過程檢測(cè)技術(shù)及儀表2章第二節(jié)溫度測(cè)量課件

2節(jié)溫度測(cè)量溫度檢測(cè)的主要方法和分類熱電偶及其測(cè)溫原理熱電阻及其測(cè)溫原理溫度變送器簡(jiǎn)介其它溫度檢測(cè)儀表簡(jiǎn)介溫度檢測(cè)儀表的選用和安裝測(cè)溫方式

測(cè)溫儀表

測(cè)溫范圍℃主要特點(diǎn)

接觸式

膨脹式

玻璃液體

－100～600結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量準(zhǔn)確、價(jià)格低廉；測(cè)量上限和精度受玻璃質(zhì)量的限制，易碎，不能遠(yuǎn)傳

雙金屬

－80～600結(jié)構(gòu)緊湊、可靠；測(cè)量精度低、量程和使用范圍有限

熱電效應(yīng)

熱電偶

－200～1800測(cè)溫范圍廣、測(cè)量精度高、便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中檢測(cè)和自動(dòng)控制，應(yīng)用廣泛；需自由瑞溫度補(bǔ)償，在低溫段測(cè)量精度較低

熱阻效應(yīng)

鉑電阻

－200～600測(cè)量精度高，便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中檢測(cè)和自動(dòng)控制，應(yīng)用廣泛；不能測(cè)高溫

銅電阻

－50～150半導(dǎo)體熱敏電阻

－50～150靈敏度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便；互換性較差，測(cè)量范圍有一定限制

非接觸式

非接觸式

輻射式

0～3500不破壞溫度場(chǎng)，測(cè)溫范圍大，響應(yīng)塊，可測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的溫度；易受外界環(huán)境的影響，標(biāo)定較困難

1溫度常用的檢測(cè)方法和分類2熱電偶及其測(cè)溫原理熱電效應(yīng)和熱電偶熱電偶中間導(dǎo)體定律與熱電勢(shì)的檢測(cè)

熱電偶的等值替代定律和補(bǔ)償導(dǎo)線

標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和分度表熱電偶冷端溫度的處理熱電偶的結(jié)構(gòu)型式ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)閉合回路中所產(chǎn)生的熱電勢(shì)由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成：

下標(biāo)A表示正電極，B表示負(fù)電極，由于溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，常常把它忽略不計(jì)，這樣熱電偶的電勢(shì)可表示為：

注意：如果下標(biāo)次序改為eBA，則熱電勢(shì)e前面的符號(hào)也應(yīng)相應(yīng)改變，即式(i)就是熱電偶測(cè)溫的基本公式。當(dāng)冷端溫度t0一定時(shí)，對(duì)于確定的熱電偶來說，eAB(t0)為常數(shù)，因此，其總熱電勢(shì)EAB(t,t0)就與溫度t成單值函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，和熱電偶的長(zhǎng)短、直徑無關(guān)。只要測(cè)量出熱電勢(shì)大小，就能判斷被測(cè)溫度的高低，這就是熱電偶的溫度測(cè)量原理。

重要結(jié)論：1.如果組成熱電偶的兩種電極材料相同，則無論熱電偶冷、熱兩端的溫度如何，閉合回路中的總熱電勢(shì)為零；2.如果熱電偶冷、熱兩端的溫度相同，則無論兩電極材料如何，閉合回路中的總熱電勢(shì)也為零3.熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)除了冷、熱兩端的溫度有關(guān)之外，還與電極材料有關(guān)，也就是說由不同電極材料制成的熱電偶在相同的溫度下產(chǎn)生的熱電勢(shì)是不同的。

——中間導(dǎo)體定律和熱電勢(shì)的測(cè)量熱電偶的輸出信號(hào)是毫伏信號(hào)，毫伏信號(hào)的大小不僅與冷、熱兩端的溫度有關(guān)，還和熱電偶的電極材料有關(guān)，理論上任何兩種不同導(dǎo)體都可以組成熱電偶，都會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。但如何來檢測(cè)熱電偶產(chǎn)生的毫伏信號(hào)呢？因?yàn)橐獪y(cè)量毫伏信號(hào)，必須在熱電偶回路中串接毫伏信號(hào)的檢測(cè)儀表，那串接的檢測(cè)儀表是否會(huì)產(chǎn)生額外的熱電勢(shì)，對(duì)熱電偶回路產(chǎn)生影響呢？答：不會(huì)產(chǎn)生影響的。tt0ABCC毫伏計(jì)——等值替代定律和補(bǔ)償導(dǎo)線如果熱電偶AB在某一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電勢(shì)與熱電偶CD在同一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電勢(shì)相等，即，則這兩支熱電偶在該溫度范圍內(nèi)是可以相互替換的，這就是所謂的熱電偶等值替代定律。t0tAAABBBDCtt0tctc例如左圖，設(shè)，證明該回路的總熱電勢(shì)為某熱電偶，熱端溫度為t，冷端溫度為tc，顯然冷端溫度難以實(shí)現(xiàn)恒定，怎么辦？冷端的延伸ttcAB熱電偶被測(cè)設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)t0毫伏計(jì)恒溫環(huán)境AB可以把熱電偶做得很長(zhǎng)，一直到控制室。把冷端溫度延伸到控制室，變?yōu)閠0，恒定t0比較容易此時(shí)，測(cè)得的熱電勢(shì)為但熱電偶一般為（較）貴重的金屬，采用如圖所示的延伸方式將需要大量的貴金屬材料，不妥。如果選用一組較廉價(jià)的材料（C、D），且CD在一定溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電勢(shì)與熱電偶AB在同一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電勢(shì)相等，就可以用CD來替代AB的延伸段。冷端的延伸ttcAB熱電偶被測(cè)設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)t0毫伏計(jì)恒溫環(huán)境CDCD即為熱電偶AB的補(bǔ)償導(dǎo)線，通常CD采用比熱電偶電極材料更廉價(jià)的兩種金屬材料做成，一般在0～100℃范圍內(nèi)要求補(bǔ)償導(dǎo)線要與被補(bǔ)償?shù)臒犭娕季哂袔缀跬耆嗤臒犭娦再|(zhì)。在選擇和使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，要和熱電偶的型號(hào)相匹配，注意極性不能接錯(cuò)，熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線連接處的溫度一般不能高于100℃。

例用K型熱電偶來測(cè)量溫度，在冷端溫度為t0＝25℃時(shí)，測(cè)得熱電勢(shì)為22.9mV，求被測(cè)介質(zhì)的實(shí)際溫度。解1：根據(jù)題意有由K型熱電偶的分度表查出因此有反查分度表有解2：根據(jù)題意有直接查分度表有因此再加上冷端溫度，有

哪種計(jì)算結(jié)果正確，為什么？

——熱電偶冷端溫度的處理中間導(dǎo)體定律拆開冷端，串入“毫伏計(jì)”，可以測(cè)量熱電勢(shì)，而不影響總的熱電勢(shì)等值替代定律利用補(bǔ)償導(dǎo)線來延伸冷端，是把熱電偶的冷端從溫度較高和不穩(wěn)定的現(xiàn)場(chǎng)延伸到溫度較低和比較穩(wěn)定的操作室內(nèi)由于操作室內(nèi)的溫度往往高于0℃，而且也是不恒定的（即使有空調(diào)也是不恒定的），這時(shí)，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)必然會(huì)隨冷端溫度的變化而變。因此，在應(yīng)用熱電偶時(shí)，只有把冷端溫度保持為0℃，或者進(jìn)行必要的修正和處理才能得出準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，對(duì)熱電偶冷端溫度的處理稱為冷端溫度補(bǔ)償。目前，熱電偶冷端溫度主要有以下幾種處理方法：冰浴法計(jì)算修正法電橋補(bǔ)償法冰浴法——把熱電偶的冷端放入恒溫裝置中，保持冷端溫度為0℃，多用于實(shí)驗(yàn)室ttc熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線毫伏計(jì)0℃恒溫裝置計(jì)算修正法——如例3.7。這種方法適用于實(shí)驗(yàn)室或者臨時(shí)測(cè)溫。電橋補(bǔ)償法——儀表中常用——熱電偶的結(jié)構(gòu)形式熱電偶廣泛應(yīng)用于各種條件下的溫度測(cè)量，尤其適用于500℃以上較高溫度的測(cè)量，普通型熱電偶和鎧裝型熱電偶是實(shí)際應(yīng)用最廣泛的兩種結(jié)構(gòu)。接線盒保護(hù)套管絕緣管熱電偶安裝法蘭引線口普通型熱電偶普通型熱電偶主要由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等主要部分組成。貴重金屬熱電極的直徑一般為0.3～0.65mm，普通金屬熱電極的直徑一般為0.5～3.2mm；熱電極的長(zhǎng)度由安裝條件和插入深入而定，一般為350～2000mm。絕緣管用于防止兩根電極短路保護(hù)套管用于保護(hù)熱電極不受化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷材料的選擇因工作條件而定普通型熱電偶主要有法蘭式和螺紋式兩種安裝方式鎧裝型熱電偶熱電極絕緣材料金屬套管熱電極絕緣材料鎧裝型熱電偶斷面結(jié)構(gòu)鎧裝型熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)過拉伸加工成型的金屬套管一般為銅、不銹鋼、鎳基高溫合金等保護(hù)套管和熱電極之間填充絕緣材料粉末，常用的絕緣材料有氧化鎂、氧化鋁等。鎧裝型熱電偶可以做得很細(xì)，一般為2～8mm，在使用中可以隨測(cè)量需要任意彎曲。鎧裝熱電偶具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高、抗震性好、可彎曲等優(yōu)點(diǎn)，可安裝在結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的裝置上，應(yīng)用十分廣泛。

熱電阻熱電阻的特性和測(cè)量原理熱電阻的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)常用的熱電阻熱電阻的安裝熱電阻的溫度特性電阻溫度系數(shù)α：熱電阻阻值隨溫度的變化大小α=(RT-RTO)/[RTO(T-TO)]RT、

RTO分別為溫度為T、TO時(shí)熱電阻的電阻值一般選取TO為0度、

T為100度。

α實(shí)際上是指溫度每變化1度時(shí)熱電阻阻值的相對(duì)變化量對(duì)于金屬熱電阻，α〉0，即電阻隨溫度升高而增加；對(duì)于半導(dǎo)體熱敏電阻：NTC型熱敏電阻α〈0PTC型熱敏電阻α〉0熱電阻測(cè)溫原理利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)來測(cè)量溫度制作熱電阻的材料要滿足以下要求：1、要有大而穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)2、電阻率要大，以便在同樣靈敏度下減小元件尺寸3、電阻隨溫度變化要有單值函數(shù)關(guān)系，最好是線性關(guān)系4、化學(xué)和物理性能在工作溫度內(nèi)要穩(wěn)定5、價(jià)格便宜，性價(jià)比高鉑熱電阻優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、性能可靠、抗氧化性強(qiáng)、復(fù)現(xiàn)性好等；缺點(diǎn)是電阻與溫度呈非線性、價(jià)格較貴，在還原介質(zhì)中工作容易變脆；測(cè)溫范圍：-200——850℃鉑熱電阻鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系，即特性方程如下：當(dāng)溫度t在－200℃≤t≤0℃時(shí)：當(dāng)溫度t在0℃≤t≤850℃時(shí)：銅熱電阻應(yīng)用：測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合測(cè)量范圍：―50～150℃優(yōu)點(diǎn)：溫度范圍內(nèi)線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純、加工，價(jià)格便宜，復(fù)制性能好。缺點(diǎn)：易于氧化，一般只用于150℃以下的低溫測(cè)量和沒有水分及無侵蝕性介質(zhì)的溫度測(cè)量。與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系關(guān)系是線性的工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的R0按國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取50Ω和100Ω兩種，分度號(hào)分別為Cu50和Cu100，鎳電阻鎳電阻的電阻溫度系數(shù)約為鉑電阻的1.5倍，溫度與電阻呈非線性關(guān)系；測(cè)溫范圍為－50～150℃；為標(biāo)準(zhǔn)化的熱電阻，但未制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)分度表；應(yīng)用場(chǎng)合：溫度變化范圍小、靈敏度要求高的場(chǎng)合；金屬熱電阻小結(jié)：均可做成標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)熱電阻溫度計(jì)；鉑電阻可用來制作成精密的標(biāo)準(zhǔn)熱電阻溫度計(jì)；工業(yè)上最常用熱電阻為Pt100和Cu50；半導(dǎo)體熱敏電阻：熱敏電阻的溫度系數(shù)較大，常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以上），但互換性較差，非線性嚴(yán)重，測(cè)溫范圍為－40～350℃左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測(cè)和控制。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度的關(guān)系為：

式中，為溫度t時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值A(chǔ)、B是取決于半導(dǎo)體材料和結(jié)構(gòu)的常數(shù)半導(dǎo)體熱敏電阻特點(diǎn)：1、靈敏度高；2、電阻值大，不必考慮引線電阻的影響；3、體積小、熱慣性小、響應(yīng)時(shí)間快；4、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單5、資源豐富、價(jià)格低廉、化學(xué)穩(wěn)定性好；6、互換性、穩(wěn)定性較差，非線性嚴(yán)重，測(cè)溫范圍一般不能超過350℃；其它熱電阻鎧裝熱電阻1、制作工藝：將陶瓷骨架或玻璃骨架的感溫元件裝入細(xì)不繡鋼管內(nèi)，周圍填充氧化鎂（絕緣材料），拉制成一個(gè)整體。2、同裝配式熱電阻相比優(yōu)點(diǎn)：外徑尺寸小，套管內(nèi)為實(shí)體，響應(yīng)速度快；抗震，可彎可繞，使用方便使用壽命長(zhǎng)

薄膜熱電阻目前推廣產(chǎn)品只有薄膜鉑熱電阻；采用薄膜工藝替代普通熱電阻常用的線繞工藝制作而成；測(cè)溫范圍：-50——600度；優(yōu)點(diǎn)：熱容量小，導(dǎo)熱系數(shù)大，測(cè)溫迅速，可測(cè)表面、狹小區(qū)域等場(chǎng)合溫度有裝配式和鎧裝式——熱電阻的信號(hào)連接方式

熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號(hào)通過引線傳遞到計(jì)算機(jī)控制裝置或者其它二次儀表上。常用的引線方式有三種：ER1R2R3二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來引出電阻信號(hào)。這種引線方式最簡(jiǎn)單但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r的大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長(zhǎng)度等因素有關(guān)很明顯，圖中的因此，這種引線方式只適用于測(cè)量精度要求較低的場(chǎng)合。

ER1R2R3三線制：在熱電阻根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制這種方式通常與電橋配套使用，可以較好地消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程中最常用的引線方式。

事實(shí)上電橋上R1＝R2>>Rt、R3，經(jīng)過設(shè)計(jì)可以使兩個(gè)橋臂上的電流相等，均為I，且I幾乎不受Rt的影響三線制的連接，每根線上同樣也存在導(dǎo)線電阻r此時(shí)，Ui＝UAC＝？？可以起到調(diào)零的作用四線制：在熱電阻根部?jī)啥烁鬟B接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流Is，把Rt轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Ui，再通過另兩根引線把Ui引至二次儀表?？梢娺@種引線方式可以完全消除引線電阻的影響，主要用于高精度的溫度檢測(cè)。熱電阻的誤差分析熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)一般有以下幾方面的誤差來源：1、傳熱誤差：熱電阻未與被測(cè)對(duì)象充分接觸、未達(dá)到熱平衡等。2、分度誤差產(chǎn)生原因：標(biāo)準(zhǔn)化的熱電阻分度表是由統(tǒng)計(jì)分析產(chǎn)生的，因此具體所采用的熱電阻會(huì)因?yàn)椴牧?、制造工藝而有所不同，就?huì)出現(xiàn)分度誤差。3、自熱誤差：測(cè)量過程中電流流經(jīng)熱電阻時(shí)產(chǎn)生溫升所引起的附加誤差4、測(cè)量系統(tǒng)連接導(dǎo)線誤差5、其它誤差：熱電阻連接點(diǎn)接觸不良、屏蔽絕緣不良等——熱電阻的結(jié)構(gòu)形式和熱電偶相同4、一體化溫度變送器——一體化溫度變送器

分為一體化熱電偶溫度變送器和一體化熱電阻溫度變送器兩種熱電偶溫度變送器：把mV信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流輸出熱電阻溫度變送器：把Ω信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流輸出所謂一體化溫度變送器，是指將變送器模塊安裝在測(cè)溫元件接線盒或?qū)Ｓ媒泳€盒內(nèi),變送器模塊和測(cè)溫元件形成一個(gè)整體，可直接安裝在被測(cè)設(shè)備上，輸出為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20mA。這種變送器具有體積小、重量輕、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。由于一體化溫度變送器直接安裝在現(xiàn)場(chǎng)，但由于變送器模塊內(nèi)部的集成電路一般情況下工作溫度在–20～+80℃范圍內(nèi)，超過這一范圍，電子器件的性能會(huì)發(fā)生變化，變送器將不能正常工作，因此在使用中應(yīng)特別注意變送器模塊所處的環(huán)境溫度。一體化溫度變送器品種較多，其變送器模塊大多數(shù)以一片專用變送器芯片為主，外接少量元器件構(gòu)成，常用的變送器芯片有AD693、XTR101、XTR103、IXR100等。下面以AD693構(gòu)成的一體化溫度變送器為例進(jìn)行介紹。雙金屬溫度計(jì)

玻璃液體溫度計(jì)原理：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壓力式溫度計(jì)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(cè)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）。溫度檢測(cè)儀表的選用

工業(yè)上常見的溫度檢測(cè)儀表主要有:雙金屬溫度計(jì)熱電偶熱電阻輻射式溫度計(jì)等就地指示精度不高在線檢測(cè)適用于測(cè)量500℃以下的中低溫度一般用于2000℃以上的高溫測(cè)量選擇使用熱電阻、熱電偶時(shí)還應(yīng)該根據(jù)相應(yīng)的要求確定合適的分度號(hào)?！獪囟葯z測(cè)儀表的安裝

一般來說，溫度檢測(cè)儀表的安裝需要遵循以下原則：

檢測(cè)元件的安裝應(yīng)確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，選擇有代表性的安裝位置。

檢測(cè)元件應(yīng)該有足夠的插入深度不應(yīng)