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温度的测试

助工
2018-01-08 14:47:54    评分

   温度是一个重要的基本物理量,温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目。它在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。

   从宏观上看,温度的概念是建立在热平衡基础上的。如有两个各自处于热平衡状态下的热力学系统,当它们互相接触时它们的状态会发生变化,彼此间进行热交换,当达到动态热平衡时两个系统的温度相同。因此,温度表征了一个物体或系统热平衡状态的宏观性质。从微观上看,温度又反映了物体或系统分子热运动的激烈程度或平均动能的大小。

   在生产和科学研究中,为了便于测量结果准确一致,需要给物体冷热程度以定量的描述。因此,有必要建立适当的标尺来衡量物体的冷热程度,以便科学地描述物体各种性能随温度变化的关系。温标就是温度的数值表示方法,它是借助于随温度变化而变化的物理量来定义温度数值的。各种各样温度计的数值都是由温标来决定的。所以可以说温标就是温度的标尺。温标是表示温度数值的一套规则,它明确了温度的单位。本世纪初国际标准局制定的标准温标范围从0℃ 到100℃,其复现性为 0.02 ℃,随着科学技术的发展,标准温标的复现精度大幅提高,苏联计量科学研究院在0~400℃ 范围内温标定点精度达0.0005℃,美国标准局水三相点的温度复现性达0.0001℃。

  在温度测量方面各国均取得了许多可喜的成果,其中苏联的压电石英频率温度计分辨能力可达0.0001 ℃,理论上可达0.00001℃,而且在40~230℃ 范围内具有温度与频率的线性特性;日本利用所谓石英温度频率转换器 ———80~ 200 ℃ 的温度范围,最大分辨率达0.0001 ℃;美国标准局研制的电阻温度计25Ω标准铂电阻温度计,电桥分辨0.00002℃;我国生产的石英温度传感器分辨率达到0.0001℃,误差在0.00005℃ 以内;中国航天工业总公司702所研制的5901(STh-1000)型粘贴式测温片,其静态测温精度为0.5%,快速响应时间小于0.013s。

  温度测量首先是由温度传感器来实现的。测温仪器通常由温度传感器和信号处理两部分组成。温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其他形式的信号,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有:膨胀、电阻、电容、热电动势,磁性能、频率、光学特性及热噪声等。随着生产的发展,新型温度传感器还会不断出现,目前,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种。

  1.热膨胀式温度计

   该温度计是利用膨胀法来测量温度的一种仪表。所谓膨胀法即是利用物质的热膨胀(体膨胀或线膨胀)性质与温度的固有关系为基础实现的一种 mug方法。基于此法所制成的仪表,习惯上称为膨胀式温度计。

   膨胀式温度计按选用的物质不同,可分为液体膨胀式温度计、气体膨胀式温度计,压力式温度计和固体膨胀式温度计四大类。对于液体膨胀式温度计,根据填充的工作液不同,又可分为水银温度计和有机液体温度计;固体膨胀式温度计,按结构又可分为双金属温度计和杆式温度计两种。膨胀式温度计可以用作标准仪器,广泛用于测量设备、管道和容器的温度,在医疗卫生和食品工业中也得到了广泛的应用。膨胀式温度计具有结构简单,制造和使用方便,价格便宜以及精度高等优点。缺点是:不便于远距离测温(压力式温度计除外),结构脆弱,易坏。

  2.电阻温度计

   热电阻是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的一种感温元件。使用热电阻作感温元件的温度计常称为电阻温度计。常用的热电阻有铜电阻、铂热电阻和镍热电阻。热电阻必须与二次仪表配合使用才能指示出被测介质的温度。

  热电阻的测温原理是基于金属导体的电阻值随温度的变化而变化的特性,再用显示仪表测出热电阻的电阻值从而得出与电阻值相应的温度值。热电阻的电阻值与温度的关系式为


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  电阻温度计具有测量精度高,性能稳定,灵敏度高,应用范围广,可远距离测温,便于微机实时处理,并能实现温度自动控制和记录等许多优点。

  3.热电偶

  热电偶是用两种不同成分的导体焊接在一起,两端温度不同时,在回路中就会有热电势产生,因此热电偶是通过测量热电势从而测量温度的一种感温元件,它是一种变换器,它能将温度信号转变为电信号再由显示仪表显示出来。

  热电偶测量温度的基本原理是热电效应。它是热电效应理论的具体应用之一。在温度测量中得到了广泛的应用。其特点:① 测量精度高;② 结构简单;③ 动态响应快;④ 可作远距离测量(由于热电偶是利用热电势测温的,并且热电偶热电势的大小与其长短无关,所以信号可以远传),便干集中检测和自动控制;⑤ 测温范围广。

  4.辐射式测温仪表

  辐射式测温仪表是指依据物体辐射的能量来测量其温度的仪表。它属于非接触式测量仪表,具有测量温度高,反应迅速,热惰性小等优点。该仪表适用干有腐蚀性的高纯度的物体以及运动状态物体的温度测量。在热处理行业中常用于测量高温盐炉,油炉和煤气炉的温度,由于它的感温部分不与测温介质直接接触。因此,其测温精度不如热电偶温度计高,测量误差较大,其测量范围一般在400~3200℃。这类仪表有全辐射高温计、单辐射高温计和比色温度计三种。

  5.石英温度传感器测温仪

  石英温度传感器的测温原理是以石英晶体片作为测温元件,将温度变化的模拟量转化为石英晶体震荡频率的数字量,再将此频率信号进行转换,并显示其温度值,石英晶体震荡频率与温度之间的关系式为

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  石英晶体温度传感器稳定性很好,灵敏度可达0.001℃ 以上,其主要缺点是响应速度较慢,其测温速度约为1s一次,显然不适合快速测温场合。

  根据测温仪表的工作原理,可将其分类,如表7.2所示。各种工业测温仪的测试范围如图7.29所示。


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   近年来,温度测量技术问题进一步得到了关注和发展,在由美国国家标准技术研究院(NIST)和仪表检测、系统和自动化协会(ISAS)共同主办的第8届国际温度专题研讨会上,讨论了改进温度测量技术的问题。这些技术包括声学测温和声学传感器技术以及提高辐射测温技术的方法等。声学测量技术将提高铂电阻温度计的校准标准,声学传感器被称为绝对高温计,是通过一个同电功率做比较由此决定光功率的过程来加以校准的,目前,这项技术尚在开发之中。

  二、接触式测温

  工业上常用的接触式测温传感器有三种:热电偶传感器(有源探测器)、热电阻传感器(如铂热电阻传感器 ——— 一种最精密的测温传感器)与热膨胀式传感器(如玻璃水银温度计)。

  1.热电偶测温

   (1)工业用热电偶测温典型线路。图7.30为工业热电偶测温型线路,图7.30(a)为与动圈表及冷端补偿器配套使用的线路,图7.30(b)为与自动电子电位差计(一种不消耗热电偶的能量而能测出热电势的仪器)配套使用的线路。图中t0 为热电偶中参考端,C和D 为A 和B 热电偶的补偿导线。使用中应注意除 A,B,C,D 外,其余连接导线均为铜导线,并应保证连接点接触良好。

  

gooxian-工业用热电偶测温

   (2)多点测温线路。多个被测温度点用多支热电偶分别测试,但却共用一台显示仪表(G)和一支作为参考端温度处理的补偿热电偶,它们通过专门切换开关进行多点测量(见图7.31)。

   图中,被测温度点为t1,t2…;相应的测试热电偶为(A1,B1),(A2,B2),…;C和D 为补偿导线;(A0,B0)为补偿热电偶;K 为多点切换开关;G 为显示仪表;J为接线端子板;H 为恒温器(保持t0 恒定)。

    K 置于1点时测t1 的温度。对应图7.31(a),输出到 G 的总电势为

  

gooxian-总电势

  

gooxian-总电势

   其他各测试点情况类同。


gooxian-多点测温线路

  多点测温线路多用于自动巡回检测中,巡回检测点可多达几十个。

 (3)热电偶的正向串联。如图7.32所示,两支同型号的热电偶的异名极(正、负极)相连,C和 D 为其补偿导线,其余均为铜线。如果n支同型号热电偶正向串联,则组成的热电偶称之为热电堆。其总电势为

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   可见,采用热电堆来测同一温度,其输出电势增加,仪表的灵敏度提高。


gooxian-热电偶

   (4)热电偶的反向串联。如图7.33所示,将同型号热电偶同名极相连即组成微差热电偶。其输出热电势 ΔE 反映了两个测试点(t1 和t2)温度之差

   ΔE =E(t1,t0)-E(t2,t0)=E(t1,t2)+E(t2,t0)-E(t2,t0)=E(t1,t2)

   为了使 ΔE 能更好地反映出两点温差地大小,热电偶的热电特性要好,且应尽量用于t1 和t2 处热电偶所产生误差小于规定范围。http://www.gooxian.com/

  三、非接触式测温

  1.红外测温仪

  按测温范围来分类,可划分为高温(700℃ 以上)、中温(100~700℃)和低温(100℃ 以下)三种。按种类又可分为辐射温度计、亮度温度仪和比色温度计等。现按种类分别简介如下。

  (1)辐射温度计(热电堆)。根据斯忒藩 玻耳兹曼定律,辐射功率(即单位时间发射的辐射能量)与物体本身的绝对温度T(K)的4次方成正比。辐射温度计就是利用热电传感元件,测试物体热辐射全部波长的能量来确定被测物体的表面温度。这种方法,热电传感元件接收的辐射能大,因此也易受外来光(如灯光、日光、物体的反射光等)的干扰,适用于被测物体的温度远高于环境温度的情况。

   (2)部分辐射温度计。通过滤光片及传感元件有选择地测试物体热辐射某一波段范围内发出的辐射能量,来确定物体的表面温度。黑体辐射曲线最大值所对应的峰值波长λm 是温度的函数,因此可根据温度计的测温量程测试λm 附近一个波段范围内的辐射能量,以确定被测物体的表面温度。这时外来光的干扰仅限于这一被测波段,故受干扰的影响比测全部波长的能量时小。它可用于较低温(如200℃ 或300℃ 以下)的测试,例如电力系统、电机及电器设备的非接触式测温。

   (3)红外亮度测温仪。亮度测温仪是利用物体的单色辐射亮度随温度的不同而变化的原理,以被测物体在光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准黑体的亮度进行比较为基础来测试温度的。其主要优点是测温仪示值与测温仪离开辐射体表面的距离以及辐射体表面尺寸无关。此外,中间介质吸收作用,发射系数不稳定的影响也比辐射式温度计小。

   (4)比色温度计。测试物体热辐射中两个波段热辐射能量之比值,以确定物体的表面温度。波长通常选在光谱的红色和蓝色区域内。此法可减小被测物体比辐射率对温度读数的影响。

   (5)实例。红外测温仪种类很多,图7.36是一种部分辐射温度计原理图。它由光学系统、红外探测器、调制器、电子线路及显示器几部分组成。

   调制器一般有光调制和电调制两种。图中所示为光调制。它是用微电机带动一个等齿距的齿盘(或等距扇形孔),通过齿盘的旋转来交替切割红外辐射的聚焦光束,使投射到检测元件上的红外辐射成为交变的辐射信号。采用调制器是因为电子线路对交流信号较容易处理,并且能得到较高的信噪比。

gooxian-部分辐射温度计原理图

   电子线路是将微弱的信号经放大、整形、运算后输至显示器。显示器通常有仪表显示和数字显示两种。这部分与普通电子仪器原理相同。

   红外测温具有速度快、测温范围宽、不接触物体(可在几十米以内测温)等优点,对于室内外高压电气设备、变压器以及输电线路的导电接头等,均可进行带电测温,目前有些红外测温仪准确度已达±1℃ 左右,分辨率小于或等于1℃。随着红外探测技术的发展,红外测温将会进一步应用到电气技术领域。例如,国内、外已进行了用红红外测取电机转子表面温度的试验研究。

  2.无线电测温技术应用简介

  大型发电机转子温度可用电压电流比值法测出转子绕组的平均温度,但对有害的局部高温以及转子温度的分布情况无法了解。采用无线电测温技术可以解决这类问题,现介绍一种采用无线电波测试汽轮发电机转子温度的方法。其原理是利用金属热电阻元件的阻值随温度变化的关系,得到随温度变化的电压信号,再经过电压 频率转换器,使其转化为随温度变化的频率,并将频率信号在高频上载波发射。在电机外部用接收机接收无线电波后,经放大、检波等电路重新获得随温度而变化的频率,再利用数字测频原理由数码管显示温度的数值。这种方法也可用于变压器及高压带电设备等不能直接接触部件的温度测试。

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