安工大-化工儀表及自動化-第3章檢測儀表與傳感器(溫度檢測)

第五節(jié)

溫度檢測及儀表溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，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)）和測量溫度的基本單位。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)。概念：溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度的微觀概念是大量分子運(yùn)動平均強(qiáng)度的表示。分子運(yùn)動愈激烈其溫度表現(xiàn)越高。自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過程都與溫度緊密相關(guān)，因此溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗以及日常生活中需要普遍進(jìn)行測量和控制的一個重要物理量。1溫標(biāo)（1）攝氏溫標(biāo)：以水的冰點(diǎn)為“0”，水的沸點(diǎn)為“100”，中間等分為100份，每份為1度，以O(shè)C表示。（2）華氏溫標(biāo)：冰水融體為“32”，水的沸點(diǎn)為“212”，中間等分為180份，每份為1度，以O(shè)F表示。（3）熱力學(xué)溫標(biāo)

----又稱開爾文溫標(biāo)，單位為開爾文（K）。（4）國際實(shí)用溫標(biāo)

-----是一種符合熱力學(xué)溫標(biāo)又使用簡單的溫標(biāo)。

最新溫標(biāo)是1990年國際溫標(biāo)(ITS－90)2測溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式：溫度敏感元件與被測對象接觸，經(jīng)過換熱后兩者溫度相等。比較簡單、可靠，測量精度較高；但因充分的熱交換，需要一定的時間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測溫的延遲現(xiàn)象，同時受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高的溫度測量。非接觸測溫：溫度敏感元件不與被測對象接觸，而是通過輻射能量進(jìn)行熱交換，由輻射能的大小來推算被測物體的溫度。

(1)輻射式溫度計，

(2)光纖式溫度計。不與被測物體接觸，不破壞原有的溫度場。精度一般不高。一、溫度測量的主要方法溫度的測量：以熱平衡為基礎(chǔ)的。溫度最本質(zhì)的性質(zhì)：當(dāng)兩個冷熱程度不同的物體接觸后就會產(chǎn)生導(dǎo)熱換熱，換熱結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度。3常用溫度計的種類及適用溫度41、膨脹式溫度計t=t0tt0玻璃液體溫度計利用液體受熱膨脹并沿玻璃毛細(xì)管延伸而直接顯示溫度。雙金屬溫度計不同金屬受熱膨脹不同，雙金屬片在受熱情況下發(fā)生彎曲而顯示溫度。52、壓力式溫度計利用液體的蒸發(fā)或氣體的膨脹而引起的壓力變化進(jìn)行測量。溫包：傳熱、容納膨脹介質(zhì)；毛細(xì)管：傳遞壓力；彈簧管：顯示壓力（溫度）。6二、

熱電偶測溫?zé)犭娕紲y溫系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離溫度自動測量。它的測溫范圍為：-270～+1800℃。是廣泛應(yīng)用的溫度檢測系統(tǒng).常用來測量中高溫。-71、工作原理與熱電效應(yīng)將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端相接組成閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)分別置于兩種不同的溫度時，則在回路中產(chǎn)生熱電勢，形成回路電流.這種現(xiàn)象稱塞貝克效應(yīng)，即熱電效應(yīng).

熱電偶回路產(chǎn)生的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。測溫時，將焊接的一端置于被測溫度場中，稱為測量端（或工作端、熱端）。另一段一般要求恒定在某一溫度，稱為參考端（或自由端、冷端）。-8熱電勢的產(chǎn)生擴(kuò)散作用電場作用++--金屬A金屬B不同金屬具有不同的電子密度；兩種金屬接觸面因為電子的擴(kuò)散作用而產(chǎn)生電場—熱電現(xiàn)象；電子在擴(kuò)散作用和電場力作用下最終達(dá)到平衡；電子的擴(kuò)散與溫度相關(guān)，溫度越高，擴(kuò)散作用越強(qiáng)。自由電子密度大自由電子密度小9接觸電勢與溫差電勢接觸電勢：溫差電勢：同一根導(dǎo)體兩端處于不同的溫度，導(dǎo)體中會產(chǎn)生溫差電勢（很小可忽略不計）。K：波爾茲曼常數(shù)，e：單位電荷電量n，N為自由電子密度。--10熱電偶回路的總的熱電勢

接觸電勢的大小與不同導(dǎo)體的電子密度及接點(diǎn)處溫度高低有關(guān).回路熱電勢的大小僅與材料和端點(diǎn)的溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸形狀無關(guān)。當(dāng)冷端溫度保持不變時，熱電勢才是被測熱端溫度的單值函數(shù)-112、熱電偶基本定律如下：中間導(dǎo)體定律：如果插入熱電偶回路的第三根導(dǎo)線兩端的溫度相同，將不影響整個回路總的熱電勢。等值替代定律：在某一溫度范圍內(nèi)如果產(chǎn)生的熱電勢相同，則兩支熱電偶在此溫度范圍內(nèi)可互相代用。均質(zhì)導(dǎo)體定律：由同一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路不可能產(chǎn)生熱電勢。中間溫度定律：123、標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶與分度表熱電偶的材質(zhì)要求單位溫度變化的熱電勢大，且盡量接近線性關(guān)系；熱電性質(zhì)穩(wěn)定；化學(xué)穩(wěn)定性好：高溫下抗氧化，抗腐蝕；具有較好的延展性，易于加工；復(fù)現(xiàn)性好，便于批量生產(chǎn)和互換。幾種型號（分度號）的國際標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶正極負(fù)極長期工作：1300oCS：鉑銠10-鉑，-50~1768oC;K：鎳鉻-鎳硅，-270~1372oC;長期工作：900oC13熱電偶的熱電特性使冷端保持0℃時，得到熱電偶的熱電特性-14溫度的計算當(dāng)已知冷端溫度不等于0攝氏度時，如何計算所測的溫度值?回路的熱電勢差表可得熱電偶的分度表見附錄一：第95頁154、補(bǔ)償導(dǎo)線問題引出：熱電偶一般由貴金屬制成，熱電極長度有限；生產(chǎn)現(xiàn)場距控制室較遠(yuǎn)；熱電偶冷端暴露于空間，易受周圍環(huán)境溫度影響。解決方法：把熱電偶的冷端延伸到遠(yuǎn)離被測對象且溫度比較穩(wěn)定的地方。選用一種具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能，其材料又是廉價金屬導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線功能：其一延長了熱電偶的冷端；其二是降低了成本。造成浪費(fèi)16帶有補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電偶測溫原理。顯示儀表AB補(bǔ)償導(dǎo)線A’B’t1t217使用補(bǔ)償導(dǎo)線應(yīng)注意的問題：不同的熱電偶配不同的補(bǔ)償導(dǎo)線；補(bǔ)償導(dǎo)線有正（絕緣層為紅色）、負(fù)極，分別接熱電偶的正、負(fù)極；補(bǔ)償導(dǎo)線兩個接點(diǎn)的溫度應(yīng)相同補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是延伸了熱電偶的冷端，當(dāng)冷端溫度不等于0時需要對冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償。185、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償熱電偶的熱電動勢大小與熱電極材料和兩節(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān),同時熱電偶的分度表和根據(jù)分度表刻度的溫度儀表都是以熱電偶參考端溫度等于零為條件的。但實(shí)際上,冷端溫度受周圍溫度的影響不可能保持為C

或某一常數(shù)。因此要測出實(shí)際溫度就必須采取修正或補(bǔ)償措施。常用的補(bǔ)償方法有：冷端溫度保持C法；冷端溫度修正法；校正儀表零點(diǎn)法；補(bǔ)償電橋法；補(bǔ)償熱電偶法；補(bǔ)償是相對的，因此有一定誤差?。?9冷端溫度保持C法；1）冷端溫度保持C法:使冷端溫度處于C

。例如：將冷端放在盛有絕緣油的試管中，再置入裝滿冰水混合物的容器中,容器維持在C不變，精度高。用在實(shí)驗室和精密測量，“冰浴法”20冷端溫度修正法；校正儀表零點(diǎn)法2）修正法3）校正儀表零點(diǎn)法設(shè)：冷端溫度恒為t0（t0≠0）,被測溫度為t！修正公式如下：被測溫度t的熱電勢測量得出的熱電勢

冷端t0的熱電勢將顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)至t0處，相當(dāng)于在輸入熱電偶熱電勢之前就給顯示儀表輸入了電勢E(t0,0)。21例：用S型熱電偶測溫，熱電偶的冷端溫度t0=20℃，測得熱電勢為7.32mv，求被測對象的實(shí)際溫度t。由分度表查得E(20,0)=0.113mv

則：

E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=7.32+0.113=7.434mv

再查分度表得其對應(yīng)的被測溫度t=808℃解：22補(bǔ)償電橋法；4）、補(bǔ)償電橋法：利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶因自由端溫度變化而引起的熱電勢的變化值。銅電阻蜢銅電阻電橋平衡時的溫度顯示儀表的起始點(diǎn)（機(jī)械零點(diǎn)）在20℃平衡，須把顯示儀表的機(jī)械零點(diǎn)預(yù)先調(diào)整到20℃。23補(bǔ)償熱電偶法；246、熱電偶的結(jié)構(gòu)普通型

通常由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒等主要部分組成.2.鎧裝熱電偶

它是由金屬套管、絕緣材料和熱電極經(jīng)焊接密封和裝配等工藝制成的堅實(shí)的組合體.3.薄膜熱電偶.4.表面熱電偶.25普通型熱電偶的結(jié)構(gòu)-26鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)-27四、熱電阻測溫1、金屬熱電阻(熱電阻)2、半導(dǎo)體熱電阻(熱敏電阻)電阻的熱效應(yīng):利用金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律進(jìn)行測量。TR熱電阻材料要求：電阻溫度系數(shù)要大；電阻率盡可能大，熱容量要小，在測量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應(yīng)有良好的可加工性，且價格便宜。281、金屬熱電阻(熱電阻)鉑電阻測溫范圍：－200～850C

；Rt=R0(1+At＋Bt2＋Ct3)；當(dāng)0～650

C

由實(shí)驗求得工業(yè)上常用的鉑電阻有兩種，一種是R0＝10Ω，對應(yīng)分度號為Pt10。另一種是R0＝100Ω，對應(yīng)分度號為Pt100。分度號：

Pt10,Pt100291、金屬熱電阻(熱電阻)銅電阻：測溫范圍：－50～150C

；

Rt=R0(1+t)；近似線性；溫度t℃時的電阻值

溫度0℃時的電阻值

分度號：

Cu50,Cu100金屬銅易加工提純，價格便宜；它的電阻溫度系數(shù)很大，且電阻與溫度呈線性關(guān)系；在測溫范圍為-50～+150℃內(nèi)，具有很好的穩(wěn)定性。30熱電阻的結(jié)構(gòu)（1）普通型熱電阻

主要由電阻體、保護(hù)套管和接線盒等主要部件所組成。圖3-67熱電阻的支架形狀(已繞電阻絲)（2）鎧裝熱電阻

將電阻體預(yù)先拉制成型并與絕緣材料和保護(hù)套管連成一體。

（3）薄膜熱電阻

將熱電阻材料通過真空鍍膜法，直接蒸鍍到絕緣基底上。31工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu)32工業(yè)熱電阻的引線形式332、半導(dǎo)體熱電阻(熱敏電阻)負(fù)電阻溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC型）指數(shù)關(guān)系優(yōu)缺點(diǎn)34熱敏電阻結(jié)構(gòu)形式35五、輻射式溫度計輻射式溫度計是利用物體的輻射能隨溫度而變化的原理制成的。(非接觸式)檢測原理：溫度為T的物體對外輻射的能量E可用普朗克定律來描述。E（，T），：波長。在整個波長范圍內(nèi)的總能量是溫度的單值函數(shù)；特定波長上的輻射能是溫度的單一函數(shù)；兩個特定波長上的輻射能之比也是溫度的單值函數(shù)。輻射測溫的基本方法全輻射測溫法：亮度法：

比色法：根據(jù)輻射體的顏色與溫度相對應(yīng)的原理，可用光電方法測量輻射體在不同波長下的光譜輻射強(qiáng)度之比來實(shí)現(xiàn)測溫。輻射溫度計主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和信號處理與變換電路等部分組成。36六、測溫元件的安裝611.測溫元件的安裝要求（1）在測量管道溫度時，應(yīng)保證測溫元件與流體充分接觸，以減少測量誤差。見圖3-73。（2）測溫元件的感溫點(diǎn)應(yīng)處于管道中流速最大處。圖3-73測溫元件安裝示意圖之一37圖3-74測溫元件安裝示意圖之二62（3）測溫元件應(yīng)有足夠的插入深度，以減小測量誤差。見圖3-74。3863（4）若工藝管道過?。ㄖ睆叫∮?0mm），安裝測溫元件處應(yīng)接裝擴(kuò)大管，如圖3-75所示。圖3-75小工藝管道上測溫元件安裝示意圖39圖3-76熱電偶或熱電阻安裝示意圖64（6）為了防止熱量散失，測溫元件應(yīng)插在有保溫層的管道或設(shè)備處。（7）測溫元件安裝在負(fù)壓管道中時，必須保證其密封性，以防外界冷空氣進(jìn)入，使讀數(shù)降低。（5）熱電偶、熱電阻的接線盒面蓋應(yīng)向上，以避免雨水或其他液體、臟物進(jìn)入接線盒中影響測量，如圖3-76所示。40652.布線要求（1）按照規(guī)定的型號配用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線，注意熱電偶的正、負(fù)極與補(bǔ)償導(dǎo)線的正、負(fù)極相連接，不要接錯。（2）熱電阻的線路電阻一定要符合所配二次儀表的要求。（3）為了保護(hù)連接導(dǎo)線與補(bǔ)償導(dǎo)線不受外來的機(jī)械損傷，應(yīng)把連接導(dǎo)線或補(bǔ)償導(dǎo)線穿入鋼管內(nèi)或走槽板。41（6）補(bǔ)償導(dǎo)線不應(yīng)有中間接頭，否則應(yīng)加裝接線盒。另外，最好與其他導(dǎo)線分開敷設(shè)。（5）導(dǎo)線應(yīng)盡量避開交流動力電線。

（4）導(dǎo)線應(yīng)盡量避免有接頭。應(yīng)有良好的絕緣。禁止與交流輸電線合用一根穿線管，以免引起感應(yīng)。6642第六節(jié)現(xiàn)代檢測技術(shù)與傳感器的發(fā)展一、軟測量技術(shù)的發(fā)展67解決工業(yè)過程的