溫度測(cè)量和儀表分類

1、溫度測(cè)量和儀表分類本章主要內(nèi)容膨脹式溫度計(jì)測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫儀表什么是溫標(biāo)？衡量溫度的標(biāo)準(zhǔn)尺度。譬如規(guī)定什么樣的溫度是150，什么樣的溫度是2003-1 溫度的測(cè)量方法一、溫標(biāo)國際普遍使用的溫標(biāo)有四種：熱力學(xué)溫標(biāo)、 國際實(shí)用溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)。溫標(biāo)三要素：溫度計(jì)、固定點(diǎn)、內(nèi)插方程 1.攝氏溫標(biāo) 1740年瑞典人攝氏 定義水銀體膨脹是線性；標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰點(diǎn)是攝氏零度，沸點(diǎn)為100度，而將汞柱在這兩點(diǎn)間等分為100格，每等分格為攝氏1度，標(biāo)記為。2.華氏溫標(biāo)定義1714年德國人法倫海脫以水銀為測(cè)溫介質(zhì)，制成玻璃棒水銀溫度計(jì)。規(guī)定水的沸點(diǎn)為212度，氯化銨與冰的混合物為0度，中間等

2、分為212份，每一份為1度記作。稱為華氏溫標(biāo)。3.熱力學(xué)溫標(biāo)Q1：卡諾熱機(jī)從高溫?zé)嵩次諢崃?；Q0：卡諾熱機(jī)向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌1/Q0 =T1/T0 假設(shè)一卡諾熱機(jī)工作在溫度為T0的低溫?zé)嵩春臀粗獪囟葻嵩吹母邷責(zé)嵩粗g，如果該卡諾熱機(jī)向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃繛镼0 ，從高溫?zé)嵩次盏臒崃繛镼1 ，那么高溫?zé)嵩吹臏囟葹門1 = Q1/Q0 T0T0T1卡諾熱機(jī)Q0Q1熱力學(xué)溫度的內(nèi)插方程 假設(shè)一標(biāo)準(zhǔn)熱源熱力學(xué)溫度為100K，熱力學(xué)溫標(biāo)如何規(guī)定300K的溫度？拿標(biāo)準(zhǔn)熱源作為低溫?zé)嵩?，另一熱源作為高溫?zé)嵩?，讓一卡諾熱機(jī)在兩熱源之間運(yùn)轉(zhuǎn)，如果從高溫?zé)嵩次盏臒崃縌1與向標(biāo)準(zhǔn)熱源放出的熱量Q0之比等于3

3、，那么高溫?zé)嵩礈囟鹊扔?00K現(xiàn)實(shí)中熱力學(xué)溫標(biāo)是應(yīng)用氣體特性方程實(shí)現(xiàn)的。理想氣體的P、V、T之間的關(guān)系式為：以水的三相點(diǎn)作為參考點(diǎn)，這樣可按照氣體壓力變化測(cè)溫。（氣體定容溫度計(jì)）選用水的三相點(diǎn)溫度為，定義水的三相點(diǎn)溫度的為1度，單位為k，這樣就建立了熱力學(xué)溫標(biāo)。只要確定一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，則整個(gè)溫標(biāo)就確定了。4.國際溫標(biāo)ITS-90指導(dǎo)思想: 應(yīng)盡量與熱力學(xué)溫標(biāo)接近，溫度的復(fù)現(xiàn)性要好。內(nèi)容（1）定義了固定點(diǎn)，共有17個(gè)。（2）規(guī)定不同區(qū)域內(nèi)的基準(zhǔn)儀器。（3）建立基準(zhǔn)儀器示值與國際溫標(biāo)之間的插補(bǔ)公式。 國際實(shí)用溫標(biāo)指出，熱力學(xué)溫度為基本物理量，規(guī)定水的三相點(diǎn)溫度為，單位為k，1k的大小為水的三相點(diǎn)熱力學(xué)

4、溫度的，由于攝氏溫標(biāo)將冰點(diǎn)定義為0，而冰點(diǎn)比水的三相點(diǎn)低，那么冰點(diǎn)溫度為，即 單位。二、溫度儀表分類與選擇玻璃管液體溫度計(jì)固體膨脹式壓力式溫度計(jì)膨脹式溫度計(jì)測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫接觸法非接觸法測(cè)溫方法溫度測(cè)量方法的分類1接觸法測(cè)溫：敏感元件直接與被測(cè)對(duì)象接觸，通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，反映被測(cè)對(duì)象的溫度。優(yōu)點(diǎn)：直觀、可靠。缺點(diǎn)：存在負(fù)載效應(yīng)，受到測(cè)量條件的限制，不能充分接觸，使檢測(cè)元件溫度與被測(cè)對(duì)象溫度不一致。熱量傳遞需要一定時(shí)間造成測(cè)溫滯后現(xiàn)象。（動(dòng)態(tài)誤差）2非接觸法測(cè)溫：檢測(cè)部分與被測(cè)對(duì)象不直接接觸，所以不破壞原有溫度場(chǎng)。通常用來測(cè)量1000以上的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、或反映迅速的高溫物體。防爆熱

5、電阻溫度傳感器室外溫度傳感器裝配式熱電偶3-2 膨脹式溫度計(jì)測(cè)溫敏感元件在受熱后尺寸或體積發(fā)生變化，采取一些簡(jiǎn)便方法，測(cè)出它的尺寸或體積變化的大小。分類：液體膨脹式、固體膨脹式、壓力式（一）工作原理利用玻璃管內(nèi)液體的體積隨溫度的升高而膨脹的原理。組成：液體存儲(chǔ)器、毛細(xì)管、標(biāo)尺、安全泡四部分。液體可為：水銀、酒精、甲苯等。當(dāng)溫度超過300時(shí)，應(yīng)采用硅硼玻璃，500以上要采用石英玻璃。一.玻璃管液體溫度計(jì)4（二）結(jié)構(gòu)與類型棒式玻璃溫度計(jì)內(nèi)標(biāo)式玻璃溫度計(jì)電接點(diǎn)式溫度計(jì)利用水銀的熱脹冷縮和水銀的導(dǎo)電性。功能:(1）指示溫度， （2）恒溫自動(dòng)控制。 玻璃棒溫度計(jì)（三）誤差分析（1）玻璃材料有較大的熱滯后

6、效應(yīng)。（2）溫度計(jì)插入深度不夠?qū)⒁鹫`差，（3）非線性誤差（4）工作液的遲滯性（5）讀數(shù)誤差液柱應(yīng)全部浸入被測(cè)介質(zhì)中。若只有部分液柱被浸沒時(shí)，應(yīng)對(duì)指示值進(jìn)行修正。 某水銀溫度測(cè)量水溫為90，插入處刻度為10，環(huán)境溫度為10 ，則測(cè)量誤差為-1.024n: 露出液體部分所占的刻度數(shù)，: 工作液體對(duì)玻璃的相對(duì)體膨脹系數(shù)（汞，灑精），t: 溫度計(jì)的示值，ta: 露出液柱部分所處的環(huán)境溫度玻璃管液體溫度計(jì)使用注意事項(xiàng)溫度計(jì)與被測(cè)介質(zhì)應(yīng)接觸足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以使溫度計(jì)與被測(cè)介質(zhì)達(dá)到熱平衡。讀數(shù)時(shí)，視線應(yīng)與標(biāo)盡垂直，并與液柱于同一水平面上，手持溫度計(jì)頂端的小耳環(huán)，不可觸摸標(biāo)尺。二.固體膨脹式溫度計(jì)（一）類型及

7、工作原理 利用固體受熱膨脹原理制成的溫度計(jì)1. 桿式溫度計(jì) 利用固體（一般采用膨脹系數(shù)較大的金屬）材料構(gòu)成2 雙金屬溫度計(jì)它的感溫元件是由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片牢固地結(jié)合在一起制成。可作溫度繼電控制、極值溫度控制信號(hào)固定端自由端雙金屬溫度計(jì)三.壓力式溫度計(jì)（一）工作原理與結(jié)構(gòu)形式1 原理 壓力式溫度計(jì)是利用密封系統(tǒng)中測(cè)溫物質(zhì)的壓力隨溫度變化來測(cè)溫；2 分類按所充物質(zhì)相態(tài)分充氣式、沖液式、蒸發(fā)式按功能分：指示式、記錄式、報(bào)警式和溫度調(diào)節(jié)式等3 組成 溫包、毛細(xì)管、感壓元件（彈簧管、波紋管等）（二）使用方法與特點(diǎn)對(duì)毛細(xì)管采取保護(hù)措施，防止損壞；注意安裝方式與位置對(duì)精度的影響。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格

8、便宜，刻度清晰，防爆。精度差，示值滯后時(shí)間長(zhǎng)，毛細(xì)管易損壞。3-3 熱電偶溫度計(jì)一熱電偶的工作原理1熱電效應(yīng)：將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成一個(gè)閉和回路，如果兩端點(diǎn)的溫度不同，則回路中將產(chǎn)生一定大小的電流，這個(gè)電流的大小同材料的性質(zhì)以及節(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，上述現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這個(gè)現(xiàn)象是1821年Seebeck發(fā)現(xiàn)的故又稱為塞貝克效應(yīng)。BTAT02接觸電勢(shì)：當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者有不同的電子密度而產(chǎn)生的電勢(shì)。 一一一一一一一一一一一一一一一一一一+-電子密度大電子密度小接觸電動(dòng)勢(shì) 珀?duì)栙N電勢(shì)ABA，B材料的湯姆遜系數(shù)一一一+-高溫低溫溫差電動(dòng)勢(shì)湯姆遜溫差電勢(shì)3.溫差電勢(shì)（湯姆遜溫差電勢(shì)）

9、如果T0=const.，則EAB=f(T1)熱電偶回路中總熱電勢(shì)BEAB（T1）EAB（T0）EA（T1 ，T0 ）EB（T1 ，T0 ）A 二、熱電偶的基本定律利用熱電偶來檢測(cè)溫度，必須引入變換器和顯示器。ABT1T0（一）熱電偶均質(zhì)導(dǎo)體定律 由同一均質(zhì)導(dǎo)體（電子密度處處相等）組成的閉合回路中， 不論導(dǎo)體的截面、長(zhǎng)度以及溫度分布如何，均不產(chǎn)生熱電勢(shì)。檢驗(yàn)熱電偶絲的均勻性由均質(zhì)定律知：如果熱電偶的兩電極是由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，那么熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，與熱電極的中間溫度分布無關(guān)（二）中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三導(dǎo)體，只要與第三種導(dǎo)體相連接的兩端溫度相同，接入第三種導(dǎo)體后，對(duì)

10、熱電偶回路中的總熱電勢(shì)沒有影響。T0TT0AcB熱電偶基本接法精密測(cè)量熱電偶基本接法工業(yè)測(cè)量思考題（一）ABCDEFT1T1T1T1T2T2六種不同的導(dǎo)體組成如圖回路，寫出回路中總的熱電勢(shì)。（三）熱電偶的中間溫度定律 熱電偶在兩接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)熱電勢(shì)等于該熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為T、TN時(shí)TN、T0時(shí)相應(yīng)熱電勢(shì)的代數(shù)和。TT0TNABBA結(jié)論（1）已知熱電偶在某一冷端溫度下進(jìn)行分度，只要引入適當(dāng)?shù)男拚涂稍诹硪焕涠藴囟认率褂?。熱電偶分度表中冷端溫度?，在實(shí)際測(cè)量中若熱電偶的冷端溫度為20，則可應(yīng)用中間溫度定律進(jìn)行計(jì)算。舉例：用鉑銠10鉑熱電偶測(cè)溫，冷端溫度為25，輸出電勢(shì)為，試求被測(cè)對(duì)象

11、的溫度。查表得被測(cè)溫度為122。（2）補(bǔ)償導(dǎo)線鍋爐mVTT0 T0 T0 T0 貴鍋爐mVTT0 T0 T0 T0 參考點(diǎn)溫度不易保證AB 如果在T0T0 范圍內(nèi)，某對(duì)廉價(jià)導(dǎo)線的熱電性能與貴金屬熱電偶相同，則可以用這對(duì)導(dǎo)線代替從T0 點(diǎn)到T0點(diǎn)一段的熱電偶線，而不影響熱電偶的熱電勢(shì)值，同時(shí)降低熱電偶測(cè)量成本。補(bǔ)償導(dǎo)線鍋爐mVTT0 T0 T0 T0 將熱電偶全用補(bǔ)償導(dǎo)線代替行嗎？補(bǔ)償導(dǎo)線性能 在一定溫度范圍和誤差范圍內(nèi)與熱電偶的熱電性能相同作用 使熱電偶冷端遠(yuǎn)離熱源注意 兩個(gè)接點(diǎn)溫度不能超過規(guī)定溫度兩個(gè)接點(diǎn)溫度應(yīng)當(dāng)相同。否則，由于熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電特性并不完全相同，可能會(huì)引起較大的測(cè)量誤差

12、。正負(fù)極不能接反三、熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)形式（一）種類：國際電工委員會(huì)（ICE）對(duì)熱電偶公認(rèn)性能比較好的材料制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，ICE推薦的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶7種。名稱分度號(hào)名稱分度號(hào)名稱分度號(hào)鉑銠10-鉑S銅-康銅T鎳鉻-鎳硅K鉑銠30-鉑銠6B鎳鉻-康銅E鉑銠13-鉑R鐵-康銅J（二）熱電偶的結(jié)構(gòu)類型1.普通工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)：熱電極，絕緣套管，接線盒，保護(hù)套管2.凱裝熱電偶結(jié)構(gòu)：熱電極，絕緣材料，保護(hù)套管特點(diǎn)：測(cè)量端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，耐高壓，耐振動(dòng)，壽命長(zhǎng)，適用各種工業(yè)測(cè)量。3.小慣性熱電偶特點(diǎn)：響應(yīng)快，時(shí)間常數(shù)小，可作溫度變化的動(dòng)態(tài)測(cè)量。四、熱電偶冷端溫度的補(bǔ)償方法1.冰點(diǎn)法

13、精度高多用于實(shí)驗(yàn)室工業(yè)用冷端恒溫器冰瓶的制作冰呈屑狀，試管較細(xì)，插入較深，底部裝變壓器油或者水銀2.計(jì)算補(bǔ)償法原理TT0TNABBA例用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)溫，冷端Tn=25，EAB(T，Tn，求被測(cè)對(duì)象的實(shí)際溫度。由分度表知： EAB(25 ，0 )=1mV EAB(T， 由分度表知，T1002 3.校正儀表機(jī)械零點(diǎn)法當(dāng)熱電偶與動(dòng)圈儀表配套使用時(shí)，如果冷端相對(duì)恒定，測(cè)量精度要求不高，可將儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到熱電偶冷端溫度Tn，這就相當(dāng)于在輸入電勢(shì)之前，就有一個(gè)補(bǔ)償電勢(shì)EAB(Tn， 0 )，則3.補(bǔ)償電橋法利用電橋不平衡原理，橋臂熱電阻隨溫度變化，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓V具體實(shí)現(xiàn)方法R1=R2=R3=1

14、與溫度無關(guān)熱電阻20，RCU= 1，Vab=0；環(huán)境不等于20 ，電橋失去平衡，產(chǎn)生電勢(shì)Vab與E(Tn,T0)相等，疊加補(bǔ)償電橋又叫毫伏發(fā)生器使用時(shí)，注意零點(diǎn)是20 五、熱電偶誤差及校驗(yàn)（一）熱電偶測(cè)量誤差1.熱電偶分度誤差2.補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶的熱電特性不完全相同帶來的誤差3.冷端溫度變化引起的誤差4.熱電極變質(zhì)產(chǎn)生的誤差5.絕緣不良引起的誤差6.二次儀表的基本誤差（二）熱電偶的校驗(yàn)熱電偶出廠使用一段時(shí)間后，或熱電偶重新焊制后，應(yīng)進(jìn)行校驗(yàn)高于300熱電偶的校驗(yàn)原理與方法3-4電阻溫度溫度計(jì)熱電 阻測(cè)溫原理熱電 阻的類型熱電 阻測(cè)溫電路三種測(cè)溫方法比較本節(jié)主要內(nèi)容一、熱電阻測(cè)溫原理對(duì)于一個(gè)給定

15、電阻，其電阻值是溫度的單值函數(shù)，因而可以通過測(cè)量電阻值來推算溫度。TRt鉑電阻熱敏電阻電阻溫度系數(shù)：在某一溫度間隔內(nèi)，溫度變化1時(shí)的電阻相對(duì)變化量，單位為1/ 。 平均電阻溫度系數(shù)金屬導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般為正值 純金屬一般為0.380.68%，金屬純度越高，其電阻溫度系數(shù)越大半導(dǎo)體材料的電阻溫度系數(shù)一般為負(fù)值電阻比 電阻比：W（100）= 金屬導(dǎo)體純度越高，電阻比越大。金屬與半導(dǎo)體作為測(cè)溫元件要具備的條件電阻溫度系數(shù)應(yīng)大復(fù)現(xiàn)性要好電阻率大價(jià)格便宜，工藝性好二、熱電阻的類型金屬熱電阻 鉑熱電阻 銅熱電阻 鎳熱電阻半導(dǎo)體熱敏電阻1 鉑熱電阻特點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好、性能可靠、有較高電阻率，廣泛應(yīng)用

16、于基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化儀器中，是目前測(cè)溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種。使用范圍：-200850，在90年國際溫標(biāo)中規(guī)定平衡氫三相點(diǎn)到銀凝固點(diǎn)961.78標(biāo)準(zhǔn)儀器應(yīng)用鉑電阻。電阻純度：W（100）規(guī)格型號(hào)：Pt100、Pt10、Pt1000。結(jié)構(gòu)：電阻絲、絕緣管、保護(hù)套管、接線盒鉑電阻2 銅熱電阻特點(diǎn)：線性度高、電阻溫度系數(shù)高、價(jià)格便宜、電阻率低、易氧化。使用范圍：-50180。電阻值與溫度關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻Cu50, Cu1003、半導(dǎo)體熱敏電阻隨著溫度的增高阻值降低，具有負(fù)的溫度系數(shù)，測(cè)溫范圍-40350。電阻值隨溫度按指數(shù)曲線變化，TRt熱敏電阻與金屬熱電阻比較：電阻溫度系數(shù)大，熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)約為-（3

17、6）%，金屬熱電阻約為0.6%。電阻率大，可將電阻作的很大而體積很小，電阻阻值大，連接導(dǎo)線所用的電阻可忽略不計(jì)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可用于測(cè)量點(diǎn)溫度熱慣性小工藝和互換性差。 4、熱電阻的分類 (1)、普通型熱電阻 (2)、鎧裝熱電阻（3）薄膜鉑熱電阻（4）厚膜鉑熱電阻三、熱電阻測(cè)溫電路分類： 平衡電橋 二線制 不平衡電橋 三線制 四線制 平衡電橋二線法電源電壓和穩(wěn)定性一般不影響測(cè)量結(jié)果如果不計(jì)RW隨溫度的變化，Rt與RH 觸點(diǎn)位置成線性關(guān)系連接導(dǎo)線的電阻隨溫度變化引起測(cè)量誤差1 平衡電橋GR1R2R3RW2RW1RtabcdR0RH1RH2平衡電橋三線法電源電壓和穩(wěn)定性一般不影響測(cè)量結(jié)果連接導(dǎo)線

18、的電阻隨溫度變化引起測(cè)量誤差被削弱RW2RW1RtdGR1R2R3abcR0RH1RH2不平衡電橋法I連續(xù)自動(dòng)顯示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜Rt與I成非線性關(guān)系電源電壓的穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響，應(yīng)該使用穩(wěn)壓電源連接導(dǎo)線電阻隨溫度變化會(huì)引起測(cè)量誤差，三線接法可以削弱RW2RW1RtdIR1R2R3abc二線制三線制數(shù)字表法（四線接法）VIRt=V/I高精度恒流源電壓表回路中無電流，熱電阻兩端電壓不受影響自熱電流很小 電流不大于6mA，高精度電流源不大于1mA，熱敏電阻不大于100A。四、三種測(cè)溫方法的比較大類小類適用溫域允差液體膨脹水銀-806000.55有機(jī)液體-20020014熱電阻鉑電阻-2008500.0015熱敏電阻-503500.35銅-康銅熱電偶（T型）I型 -403500.5 或0.4%三種測(cè)溫方法適用場(chǎng)合銅-康銅（