自動檢測技術(shù)溫度-1,2

第二篇過程參數(shù)檢測技術(shù)4.溫度檢測5.壓力檢測6.物位檢測7.流量檢測8.機械量檢測9.成分檢測4.1概述4.2接觸式測溫4.3非接觸式測溫4.溫度檢測4.1概述4.1.1溫度及其測量原理4.1.2溫標及其表示方法4.1.3測溫方式及其原理4.1概述4.1.1溫度及其測量原理溫度是表征物體冷、熱程度的物理量，反映了物體內(nèi)部分子平均動能的大小,是工業(yè)生產(chǎn)過程中的主要參數(shù)之一。測溫原理－溫度不能直接測量，只能借助于冷熱不同物體之間的熱交換，以及物體的某些物理性質(zhì)隨冷熱程度不同而變化的特性來加以間接測量。

4.1.2溫標及其表示方法溫標－衡量溫度高低的標尺，規(guī)定溫度的起點及其基本單位。

1.經(jīng)驗溫標－用實驗方法或經(jīng)驗公式所確定的溫標。（1）攝氏溫標－在標準大氣壓下，把水的冰點規(guī) 定為0度，水的沸點規(guī)定為100度；兩 點間作100等分，每一份稱為1攝氏度， 記作1℃。所用標準儀器－水銀溫度計（2）華氏溫標－在標準大氣壓下，把水的冰點規(guī) 定為32度，水的沸點規(guī)定為212度；兩 點間作180等分，每一份稱為1華氏度， 記作1℉。

攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為

T（℉）=9/5t（℃）+32

式中T——華氏溫度值; t——攝氏溫度值。2.熱力學(xué)溫標－建立在熱力學(xué)基礎(chǔ)上，是一種理想而不能真正實現(xiàn)的理論溫標。是把理想氣體壓力為零時對應(yīng)的溫度——絕對零度與水的三相點（固液氣共存點）溫度分為273．16份，每一份稱為1開爾文（Kelvin），記作1K。,熱力學(xué)溫標(又稱開氏溫標)從絕對零度起算,水的冰點為273.15K，沸點為373.15K。（注意：水的冰點和三相點是不一樣的，兩者相差0.01K。）3.國際實用溫標－國際上協(xié)商規(guī)定，一種既符合熱力學(xué)溫標，又復(fù)現(xiàn)性好且使用方便，簡稱ITS一90

（InternationalTemperatureScaleof1990）。

溫度單位：熱力學(xué)溫度是其基本物理量，國際實用溫度用符號T90表示，單位仍為開爾文（K），K的大小定義為水的三相點熱力學(xué)溫度的1/273.16。同時使用的國際攝氏溫度的符號為t90

，單位是攝氏度，符號為℃。每一個攝氏度和每一個開爾文的量值相同。國際實用溫度T90

（K）與國際攝氏溫度t90（℃）的關(guān)系如同熱力學(xué)溫度和攝氏溫度一樣，即

把整個溫標分成4個溫區(qū)，使用相應(yīng)的標準儀器。

4.1.3測溫方式及其原理接觸式：與被測物接觸，通過熱交換進行測量；非接觸式：不與被測物直接接觸，通過接受被測物體的熱輻射能實現(xiàn)熱交換。4.2接觸式測溫4.2.1玻璃溫度計4.2.2雙金屬溫度計4.2.3壓力式溫度計4.2.4熱電偶測溫4.2.5熱電阻測溫4.2.1玻璃溫度計1.工作原理－液體受熱后體積隨溫度膨脹2.特點－結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，價格低廉，測溫范圍較廣，安裝使用方便，現(xiàn)場直接讀數(shù)，一般無需能源，易破損，測溫值無法自動遠傳記錄等。4.2.2雙金屬溫度計1.工作原理－基于固體受熱膨脹。2.構(gòu)成－兩片線膨脹系數(shù)差異很大的金屬片疊焊在一起，一段固定，一端帶指針；3.特點－測溫范圍大致為-80℃—600℃；精度等級通常為1～2.5級左右；抗振性好，讀數(shù)方便，精度不高，做一般的工業(yè)用儀表，測溫信號難以遠傳。

4.2.3壓力式溫度計1.工作原理－根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體、蒸汽在體積不變的條 件下其壓力與溫度呈確定函數(shù)關(guān)系的原理實現(xiàn)其測溫功能2.結(jié)構(gòu)－感溫包、傳遞壓力元件(毛細管)及壓力敏感元件、齒輪或 杠桿傳動機構(gòu)、指針和讀數(shù)盤組成；3.特點－強度大、不易破損、讀數(shù)方便，但準確度較低、耐腐蝕性較差；響應(yīng)慢（毛細管細長），測溫信號難以遠傳。壓力式溫度計結(jié)構(gòu)原理圖

1—傳動機構(gòu)；2—刻度盤；3—指針；4—彈簧管；5—連桿；6—接頭；7—毛細管；8—溫包；9—工作物質(zhì)4.2.4熱電偶測溫1.熱電效應(yīng)及測溫原理2.標準化熱電偶與分度表3.熱電偶結(jié)構(gòu)型式4.熱電偶的冷端溫度補償4.2.4熱電偶測溫1.熱電效應(yīng)及測溫原理熱電偶測溫是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。熱電效應(yīng)－任何兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時，回路中將產(chǎn)生熱電勢。閉合回路中總的熱電勢(由溫差電勢、接觸電勢組成)為t0－冷端、參比端、自由端

t－熱端、工作端EAB(t,t0)=eAB(t)－eAB(t0)或EAB(t,t0)=eAB(t)+eBA(t0)

eAB接觸電勢形成的過程熱電效應(yīng)

4.2.4熱電偶測溫1.熱電效應(yīng)及測溫原理

熱電偶測溫是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。(1)熱電效應(yīng)兩種不同材料的金屬A和B構(gòu)成一個閉合回路，當兩個接觸端溫度不同時（設(shè)T>T0），回路中會產(chǎn)生熱電勢EAB（T，T0）。這種把熱能轉(zhuǎn)換成電能的物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。其中，這兩種不同材料的導(dǎo)體組成的回路稱為熱電偶，導(dǎo)體A、B稱為熱電極，置于測溫場感受被測溫度的T端稱為熱端（工作端或測量端），另一個T0端稱為冷端（自由端或參比端）。熱電偶產(chǎn)生的總的熱電勢EAB（T，T0）是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。

(2)接觸電勢將兩種不同的金屬A和B相互接觸時,在其接觸處會發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象，如圖所示。自由電子會從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B中,使A失去電子帶正電為正電極,B得到電子帶負電為負電極,直至在接觸處形成強大的正負電場,并阻止電子的繼續(xù)擴散,從而達到動態(tài)平衡為止。其接觸處就形成一定的電位差，此即接觸電勢（也叫帕爾帖電勢）。其大小可表示為

——金屬電極A和B在溫度為T時的接觸電勢；k——波爾茲曼常數(shù)；T——接觸處的熱力學(xué)溫度；熱電偶的接觸電勢e——單位電荷量；NA，NB——金屬電極A和B的自由電子密度。(3)溫差電勢同一種金屬材料如A，當其兩端的溫度不同即T>T0時，兩端的電子能量就不同。溫度高的一端電子能量大，則電子從高溫端向低溫端擴散的多而返回的少，最后達到平衡。這樣在A的兩端形成一定的電位差，即溫差電勢（也叫湯姆遜電勢），如圖所示。其大小可表示為

——材料A在兩端溫度T、T0時的溫差電勢；

——湯姆遜系數(shù)，表示溫差為1時所產(chǎn)生的電勢值，大小與材料的性質(zhì)有關(guān)。

圖熱電偶的溫差電勢(4)總熱電勢

在導(dǎo)體A和B組成的熱電偶回路中，兩接觸端的溫度分別為T和T0，且T>T0，則回路的總熱電勢由兩個接觸電勢和兩個溫差電勢組成，圖中的箭頭表示電勢方向（由負指向正）。

取的方向為正方向,寫出總熱電勢的方程為

若電極A和B為同一種材料，若熱電偶兩端處于同一溫度下，。因此，熱電勢存在必須具備兩個條件：一是由兩種不同的金屬材料組成熱電偶，二是其兩端接觸點存在溫差，而且溫差越大，熱電勢越大。也就是說，熱電偶熱電勢的大小，只與導(dǎo)體A、B的材質(zhì)有關(guān)，與冷、熱端的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的粗細、長短及兩導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。實踐證明，在熱電偶回路中起主要作用的是兩個接觸處的接觸電勢，而兩個電極溫差電勢的差值很小而忽略不計的話，則有更簡潔的工程表達式

該式清楚地說明，如果熱電偶冷端溫度T0保持恒定時，熱電偶的熱電勢就只與被測溫度T成單值函數(shù)關(guān)系。根據(jù)國際溫標規(guī)定，T0=0℃時，用實驗方法測出各種熱電偶在不同工作溫度下所產(chǎn)生熱電勢的值列成的表格，稱為分度表（見附錄A）。EAB(t,t0)=eAB(t)－eAB(t0)或EAB(t,t0)=eAB(t)+eBA(t0)

(5)中間導(dǎo)體定則中間導(dǎo)體定則----在熱電偶回路中，冷端處斷開接入與A，B電極不同的另一種導(dǎo)體C時，只要這個中間導(dǎo)體C的兩端溫度相同，熱電偶回路的總熱電勢值不會受中間導(dǎo)體接入的影響。圖所示為熱電偶接入中間導(dǎo)體C的情況。此時熱電偶回路的總熱電勢為當回路中各接點溫度相等且都為T0時，總熱電勢為零，即故可以得到同理，還可以加入第四種、第五種導(dǎo)體，只要加入導(dǎo)體的兩端接點溫度相等，回路的總熱電勢就與原回路的電勢值相等。正是根據(jù)中間導(dǎo)體定則，才可以在熱電偶測溫回路中接入各種儀表、連接導(dǎo)線和接插件等。熱電偶特點：測溫范圍廣，精度高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好，信號遠傳。2.標準化熱電偶與分度表（1）標準化熱電偶

電極材料應(yīng)具備的性能：①優(yōu)良的熱電特性即熱電勢率(靈敏度)要大，熱電關(guān)系接近線性，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化或腐蝕；②優(yōu)良的機械性能機械強度高有韌性，材料組織均勻易于加工成絲；③制造成本低，價值比較便宜。（2）熱電偶分度表根據(jù)國際溫標規(guī)定，時，用實驗方法測出各種熱電偶在不同的工作溫度下所產(chǎn)生的熱電勢值，列成一張表格，稱為分度表。 根據(jù)分度表，有以下結(jié)論：①不同型號熱電偶的熱電勢有較大差別，B型熱電勢小，E型熱電勢最大；②熱電勢是溫度的升值函數(shù)；其關(guān)系為非線性；③當④當冷端溫度時，先補償電勢，再查表獲得溫度，即：

[例1]：用K型熱電偶測爐溫時，測得參比端溫度t0＝38℃；測得測量端和參比端間的熱電動勢E(t,38)＝29.90mV，試求實際爐溫。［解］由K型分度表查得E(38，0)＝1.529mV，由上式可得到：

E(t，0)＝E(t,t0)+E(t0,0)

＝29.90+1.529=31.429mV

再查K型分度表，由31.429mV查得到實際爐溫755℃。按熱電動勢E(t,38)＝29.90mV查K型分度表得對應(yīng)的爐溫718℃，與實際爐溫755℃相差37℃，由此產(chǎn)生的相對誤差約為5%。（再加上t0＝38℃為756℃，很接近755℃

）（注：由于熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢與溫度之間的關(guān)系都是非線性的，因此在自由端的溫度不為零時，將所測得熱電勢對應(yīng)的溫度值加上自由端的溫度，并不等于實際的被測溫度。）3.熱電偶結(jié)構(gòu)型式(1)普通（裝配）型熱電偶主要由四部分組成：熱電極、絕緣管、保護管和接線盒。(2)鎧裝型熱電偶是將熱電偶絲和絕緣材料一起緊壓在金屬保護管中制成的熱電偶。特點：響應(yīng)速度快(0.01S),氣密性好、不怕振、耐高壓,使用壽命長,柔軟性好便于安裝，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如狹小彎曲管道內(nèi)）（4）表面型熱電偶專門用來測量固體表面溫度的一種特殊熱電偶。反應(yīng)速度極快、熱慣性極小。（5）快速型熱電偶測量鋼水等高溫熔融物體的一種專用熱電偶。熱電偶的結(jié)構(gòu)型式可根據(jù)它的用途和安裝位置來確定。在熱電偶選型時，要注意三個方面：熱電極的材料；保護套管的結(jié)構(gòu)，材料及耐壓強度；保護套管的插入深度。（3）薄膜型熱電偶把兩種不同的熱電極材料蒸鍍在很薄的絕緣基板上。適用于測量微小面積上的瞬變溫度。4.熱電偶的冷端溫度補償目的：熱電偶的溫度與熱電勢關(guān)系的分度表是在冷端溫度為0℃時作出的，而與熱電偶配套使用的顯示儀表也是熱電偶冷端溫度為0℃時刻度的;所以必須滿足冷端溫度為0℃的條件。就要補償不為零引起的誤差。方法：補償導(dǎo)線法、冰點恒溫法、計算校正法、補償電橋法（1）補償導(dǎo)線法

采用一種專用導(dǎo)線（在一定溫度范圍0～100℃內(nèi)與所連接的熱電偶具有相同的熱電特性，其材料