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1、温度测量及温度传感器,一、温度测量的基本概念温度的定义：表征分子热运动的程度的物理量温标：衡量温度大小的标尺摄氏：热力学：K华氏：,二、温度的测量与变送,温度是工业生产过程中最普遍而重要的操作参数。所有的过程都是在一定的温度条件下进行的；温度决定一些反应能否进行和反应方向；温度决定一些反应的进程程度；温度显示反应的能量变化。温度不能直接测量。温度的测量都是通过温度传递到敏感元件后，其物理性质随温度变化而进行的。,三、温度计的分类和形式,膨胀式温度计玻璃温度计压力式温度计双金属温度计热电偶温度计热电阻温度计辐射式温度计,四、膨胀式温度计,玻璃温度计压力式温度计双金属温度计,玻璃液体温度计利用液体
2、受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度双金属温度计不同金属受热膨胀不同，双金属片在受热情况下发生弯曲而显示温度,t = t0,t t0,1、玻璃液体温度计,是膨胀式温度计之一种,利用液体受热膨胀的性质制成, 常用的液体有水银和酒精。广泛用于测量-200-500摄氏度范围内的温度。（1）优点和缺点 玻璃液体温度计是最常用,也是最简单,最便宜的温度计。这种温度计主要优点是构造简单,使用方便,精度高和价格低廉。缺点是惰性大,能见度低, 不能自动记录及远距离传送。,玻璃温度计,玻璃管温度计,2、压力式温度计,压力式温度计的工作原理是当温度变化时,工质的体积或压力相应发生变化,以此制成温度计这种温度计
3、的主要优点是构造简单,防震可以远距离测量 , 并可制成自动记录式。主要缺点是损坏后很难修理,不能测点温和表面温度。国产WTQ型式气体压力温度计,可用来指示或记录工业设备中气体, 蒸汽或液体的温度。测量范围:0-120,0-160,0-200,0-3009(单位摄氏度)工作压力:60kgf/cm2,精度1.5与2.5级。,压力式温度计工作原理,利用液体的蒸发或气体的膨胀而引起的压力变化进行测量。温包：传热、容纳膨胀介质；毛细管：传递压力；弹簧管：显示压力（温度）。,带温压补偿的压力式温度计,3、双金属温度计,(一)双金属温度计的工作原理：双金属温度计是利用两种不同膨胀系数的金属片A和B将其焊接在
4、一起并将一端固定。当温度发生变化时,膨胀悉数较大的金属片B伸长较多,故其未固定端(自由端)必然向膨胀系数较小的金属A一方弯曲变形。利用弯曲变形的大小不同,从而可表示出温度的高低不同。,双金属温度计,(二).双金属片温度计按指示部分与保护管连接方式不同,分为下列三种类型: (1)轴项型 (2)径向型 (3)135度角型,双金属温度计,五、辐射式温度计,通过特定波长光波的强度或热辐射强度来确定光源温度。辐射式温度计：测定热辐射强度；光学温度计：采用光学分频法，测定不同频率光波的强度比值；比色法：直接通过可见光颜色的对比，确定光源温度。辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特别是光学温度计和比色温度计
5、需要利用物体在高温下发射的可见光进行检测。,辐射式温度计,六、热电偶温度计,1、热电偶的测温原理热电势：两种不同的导体材料（或半导体）A，B组成的闭合回路。相接触时，存在电子的迁移，达到平衡时，在接触的两端形成电势可用于点温度的测量只与材料和温度 有关，与热电偶的长度、直径无关接触电势和温差电势组成,热电偶温度计,1、接触电势,在一定温度下，如果从金属A扩散到金属B去的电子数等于从金属B吸向金属A的电子数时，就达到了动态平衡。这时金属A，B之间形成的电位差称为接触电势。接触电势的大小与接头温度的高低和金属的种类有关，温度越高，两金属的自由电子密度差越大，则接触电势越大。,2、温差电势,温差电势
6、：同一金属导体两端温度不同而产生的。高温端流向低温端的自由电子与低温端被电场吸引流向高温端的自由电子达到了动态平衡， 这时的电位差称为温差电势 e，大小仅与金属材料及两端温差有关，而与几何尺寸及金属（导体）温度分布无关。e(t,t0)可用下面的函数差来表示 eA(t,t0)=eA(t)-eA(t0),(1)热电偶基本定律的内容,两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电级直径，长度和沿热电级长度上的温度分布无关，只与热电级材料和两端温度有关；热电势大小是两端温度的函数差，如果两端温度相等，则热电势为零。,(2)热电偶基本定律的推论,（1）热电偶必须用两种性质不同的热电级构成。（2）若热电级材料
7、的性质不均匀，即当热电级温度分布不同时， 则热电偶将产生附加电势。所以根据附加热电势检查热电极材料 是否均匀，从而衡量热电偶质量的高低。,(3)中间导体定律,在热电偶回路中接入第三种均质导体后，只要保证所接入导体两端温度相同，就不会影响热电偶的热电势。,(4)中间温度定律与连接导体定律,（1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行分度，只要引入适当修正，就可以在另外的冷端温度下使用。这就为制订热电偶的热电势温度关系温度表奠定了理论基础。（2）和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶的回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶的热电势。如下图：,将图中热端和冷端温度分别为tn和t0的热电偶A、
8、B调换为其它热电偶A、B，只要该热电偶热电特性与原热电偶相同， 即EAB（ tn， t0）EAB （ tn， t0）则：EAB（ t， tn）+EAB （ tn， t0）= EAB（ t， t0）因此，这就为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。,热电偶的材质与选择,热电偶的材质要求：单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性关系；热电性质稳定；化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀；具有较好的延展性，易于加工；复现性好，便于批量生产和互换。不同材质的热电偶有不同的特性，应根据实际需要选择测量范围、放大系数（以分度值表示）、测量精度、抗腐蚀能力、价格等。,七、 标准化热电偶及分度表,1.铂铑10-铂热
9、电偶(S)2.铂铑30-铂铑6(B)热电偶3.镍铬-镍硅(K)热电偶4.镍铬-康铜热电偶(E)5.铜-康铜热电偶(T),耐腐热电偶和耐磨热电偶,压着式铠装热电偶,耐高温耐腐蚀热电偶,以特殊金属陶瓷材料作为外保护套管，采用复合型结构，使用温度1600C，具有良好的耐高温、抗气流冲击、抗氧化性能。主要用于高温加热炉、裂解炉、尾气焚烧炉、焦化炉等装置的测温。,吹气型热电偶,吹气型热电偶的结构原理： 铠装热电偶感温元件和外保护管之间构成一定的气路，在气路中，通入一定压力的惰性气体，以排除或减少热电偶在高温、高压条件下还原气体的渗入。,WR系列隔爆热电偶,1.普通型热电偶的构造,(1)热电极 (2)绝缘
10、材料 (3)保护套管 (4)接线盒,八、 热电偶的构造,2.铠装热电偶的构造,铠装热电偶是由热电极,绝缘材料和金属套管三者组合而成的坚实结合体。铠装热电偶的套管材料为铜,不锈钢或镍基高温合金等。 在热电偶与套管之间填满氧化粉末绝缘材料,套管中的热电极有单丝的,双丝的和四丝的,互不接触。热电偶的种类有铂铑10-铂,铂铑30-铂铑6,镍铬-镍硅和镍铬-考铜等.目前生产的铠装热电偶,其外径为12-25mm,长度可达100m以上。,铠装热电偶的结构,(1)热电极,热电偶的热电极直径由材料的机械强度,电导率,价格及热电偶的用途和测量范围等决定。用贵金属时直径很细,为0.35-0.65mm,用廉价金属时,
11、其直径为1-2mm.热电偶的长度可根据实际需要来决定。普通插入式热电偶的长度可在300mm-2150mm之间。,(2)绝缘材料,在热电偶的两根电极上套有绝缘材料, 其作用是防止两根电极之间和电极与保护套管之间发生短路。常用绝缘材料橡皮,塑料等,最常用的绝缘材料是瓷管和高温瓷管,其结构有单孔,双孔,四孔,孔的大小根据热电极的直径而定,(3)保护套管,热电偶的热电极(包括绝缘管)装在保护套管中。使热电极避免遭受有害气体的腐蚀,玷污及机械损伤,防止或减小火焰与气流的冲刷和辐射,保护热电极.对保护套管材料的要求是耐腐蚀,不渗透气体,不与氧化性和还原性气体发生化学反应,耐酸碱腐蚀,热惯性小,能承受温度剧
12、变,价格低。常用的保护套管材料有:铜,20号碳钢,镍铬合金。,(4)接线盒,主要作用是防止灰尘和水,汽的侵入,便于热电偶与补偿导线或导线连接。接线盒用侣合金材料制成,装在保护套管的尾部,接线盒的上部有垫片或垫圈加以密封。,九、热电偶冷端温度补偿,热电偶的热电势是两个接点温度的函数表, 只有当冷端温度不变时,热电势才是热端温度的单值函数。实际应用中,热电偶冷端所处环境温度总有波动,从而使测量得不到正确结果, 必须采取补偿措施.冷端温度处理办法有以下几种: 1.计算修正法 2.仪表机械零点调整法 3.恒温法 4.补偿法 5.多点测量的热电偶冷端温度补偿,1.计算修正法,若温度显示仪表分度时规定热电
13、偶冷端温度为零摄氏度, 而在使用中冷端温度不为零摄氏度时, 根据热电偶的中间温度定律 ,得知在这种情况下产生的热电势为: EAB(t,0) = EAB(t,t0) + EAB(t0,0) 式中: EAB(t,0) - 冷端为0,热端为t时的热电势； EAB(t,t0) - 冷端为t0,热端为t时的热电势,即实测值； EAB(t0,0) - 冷端为t0,时的应加校正值。将t0摄氏度的仪表实测读数与相应的校正值代数相加得EAB(t,0),然后从分度表查得被测温度t值。这种方法只适用于实验室。,2.仪表机械零点调整法,仪表的机械零点为仪表输入电势为零时,指针停留的刻度点, 也就是仪表的起始点。若预知
14、热电偶冷端温度为t0,在此时相当于人为给仪表输入热电势EAB(t0, 0),在接通测温回路后,输入仪表的热电势为： EAB(t,t0) + EAB(t0,0) = EAB(t,0) 使仪表指针指示热端温度t值。 仪表机械零点调整法比较简单, 如热电偶冷端温度波动频繁,变化较大,不宜采用此法,3.恒温法,在精密测温中,一般要求热电偶温度保持为0摄氏度,通常采用冰点槽。用清洁的水制成冰屑与清洁的水相混合盛于冰点槽的保温瓶内, 并使其达到平衡而保持恒定的0摄氏度, 使用时将热电偶冷端放在插入冰点槽的试管底部恒温法是准确度很高的冷端处理方法,然而使用比较麻烦,需要保持冰,水两相。,4.补偿法,补偿法是
15、利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化所引起的热电势的变化。由热电势计算修正法可知,当热电偶冷端温度tn偏离规定值t0时,热电势的修正值为EAB(tn,t0),如果在热电偶测量回路中串接一个等于EAB(tn,t0)的直流电压U,则回路的总电势为： EAB(t,tn) + U = EAB(t,tn) + EAB(tn,t0) = EAB(t,t0),5、多点测量的热电偶冷端温度补偿,在工业生产中为了有效利用控制盘和节省显示仪表，常通过多点切换开关把几只甚至几十只同一分度号的热电偶接到一块表上.这时可将各热电偶的冷端用补偿导线引至温度变化比较小的地方，然后共用一个桥式补偿器进行冷端温度补
16、偿.补偿方法有以下两种.补偿方法有以下两种:(1)利用一块显示仪表和一个冷端温度补偿器的多点测量线路.(2)用一只辅助热电偶对多只同型号热电偶冷端进行补偿的线路.,6、 热电偶的校验和误差分析,热电偶的误差来源主要有以下一些:(1)分度误差:由于热电极材料成分不符要求和材料均匀性等原因, 使热电偶的热电性质与统一的分度表之间产生分度误差。(2)补偿导线误差:由于补偿导线和热电极材料在100 以下的热电性质不同将产生误差。(3)参比端温度变化引起的误差:在利用补偿电桥进行参比温度补偿时,由于不能完全补偿而产生误差。(4)由于热电极变质,使热电性质变化而产生误差。,使用热电偶补偿导线应该注意的问题
17、,（1）补偿导线必须与相应型号的热电偶配用；（2）补偿导线在与热电偶、仪表连接时，正负极不能接错，两对连接点要处于相同温度；（3）补偿导线与热电偶连接点温度不得超过规定使用的温度范围；（4）要根据所配仪表的不同要求选有补偿导线的线径。,现场如何判断热电偶的型号及补偿导线的极性？,要判断热电偶的型号及补偿导线的极性，必须掌握热电偶材料的物理性质及补偿导线的性质。如：K分度热偶：镍铬（+）（不亲磁）（-）（稍亲磁），对应补偿导线；铜（+）（红色）康铜（-）（白色）。E分度热偶镍铬（+）（褐绿色）康铜（-）（白色），对应补偿导线为热电偶延长线，性质相同。掌握以上性质在现场工作时：（1）看颜色；（2）
18、试软硬；（3）亲磁与否，就可方便辨出。,1. 热电偶补偿导线正负极与热电偶接反 如果将热电偶补偿导线的正负极与热电偶正负极接反,而热电偶的正负极与仪表的正极连接是正确的, 这种错误在应用中比较普遍,因为连接后,被控制对象的温度变化趋势与显示仪表是一致的。加之目前热电偶补偿导线产品很多标注不规范,难以辨认；有些甚至是生产厂家将颜色标错。下面分析由于这种情况所产生的误差。,常见补偿导线使用中的错误和产生的误差,如果正确连接,仪表所接收的总热电势为 EZ=EK（T1,T3）+EKX（T3,T2）=EK（T1,T3）+EK（T3,T2） =EK（T1,T2）（6） 因为连接的错误,根据中间导体定律,仪
19、表所接收的总热电势为 EZ=EK（T1,T3）+EKX（T3,T2）（7） 对于KX延伸型补偿导线,有 EKX（T3,T2）=-EKX（T3,T2）=-EK（T3,T2）（8） 计算,仪表测量值由此产生误差为 EZ-EZ=EK（T1,T3）-EK（T3,T2）-EK（T1,T3）-EK（T3,T2） =2EK（T3,T2）（9）,一般工业炉附近的温度,至少比控制间的温度高8。那么由此产生误差正好是补偿导线补偿值的2倍。对于K型偶,微分电势值基本在40/（V）左右,测量温度大约比实际温度低16。如果控制温度设定在600,实际温度应该在616左右。从上面的分析可以看出,当热电偶补偿导线正负极接反,
20、不仅没有起到补偿作用,误差比不接补偿导线还增加一倍,因此补偿导线在连接时一定要注意极性。 如果不能确定热电偶补偿导线极性时,可以取一段补偿导线,将一端绝缘去掉后拧在一起,放在热水杯中,用普通万用表直流电压量程最低档测量另一端的2根线,万用表上会显示测量电压的正负,信号的正极为补偿导线的正极。,2. 使用的补偿导线型号不对 同种补偿导线配同种热电偶,如果所选的补偿导线种类不对,一样产生误差。假设使用S型热电偶,选择了K型偶的补偿导线KX, 根据中间导体定律,仪表所接收的总热电势为 EZ（T1,T2）=ES（T1,T3）+EKX（T3,T2）（10） 如果正确使用S型偶补偿导线SC,不考虑补偿导线
21、自身误差,仪表测量的总电势为EZ（T1,T2）=ES（T1,T3）=ES（T3,T2）（11） 由于选错了补偿导线仪表测量值由此产生误差为式(10)-式(11) EZ-EZ=EK（T3,T2）-ES（T3,T2）-EK（T3,T2）-ES（T3,T2）（12） 如果S型热电偶工作温度为900,控制间环境温度为25,仍按照T3-T2=8,分别查S偶和K偶分度表,得出电势差为 EK（T3,T2）-ES（T3,T2）=0.278mV 仪表测量温度比实际温度高。如果仪表控制在900时,实际值只有875.1,误差24.9。 如果上述情况又将极性接反,仪表测量值偏高,仪表显示900时,实际温度为933.2
22、,误差33.2。,热电偶补偿导线的外形图,十、热电阻温度计,一.热电阻测温原理 二.工业常用热电阻 三.热电阻构造,一、热电阻温度计测温原理,测量原理 物理学指出:各种材料的电阻率都随温度变化。若忽略物体的长度和截面随温度的变化,则在参比温度t0下的电阻值Rt0和电阻率的温度系数(简称电阻温度系数 )a已知物体,可以通过 测量此物体的电阻来反映其温度。简言之就是利用金属电阻随温度变化的规律进行测量；测量金属在不同温度下电阻值的变化。结构：普通型，铠装型，薄膜型,二.工业常用热电阻,在我国,标准化的热电阻现有铂的和铜的两种材质：铂电阻：0650C，Pt10，Pt100铜电阻：-50+150C，C
23、u50，Cu100工业热电阻的品种与性能 : 1.分度号 2.R0电阻与比阻W100 3.使用特点,1.分度号及分度表,根据IEC规定,铂电阻有Pt10和Pt100两种分度号铜热电阻按WZC标准,代号有Cu50和Cu100两种。,2.R0电阻与比阻W100,零摄氏度热电阻值因分度号而异.比阻W100=R100/R0表示阻丝材料的存度.比阻W100越大,纯度越高,同时灵敏度也越高.纯度高, 则复现性和稳定性也好。 若比阻W100相同,R0不同时,则Rt值也不同.Pt100的Rt值是Pt10值的10倍;Cu100的Rt 值是Cu50的Rt 值的两倍。,3.使用特点,铂热电阻用于摄氏度范围内测温，铜
24、热电阻因在高温下易氧化而适用于摄氏度范围内测温。前者稳定性好，准确度高；后者价格便宜，电阻与温度关系的线性度较好。,三.热电阻构造,与热电偶一样，工业热电阻有普通基型结构和铠装结构两种。它们都由感温元件，引出线，保护套管，接线盒，绝缘材料等组成。热电阻的接线采用三线制，其目的是减少引线电阻变化引起的附加误差。,热电阻的结构,专用热电阻和隔爆型热电阻,套管式热电阻,套管式热电阻作为温度测量和控制的传感器与显示仪表配套，以直接测量和控制生产过程中气体，液体和蒸汽的温度。不仅用于发电厂管道测温，同时也用于其他工业部门的测温。,装配式热电阻,工业用铂电阻作为温度测量的传感器，通常用来和显示仪表、记录仪
25、表和电子调节器配套使用。,耐腐型、耐磨型热电阻,但在某些特殊场合，如化工厂、冶炼厂、火电厂等，用普通热电偶，热电阻就极易损坏。因此，在这些场合必须采用特殊材料及机构的热电偶热电阻。,十一、热电阻温度计常见的故障,（1）热电阻电阻丝之间短路或接地；（2）热电阻电阻丝断开；（3）保护套管内积水或污物，局部短路；（4）电阻元件与接线盒间引出导线断路；（5）连接导线接触不良使阻值增大，或有局部短路等。,十二、思考及计算,1.补偿导线与热电偶配套使用时，应注意那些问题？2.热电偶测温为什么要进行冷端补偿？3.一支测温电阻体，分度号已看不清，你如何用简单方法鉴别出电阻体的分度号？ 4.某设备内的温度为20
26、0。C，拟用热电阻测量，应选用那一种电阻温度计？ 5.采用K型热电偶测温,已知被测温度与冷端温度分别为500和50，试求热电势的数值？6.用S型热电偶测温,已知冷端温度为40，而实测的热电势为9.352mV,试求被测温度值?,答案,1.补偿导线与热电偶配套使用时，应注意那些问题？（1）补偿导线必须与热电偶配套，不同型号的热电偶应选用不同的补偿导线。（2）补偿导线与热电偶连接时应正极接正极，负极接负极。（3）补偿导线与热电偶连接的两个接点必须同温。2.热电偶测温为什么要进行冷端补偿？热电偶热电势的大小与其两端的温度有关，其温度-热电势关系曲线是在冷端温度为0时分度的，在实际应用中，由于热电偶冷端
27、暴露在空间受到周围环境温度的影响，所以冷端温度不可能保持在0不变，也不可能固定在某个温度不变，而热电势既决定于热端温度，也决定于冷端温度，所以如果冷端温度自由变化，必然会引起测量误差，为了消除这种误差，必然进行冷端补偿。3.一支测温电阻体，分度号已看不清，你如何用简单方法鉴别出电阻体的分度号？ 用万用表R1档或R10档测量电阻体阻值，测出电阻为Rt，再估计一下周围环境温度为t，最后查对电阻-温度对照表，即可很快鉴别出电阻体的分度号。4.某设备内的温度为200。C，拟用热电阻测量，应选用那一种电阻温度计？ 选用铂电阻温度计。,计算结果,5.采用K型热电偶测温,已知被测温度与冷端温度分别为500和50，试求热电势的数值？ V(500,50）=V(500,0） V(50,0）=20.6442.023=18.621mV6.用S型热电偶测温,已知冷端温度为40，而实测的热电势为9.352mV,试求被测温度值?由分度表查出：E（40，0）=0.235mV E（t，0）=9.352+0.235=9.587Mv 由分度表查出t=1000,谢谢大家!,
