第三章　温度测量与控制系统

null第三章　温度测量与控制系统第三章　温度测量与控制系统温度测量和控制的重要性： 1、保证产品质量； 2、节约能源； 3、 安全生产 安全生产管理档案一煤矿调度员先进事迹安全生产副经理安全生产责任最近电力安全生产事故安全生产费用投入台账 等。null一、温度与温标3.1 温度测量与控制系统概述 （一）温度 温度是国际单位制给出的基本物理量之一，是材料成形热加工生产中基本的和最常用的工艺参数之一,对温度的测量和控制越来越普遍, 而且对温度测量和控制的准确度也有更高的要求。 从热平衡的观点看，宏观上是 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示物质冷热程度的物理量；微观上是物质内部分子热运动激烈程度。null（二）温标 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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 尺度，定量描述温度的高低所建立温度标尺, 即温标。温标就是温度的数值表示。 利用一些物质的某些物性（诸如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等）随温度变化的规律，通过这些量来对温度进行间接测量。 历史上提出过多种温标 经验温标（华氏温标、摄氏温标） 热力学温标 国际温标null 经验温标华氏温标 1714年德国人华伦海特（Fahrenheit）基于虎克定律的研究，将冰与盐混和后，所能达到的最低温度定为0℉，而概略的将人体温度定为100℉，两者间等分成100个刻度。 按照华氏温标规定，在标准大气压下，水的溶点为32℉，沸点为212℉，中间有180等分，每等分为华氏1度。 null摄氏温标 1742年，瑞典人摄尔修斯（Celsius）将水的冰点规定为100℃，沸点定为0℃，两者间平均分成100个刻度，和现行的摄氏温标刚好相反。直到1743年才被修改成现行的摄氏温标。 按照摄氏温标规定，在标准大气压下，水（冰）的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分为100等份，每等份为1℃。 摄氏温度和华氏温度的换算关系为： T ℉ =9/5 t℃ +32 式中 T——华氏温度值； t——摄氏温度值。 热力学温标 热力学温标 1848年开尔文（Ketvin）以卡诺循环为基础提出了热力学温标，即热量起着测温质的作用 。 热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。 热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度——绝对零度与水的三相点温度分为273.16份，每份为1K（Kelvin） 。 国际温标 国际温标 指导思想：国际 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 性温标，与热力学温标相接近，复现精度要高，制作较容易，性能稳定，使用方便； 1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称ITS—90。 ITS一90定义了国际摄氏温度和国际开尔文温度，两者之间 关系为：(三)温度标准的传递(三)温度标准的传递 与国际实用温标有关的基准仪器均由国家指定机构（我国由中国计量科学研究所）保存，并通过下级计量机构（如省、市级的技术监督局）进行传递，通常采用较高级对较低级进行校验。 接触式温度测量 接触式温度测量 1) 测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低； 2) 由于感温元件与被测介质直接接触，从而要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。二、 温度检测方法和仪表 根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。 非接触式温度测量 非接触式温度测量 1） 感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物 体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度； 2） 非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性 小，测温上限可 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 得很高，便于测量运动物体的温度和 快速变化的温度等优点。null接触式与非接触式测温特点比较null各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围null三、 温度传感器及控制系统综述 1．经典的分立式温度传感器 （含敏感元件）／控制器 此类温度测量与控制在一定的场合具有相应的测量精度和分辨力，虽外围电路较复杂，有时还需进行温度校准（如非线性校准、温度补偿、输出标定等），但使用方便、可靠。但是不适用超高温场合适用性差。null 此类温度测量与控制器是利用半导体工艺，将温度传感器集成在一个芯片上，完成温度测量及模拟信号输出的功能。但是此类结构的功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、体积小、微功耗，适合远距离测温、控温，无需进行非线性校准，外围电路简单。 2．模拟集成温度传感器／控制器null3．数字温度传感器／控制器 此类温度测量与控制器包含温度传感器、A/D转换器、存储器（或寄存器）和接口电路，甚至有些还带有多种选择器、中央控制器( CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。 特点： ① 能输出适配各种微控制器的温度数据及与温度相关的控制量； ② 利于构成结构简单并且高性价比，功能齐全的测控系统； ③ 在硬件的基础上可通过软件来实现测试功能。 null3.2 温度传感器与温度测量 一、接触式测温 根据测温转换的原理，接触式测温可分为： 1、膨胀式(包括液体和固体膨胀式) 2、热电式(包括热电偶和PN结) 3、热阻式(包括金属热电阻和半导体热电阻) null1、热膨胀式测温方法 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。 按膨胀基体可分成：液体膨胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金属温度计 特点： 1、测量范围大都在-50℃～550℃内 2、用于温度测量或控制精度要求较低，不需自动记录的场合。 null压力温度计 压力温度计是根据一定质量的液体、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的原理实现其测温功能的。 特点： 强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差 测温范围下限能达-100℃以下，上限最高可达600℃ 一般用于汽车、拖拉机、内燃机、汽轮机的油、水系统的温度测量 nullnullnull双金属温度计当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。 基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是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（俗称双金属温度计）。null 双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类，其测温范围大致为-80℃—600℃，精度等级通常为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。 null热电偶是材料加工过程和武器装备试验中温度测量应用最多的器件。 特点：测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动态响应较好；输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。2、热电式(包括热电偶和PN结)热电偶null热电偶测温原理 热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同的导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，由于这种热电效应现象是1821年塞贝克（Seeback）首先发现提出，故又称塞贝克效应。 null热电偶闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：温差电势和接触电势。 温差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生的电势。 接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，而热电极接点接触面处就产生自由电子的扩散现象，当达到动态平衡时，在热电极接点处便产生一个稳定电势差。null 热电偶两热电极分别叫 A（正极）和B（负极），两端温度分别为 且 ；热电偶回路总电势为： 其中温差电势EA（T，T0）和EB（T，T0）比接触电势小很多，可忽略不计，且EAB（T0）总与EAB（T）的方向相反，上式简化为： null热电偶分类及特性 为了得到实用性好，性能优良的热电偶，其热电极材料需具有以下性能： (1) 优良的热电特性； (2) 良好的物理性能 ； (3) 优良的化学性能 ； (4) 优良的机械性能 ； (5) 足够的机械强度和长的使用寿命； (6) 制造成本低，价值比较便宜。null工业用热电偶测温范围null热电偶结构热电偶通常主要由四部分组成： 热电极、绝缘管、保护管和接线盒。<1000度:金属材料； >1000度:氧化铝或工业陶瓷绝缘管接线盒普通工业用热电偶null 铠装热电偶，是将热电偶丝和绝缘材料一 起紧压在金属保护管中制成的热电偶。 优点：测量温度范围宽，准确 ，响应速度快 ，可以弯曲、安装使用方便，使用寿命长 ，机械强度、耐压性能好 ，铠装热电偶外径尺寸范围宽 ，铠装热电偶的长度可以做得很长。 铠装热电偶null表面热电偶（科研用）真空蒸镀 或化学涂层镍铬-镍硅 铜康-铜极薄：0.01~0.1μm云母或浸渍酚醛塑料 60mm*6mm*0.2mm工艺特点： 响应速度快（ms） 测温范围<300度热电偶的冷端处理和补偿 热电偶的冷端处理和补偿 热电偶温度测量 热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，通过测量热电势的大小得到热端的温度。 实际使用的热电偶分度表，都是以热电偶参比端为0℃条件下制作的。在工业测温现场一般不能使参比端保持0℃。null（1）冷端恒温法（5）冷端补偿器法 （3）补偿导线法（2）冷端温度校正法不稳定补 偿 方 法（4）补偿热电偶法null（1）冷端恒温法（a）把冷端引至冰点槽内，维持冷端始终为0℃，但使用起来不大方便。 （b）把冷端用补偿导线引至电加热的恒温器内8精度最高！null中间温度定律： 热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势EAB(T,T0)等于热电偶AB在接点温度为T、TC和TC 、 T0时的热电势EAB(T,TC)、EAB(TC,T0)的代数和。 计算公式：（2）冷端温度校正法EAB(T,T0)= EAB(T,TC)+EAB(TC,T0)null查表EAB实际测量查表TT0=0CT0=恒温中间温度定律Tnull恒温易干扰补偿导线0~100C（3）补偿导线法null 根据中间温度定律，用另一支热电偶测量出测温热电偶的冷端温度来进行修正。（4）补偿热电偶法null（5）冷端补偿器法 在热电偶测温系统中串 联一个不平衡电桥，此电桥输 出的电压随热电偶冷端温度变 化而变化，从而修正热电偶冷 端温度波动引入的误差。null3、热阻式(包括金属热电阻和半导体热电阻)热电阻 对于500℃以下的中、低温,热电偶输出的热电势很小，容易受到干扰而测不准。一般使用热电阻温度计来进行中低温度的测量。 热电阻有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。 一、金属热电阻 金属热电阻测温精度高,大多数金属电阻阻值随温度升高而增大。具有正温度系数。α=1 dRR dT温度系数null 工业中用得最多的是铂电阻和铜电阻，也有镍电阻、铟电阻、锰电阻及碳电阻等用于低温及超低温测量。 电阻温度系数大，电阻率大； 在测温范围内物理化学性能稳定； 温度特性的线性度好。作为工业用热电阻的材料要求：null铂(铜)热电阻null 电阻温度关系： R t =R0 [1+At+Bt2+C(t-100)t3] (-200~0℃) R t =R0 (1+At+Bt2) ( 0~850℃) 铂电阻有两种分度号：Pt10 , Pt100铂电阻 铂材料容易提纯，其化学、物理性能稳定；测温复现性好、精度高。被国际电工委员会规定为-259~+630 ℃间的基准器，但线性度稍差，常用于-200~+600 ℃温度测量。null铜电阻 铜电阻应用在测量精度要求不高且温度较低的场合，价格便宜,线性度好,但温度稍高易氧化,常用于-50~+150 ℃温度测量。铜电阻有两种分度号：Cu50 ，Cu100 。电阻温度关系： R t =R0 (1 +αt) (-50~150℃) α=4.28×10-3/℃ null普通热电阻结构 热电阻的结构型式常见有普通型热电阻、铠装热电阻。其结构是，以云母片或石英玻璃柱作骨架，将金属丝用双线法绕在骨架上，以消除电感。此外，还有薄膜型热电阻。 小型铂热电阻小型铂热电阻防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻 汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻铂电阻温度显示、变送器铂电阻温度显示、变送器可设定温度的温度控制箱可设定温度的温度控制箱 旋转式机械 设定开关拨码式设定开关null　　用金属丝热电阻进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。 热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。 　热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。金属丝热电阻的测量电路两线制两线制 这种引线方式简单、费用低，当由于环境温度或通过电流引起导线温度变化时会带来附加电阻，引起测测量误差。 两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。三线制:用于工业测量，具有相同温度特性的导线接于相邻两桥臂上，此时由于附加电阻引起的电桥输出将自行补偿。null热电阻的三线制接法 电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，必须用三线接法。null 电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻必须用三线制接法，以抵消接线电阻随温度变化对电桥的影响。 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。 热敏电阻是由某些金属氧化物按不同的配方比例烧结制成的。 一般说，半导体比金属具有更大的电阻温度系数。 半导体热敏电阻包括: 正温度系数（PTC） 负温度系数（NTC）二、热敏电阻热敏电阻的电阻－温度特性热敏电阻的电阻－温度特性 大多数：负温度系数。温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数 特别适用于：－100～＋300℃之间测温。 PTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。其用途主要是彩电消磁、各种电器设备的过热保护等。 CTR也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。 各种热敏电阻的阻值在常温下很大，给使用带来方便。热敏电阻的主要特性：热敏电阻的主要特性：1.温度特性（为指数关系）热敏电阻在温度为T时的电阻值为： 2.伏安特性 U=f(I) 在稳定情况下，通过热电阻的电流I与其两端之间的电压U的关系称热敏电阻的伏安特性。null特点： 电阻温度系数大，灵敏度高； 电阻率大，适宜动态测量； 阻值与温度变化成非线性； 价格低廉。 非线性大，老化较快和对环境温度的敏感性大。null MF12型 NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻 玻璃封装 NTC热敏电阻MF58 型热敏电阻null带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻null 贴片式NTC热敏电阻null热敏电阻LCD热敏电阻体温表 热敏电阻体温表 热敏电阻用于CPU的温度测量 热敏电阻用于CPU的温度测量 热敏电阻用于电热水器的温度控制 热敏电阻用于电热水器的温度控制 null 任何物体处于绝对零度以上时，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。 测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体，而不必与物体接触，因此可以测量运动物体的温度并不会破坏物体的温度场。此外，由于感温元件只接收辐射能，不必达到被测物体的实际温度.从理论上讲，它没有上限，可以测量高温。故高温测量中应用最广泛，主要应用行业为冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等生产过程中。 非接触测温仪表分类：光学高温计、辐射式温度计二、辐射法测温(非接触式测温)1、热辐射基本定理1、热辐射基本定理辐射换热是三种基本的热交换形式之一 波长范围：10-3m～10-8m 在低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是红外线。随着温度的升高，辐射能量急剧增加，辐射光谱也向短的方向移动，在5000C左右时，辐射光谱包括了部分可见光；到8000C时可见光大大增加，即呈现“红热”；如果到30000C时，辐射光谱包括更多的短波成分，使得物体呈现“白热”。 辐射测温的基本原理：观察灼热物体表面的“颜色”来大致判断物体的温度。(1)、热辐射的重要参数(1)、热辐射的重要参数① 辐射能Q：以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，单位为焦耳(J)。 ② 辐射能通量：是辐射能随时间的变化率，又称辐射率： 单位是瓦特(W)。 ③ 辐射强度I：在给定方向上的立体角单元内，离开点辐射源(或辐射源面单元)的辐射功率除以该立体角单元，称为该方向上的辐射强度，其单位为瓦/球面度(W/sr)。null④ 辐射出射度M：离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积，称为该点的辐射出射度，即 辐射出射度的单位为瓦/米2(W/m2)。 ⑤ 辐射亮度L和光谱辐射亮度：表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为该方向的辐射亮度L。辐射亮度实际上包括所有波长的辐射能量。如果是辐射光谱中某一波长的辐射能量则称为在此波长下的光谱辐射亮度。(2)、辐射能的分配(2)、辐射能的分配 当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的性质，会发生部分能量吸收、透射和反射。 α ―吸收率； τ ―透射率； ρ ―反射率。 (3)、物体分类：(3)、物体分类：黑体（绝对黑体）：照射到物体上的辐射能全部 被吸收，既无反射也无透射。 透明体： 照射到物体上的辐射能全部透射过去，既 无吸收又无反射。 镜体、白体： 照射到物体上的辐射能全部反射出 去。若物体表现平整光滑，反射具有一定规 律，则该物体称之为“镜体”；若反射无一定 规律，则该物体称为“绝对白体”或者简称为 “白体”。 null 在自然界中黑体、白体和透明体都是不存在的。一般固体和液体的τ值很小或等于零，而气体的τ值较大。对于一般工程材料来讲， τ＝0而α+ρ =1，称为灰体 。 从传热学角度看，可以人为制造黑体。 2、辐射测温的常用方法2、辐射测温的常用方法1)亮度测温：测出物体在某一波段上的辐射亮度,确定被测物体的温度。使用滤光片————单色辐射光学高温计 特点：结构简单、使用方便、灵敏度高、抗干扰，有一定偏差。 2)全辐射测温：测出物体在整个波长范围内的辐射能量,确定被测物体的辐射温度。斯忒潘—玻耳兹曼定律（四次方定律）———辐射温度计 特点：灵敏度低,容易受环境干扰，偏差较大。 3)比色测温：测出物体在两个特定相近波长范围上的辐射能量之比，确定被测物体的比色温度。————比色高温计 特点：灵敏度较高,偏差小,中高温测量，抗干扰能力强，但结构复杂，价格昂贵。 4）红外辐射测温：测出被测目标的红外辐射能量,确定被测物体的温度。3、材料加工中测温技术的应用3、材料加工中测温技术的应用1) 工件表面温度的检测：以接触式测温（热电阻和热电偶）为主，但准确度并不高，在精度要求比较高的场合采用测温罩（非接触式测温）。 2) 加热炉(小型工业炉)温度的测量：以非接触式测温(全辐射测温)为主,相对比较准确,例如测温管,但是使用过程中需要考虑测温器件的保护 3) 熔融金属和熔渣的温度测量： a) 定时间断测量 浸入式热电偶 b）长期连续测量 浸入式热电偶（铂铑30 -铂6），光耦合器—光导纤维非接触式 4）气体介质温度的测量： 铠装热电偶 吸取式热电偶 5）液体介质温度的测量：主要采用接触式测量，传感器的选择需要根据液体的性质，传感器的安装和配置需要考虑实际情况null 1）模拟集成温度传感/控制器 模拟集成温度传感器将温敏元件和外围电路集成在一个芯片上构成,相当于一个测温器件。 特点：体积小、反应快、线性较好、价格便宜，测温范围为-50~150℃。 模拟集成温度传感器按输出量形式不同，可分为电压型、电流型。4、智能化的温度传感/控制器null 模拟集成温度传感器，根据输出方式的不同，可以分为 ① 电流输出式集成温度传感器； （AD590） ② 电压输出式集成温度传感器； 应用于模拟式显示表等 ③ 周期输出式集成温度传感器； ④ 频率输出式集成温度传感器； ⑤ 比率输出式集成温度传感器。 与单片机、可编程序控制器等构成智能测温系统null 目前的检测控制系统的应用中检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。模拟集成温度传感器通常需要将不标准的模拟检测信号，如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准模拟信号输出，或者形成周期的脉冲信号输出，利于与微机、单片机和PLC构成测量精度相对较高的智能温控系统。 模拟控制系统的信号标准是： Ⅱ 型：0~10mA、0～10V III型：4～20mA、1～5V 数字控制系统的信号标准有： FF协议、 HART协议等一类模拟集成传感器二类模拟集成传感器null 2）智能温度传感/控制器 是采用数字化技术，能以数字形式直接输出被测温度值，具有测温误差小、分辨力高、抗干扰能力强、能够远程传输数据、用户可设定温度上、下限、有越限自动报警功能、自带串行总线接口等优点，适配各种微控制器( MCU)，含微处理器和单片机，是研制和开发具有高性价比的新一代温度测控系统所必不可少的核心器件。null温度检测控制系统的分析