第6章 温度检测技术
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第6章 温度检测技术
6.1 温度与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.6 辐射法测温 6.7 新型温度传感器及其测温技术
前言
➢ 温度是国际单位制给出的基本物理量之一， 它是工农业生产、科学试验中需要经常测 量和控制的主要参数；
测量 条件
测量 范围
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
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
wk.baidu.com
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
非接触式温度测量
➢ 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;
➢ 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。
➢ 接触式与非接触式测温特点比较
方式
接触式
非接触式
PV=RT
(6-2)
当气体的体积为恒定(定容)时，其压强就是温度的 单值函数。这样就有：
T2/T1=P2/P1
国际实用温标
➢ 指导思想：尽可能地接近热力学温标，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一90。
➢ ITS一90基本内容为： 重申国际实用温标单位仍为K； 国际摄氏温度和国际实用温度关系为：
➢ 膨胀式测温是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。
➢ 从热平衡的观点看，温度可以作为物体内 部分子无规则热运动剧烈程度的标志；
➢ 温度与人们日常生活紧密相关。
6.1 温标与标定
6．1．1 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
6. 1. 2 标定
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尺度，即 温标。
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
➢ 各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围
6.3 热膨胀式测温方法
➢6.3.1.玻璃温度计 ➢6.3.2压力温度计 ➢6.3.3双金属温度计
➢ 根据测温转换的原理，接触式测温又可分 为膨胀 (包括液体和固体膨胀) 式，热阻 (包 括金属热电阻和半导体热电阻) 式、热电(包 括热电偶和PN结)式等多种形式。
t90 T90 273.15
把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器 如下：
①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽温度计； ②3.0—24.5561K，用3He和4He定容气体温度计； ③13.803K—961.78℃，用铂电阻温度计； ④961.78℃以上，用光学或光电高温计；
新确认和规定17个固定点温度值以及借助依据 这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器 来实现整个热力学温标。见表6-1所示：
➢ 标准表法：
➢ 把被标定温度计(传感器)与已被标定好的更 高一级精度的温度计(传感器)，紧靠在一起， 共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温 调节到所选择的若干温度点，比较和记录 两者的读数，获得一系列对应差值，经多 次升温，降温、重复测试，若这些差值稳 定，则把记录下的这些差值作为被标定温 度计的修正量，就成了对被标定温度计的 标定。
标定
对温度计的标定，有标准值法和标准表法两种方 法：
➢ 标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际温 标定义的固定温度点(恒温)作标准值，把被标定温 度计(或传感器)依次置于这些标准温度值之下，记 录下温度计的相应示值(或传感器的输出)，并根据 国际温标规定的内插公式对温度计(传感器)的分度 进行对比记录，从而完成对温度计的标定；被定 后的温度计可作为标准温度计来测温度。
➢ 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1 K (Kelvin) 。
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。由波义耳定律：
6.2 测温方法分类及其特点
➢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。
接触式温度测量 非接触式温度测量
接触式温度测量
➢ 测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相 对较低；
➢ 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。
1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大 气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点 规定为100度。
摄氏温度和华氏温度的关系为
T ℉ = t℃ + 32
(6-1)
式中 T——华氏温度值;
t——摄氏温度值。
热力学温标
➢ 热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提 出的，以卡诺循环(Carnot cycle)为基础。
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
精度
响应 速度
其它 特点
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
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
➢ 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。
经验温标
➢ 华氏温标
1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水 银为测温介质，制成玻璃水银温度计。
按照华氏温标，则水的冰点为32℉，沸 点为212℉
经验温标
➢摄氏温标
6.1 温度与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.6 辐射法测温 6.7 新型温度传感器及其测温技术
前言
➢ 温度是国际单位制给出的基本物理量之一， 它是工农业生产、科学试验中需要经常测 量和控制的主要参数；
测量 条件
测量 范围
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
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
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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
非接触式温度测量
➢ 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;
➢ 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。
➢ 接触式与非接触式测温特点比较
方式
接触式
非接触式
PV=RT
(6-2)
当气体的体积为恒定(定容)时，其压强就是温度的 单值函数。这样就有：
T2/T1=P2/P1
国际实用温标
➢ 指导思想：尽可能地接近热力学温标，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一90。
➢ ITS一90基本内容为： 重申国际实用温标单位仍为K； 国际摄氏温度和国际实用温度关系为：
➢ 膨胀式测温是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。
➢ 从热平衡的观点看，温度可以作为物体内 部分子无规则热运动剧烈程度的标志；
➢ 温度与人们日常生活紧密相关。
6.1 温标与标定
6．1．1 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
6. 1. 2 标定
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尺度，即 温标。
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
➢ 各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围
6.3 热膨胀式测温方法
➢6.3.1.玻璃温度计 ➢6.3.2压力温度计 ➢6.3.3双金属温度计
➢ 根据测温转换的原理，接触式测温又可分 为膨胀 (包括液体和固体膨胀) 式，热阻 (包 括金属热电阻和半导体热电阻) 式、热电(包 括热电偶和PN结)式等多种形式。
t90 T90 273.15
把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器 如下：
①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽温度计； ②3.0—24.5561K，用3He和4He定容气体温度计； ③13.803K—961.78℃，用铂电阻温度计； ④961.78℃以上，用光学或光电高温计；
新确认和规定17个固定点温度值以及借助依据 这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器 来实现整个热力学温标。见表6-1所示：
➢ 标准表法：
➢ 把被标定温度计(传感器)与已被标定好的更 高一级精度的温度计(传感器)，紧靠在一起， 共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温 调节到所选择的若干温度点，比较和记录 两者的读数，获得一系列对应差值，经多 次升温，降温、重复测试，若这些差值稳 定，则把记录下的这些差值作为被标定温 度计的修正量，就成了对被标定温度计的 标定。
标定
对温度计的标定，有标准值法和标准表法两种方 法：
➢ 标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际温 标定义的固定温度点(恒温)作标准值，把被标定温 度计(或传感器)依次置于这些标准温度值之下，记 录下温度计的相应示值(或传感器的输出)，并根据 国际温标规定的内插公式对温度计(传感器)的分度 进行对比记录，从而完成对温度计的标定；被定 后的温度计可作为标准温度计来测温度。
➢ 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1 K (Kelvin) 。
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。由波义耳定律：
6.2 测温方法分类及其特点
➢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。
接触式温度测量 非接触式温度测量
接触式温度测量
➢ 测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相 对较低；
➢ 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。
1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大 气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点 规定为100度。
摄氏温度和华氏温度的关系为
T ℉ = t℃ + 32
(6-1)
式中 T——华氏温度值;
t——摄氏温度值。
热力学温标
➢ 热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提 出的，以卡诺循环(Carnot cycle)为基础。
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
精度
响应 速度
其它 特点
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
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
➢ 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。
经验温标
➢ 华氏温标
1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水 银为测温介质，制成玻璃水银温度计。
按照华氏温标，则水的冰点为32℉，沸 点为212℉
经验温标
➢摄氏温标