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一、溫度測(cè)量的基本概念
1、溫度定義:
溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測(cè)量,而用來量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)(零點(diǎn))和測(cè)量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國際實(shí)用溫標(biāo)。
攝氏溫標(biāo)(℃)規(guī)定:在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,冰的熔點(diǎn)為0度,水的沸點(diǎn)為100度,中間劃分100等份,每等分為攝氏1度,符號(hào)為℃。
華氏溫標(biāo)(℉)規(guī)定:在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,冰的熔點(diǎn)為32度,水的沸點(diǎn)為212度,中間劃分180等份每等份為華氏1度符號(hào)為℉。
熱力學(xué)溫標(biāo)(符號(hào)T)又稱開爾文溫標(biāo)(符號(hào)K),或絕對(duì)溫標(biāo),它規(guī)定分子運(yùn)動(dòng)停止時(shí)的溫度為絕對(duì)零度。
國際溫標(biāo):國際實(shí)用溫標(biāo)是一個(gè)國際協(xié)議性溫標(biāo),它與熱力學(xué)溫標(biāo)相接近,而且復(fù)現(xiàn)精度高,使用方便。目前國際通用的溫標(biāo)是1975年第15屆國際權(quán)度大會(huì)通過的《1968年國際實(shí)用溫標(biāo)-1975年修訂版》,記為:IPTS-68(REV-75)。但由于IPTS-68溫度存在一定的不捉,國際計(jì)量委員會(huì)在18屆國際計(jì)量大會(huì)第七號(hào)決議授權(quán)予1989年會(huì)議通過1990年國際ITS-90,ITS-90溫標(biāo)替代IPS-68。我國自1994年1月1 日起全面實(shí)施ITS-90國際溫標(biāo)。
1990年國際溫標(biāo):
a、溫度單位:熱力學(xué)溫度是基本功手物理量,它的單位開爾文,定義為水三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度的1/273.16,使用了與273.15K(冰點(diǎn))的差值來表示溫度,因此現(xiàn)在仍保留這個(gè)方法。根據(jù)定義,攝氏度的大小等于開爾文,溫差亦可用攝氏度或開爾文來表示。國際溫標(biāo)ITS-90同時(shí)定義國際開爾文溫度(符號(hào)T90)和國際攝氏溫度(符號(hào)t90)。
b、國際溫標(biāo)ITS-90的通則:ITS-90由0.65K向上到普朗克輻射定律使用單色輻射實(shí)際可測(cè)量的最高溫度。ITS-90是這樣制訂的即在全量程,任何于溫度采納時(shí)T的最佳估計(jì)值,與直接測(cè)量熱力學(xué)溫度相比T90的測(cè)量要方便的多,而且更為精密,并且有很高的復(fù)現(xiàn)性。
c、ITS-90的定義:
第一溫區(qū)為0.65K到5.00K之間,T90由3He和4He的蒸汽壓與溫度的關(guān)系式來定義。
第二溫區(qū)為3.0K到氖三相點(diǎn)(24.5661K)之間T90是氦氣體溫度計(jì)來定義。
第三溫區(qū)為平蘅氫三相點(diǎn)(13.8033K)到銀的凝固點(diǎn)(961.78℃)之間,T90是由鉑電阻溫度計(jì)來定義,它使用一組規(guī)定的定義內(nèi)插法來分度。銀凝固點(diǎn)(961.78℃)以上的溫區(qū),T90是按普朗克輻射定律來定義的,復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)高溫計(jì)。
二、溫度測(cè)量?jī)x表的分類
溫度測(cè)量?jī)x表按測(cè)溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。通常來說接觸式測(cè)溫儀表比較簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)量精度較高;但因測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換,需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡,所以存在測(cè)溫的延遲現(xiàn)象,同時(shí)受耐高溫材料的限制,不能應(yīng)用于很高的溫度測(cè)量。非接觸式儀表測(cè)溫是通過熱輻射原理來測(cè)量溫度的,測(cè)量元件不需要與被測(cè)介質(zhì)接觸,測(cè)溫范圍廣,不受測(cè)溫上限的限制,也不會(huì)破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng),反應(yīng)速度一般也比較快;但受到物體的發(fā)射率、測(cè)量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響,其測(cè)量誤差較大。
三、傳感器的選用
國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是:“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置,能感受到被測(cè)量的信息,并能將檢測(cè)感受到的信息,按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。
(一)、現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別,如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理選用傳感器,是在進(jìn)行某個(gè)量時(shí)首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后,與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗,在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。
1、根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型:要進(jìn)行一個(gè)具體的測(cè)量工作,首先要考慮采用何種原理的傳感器,這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)椋词箿y(cè)量同一物理量,也有多種原理的傳感器可供選用,那一種原理的傳感器更為合適,則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下具體問題:量程的大??;被測(cè)位置對(duì)傳感器的體積要求;測(cè)量方式為接觸式或非接觸式;信號(hào)的引出方法,有線或是非接觸測(cè)量;傳感器的來源,是進(jìn)口還是國產(chǎn)的,價(jià)格能否接受,還是自行研制。
2、靈敏度的選擇:通常,在傳感器的線性范圍內(nèi),希望傳感器的靈敏度越高越好,因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí),與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)才比較大有利于信號(hào)處理。但要注意的是,傳感器的靈敏度高,與被測(cè)量無關(guān)的外界噪聲也容易混入,也會(huì)被放大系統(tǒng)放大,影響測(cè)量精度,因此要求傳感器本身具有很高的信躁比,盡量減少從外界引入的廠憂信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量,而且對(duì)其方向性要求較高,則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器,如果被測(cè)量是多維向量,則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。
3、頻率響應(yīng)特性:傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍,必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件,實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定的延遲,希望延遲越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高,可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬,而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響,機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大,因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中,應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性,以免產(chǎn)生過火的誤差。
4、線性范圍:傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。從理論上講,在此范圍內(nèi),靈敏度保持定值,傳感器的線性范圍越寬,則其量程越大,并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí),當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上,任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性,其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí),在一定的范圍內(nèi)可以將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性,這會(huì)給測(cè)量帶來極大的方便。
5、穩(wěn)定性:傳感器使用一段時(shí)間后,其性能保持不變化的能力稱穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外,主要是傳感器的使用環(huán)境。因此,要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性,傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前,應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查,并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器,或采取適當(dāng)?shù)拇胧?,減少環(huán)境影響。在某些要求傳感器能長期使用而又輕易更換或標(biāo)定的場(chǎng)合,所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格,要能夠經(jīng)受住長時(shí)間的考驗(yàn)。
6、精度:精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo),它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高,其價(jià)格越昂貴,因此,傳感器的精度只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以,不必選得過高,這樣就可以在滿足同一測(cè)量的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。如果測(cè)量目的是定性分析的,選用重復(fù)精度高的傳感器即可,不宜選用絕對(duì)量值精度高的;如果是為了定量分析,必須獲得精確的測(cè)量值,就需選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。對(duì)某些特殊使用場(chǎng)合,無法選到合適的傳感器,則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器,自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。
(二) 測(cè)溫器:
1、熱電阻:
熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高,性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精度是最高的,它不廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫,而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。
① 熱電阻測(cè)溫原理及材料:熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電阻大都由金屬材料制成,目前應(yīng)用最多的是鉑和銅,此外,現(xiàn)在已開始采用銠、鎳、錳等材料制造熱電阻。
② 熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的組成:熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和數(shù)碼溫度控制顯示表等組成。必須注意兩點(diǎn):“熱電阻和數(shù)碼溫度控制顯示表的分度號(hào)必須一致;為了消除連接導(dǎo)線電阻變化的影響,必須采取三線制接法?!?/p>
2、熱敏電阻:NTC熱敏電阻器,具有體積小,測(cè)試精度高,反應(yīng)速度快,穩(wěn)定可靠,抗老化,互換性,一致性好等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣設(shè)備、電子體溫計(jì)、液位傳感器、汽車電子、電子臺(tái)歷等領(lǐng)域。
3、熱電偶:熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是:
① 測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸,不受中間介質(zhì)影響。
② 測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續(xù)測(cè)量,某些特殊熱電偶最低-269℃(如金鐵鎳鉻),最高可達(dá)+2800℃(如鎢-錸)。
③ 構(gòu)造簡(jiǎn)單,使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成,而且不受大小和開頭的限制,外有保護(hù)套管,用起來非常方便。
(1).熱電偶測(cè)溫基本原理
將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來,構(gòu)成一個(gè)閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí),兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。
(2).熱電偶的種類
常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。
標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶,它有與其配套的顯示儀表可供選用。
非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,一般也沒有統(tǒng)一的分度表,主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。
我國從1988年1月1日起,熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn),并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。
(3).熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償
由于熱電偶的材料一般都比較貴重(特別是采用貴金屬時(shí)),而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn),為了節(jié)省熱電偶材料,降低成本,通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端(自由端)延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi),連接到儀表端子上。必須指出,熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極,使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上,它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響,不起補(bǔ)償作用。因此,還需采用其他修正方法來補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配,極性不能接錯(cuò),補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。
四、我國在溫控領(lǐng)域的八大進(jìn)展
我國儀器儀表在實(shí)現(xiàn)微型化、數(shù)字化、智能化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化等方面緊跟國際發(fā)展的步伐,加大具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)部分的開發(fā)研制及產(chǎn)業(yè)化的力度,取得了顯著的進(jìn)展。其中,值得提出的重大科技進(jìn)展主要包括以下八個(gè)方面:
1.先進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模塊化與全數(shù)字集成,達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求,廣泛用于鋼、電、煤、化、油、交通、建筑、國防、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域,向具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)方向邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。
2.智能式系列測(cè)試儀器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究及產(chǎn)業(yè)化水平大幅度提高,組建了航空航天測(cè)試、機(jī)電產(chǎn)品測(cè)試、家用電器測(cè)試、地震監(jiān)測(cè)、氣象探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等各行業(yè)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)??傮w水平達(dá)
到國外先進(jìn)產(chǎn)品水平,而售價(jià)明顯低于國外產(chǎn)品。
3.微波毫米波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀研制成功及批量生產(chǎn),標(biāo)志著我國成為繼美國之后世界第二個(gè)能生產(chǎn)此類高精尖儀器的國家。
4.研究開發(fā)出有自己特色的納米測(cè)控及微型儀器,碳納米管的定向制備及結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)的探測(cè)居世界領(lǐng)先地位。
5.完成完整的電學(xué)量子標(biāo)準(zhǔn)和1.5×10-5級(jí)國家電能標(biāo)準(zhǔn)裝置,使我國電計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)處于國際先進(jìn)水平。
6.開展了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科學(xué)儀器攻關(guān),提升了我國科學(xué)儀器的整體水平。
7.建立了產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合、國內(nèi)外相結(jié)合的發(fā)展機(jī)制,拓寬了科學(xué)儀器的應(yīng)用領(lǐng)域,如開發(fā)成功海關(guān)防偽票證的光譜儀器,在全國海關(guān)推廣后,累計(jì)查獲假票證價(jià)值540億元,為國家挽回巨大經(jīng)濟(jì)損失。國產(chǎn)科學(xué)儀器的市場(chǎng)占有率由“八五”期間的13%提高到“九五”末期的25%。
8.高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)研制成功并批量生產(chǎn),超聲醫(yī)療儀器在腫瘤無創(chuàng)治療方面具有國際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。
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