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    温 度 测 量
    点击次数:2359 发布时间:2012-12-24
    2.1 温标与测温方法
    2.1.1 温度标尺(温标)
    1)温度与温标:
    l         温度:衡量物体冷热程度的物理量,是物体分子热运动平均动能的标志。
    l         温标:衡量温度高低的标尺,是表示温度数值的一套规则。
    2)经验温标
    l         摄氏温标:在标准大气压下,以水的冰点为0度,水的沸点为100度,两固定点之间等分100份,每份为摄氏1度,记为1°C。(1740年瑞典人摄尔塞斯Celsius)
    l         华氏温标:标准大气压下,水的冰点为32度,水的沸点为212度,两固定点中间等分180份,每份为华氏1度,记为1°F。(1714年德国人华伦凯特Fahrenheit)
    {zui初建立时以水银作为测温介质,把氯化铵与水的混合物的温度定为0度,人的体温定为100度,按水银的膨胀程度分成100等份,每份为华氏1度}
    l         两种温标的关系:
                                  2-1
    l         这种温标的缺点:温标本身依赖于物质本身的特性,分度的任意性无法满足测温技术的发展需求。
    l         解决:寻求一种不依赖于物质本身特性的新温标。
    3)热力学温标
    在卡诺循环中,卡诺机在高温热源T1和低温热源T2之间交换热量,其中从高温热源吸收热量Q1,向低温热源放热Q2。则有
                                 2.2
           可见,温度只与热量有关,与物质无关,从而避免了分度的任意性。以此建立的温标称为热力学温标。热力学温度(也称绝对温度)用符号T表示,单位为开尔文,符号K。
           热力学温度的定义中以水的三相点作为273.16,再取1/273.16定义为1K。
    4)理想气体温标
    由于卡诺机为理想热机,实际上并不存在。复现热力学温标可从与卡诺定理等效的理想气体状态方程入手。用波意尔—马略特定律制成气体温度计,解决了热力学温标的实现问题。
    5)国际实用温标(国际温标)
    由于气体温度计制造和使用都很复杂,不宜实用,故只用来夫现热力学温标。1927年第七届国际计量大会开始制定了以热力学温标为基础的能用公式表示、便于实际应用的协议温标—国际温标(ITS-27),后几经修改成为ITS-48/ITS-68/ITS-90。
    1990年国际温标是国内目前使用的温度标准。包括三方面的内容:温度单位的定义;定义固定温度点的方法和复现固定温度点的方法。
                               2-3
    2.1.2 测温方法分类
    两大类   接触式:体积膨胀式、压力表式、热电偶、热电阻等
             非接触式:辐射式、光电式等
    2.2 接触式测温
    2.2.1 膨胀式与压力式温度计
    1)膨胀式
    l   玻璃管温度计(液体膨胀式)
    原理:基于液体在透明玻璃外壳中的热胀冷缩作用。
    结构:感温包(球型或圆柱形液体贮囊),毛细管,温度标尺。
                内标式      2.5         

    2.6
                  棒式       

                  外标式
                  特殊结构       2.72.8
    数量关系:
                                   2-4
    其中:    L—温度计的灵敏度(对应刻度每1°C,液体在毛细管中的长度);
                  —液体在0~100°C间的视膨胀系数;
                  V0—液体贮囊的容积;
                  S毛细管的横截面积。
    [液体在玻璃内的视膨胀系数:液体的平均体膨胀系数()与玻璃的平均体膨胀系数()之差。(可通过试验或查表取得,如P41 表2.3)]
    提高灵敏度的方法:升高和V0(过大有热惰性),降低S(过小易堵或上升不均匀)。
    l   双金属温度计(固体膨胀式)
    原理:利用线膨胀系数差别较大的两种金属材料制成双层片状元件,当温度变化时使自由端产生位移,用位移标识温度。
    结构: 如图2.9,图2.10
    特点:简单,价低,抗震动和冲击,精度稍差。
    2)压力式温度计
    原理:利用密封在容器中的工质受热后体积变化引起的压力变化来指示温度。
    结构:测温包+压力计(刻度成温度示值),冰箱测温或如图2.11
    2.2.2 热电偶温度计
    1)热电现象(塞贝克效应1821年):
    两种不同材料的导体(或半导体)A和B构成闭合回路,当两个接触端温度T1>T2时,回路中将产生电势,这种现象称为热电现象。
    l           产生的电势称为热电势;
    l           AB构成的闭合回路称为热电偶;2.12
    l           T1为测量端(热端、工作端),T0称为参比端(冷端、自由端)。
    2)热电现象产生的原因:
    物理学指出,热电势由接触电势和温差电势组成。
    l         接触电势:由于导体材料内部自由电子密度不同,当两种不同导体相互接触时接点处产生的电势。(自由电子从密度大的导体扩散到密度小的导体中,失去电子的导体呈阳性,获得电子的导体呈阴性,因此又形成了一个内部电场,此电场阻碍自由电子的进一步扩散运动。当电场力与扩散力达到平衡时,接点处形成一定的电位差——即:接触电势也叫珀尔帖电势。
    图示见图2.13(分清三个方向:内部电场、内部电压降和外部电势)
    l         接触电势的数值:
                               2-5
                  式中:
                  k—波尔兹曼常数1.38´10-23 J/K
                  T—接点温度
                  e—单位电荷数,4.802´10-10绝对静电单位
                  NA、NB—导体A、B在温度T时的自由电子密度
           结论:接触电势是接点温度的函数,与两种导体的性质有关。
    l         温差电势:同种材料导体由于两端温度不同产生的热电势。(温度高的一侧自由电子能量大,因此电子扩散时从高温端移向低温端的数量多,返回的数量少,形成的内部电场力与扩散力平衡时,导体呈电性,产生温差电势—也叫汤姆逊电势)
    图示见图2.14(分清三个方向:内部电场、内部电压降和外部电势)
    l         温差电势的数值:
                 2-6
    式中:
     —汤姆逊系数,表示温差为1℃时所产生的电动势,它与材料的性质有关。
    —只与导体性质及温度有关,与导体长度、截面积及温度分布无关。
    3)热点偶回路的总电势:
    温差电势与接触电势的综合效应。
    T>T0NA>NB
    如图2.15
             2-7
     即:
                      2-8
    Ø       若电极A、B为同一种材料(NA=NB,),则无论温度如何,回路总电势始终为0;
    Ø       若T=T0,则无论电极A、B材料是否相同,回路总电势始终为0。
    Ø       热电偶产生热电势的条件——不同材料且接点温度不同。
    l         等效表达形式1:
          2-9
    Ø         热电势是温度函数之差,而不是温差的函数;
    Ø         若T0恒定,则热电势与T呈一一对应关系;
    Ø         热电势大小只与导体材质和接点温度相关,而与形状、接触面积无关;
    Ø         热电极的极性规定,电子密度大的电极为正;热电势符号中电极和温度顺序互换一次,电势变一次符号;
    l         等效表达式2:
                 2-10
    Ø                                                2-11

    证明:
               2-12

    4)热电偶的基本定律
    l       均质导体定律
    Ø       均质导体:沿导体长度方向各部分化学成分均相同的导体。
    Ø       定律:由一种均质导体所组成的闭合回路,不论导体的截面积如何及导体各处温度分布如何,都不能产生热电势。
    Ø       作用:热电偶必须采用两种不同材质的导体构成(制造);
      若两种导体组成的闭合回路产生热电势,材料非均质(冶炼);
      若材料局部不均匀将产生附加热电势(及时检修,防腐);
    l       中间导体定律
    Ø       定律:在热电偶回路中接入中间均质导体,只要导体两端温度相等,则对回路总电势没有影响(非均质导体要求此导体等温)。
        证明:如图2.16所示,在电极为AB的热电偶回路中接人第三种均质导体C,保持C两端的温度相等,则回路总电动势不变,即:

    CA
    B
    A
    T0
    T
    2.16

                         2-13

                 2-14
                          2-15
                式2-15代入式2-13有:
    证毕。
    Ø       作用:用仪表测量热电势成为可能;
    且提出了测量接线及环境要求;
    热电偶开路测量金属壁温、液态金属等成为可能;
    可推广到第四种以上导体。
    Ø         推论:如果A、B对C 材料的热点是已知,则A、B构成热电偶的热电势为它们对C热电势的代数和。

    A
    C
    A
    +
    C
    B
    B
    T
    T
    T
    T0
    T0
    T0

    证明:要证   

    证毕
    Ø         作用:只要通过实验获得某些电极与标准铂电极的热电势,则其中任何两个电极配成的热电偶热电势即可通过计算获得。
    [例]已知在热端100℃,冷端0℃时,铜铂相配热电势为0.75mV,考铜与铂相配的热电势为-4.0mV,问铜-考铜热电偶此温度下的热电势?
    解:设铜为A,铂为B,考铜为C
    由已知:  
    l       连接导体定律:热电偶回路中如果热电极级A和B分别与导体A’、B’相接,接点温度分别为T、Tn、T0,则回路总电势等于热电偶热电势和连接导体热电势的代数和。如图2.17所示。
                  2-16

    A’
    B’
    B
    A
    T
    Tn
    T0
    2.17

    证明:左侧展开有

          2-17
    2-18
                         式2-18代入2-17有
                        
     证毕
    Ø         作用:若A’,B’材料热电特性在TnT0(低温区)与A、B的热电特性相同,则可用A’B’材料代替AB延长热电偶。
    l       中间温度定律:
    Ø         定律:两种均质材料AB构成热电偶,两端温度分别为T,T0,如果有一个中间温度Tn,则热电势不受影响。
                         2-19证明:连接导体定律中A’B’换成AB即可。
    Ø         写成特殊形式:
                                    2-20
    Ø         作用:    已知热电偶在某一冷端下的分度(温度与热电势的对应数据),只要 引入适当的修正就可在另外的冷端下使用。
    Ø         介绍《分度表》P416
    四点注意: 冷端0℃;
    由T查E(T,0);
    由E(T,0)查T;
    显示仪表刻度以分度表为准。
    [例]K型热电偶用于测温,已知参比端温度25℃,测得热电势20.54mV,问实际测量温度是多少?
    解:由已知,E(T,25)=20.54mV,
    因 E(T,0)=E(T,25)+E(25,0)
               =20.54+1.0=26.54mV
    查表,得T=521℃
    {问,可否直接查K型热电偶的分度表P420,得出一个温度,如20.559对应498℃,再加上25℃,得523℃?为何有此差别?}
    5)热电偶的种类与结构
    l       热电极的材料
    原则上任何导体均可。但考虑作为传感器的基本要求,故实际可用材料有限,且随着材料技术的发展有一定的变化。
    单值性:输出与被测量单值关系,zui好是线性关系;
    复现性:在不同的测量条件下测量值应在一定的准确度内一致;
    选择性:传感器输出只对被测量变化敏感;
    超然性:对被测量的干扰尽可能小;
    灵敏性:输出信号尽可能大;
    稳定性:物理、化学性质稳定;
    经济性:价格可被接受。
    l       热电偶的分类
    Ø         标准化热电偶:工艺成熟,能批量生产、性能稳定、应用广泛,具有统一分度表并已列入国际、国家标准性文件的热电偶。P48 2.4
    ²        分度号S,铂铑10-铂,    0~1300℃***
    ²        分度号R,铂铑13-铂,  0~1300℃
    ²        分度号B,铂铑30-铂铑6   0~1300℃

    ²       
    见P48-50说明
    分度号K,镍铬-镍硅,    -200~1200℃***

    ²        分度号N,镍铬硅-镍硅,-200~1200℃
    ²        分度号E,镍铬-康铜,    -200~760℃***
    ²        分度号T,铜-康铜,    -200~350℃***
    ²        分度号J,铁-康铜,      -40~600℃
    Ø         非标准化热电偶:对这一类热电偶的研究还不够成熟,虽然已有产品,也能够使用,但还没有统一的分度表。非标准化的热电偶发展很快,主要目的是进一步扩展高温和低温的测量范围。
    ²        贵金属热电偶 包括铂铑系列热电偶,它们zui高测量温度为1850C。还有铱铑系列热电偶,zui高测温达2250C。此外还有铂-金热电偶,具有极高的稳定性,主要用于航天技术和高精度测量领域。
    ²        贵一廉金属混合式热电偶 金铁合金热电偶主要用于低温测量,这种热电偶测温范围在一270~OC,它们在低温下都有较高的灵敏度和稳定性。此外还有双铂钼热电偶,这种热电偶可用于核辐射场合中,也可以在真空和惰性气体中长期使用,zui高温度为1600C。
    ²        难熔金属热电偶 它包括钨铼合金热电偶,熔点高于3000℃,zui高测量温度可达2500~2800℃,而且稳定性好,线性度好,在冶金。建材、航空航天和核能工业中应用广泛。它是一种在高温测量领域很有发展前途的热电偶。此外还有钨钼热电偶,zui高测量温度为2000℃,价格便宜,但热电势小。
    ²        非金属热电偶 由非金属材料制成的热电偶目前仍处于研究阶段,主要问题是它的复现性和机械强度差,但热电势大,如碳-硅碳热电偶在1700℃时,热电势508mV.
    l         热电偶的结构形式
    要求:      两电极间电气绝缘;—————绝缘子

    保护套管
                    电极不受环境有害物质污染;—

                    一定的刚度和强度;—————
                    测量端与被测对象有良好的接触。—紧贴套管端部、插入深度等。

    图2.22 普通装配式热电偶结构

    图2.23 铠装热电偶结构
    6)热电偶的冷端处理
    影响: 由   T0 恒定,EAB与T单值,故需修正。
    办法: 首先将冷端延长到一个温度稳定的地方——使用补偿导线;
    然后再考虑将冷端处理为0(与分度表对应),——冷端处理和补偿
    方法:
    l         补偿导线法
    补偿导线:在 100(或200℃)以下的常温范围内,具有与所匹配的热电偶的热电势标称值相同特性的廉价材料导线。用它连接热电偶可起到延长热电偶冷端的作用。
    延长型补偿导线:合金丝的化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同。
    补偿型补偿导线:合金丝的化学成分与配用的热电偶不同,但热电势值在100℃以下与配用的热电偶的热电势标称值相同。
    对补偿导线的要求: 价格低
                         与热电偶配套
                         正负极性不能接错
                         与热电偶的接点温度相同
    [问题]上述要求每一条的原因是什么?
    l         参比端恒温法
    Ø         冰点槽法——重点在结构和连线
    适用于实验室应用,或校验精度时使用。
    Ø         恒温箱法:把冰点槽换成恒温箱。恒温数值T0 已知,通过计算等方法处理。
    l         计算修正法:通常冷端温度已知,并测出时,利用公式得出。
                        2-21
    [例]用K型热电偶测温,显示仪表按温度刻度(以分度表为依据),仪表读数为500℃,但此时冷端温度50℃,问仪表示值是否可信,应为多少?
    解:由题义,仪表读数500℃,查分度表知对应的热电势为:20.644mV。
    设被测温度为T,则
         20.644mV
        =20.644+2.023=22.667mV
         查表插值计算: 547   22.649
                         548   22.691
    T    22.667
               
    V =22.667代入上式
    T =547.43℃
    s问题:为何不直接进行温度相加减?线性特性是否可以?
    l         冷端补偿器法
    Ø         思路:被测温度一定时,冷端温度升高—>热电势下降,反之亦然。若想办法在热电偶回路中串联上一个输出电压也跟随冷端温度变化,但与热电势变化方向大小相等方向相反,那么总输出电势将再不受冷端温度变化影响。
    Ø         实现原理:直流不平衡电桥,其中固定三个桥臂电阻,另一个桥臂电阻随温度变化即可。

    d
    C

        图中R1、R2、R3为1欧姆,用锰铜电阻(温度系数0.006´10-3/℃),Rcu为铜电阻(温度系数4.25~4.28´10-3/℃),设计平衡点1欧姆。
         补偿电势设计平衡点处=0;

    E
    U
    Rcu
    I1
    Uda
    UbaE
           T

            
    上述过程中认为Ucd不变。当冷端温度偏离设计平衡点时,热电势变化方向与Uab变化方向相反从而保证U基本不变(示值不变)。
    Ø         要求:   不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器(调整电源回路电阻);
    冷端补偿器中的铜电阻必须与冷端同温;
    补偿范围有限(一定精度内,一般0~50℃);
    极性不能接反;
    作用上强制冷端处于平衡点温度,若平衡点为0℃可直接用分度表。
    l         软件修正法
    计算机监控系统中使用的方法。即采集实时的冷端温度,利用软件编程实现在线计算并自动查表修正。
    冷端温度测量通常采用半导体测温元件或数字温度计。
    2.2.3 热电阻温度计
           广泛用于测量-200~850℃温度
    1)测温原理
    利用导体或半导体的阻值随温度变化这一现象测量温度。(R~T特性)
    l         对材料的要求:
    Ø         相对温度系数要大——提高灵敏度;
    Ø         电阻率要大——减小体积,提高动态性能;
    Ø         符合传感器基本要求。
    l         对绕线骨架的要求:
    Ø         膨胀系数小;
    Ø         机械强度高;
    Ø         绝缘性能好;
    Ø         耐高温、耐腐蚀。
    2)标准热电阻
    l         铂热电阻:
    Ø       特点:测温范围:-200~850℃,精度高、稳定性和复现性好,价格高、体积略大。
    Ø       种类:       Pt10:0℃时10欧姆,用较粗铂丝绕制,主要用于650℃以上温区;
    Pt100:0℃时100欧姆,用较细铂丝绕制,用于650℃以下温区;
    厚膜铂电阻:铂浆料印刷在玻璃或陶瓷底板上,再经光刻而成,-70~500℃;
    Ø         数学模型:
    -200~0℃:                                2-22  
    0~850℃:                   2-23
    式中:
    l         铜热电阻:
    Ø         特点:测温范围:-40~140℃,线性好,价格低、体积大;
    Ø         种类:Cu50和Cu100,0℃时分别50欧姆和100欧姆:
    Ø         数学模型:
                                    2-24
    式中:
    l         分度表:分度表:表格形式列出的R~T关系,由数学模型计算出;P423附录2
    3)标准热电阻结构:
    4)热电阻的测温误差:
    l         分度误差:材料纯度和工艺致使;
    l         通电发热误差(自升温):无法消除,可用规定zui大电流<6mA,传热条件好来减小。
    l         线路电阻变化引入的误差:可串联电位器调整,规定三线、四线接线方法等减小;
    l         附加热电势:接点处构成热偶,可通过接点靠近,同温等办法减小或消除。
    5)接线方法
    l          三线制接法:热电阻与电桥配合使用时,可有效减小连线误差。
    Ø     平衡电桥原理测电阻:

    c
    dd
    a
    b
    RJ
    电桥平衡时:

              2-25
       2-26
     
    设计时满足:
    式2-26变成:,即,温度变化时调整R3即可使电桥平衡,用可变电阻R3即可刻度Rt同时不受连线电阻影响。三线制作用明显!!
     
    Ø     不平衡电桥原理测电阻:
    原理:除测温电阻外,其它桥臂电阻不可变。设计工况下电桥处于平衡状态(如0℃下),当被测温度偏离设计状态时,电桥失去平衡,检流计显示出不平衡电流的大小,并以此电流反映温度变化的数值。

    IJ
    Rcd
    Ucd
    RJ
    数学模型推导思路:

    ²        用等效发电机原理画出检流计以外的等效电路:先让电压源短路,电流源开路,忽略电源支路电阻时求出等效电阻Rcd,再将检流计支路开路求出等效Ucd;
    ²        求出IJ与Rt,r等参数的关系。
    [具体求法课下完成]
     
    说明:
    ²        不平衡电桥测量模型中,测量精度电路中的所有元器件相关(公式中有体现),所以除测温电阻外,均要保持稳定;
    ²        IJ与测量电阻的关系非线性;
    ²        三线制有补偿效果但不完善,只能部分抵消;
    ²        工作电源的稳定性对测量结果影响很大(不同于平衡电桥);
    ²        对检流计的精度、灵敏度要求很高。
    l          四线制接法:
    此方法用于恒流源驱动、电位差计测量的情况。
     
    因为电位差计是高阻抗输入,故连线电阻r对电位差不产生影响。
     
     
     
     
    l         特别注意:无论三线制还是四线制,导线都必须从电阻感温体的根部引出,不要从端子处引出。
    2.2.4 热敏电阻温度计
    l         热敏电阻:金属氧化物或半导体作为电阻体的感温元件。由正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)和临界温度系数(CTR)三种。NTC常用于温度测量,PTC和CTR常用于温度开关器件。
     
    l         NTC的数学模型:
                                2-27
    相对温度系数:
                              2-28
    B—材料及结构参数(常数)
    l         热敏电阻的特点:
    Ø         温度系数大,灵敏度高,阻值大(连线电阻影响可忽略);
    Ø         结构简单、体积小、热响应快、价格低;
    Ø         互换性差;
    Ø         民用较多。
    2.2.5 接触式测温讨论
    1)接触测温过程中的传热问题
    锅炉尾部烟道烟温测量为例:

    Q1
    过热器
    省煤器
    T2
    T1
    T3
    T4
    T5
    Q2
    Q3
    Q4

    由烟气流程知:
    T1(烟温)>T2(热端温度)>T3(过热器壁温)>T4(省煤器壁温)>T5(墙外气温);
    传热学知:有温差就有传热。因此,Q1为烟气传给热电偶热端的热量;Q2为套管传给环境的热量; Q3、Q4为热端辐射给换热器冷表面的热量。
           热平衡时:Q1=Q2+Q3+Q4
    因正常工作时Q2、Q3、Q4散热永远存在,故Q1必然存在,
    所以T1¹T2即测温误差永远存在。
    减小误差的办法:增大Q1,减小Q2Q3Q4
    2)导热误差及其对策
    l         误差公式
    导热存在于热电偶套管上,因T2> T5造成。
    若只考虑被测介质向传感器内插部分的对流换热,沿传感器向外导热和传感器外露部分相空间的散热,且达到热平衡时,由传热学原理推导出的导热误差公式如下:
     

    T5
    T2
    T1
    α1
    α2
    L1
    L2
    d1
    d0
    L1

                2-29
    式中:   
                  、—管道内外介质与传感器之间的换热系数
                  、—套管内外两段的导热系数
                  、—L1,L2两段的外圆周长
                  、—L1,L2两段的截面积

    数学补充:在x>0时,
    ch(x)是双曲余弦函数,自变量增大时,函数值增大;
    th(x)双曲正切函数,自变量增大时,函数值增大;
    cth(x)双曲余切函数,自变量增大时,函数值减小;

                  、—内插、外露长度

    l         结论:
    Ø       ,必然存在,切不可消除,与测量仪表的精度无关;
    Ø       除外,、均影响误差值,减小应从设计、制造、安装等方面同时考虑;
    l         减小导热误差的具体措施:升高T5和增大降低
    Ø         插入段分析:应增大:
    增大b1-> 需增大 ,U1;降低和F1
    ²        :流动介质流速越高数值越大
    办法 传感器插入管道中心;
            采用抽气式结构,人为提高流速。
    ²        增大L1-> 与综合考虑,既要增加插入深度,又要保证传感器在管道中心,办法只能“斜插”或“在弯头处插”(注:对于高温、高压、高速等介质,从强度上考虑,不允许这种安装方式)。
    ²        增大U1与减小A1:二者矛盾,一般设计成细且薄壁的形式。
    ²        减小:采用热导率小的材料做套管,例如不锈钢或非金属材料。
    Ø         外露段分析:应降低

    综上:减小导热误差必须从设计、制造、安装等多方面综合考虑。

    为制造方便,传感器保护套管的截面积尺寸和材料应保持一致,因此外露段的A2U2、不能变化,只有减小和L2;办法:外露部分尽可能短;同时加包保温材料。

    2)辐射换热误差及对策
    l         误差公式

    T2
    T3
    Q3
    T1
    α1

                            2-30
             式中:-传感器套管端部黑度;
                           -斯特芬-波尔兹曼常数;
                           —介质与传感器之间的换热系数。
    l         减小辐射换热误差的方法:
    Ø         降低:保护套管表面光滑;
    Ø         升高:插入中心、加大流速(同导热情况);
    Ø         T3升高: 传感器远离冷物体;
     加装遮热罩
    2.3 非接触式测温
    如,非典时期车站、机场等使用的红外温度计等
    2.3.1 概述
    l         特点:
    Ø         不干扰被测对象温度场;
    Ø         不会受到被测对象的腐蚀和毒化;
    Ø         不必与被测对象同温,测量上限不受限制;
    Ø         不必与被测对象达到热平衡,动态特性好;
    Ø         测量准确性受环境及对象性质影响较大。
    l         依据:物体的辐射能量与其温度之间的函数关系。
    l         运用场合:高温测量(冶金、铸造、热处理、玻璃、陶瓷、耐火材料生产等),不适于接触式测量的场合。
    l         测温范围:常温(红外)到900℃以上的高温区。
    2.3.2 辐射测温物理基础
    1)概念
    l         热辐射:物体处于0K以上任何温度,其内部带电粒子的热运动会发出不同波长的电磁波,这种现象称为热辐射(或温度辐射)。
    l         辐射能Q:以辐射的形式发射传播或接收的能量,单位为焦耳[J]。
    l         辐射通量:辐射能随时间的变化率(或辐射率),单位为瓦特[W]。
    l         辐射出射度(M):若辐射源表面上的元面积在半个空间的总辐射通量,则元面积的辐射出射度为:
                   W/m2           2-31
    l         单色辐射出射度:在波长()范围内的辐射出射度。
                W/m3           2-32
    l         绝对黑体:在任何温度下,对投射到其上的任何波长的热辐射均能全部吸收的物体。
    l         单色辐射黑度(光谱发射率):物体在温度T时,单色辐射出射度与同温度、同波长的绝对黑体的单色辐射出射度之比。
                              2-33
    l         全辐射黑度(全发射率):
                                  2-34
    l         灰体:若物体的不随波长的改变而变化,则这种物体称为灰体。
    l         实际物体:物体的随波长的改变而变化,则这种物体称为实际物体。
    2)基本定律
    l         普朗克定律(单色辐射强度定律):绝对黑体的单色辐射出射度与波长和温度的关系如下:
                             2-35
    式中:     C1=3.7418´10-16      W˙m2普朗克*常数。
                   C2=1.4388´10-12       m˙K 普朗克第二常数。
                   n - 与绝对黑体香灵物质的折射率,空气n=1.00029。
    l         维恩公式 当 >>1时,普朗克公式简化成维恩公式:
                                  2-36
    当T<3000K且可见光范围内,常用此公式。
    l         斯蒂芬-玻耳兹曼定律(全辐射定律):绝对黑体的总辐射出射度与表面温度之间符合:
                         2-37
    通常取=1,-斯蒂芬-玻耳兹曼常数,5.66961´10-3W/(m2˙K4
    l         实际物体的辐射能力:
    Ø         单色辐射出射度:
    Ø         全辐射出射度:
    Ø         实际物体的黑度
    3)辐射测温仪表的种类
    l         依据单色辐射原理        光学高温计
    光电高温计
    比色高温计
    红外测温仪
    ……
    l         依据全辐射原理            辐射高温计
    部分辐射温度计
    4)光学高温计
    l         原理:用已知温度的灯丝亮度与被测物体亮度相比,当二者相等时,用灯丝温度反映被测温度。
     [分析]
    Ø         由普朗克公式,波长一定时,测出黑体的单色辐射出射度就可算出温度;而单色辐射出射度又与亮度一一对应,人眼可分辨出亮度,故产生此设想。
    Ø         普朗克定律只适用于黑体,而实际物体的黑度不为定植,故只有按黑体温度进行刻度才有通用性。
    Ø         若直接测量实际物体,所读出的温度称为亮度温度,物体的真实温度要进行黑度修正。
    l         亮度温度:当实际物体在某一波长下的单色辐射亮度与绝对黑体在同一波长下的单色辐射亮度相等时,黑体的温度称为实际物体的亮度温度。
    l         结构及操作:国产WGG2-201型光学高温计
    Ø         结构:
    1-物镜 2-吸收玻璃 3-灯泡 4-红色滤光片 5-目镜 6-电压表 7-刻度调整电阻
    Ø         操作方法:调节目镜,清晰看到灯丝;调节物镜清晰看到物体;调节刻度电阻使灯丝隐灭,读出亮度温度。
    l         主要部件及作用
    Ø         红色滤光片:使亮度比较在0.66微米波段进行(保证单色、可见);
    Ø         吸收玻璃:保证灯丝不过热的条件下增大光学高温计的测量范围(似墨镜)。
    l         误差分析
    Ø         非黑体辐射的影响-已知物体黑度可计算修正,否则创造人工黑体环境;
    Ø         中间吸收介质的影响-如雾里车灯,不易修正,应选择测点位置;
    Ø         火焰及其它发光体的影响-加装观测管;
    Ø         环境温度影响-在灯丝上造成温度梯度引起误差,固定环境温度;
    Ø         读数误差-主观±4℃。
    5)辐射高温计
    l         原理:测出全辐射出射度对应出温度,斯蒂芬-玻耳兹曼定律。
    黑体:     实际物体:
    l         辐射温度:当实际物体辐射出射度与绝对黑体的辐射出射度相等时,黑体的温度称为实际物体的辐射温度。仪表按黑体刻度,读数为辐射温度,黑度修正后才得实际温度。
    l         结构
    Ø         显示仪表:mV表,动圈表、点温差计等
    Ø         辐射传感器:   光学系统       透镜式(如图)
    反射式
    混合式
    辐射变换系统       光电变换式:反应快、电量输出;
                                热变换器:热电堆、热电阻、双金属片等;
     
     
    l         误差:
    Ø         黑度影响
    Ø         中间介质影响
    Ø         距离、目标大小影响
    Ø         环境温度影响等。
    2.4 温度变送器
    l         作用 接受温度传感器信号并转换成标准信号输出。
    Ø         工业常用温度传感器:热电偶、热电阻;
    Ø         标准信号:两线制4~20mA或 1~5V或标准协议的数字信号。
    l         要解决的技术问题:
    信号调理(滤波、放大、零点调整、量程调整、线性化、能量限制及电压/电流转换驱动等),热电偶冷端补偿。――电子技术
    l         DDZ-III型温度变送器
    Ø         特点:    24VD.C集中供电,两线制;
                         集成运算放大器为核心器件;
                         具有热电阻、热电偶线性化功能;
                         兼有安全栅作用,可用于本安防爆系统。
    Ø         电路结构分析:
    ²        量程单元     直流毫伏:信号调理;
    热电偶:信号调理+冷端补偿;
    热电阻:三线接入(桥式测量)+信号调理。
    ²        放大单元     直交直变换电路:供电;
    信号及功率放大电路:放大信号、驱动输出;
    反馈电路:与运放组成负反馈放大;
    输出回路:
    变压器信号隔离电路。
    l         一体化温度变送器
    Ø         结构:小型化(可安装在传感器接线盒中),固态化(无可维修部件)
    Ø         特点:    节省了热电偶补偿导线;
    传输抗干扰能力强(4~20mA)
    体积小不占空间;
    无需维护。
     
    Ø         图片
     
    2.5 新型温度传感器简介
           近几年开发出来,已经或正在走向实用化的温度传感器。
    l         开发依据       新型传感效应:光、磁、力、化学、生物等等效应;
    新型敏感材料:单晶、多晶、非晶、微晶等等;
    新型加工工艺:薄膜加工(蒸发、溅射、沉积、分子束外延、微加工等)、光纤制造、集成等等工艺;
    新的信号处理方法:数字化、标准化、智能化等。
    l         典型产品       模拟式半导体温度传感器AD590
    数字式半导体温度传感器DS1820系列(可构成单总线系统)
    光纤温度传感器
    l         发展方向     数字化、网络化。
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