （ 相 對 擴 散 前 ） 電 子 密 度 減 小)( )(ln)( TN TNeKTTE BAAB 溫 差 電 勢 T0 EA(T,T0 ) T 低 EA（ T， T0） 高電 勢 方 向 ： 由 電 子 密 度 大 電 子 密 度 小回 路 總 電 勢 接 觸 電 勢 和 溫 差 電 勢 綜合 成 總 熱 電 勢 BA EAB(T0)TT0E AB（ T）EA(T,T0)

5、 EB（ T,T0）),()(),()(),( 0000 TTETETTETETTE AABBABAB . TT BBTT AATT BA TT BATT BATT BA B ABAABAB tN tdNteKtN tdNteKdttN tNeK tN tNtdeKdttN tNeKtN tNtdeK TN TNeKTTN TNeKTTETE 000 000 )()()()()()(ln )()(ln)()(ln)()(ln( )( )(ln)( )(ln)()( 0000 NA(t), NB(t)只 是 溫 度 的 函 數(shù) 三點結(jié)論1 )熱 電 勢 大 小 ， 只 與 材 料 性 質(zhì) 和 兩

6、 接 點 溫 度 有 關(guān) 。2 )不 同 性 質(zhì) 材 料 才 能 組 成 熱 電 偶 ， 相 同 材 料 組 成 的 閉 合 回路 熱 電 勢 為 零 。3 )熱 電 極 材 料 確 定 后 ， 熱 電 勢 的 大 小 只 與 熱 電 偶 兩 端 溫 度有 關(guān) 。 一 端 溫 度 恒 定 ， 熱 電 勢 只 是 另 一 端 溫 度 的 單 值 函數(shù) 。 （ 方 便 使 用 ）幾 個 術(shù) 語熱 端 與 冷 端 (或 測 量 端 與 參 比 端 ) 分 度 表 （ E t表 ） 分 度 號問 題熱 電 偶 （ 熱 電 勢 ） 能 否 測 量 ？接入第三種材料熱 接 點 能 否 焊 接 ？ （第三種

7、材料）熱 、 冷 端 間 的 溫 度 梯 度 是 否 影 響 測 量 結(jié) 果 ？ （ 相 同 溫 差 ， 熱 電 偶 長 短 是 否 有 影 響 ？ ） 2 熱 電 偶 回 路 性 質(zhì) 1 . 均 質(zhì) 材 料 定 律表 述 ： 均 質(zhì) 材 料 組 成 的 回 路 ， 不 論 回 路 有 無 溫 度 梯度 ， 回 路 中 均 不 產(chǎn) 生 熱 電 勢 （ 無 電 流 ） 。應(yīng) 用 ： 要 求 組 成 熱 電 偶 的 兩 種 材 料 必 須 各 自 都 是 均質(zhì) 的 ， 否 則 引 入 誤 差 。 （ 溫 度 梯 度 無 影 響 ）2 . 中 間 導(dǎo) 體 定 律 表 述 ： 熱 偶 回 路 中 插

8、入 第 三 種 （ 或 多 種 ） 均 質(zhì) 材 料 ，只 要 插 入 材 料 兩 連 接 點 溫 度 相 同 ， 則 所 插 入 的 第 三種 材 料 不 影 響 原 回 路 的 熱 電 勢 。 應(yīng) 用 ： 回 路 中 可 接 入 測 量 熱 電 勢 的 儀 表 ； 接 點 可 以焊 接 證 明 ？ n系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu)系 統(tǒng) 主 要 元 件 ： 熱 電 偶 感 溫 元 件 、 冷 端 補 償 器 、 補 償 導(dǎo) 線 、普 通 導(dǎo) 線 和 溫 度 顯 示 裝 置 熱 電 偶 感 溫 元 件 是 熱 電 偶 測 溫 系 統(tǒng) 的 核 心 部 件 。1.熱 電 偶 ； 2.補 償 導(dǎo) 線 ；3.普 通

9、導(dǎo) 線 ； 4.顯 示 裝 置 5.補 償 器熱 電 偶 溫 度 系 統(tǒng) 測 量 回 路 冷 端 補 償 器 法 （ 與 補 償 導(dǎo) 線 聯(lián) 用 、 適 用 于 工 業(yè) 生 產(chǎn) ） 原 理 ： 將 補 償 器 串 接 于 熱 電 偶 回 路 中 ， 自 動 補 償由 于 冷 端 溫 度 變 化 而 對 回 路 熱 點 勢 的 影 響 。 平 衡 點 溫度 點 （ 0 或 20 ） 與 計 算 溫 度 點 （ 40 ） 。 熱 電 特 性 的 非 線 性 ， 只 能 在 平 衡 點 溫 度 點 與 計算 溫 度 點 上 而 不 可 能 在 全 程 范 圍 內(nèi) ， 完 全 補 償 。 使 用 ：

10、補 償 器 與 熱 偶 相 匹 配 ； 儀 表 的 機 械 零 點 調(diào)至 平 衡 溫 度 點 。 。n測 溫 系 統(tǒng) 的 正 確 使 用l熱 電 偶 溫 度 測 試 系 統(tǒng) 的 測 試 信 號 來 源 于 熱 電 偶 感溫 元 件 的 熱 電 極 。l保 護 管 選 擇 是 否 合 適 ， 將 直 接 影 響 熱 電 偶 的 使 用壽 命 和 測 量 的 可 靠 性 。l對 測 量 結(jié) 果 的 影 響 因 素 ： 1 .高 溫 影 響 2 .外 部 壓 力 的 影 響 3 .強 磁 場 的 影 響 8.2.1 測 溫 原 理 (1) 導(dǎo) 體 電 阻 率 (8-4) E電 場 強 度 J電 流

11、密 度 在 E的 作 用 下 ， J的 數(shù) 值 與 自 由 電 子 數(shù) n、 電 荷e和 電 子 定 向 運 動 速 度 平 均 值 u成 正 比 ， 可 通 過自 由 電 子 運 動 時 的 平 均 自 由 程 及 質(zhì) 量 m得 出 電 阻 率與 溫 度 之 間 的 關(guān) 系 ， 即 (8-5) JEJE 8.2 熱 電 阻 測 量 系 統(tǒng) 式 中 ， k為 玻 爾 茲 曼 常 量 ;T為 溫 度 。 導(dǎo) 體 的 電 阻 率 還 與 其 晶 格 點 陣 和 缺 陷 有 關(guān) (8-6) 式 中 ， A為 金 屬 的 特 性 常 數(shù) ； M為 金 屬 原 子質(zhì) 量 ； 為 金 屬 的 德 拜 溫

12、度 。 當 T0.5時 ,式 (8-6 (8-7) 這 就 是 公 認 的 金 屬 在 高 溫 下 ,電 阻 率 與 溫 度 的 正比 關(guān) 系 . 而 在 低 溫 下 ,即 T0.5時 ， 式 (8-6)的 積 分 上 限 可 認 為 ，求 解 式 （ 8-6） 中 的 函 數(shù) 的 結(jié) 果 是 124.4.此 時 金 屬 電 阻率 為 （ 8-8） 對 金 屬 而 言 ， 在 一 定 的 溫 度 下 ， 物 質(zhì) 的 電 阻 率 和電 阻 有 確 定 的 函 數(shù) 關(guān) 系 (8-9) R導(dǎo) 體 電 阻 l導(dǎo) 體 長 度 s導(dǎo) 體 截 面 積 （ 2） 半 導(dǎo) 體 電 阻 率 受 到 摻 雜 程 度

13、 和 制 造 工 藝 的 影 響 ， 很 難給 出 統(tǒng) 一 形 式 的 方 程 來 描 述 鍺 半 導(dǎo) 體 電 阻 溫 度 特 性 。 典 型 的 經(jīng) 驗 公 式 是 (8-10) 式 中 B取 決 于 摻 雜 的 種 類 和 濃 度 ， 并 隨溫 度 而 變 ； E與 禁 寬 度 有 關(guān) ； k為 玻 爾 茲 曼 常量 。 由 式 （ 8-9） 或 （ 8-10） 知 ： 溫 度 的 變 化引 起 了 電 阻 的 變 化 。 )2/exp( kTEBR 感 溫 元 件 的 電 阻 與 溫 度 的 關(guān) 系 特性 在 實 際 應(yīng) 用 中 可 以 用 以 下 方 式 表 示 ：列 表 法 、 內(nèi)

14、插 法 和 作 圖 法 。 1） 列 表 法 ： 2） 內(nèi) 插 法 。 內(nèi) 插 法 的 一 般 表 達 式 ： (8-11) 式 中 , 為 熱 電 阻 在 溫 度 為 t時 的 電 阻值 ； 為 熱 電 阻 在 溫 度 為 0時 的 電 阻 值 ； A、 B、 C為 在 固 定 溫 度 上 所 確 定的 分 度 常 數(shù) ， 對 于 不 同 材 料 的 熱 電 阻 ，其 數(shù) 值 也 不 同 。 即 便 是 同 一 材 料 ， 在 不 同 的 測 量 范 圍 ， 其 值也 不 一 定 相 同 。 鉑 熱 電 阻 的 電 阻 與 溫 度 關(guān) 系 特 性 ， 在 溫 度 為 -2000時 ， 關(guān) 系

15、 特 性 可 表 示 為 (8-12) 在 0850時 ， 電 阻 與 溫 度 關(guān) 系 特 性 則 表 示為 (8-13) 3） 作 圖 法 。 下 圖 是 鉑 、 銅 、 鎢 和 熱 敏 電 阻 的電 阻 與 溫 度 關(guān) 系 特 性 曲 線 。 8.2.2 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 鉑 嗲 組 測 溫 儀 器 按 其 用 途 分 有 標準 型 和 工 業(yè) 型 兩 類 。 標 準 型 ： 長 桿 型 、 套 管 型 和 高 溫型 。 不 管 它 們 是 什 么 類 型 的 測 溫 儀 器 ，它 們 都 是 由 感 溫 元 件 鉑 絲 、 絕 緣 管 、保 護 管 、 引 出 線 以 及 顯 示 裝 置

16、等 幾 部分 組 成 。 8.2.3 系 統(tǒng) 的 正 確 使 用 在 實 際 應(yīng) 用 熱 電 阻 測 溫 系 統(tǒng) 時 ， 應(yīng)注 意 以 下 幾 個 反 面 ： （ 1） 避 免 受 到 過 大 的 振 動 和 應(yīng) 力 作用 （ 2） 避 免 在 強 磁 場 中 使 用 （ 3） 自 然 效 應(yīng) 在 實 際 測 溫 中 ， 有 時 加 大 工 作 電 流來 增 加 測 溫 系 統(tǒng) 的 靈 敏 度 。 此 時 ， 就 應(yīng)計 算 出 該 測 量 系 統(tǒng) 的 自 然 效 應(yīng) 誤 差 ， 以衡 量 靈 敏 度 與 自 然 效 應(yīng) 的 利 弊 。 工 業(yè) 鉑 熱 電 阻 引 起 的 自 然 效 應(yīng) ： （

17、 8-14） I工 作 電 流 R測 溫 系 統(tǒng) 標 稱 電 阻 值 k系 數(shù) ， 取 決 于 測 溫 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 和 工作 環(huán) 境其 近 似 式 為 （ 8-15） 其 中 ， R為 R2與 R1之 差 ； R1 、 R2分 別 為工 作 電 流 等 于 I1和 I2時 電 阻 值 ； 為 測 溫 系 統(tǒng) 的電 阻 溫 度 系 數(shù) 。 （ 4） 壓 力 影 響 用 電 阻 測 溫 系 統(tǒng) 測 量 高 壓 容 器 中 的 溫 度 時 ，由 于 大 多 數(shù) 金 屬 在 高 壓 情 況 下 ， 原 子 在 其 晶 格中 的 正 常 位 置 振 動 時 的 幅 度 將 減 少 ， 導(dǎo) 致 電

18、 阻值 減 小 ， 測 試 的 溫 度 偏 低 。 偏 低 的 溫 度 可 以 用下 述 經(jīng) 驗 公 式 估 算 （ 8-16） T=t+273.15（ K） ， t為 測 溫 系 統(tǒng) 指 示 溫 度 ； p為容 器 壓 力 。 （ 5） 引 線 電 阻 的 影 響 通 常 ， 當 引 出 線 溫 度 發(fā) 生 變 化 時 ， 引 起 的 誤差 t， 可 用 下 式 計 算 （ 8-17） 式 中 ， t2、 t1為 引 出 線 溫 度 發(fā) 生 變 化 后 的 溫度 ； r為 引 線 電 阻 ； R為 溫 度 儀 器 標 稱 電 阻 ； 1、2分 別 為 感 溫 元 件 和 引 線 的 電 阻

19、系 數(shù) 。tt21 64位和 單接 線接 口 存 儲 器 控 制 邏 輯溫 度 傳 感 器高 溫 度 觸 發(fā)低 溫 度 觸 發(fā)存儲器8位 CRC觸 發(fā) 器電源檢測 )/()1()1(2 21511520 2 mWeCehcE TCTkhc 0 4432 451510 0 152)1(),( 2 TThc kdeCdTE TC 4TM )/()1( 2151 2 mWeCE TC 和 紅 外 測 溫 系 統(tǒng) 的 優(yōu) 點 ：由 于 通 過 接 收 被 測 體 輻 射 德 紅 外 線 而 進 行 測 溫 ， 故 可 對那 些 難 以 接 觸 到 的 或 運 動 著 的 物 體 進 行 溫 度 測 量

20、 ， 如傳 熱 性 能 差 的 或 是 很 小 的 熱 容 量 材 料 。響 應(yīng) 時 間 短 ， 能 快 速 地 實 現(xiàn) 對 回 路 的 有 效 調(diào) 節(jié) 。沒 有 磨 損 的 部 件 ， 因 而 不 存 在 如 使 用 溫 度 計 所 存 在 的 連續(xù) 費 用 。對 于 很 小 的 被 測 物 體 ， 及 腐 蝕 性 的 化 學 物 或 敏 感 的 表 層的 溫 度 測 試 ， 使 用 輻 射 測 溫 系 統(tǒng) 可 避 免 由 于 物 體 的 導(dǎo)熱 性 產(chǎn) 生 的 測 量 誤 差 。通 過 原 距 離 的 遙 控 測 量 ， 可 遠 離 危 險 區(qū) 域 ， 保 護 操 作 人員 。 紅 外 測

21、溫 系 統(tǒng) 的 缺 點 ：一 般 來 說 ， 它 不 能 直 接 測 得 被 測 對 象 的 實 際 溫 度。 要 得 到 實 際 溫 度 ， 需 要 進 行 材 料 發(fā) 射 率 的 修正 ， 而 發(fā) 射 率 是 一 個 影 響 相 當 復(fù) 雜 的 參 數(shù) 。 增加 了 對 測 量 結(jié) 果 的 處 理 。由 于 非 接 觸 ， 輻 射 式 溫 度 系 統(tǒng) 的 測 量 受 中 間 介 質(zhì)的 影 響 。 尤 其 是 在 工 業(yè) 環(huán) 境 下 ， 周 圍 環(huán) 境 比 較惡 劣 ， 中 間 介 質(zhì) 對 測 量 結(jié) 果 的 影 響 更 大 。由 于 輻 射 測 溫 相 對 較 復(fù) 雜 的 原 理 ， 測

22、量 儀 器 的 就、 結(jié) 構(gòu) 也 相 對 復(fù) 雜 ， 價 格 較 高 。 根 據(jù) 不 同 的 測 溫 原 理 ， 目 前 紅 外 測 溫 系 統(tǒng) 可 以 分為 全 輻 射 測 溫 系 統(tǒng) 、 亮 度 測 溫 系 統(tǒng) 、 比 色 測 溫 系 統(tǒng) 和雙 色 測 溫 系 統(tǒng) 四 類 。 1)全 輻 射 測 溫 系 統(tǒng) 全 輻 射 測 溫 系 統(tǒng) 是 根 據(jù) 全 輻 射 定 律 ， 利 用 敏 感 元件 感 受 目 標 發(fā) 出 整 波 段 的 輻 射 功 率 來 測 量 物 質(zhì) 溫 度 的紅 外 測 溫 系 統(tǒng) 。 其 光 學 系 統(tǒng) 分 為 透 鏡 式 和 發(fā) 射 鏡 式 ，檢 測 元 件 有 熱

23、電 堆 、 熱 釋 電 元 件 、 硅 光 電 池 和 熱 敏 電阻 等 。 透 鏡 式 系 統(tǒng) 將 物 體 的 全 輻 射 能 透 過 物 鏡 及 光 柵、 濾 光 片 等 聚 焦 于 敏 感 元 件 。 發(fā) 射 式 系 統(tǒng) 則 將 全 輻 射能 反 射 后 聚 集 在 敏 感 元 件 上 。 2） 亮 度 測 溫 系 統(tǒng) 亮 度 測 溫 系 統(tǒng) 通 常 采 用 亮 度 平 衡 法 ， 通 過 測 量 某 一 波 長 下 物 體 輻射 量 度 的 變 化 測 知 其 溫 度 的 溫 度 測 量 系 統(tǒng) ， 光 敏 器 件 是 其 感 受 元 件 ，系 統(tǒng) 自 動 進 行 亮 度 平 衡 。

24、定 義 ： 測 出 物 體 在 兩 個 特 定 相 近 波 長 范 圍 上的 輻 射 能 量 之 比 ， 確 定 被 測 物 體 的 比 色 溫 度。優(yōu) 點 ： 靈 敏 度 較 高 ， 偏 差 小 ， 中 高 溫 測 量 ，抗 干 擾 能 力 強 。缺 點 ： 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 ， 價 格 昂 貴 。 比 色 系 統(tǒng) 可 以 分 為 單 色 通 道 、 雙 色 通 道 型 和 色 敏 型 。下 面 以 通 道 比 色 測 溫 系 統(tǒng) 為 例 ： 4） 雙 色 測 溫 系 統(tǒng) 雙 色 測 溫 系 統(tǒng) 是 有 兩 組 不 通 的 單 色 濾 波 片篩 選 目 標 在 兩 個 相 近 波 長 的 輻

25、射 功 率 ， 并 根 據(jù)兩 波 長 輻 射 功 率 的 比 值 來 確 定 目 標 溫 度 的 。 雙 色 測 溫 系 統(tǒng) 典 型 測 溫 方 框 圖 ： 8.5 半 導(dǎo) 體 PN結(jié) 測 量 系 統(tǒng) 半 導(dǎo) 體 材 料 和 器 件 的 許 多 性 能 參 數(shù) 利 用 PN結(jié) 的 溫 度 特 性 可 制 成 PN結(jié) 溫 度 傳 感 器 ，這 類 傳 感 器 分 為 兩 種 在 實 驗 溫 度 檢 測 時 ， 只 有 溫 敏 三 極 管 本 身 是 不夠 的 ， 必 須 附 加 適 當 的 外 圍 電 路 ， 才 構(gòu) 成 溫 度傳 感 器 。 PN結(jié) 溫 度 傳 感 器 與 熱 敏 電 阻 一 樣 具 有 體 積 小 、反 應(yīng) 快 的 優(yōu) 點 。