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1、第4章生产工艺参数检测仪表,4.1 温度测量与仪表 4.2 压力测量与仪表 4.3 流量检测与仪表 4.4 物位检测与仪表,4.1温度检测与仪表,4.1.1温标及测温方法分类1.温标为了保证温度量值的统一，必须建立一个用来衡量温度高低的标准尺度，这个标准尺度称为温标。温度的高低必须用数字来说明，温标就是温度的一种数值表示方法，并给出了温度数值化的一套规则和方法，同时明确了温度的测量单位。人们一般是借助于随温度变化而变化的物理量（如体积、压力、电阻、热电势等）来定义温度数值，建立温标和制造各种各样的温度检测仪表。下面对常用温标作一简介。,1）经验温标.摄氏温标摄氏温标是把在标准大气压下水的冰点定
2、为零摄氏度，把水的沸点定为100摄氏度的一种温标。在零摄氏度到100摄氏度之间进行100等分，每一等分为1摄氏度，单位符号为。.华氏温标人们规定标准大气压下的纯水的冰点温度为32华氏度，水的沸点定为212华氏度，中间划分180等分。每一等分称为1华氏度。单位符号为。,.列氏温标列氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为0列氏度，水沸点为80列氏度，中间等分为80等分，每一等分为1列氏度。单位符号为R。摄氏、华氏、列氏温度之间的换算关系为,（4-1）,式中:C摄氏温度值；F华氏温度值；R列氏温度值。,2）热力学温标1848年英国科学家开尔文（Kelvin）提出以卡诺循环为基础建立热力学温标。他根据热
3、力学理论，认为物质有一个最低温度点存在，定为0K，把水的三相点温度273.15K选作唯一的参考点,在该温标中不会出现负温度值。从理想气体状态方程入手可以复现热力学温标，称做绝对气体温标。这两种温标在数值上完全相同，而且与测温物质无关。由于不存在理想气体和理想卡诺热机，故这类温标是无法实现的。在使用气体温度计测量温度时，要对其读数进行许多修正，修正过程又依赖于许多精确的测量，于是就导致了国际实用温标的问世。,3）国际温标国际温标是用来复现热力学温标的，其指导思想是采用气体温度计测出一系列标准固定温度（相平衡点），以它们为依据在固定点中间规定传递的仪器及温度值的内插公式。第一个国际温标制定于192
4、7年，此后随着社会生产和科学技术的进步，温标的探索也在不断地进展，1989年7月国际计量委员会批准了新的国际温标，简称ITS90。我国于1994年起全面推行ITS90新温标。ITS90同时定义国际开尔文温度（变量符号为T90）和国际摄氏温度（变量符号为t90）。水三相点热力学温度为273.15K，摄氏度与开尔文度保留原有简单的关系式,t90=(T90-273.15),（4-2）,ITS-90对某些纯物质各相（固、液体）间可复现的平衡态之温度赋予给定值，即给予了定义，定义的固定点共17个。ITS-90规定把整个温标分成四个温区，其相应的标准仪器如下：0.655.0K之间，T90用3He和4He蒸
5、气压与温度的关系式来定义；3.024.5561K（氖三相点）之间，用氦气体温度计来定义；13.8033K（平衡氢三相点）961.78（银凝固点）之间，用基准铂电阻温度计来定义；961.78以上，用单色辐射温度计或光电高温计来复现。,2.温度检测的主要方法及分类1）接触式测温方法接触式测温方法是使温度敏感元件和被测温度对象相接触，当被测温度与感温元件达到热平衡时，温度敏感元件与被测温度对象的温度相等。这类温度传感器具有结构简单，工作可靠，精度高，稳定性好，价格低廉等优点。这类测温方法的温度传感器主要有：基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度传感器；基于导体或半导体电阻值随温度变化的电阻式温度传感器
6、；基于热电效应的热电偶温度传感器。,2）非接触式测温方法非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度有关，并且以电磁波形式向四周辐射，当选择合适的接收检测装置时，便可测得被测对象发出的热辐射能量，并且转换成可测量和显示的各种信号，实现温度的测量。这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。非接触式温度传感器理论上不存在热接触式温度传感器的测量滞后和在温度范围上的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干扰被测温度场，但精度较低，使用不太方便。,表4-1温度检测方法的分类,表4-1温度检测方
7、法的分类,4.1.2接触式温度传感器1.热膨胀式温度传感器1)双金属温度计固体膨胀式温度计中最常见的是双金属温度计，其典型的敏感元件为两种粘在一起且膨胀系数有差异的金属。双金属片组合成温度检测元件，也可以直接制成温度测量的仪表。通常的制造材料是高锰合金与殷钢。殷钢的膨胀系数仅为高锰合金的1/20，两种材料制成叠合在一起的簿片，其中膨胀系数大的材料为主动层，小的为被动层。将复合材料的一端固定，另一端自由。在温度升高时，自由端将向被动层一侧弯曲，弯曲程度与温度相关。自由端焊上指针和转轴则随温度可以自由旋转，构成了室温计和工业用的双金属温度计。它也可用来实现简单的温度控制。,固体膨胀式温度仪表的型号
8、较多，WTJ-1型测量范围为-40500，耐震，适合航空、航海的应用；WTJ-150型测量范围为-60100，精度为一级，其优点是刻度盘大，读数和使用方便，不易折损，且有耐震与耐冲击力，缺点是热惯性大、精度低。,双金属温度计敏感元件如图4-1所示。它们由两种热膨胀系数 a不同的金属片组合而成，例如一片用黄铜，a=22.810-6-1，另一片用镍钢a=110-6-1210-6-1，将两片粘贴在一起，并将其一端固定，另一端设为自由端，自由端与指示系统相连接。当温度由t0变化到t1时，由于A,B两者热膨胀不一致而发生弯曲，即双金属片由t0时初始位置AB变化到t1时的相应位置AB，最后导致自由端产生一
9、定的角位移，角位移的大小与温度成一定的函数关系，通过标定刻度，即可测量温度。双金属温度计一般应用在-80600范围内，最好情况下，精度可达0.51.0级，常被用作恒定温度的控制元件，如一般用途的恒温箱、加热炉等就是采用双金属片来控制和调节”恒温”的，如图4-2所示。,图4-1双金属温度计敏感元件,图4-2双金属控制恒温箱示意图,2）压力式温度计压力式温度计是根据一定质量的液体、气体在定容条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理制成的。主要由感温包、传递压力元件（毛细管）、压力敏感元件（弹簧管、膜盒、波纹管等）、齿轮或杠杆传动机构、指针和读数盘组成。温包、毛细管和弹簧管的内腔共同构成一个封闭容器，
10、其中充满了感温介质。当温包受热后，内部介质因温度升高而压力增大，压力的变化经毛细管传递给弹簧管使其变形，并通过传动系统带动指针偏转，指示出相应的温度数值。因此，这种温度计的指示仪表实际上就是普通的压力表。压力式温度计的主要特点是结构简单，强度较高，抗振性较好。,为了利于传热，温包的表面面积与其体积的比值应尽量大，所以通常采用细而长的圆筒型温包。虽然扁平断面要比圆断面更利于传热，但耐压能力远不如圆断面好。压力式温度计的毛细管细而长，其作用是传递压力，常用铜或不锈钢冷轧无缝管制作，内径为0.4mm。为了减小周围环境温度变化引起的附加误差，毛细管的容积应远小于温包的容积，为了实现远距离传递，这就要求
11、其内径小。当然，长度加长内径减小会使传递阻力增大、温度计的响应变慢，在长度相等的条件下，管越细则准确度越高。一般检测温度点的位置与显示温度的地方可相距20米（特殊需要场合可制作到60米），故它又被称为隔离温度计。,图4-3压力式温度计,.充气体的压力式温度计气体状态方程式pV=nRT表明，对一定质量m的气体，如果它的体积V一定，则它的温度T与压力p成正比。因此，在密封容器内充以气体，就构成充气体的压力温度计。工业上用的充气体的压力式温度计通常充氮气，它能测量的最高温度为500550；在低温下则充氢气，它的测温下限可达-120。在过高的温度下，温包中充填的气体会较多地透过金属壁而扩散，这样会使仪
12、表读数偏低。,.充蒸气的压力式温度计充蒸气的压力式温度计是根据低沸点液体的饱和蒸气压只和气液分界面的温度有关这一原理制成的。其感温包中充入约占2/3容积的低沸点液体，其余容积则充满液体的饱和蒸气。当感温包温度变化时，蒸气的饱和蒸气压发生相应变化，这一压力变化通过一插入到感温包底部的毛细管进行传递。在毛细管和弹簧管中充满上述液体，或充满不溶于感温包中液体的、在常温下不蒸发的高沸点液体，称为辅助液体，以传递压力。感温包中充入的低沸点液体常用的有氯甲烷、氯乙烷和丙酮等。,2.热电偶热电偶是目前应用广泛、发展比较完善的温度传感器，它在很多方面都具备了一种理想温度传感器的条件。1）热电偶的特点（1）温度
13、测量范围宽。随着科学技术的发展，目前热电偶的品种较多，它可以测量自-2712800乃至更高的温度。（2）性能稳定、准确可靠。在正确使用的情况下，热电偶的性能是很稳定的，其精度高，测量准确可靠。,（3）信号可以远传和记录。由于热电偶能将温度信号转换成电压信号，因此可以远距离传递，也可以集中检测和控制。此外，热电偶的结构简单，使用方便，其测量端能做得很小。因此，可以用它来测量“点”的温度。又由于它的热容量小，因此反应速度很快。,2）热电偶的测温原理.热电效应热电偶测温是基于热电效应。在两种不同的导体（或半导体）A和B组成的闭合回路中，如果它们两个结点的温度不同，则回路中产生一个电动势，通常我们称这
14、种电动势为热电势，这种现象就是热电效应，如图4-4所示。,图4-4热电偶的测温原理,.接触电势两种材料不同的导体A和B接触在一起时，由于自由浓度不同，便在接触处发生电子扩散，若导体A、B的电子浓度分别为NA、NB，且NANB，则在单位时间内，由A扩散到B的电子数要多于由B扩散到A的电子数。所以，导体A因失去电子而带正电，导体B因得到电子而带负电，在A、B的接触面处便形成一个从A到B的静电场。这个电场又阻止电子继续由A向B扩散。当电子扩散能力与此电场阻力相平衡时，自由电子的扩散达到了动态平衡，这样在接触处形成一个稳定的电动势，称为接触电势。,在图4-4回路中，T0点的接触电势其大小为,（4-3）
15、,上式中:EAB（T）为导体A、B在温度T的接触电势；K为接触处绝对温度，K为波耳兹曼常数，K=1.3810-23J/K；e为电子电荷，e=1.6010-19C。 可以看出，如果热电偶的两个电极材料相同(NA=NB)，则不会产生接触电势。因此，热电偶的两个电极材料必须不同。,在图4-4回路中，T0点的接触电势为,（4-5）,.温差电势温差电势（也称汤姆逊电势）是指在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的电动势。导体A两端的温度分别为T0和T时的温差电势表示为EA（T，T0）。设导体A(或B)两端温度分别为T0和T，且TT0。此时导体A(或B)内形成温度梯度，使高温端的电子能量大于低温端的电子能
16、量，因此从高温端扩散到低温端的电子数比从低温端扩散到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电荷，低温端因获得电子而带负电荷。因而，在同一导体两端便产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，最后使电子扩散达到动平衡，此时形成温差电势。,在图4-4回路中，A导体上的温差电势EA(T,T0)为,（4-6）,B导体上的温差电势EB(T, T0)为,（4-7）,则在导体A、B组成的热电偶回路中，两导体上产生的温差电势之和为,（4-8）,.热电偶闭合回路的总电势在图4-4回路中，接触点1处将产生接触电势EAB(T)，接触点2处将产生接触电势EAB(T0)，导体A上将产生温差电势，导体B上将产生温差电势
17、，所以热电偶回路中的热电势为接触电势与温差电势之和，取EAB（T）的方向为正向，则整个回路总热电势可表示为：,EAB（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）+EA（T，T0）- EB（T，T0）,（4-9）,通常情况下，温差电势比较小，因此,EAB（T，T0）EAB（T）-EAB（T0）,（4-10）,如果能使冷端温度T0固定，即EAB（T0）=C(常数)，则对确定的热电偶材料，其总电势EAB（T，T0）就只与热端温度呈单值函数关系，即,EAB（T，T0）EAB（T）-C,(4-11),根据国际温标规定：在T0=0时，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同的工作温度下所产生的热电势
18、值，并将其列成一张表格，这就是常说的分度表。温度与热电势之间的关系也可以用函数关系表示，称为参考函数。同时，需注意以下几点：(1)两种相同材料的导体构成热电偶时，其热电势为零；(2)当两种导体材料不同，但两端温度相同时，其热电偶的热电势为零；(3)热电势的大小只与电极的材料和结点的温度有关，与热电偶的尺寸、形状无关。,3)热电偶基本定律.中间导体定律热电偶回路中接入中间导体，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路总的热电势没有影响，如图4-5所示。热电偶回路中接入中间导体C后的热电势为,EABC（T，T0）=EAB（T）+EBC（T0）+ECA（T0）,（4-13）,即,EBC（T0）+EC
19、A（T0）= -EAB（T0）,（4-14）,所以,EABC（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）=EAB（T，T0）,（4-15）,图4-5中间导体定律,.中间温度定律 热电偶在结点温度为（T，T0）时的热电势，等于在结点温度为（T，Tn）及（Tn，T0）时的热电势之和，其中，Tn 称为中间温度，如图4-6所示。其热电势可用下式表示：,（4-16）,EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，T0）,图4-6中间温度定律,中间温度定律的实用价值在于：(1)当热电偶冷端不为0时，可用中间温度定律加以修正；(2)由于热电偶电极不能做得很长，可根据中间温度定律选用适当的补偿导线。,.
20、标准电极定律如图4-7所示，如果A、B两种导体分别与第3种导体C组成热电偶，当两结点温度为（T，T0）时热电势分别为EAC（T，T0）和EBC（T，T0），那么在相同温度下，由A、B两种热电偶配对后的热电势为,EAB（T，T0）=EAC（T，T0）-EBC（T，T0）,（4-17）,图4-7标准电极定律,.均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路中，不论导体的截面和长度如何，以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。这条定理说明，热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。,4）热电偶的材料根据上述热电偶的测温原则，理论上任何两种导体均可配成热电偶，但因实际测温时对测量精度及使用等有一定要求，故对
21、制造热电偶的热电极材料也有一定要求。除满足上述对温度传感器的一般要求外，还应注意如下要求:（1）在测温范围内，热电性质稳定，不随时间和被测介质而变化，物理化学性能稳定，不易氧化或腐蚀；（2）电导率要高，并且电阻温度系数要小；,（3）它们组成的热电偶的热电势随温度的变化率要大，并且希望该变化率在测温范围内接近常数；（4）材料的机械强度要高，复制性好，复制工艺要简单，价格便宜。完全满足上述条件要求的材料很难找到，故一般只根据被测温度的高低选择适当的热电极材料。下面分别介绍国内生产的几种常用热电偶。它们又分为标准化热电偶与非标准化热电偶。标准化热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系和允许误差，
22、并有统一的标准分度表。,5）热电偶的分类.按热电偶材料分类按热电偶材料分类有廉金属、贵金属、难熔金属和非金属四大类。廉金属中有铁康铜、铜康铜、镍铬考铜、镍铬康铜、镍铬镍硅（镍铝）等；贵金属中有铂锗10铂、铂锗30铂锗、铂锗系、铱锗系、铱钌系和铂铱系等；难熔金属中有钨铼系、钨铂系、铱钨系和铌钛系等；非金属中有二碳化钨二碳化钼、石墨碳化物等。如表4-2所示。,表4-2热电偶的分类,(1)铂锗10铂热电偶（S型）。这是一种贵金属热电偶，由直径为0.5mm以下的铂铑合金丝（铂90%，铑10%）或纯铂丝制成。由于容易得到高纯度的铂和铂铑，故这种热电偶的复制精度和测量准确度较高，可用于精密温度测量。在氧化
23、性或中性介质中具有较好的物理化学稳定性，在1300以下范围内可长时间使用。其主要缺点是金属材料的价格昂贵；热电势小，而且热电特性曲线非线性较大；在高温时易受还原性气体所发出的蒸汽和金属蒸汽的侵害而变质，失去测量准确度。,(2)铂锗30铂锗热电偶（B型）。它也是贵金属热电偶，长期使用的最高温度可达600,短期使用可达1800，它宜在氧化性和中性介质中使用，在真空中可短期使用。它不能在还原性介质及含有金属或非金属蒸汽的介质中使用，除非外面套有合适的非金属保护管才能使用。它具有铂锗10铂的各种优点，抗污染能力强；主要缺点是灵敏度低、热电势小，因此，冷端在40以上使用时，可不必进行冷端温度补偿。,(3
24、)镍铬镍硅（镍铬镍铝）热电偶（K型）。由镍铬与镍硅制成，热电偶丝直径一般为1.22.5mm。镍铬为正极，镍硅为负极。该热电偶化学稳定性较高，可在氧化性介质或中性介质中长时间地测量900以下的温度，短期测量可达1200；如果用于还原性介质中，就会很快地受到腐蚀，在此情况下只能用于测量500以下温度。这种热电偶具有复制性好，产生热电势大，线性好，价格便宜等优点。虽然测量精度偏低，但完全能满足工业测量要求，是工业生产中最常用的一种热电偶。表4-3为其分度表。,表4-3K型热电偶分度表,例：用镍铬一镍硅（K型）热电偶测量某一物体温度，已知热电偶参考端温度为30，测得热电动势为33.686mV，求被测物
25、体温度为多少？解：查K型热电偶分度表可知，En（30，0）=1.203 mV，Ek（T，40）=33.686mV，Ek（T，0）= Ek（T，40）+ En（30，0）=33.686+1.203=34.889mV，再查表可知：被测物体温度大约为840。,图4-8热电偶的温度与电势特性曲线,(4)镍铬一康铜热电偶（E型）。其正极为镍铬合金，9%10%铬,0.4%硅，其余为镍；负极为康铜,56%铜，44%硅。镍铬一康铜热电偶的热电势是所有热电偶中最大的，如EA（100.0）=6.95mV，比铂锗一铂热电偶高了十倍左右，其热电特性的线性也好，价格又便宜。它的缺点是不能用于高温，长期使用温度上限为60
26、0,短期使用可达800；另外，康铜易氧化而变质，使用时应加保护套管。以上几种标准热电偶的温度与电势特性曲线如图4-8所示。,(5)钨铼系热电偶。该热电偶属廉价热电偶，可用来测量高达2760的温度，通常用于测量低于2316的温度，短时间测量可达3000。这种系列热电偶可用于干燥的氢气、中性介质和真空中，不宜用在还原性介质、潮湿的氢气及氧化性介质中。常用的钨铼系热电偶有钨钨铼26，钨铼钨铼25，钨铼5钨铼20和钨锌5钨铼26，这些热电偶的常用温度为3002000，分度误差为1%。,(6)铱锗系热电偶。该热电偶属贵金属热电偶。铱铑铱热电偶可用在中性介质和真空中，但不宜在还原性介质中，在氧化性介质中使
27、用将缩短寿命。它们在中性介质和真空中测温可长期使用到2000左右。它们热电势虽较小，但线性好。,(7)镍钴镍铝热电偶。测温范围为3001000。其特点是在300以下热电势很小，因此不需要冷端温度补偿。,.按用途和结构分类热电偶按照用途和结构分为普通工业用和专用两类。普通工业用的热电偶分为直形、角形和锥形（其中包括无固定装置、螺纹固定装置和法兰固定装置等品种）。专用的热电偶分为钢水测温的消耗式热电偶、多点式热电偶和表面测温热电偶等。,6）热电偶的结构热电偶的基本组成包括热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分，其结构如图4-9所示。热电偶的结构形式各种各样，按其结构形式，热电偶可分为以下4种形式
28、:.普通型热电偶这类热电偶主要用来测量气体、蒸气和液体介质的温度，目前已经标准化、系列化。,.铠装热电偶铠装热电偶又称缆式热电偶，它是将热电极、绝缘材料和金属保护套三者结合成一体的特殊结构形式，其断面结构如图4-10所示。它具有体积小、热惯性小、精度高、响应快、柔性强的特点，广泛用于航空、原子能、冶金、电力、化工等行业中。,图4-9热电偶的结构,图4-10铠装热电偶断面结构,.薄膜热电偶薄膜热电偶是采用真空蒸镀的方法，将热电偶材料蒸镀在绝缘基板上而成的热电偶。它可以做得很薄，具有热容量小、响应速度快的特点，适于测量微小面积上的瞬变温度。,.快速消耗型热电偶这种热电偶是一种专用热电偶，主要用于测
29、量高温熔融物质的温度，如钢水温度，通常是一次性使用。这种热电偶可直接用补偿导线接到专用的快速电子电位差计上，直接读取温度。,7）热电偶的参考端的处理从热电偶测温基本公式可以看到，对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只与工作端温度t和自由端温度t0有关，即热电偶的分度表是以t0=0作为基准进行分度的。而在实际使用过程中，参考端温度往往不为0，因此需要对热电偶参考端温度进行处理。热电偶的冷端温度补偿有下面几种方法：（1）温度修正法。采用补偿导线可使热电偶的参考端延伸到温度比较稳定的地方，但只要参考端温度不等于0，需要对热电偶回路的电势值加以修正，修正值为EAB（t0,0）。经修正后的实际热电势可由
30、分度表中查出被测实际温度值。,（2）冰浴法。在实验室及精密测量中，通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中，以便参考端温度保持0，这种方法又称冰浴法。,图4-11具有补偿电桥的热电偶测量线路,（3）补偿电桥法。补偿电桥法是在热电偶与显示仪表之间接入一个直流不平衡电桥，也称冷端温度补偿器，如图4-11所示。图中经稳压后的直流电压经过电阻对电桥供电，电桥的个桥臂由电阻1、2、3（均由锰铜丝绕成）及Cu（铜线绕制）组成，Cu与热电偶冷端感受同样的温度。设计时使电桥在20处于平衡状态，此时电桥的a、两端无电压输出，电桥对仪表无影响。当环境温度变化时，热电偶冷端温度也变化，则热电动势将随其冷端温度的变化而
31、改变。但此时Cu阻值也随温度而变化，电桥平衡被破坏，电桥输出不平衡电压，此时不平衡电压与热电偶电动势叠加在一起送到仪表，以此起到补偿作用。应该设计出这样的电桥，使它产生的不平衡电压正好补偿由于冷端温度变化而引起的热电动势变化值，仪表便可以指示正确的测温值。,（4）补偿导线法。在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样参考端温度t0也比较稳定。热电偶一般做得较短，需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线，它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成，而且要求在0100的温度范围内，补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。常用热电偶的
32、补偿导线如表4-4所示。,表4-4常用热电偶的补偿导线规格,3.热电阻1）工作原理大多数金属导体的电阻具有随温度变化的特性，其特性方程如下：,Rt=R01+a(t-t0),（4-18）,式中t表示任意绝对温度时金属的电阻值；0表示基准状态t0时的电阻值；是热电阻的温度系数（1/）。对于绝大多数金属导体，并不是一个常数，而是有关温度的函数，但在一定的温度范围内，可近似地看成一个常数。不同的金属导体，保持常数所对应的温度范围也不同。,一般选作感温电阻的材料必须满足如下要求：电阻温度系数要高，这样在同样条件下可加快热响应速度，提高灵敏度。通常纯金属的温度系数比合金大，一般均采用纯金属材料；在测温范围
33、内，化学、物理性能稳定，以保证热电阻的测温准确性；具有良好的输出特性，即在测温范围内电阻与温度之间必须有线性或接近线性的关系；具有比较高的电阻率，以减小热电阻的体积和重量；具有良好的可加工性，且价格便宜。比较适合的材料有铂、铜、铁和镍等。它们的阻值随温度的升高而增大，具有正温度系数。,2）热电阻类型.铂热电阻（WZP型号）铂的物理、化学性能稳定，是目前制造热电阻的最好材料。铂电阻主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度的基准、标准的传递。它是目前测温复现性最好的一种温度计。铂丝的电阻值与温度之间的关系在0850范围内为,（4-19）,在-190范围内为,（420）,式中Rt为温度为t时的电阻值；
34、R0为温度为0时的电阻值；t为任意温度值；为分度系数，A=3.9080210-3-1；B为分度系数，B=5.80210-7-2；C为分度系数，C=4.273 5010-12-4。,铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W（100）表示，即,（4-21）,式中R100为铂热电阻在100时的电阻值；R0为铂热电阻在0时的电阻值。电阻比W（100）越大，其纯度越高。按IEC标准，工业使用的铂热电阻的W（100）1.3850。目前技术水平可达到W（100）=1.3930其对应铂的纯度为99.9995%。,表4-5铂热电阻Pt100的分度表,.铜热电阻（WZC型号）铂电阻虽然优点多，但价格昂贵。铜易于提纯，价格低
35、廉，电阻-温度特性线性较好。在测量精度要求不高且温度较低的场合，铜电阻得到广泛应用。铜的电阻温度系数大，易加工提纯，其电阻值与温度呈线性关系，价格便宜，在-50150内有很好的稳定性。但温度超过150后易被氧化而失去线性特性，因此，它的工作温度一般不超过150。铜的电阻率小，要具有一定的电阻值，铜电阻丝必须较细且长，则热电阻体积较大，机械强度低。,在-50150的温度范围内，铜电阻与温度近似呈现性关系，可用下式表示，即,（4-22）,由于B、C比A小得多，所以可以简化为,（4-23）,上式中:Rt是温度为t时铜电阻值；R0是温度为0时铜电阻值；A是常数，A=4.2810-3-1。,铜电阻的R0
36、分度表号Cu50为50；Cu100为100。铜的电阻率仅为铂的几分之一。因此，铜电阻所用阻丝细而且长，机械强度较差，热惯性较大，在温度高于100以上或侵蚀性介质中使用时，易氧化，稳定性较差。因此，只能用于低温及无侵蚀性的介质中。热电阻新、旧分度号如表4-6所示。,表4-6热电阻新、旧分度号,.其他热电阻近年来，对低温和超低温测量方面，采用了新型热电阻。铟电阻是用99.999高纯度的铟绕成电阻。可在室温到42温度范围内使用，4215温度范围内，灵敏度比铂高10倍。缺点是材料软，复制性差。,3）热电阻传感器的结构热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成，如图4-12所示。,图4
37、-12热电阻传感器结构（a）热电阻传感器结构;（b）电阻体结构,4.温度变送器温度变送器与测温元件配合使用将温度信号转换成为统一的标准信号420mADC或15VDC，以实现对温度的自动检测或自动控制。温度变送器还可以作为直流毫伏变送器或电阻变送器使用，配接能够输出直流毫伏信号或电阻信号的传感器，实现对其他工艺参数的测量。温度变送器可分为以DDZ温度变送器为主流的模拟温度变送器和智能化温度变送器两大类。在结构上，温度变送器有测温元件和变送器连成一个整体的一体化结构及测温元件另配的分体式结构。,DDZ温度变送器主要有三种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。其原理和结构形式大致相同
38、。直流毫伏变送器是将直流毫伏信号转换成420mADC电流信号，而热电偶、热电阻温度变送器是将温度信号线性地转换成420mADC电流信号。这三种变送器均属安全火花防爆仪表，采用四线制连接方式，都分为量程单元和放大单元两部分，它们分别设置在两块印刷电路板上，用接插件相连接，其中，放大单元是通用的，而量程单元随品种、测量范围的不同而不同。,1）直流毫伏变送器直流毫伏变送器作用是把直流毫伏信号Ei转换成420mA DC电流信号。直流毫伏变送器的构成框图如图4-13所示。它把由检测元件送来的直流毫伏信号Ei和桥路产生的调零信号VZ以及同反馈电路产生的反馈信号Vf进行比较，其差值送人前置运放进行电压放大，
39、再经功率放大器转换成具有一定带负载能力的电流信号，同时把该电流调制成交流信号，通过1：1的隔离变压器实现隔离输出。,图4-13直流毫伏变送器构成框图,2）热电偶温度变送器热电偶温度变送器与热电偶配合使用，要求将温度信号线性地转换为420mADC电流信号或15VDC电压信号。由于热电偶测量温度的两个特点，一是需冷端温度恒定，二是热电偶的热电势与热端温度成非线性的关系，故热电偶温度变送器线路需在直流毫伏线路的基础上做两点修改：(1)在量程单元的桥路中，用铜电阻代替原桥路中的恒电阻，并组成正确的冷端补偿回路；,(2)在原来的反馈回路中，构造与热电偶温度特性相似的非线性反馈电路，利用深度负反馈电路来实
40、现温度与热电偶温度变送器输出电流成线性关系。热电偶温度变送器的构成框图如图4-14所示。,图4-14热电偶温度变送器的构成框图,需要注意的是，由于不同分度号热电偶的热电特性不相同，故与热电偶配套的温度变送器中的非线性反馈电路也是随热电偶的分度号和测温范围的不同而变化的，这也正是热电偶温度变送器量程单元不能通用的原因。热电偶温度变送器接线端子如图4-15所示。“A”、“B”分别代表热电偶正、负极连接端；“+”、“-”为24VDC电源的正、负极接线端；“4”、“5”为热电偶温度变送器的15VDC电压输出端；“7”、“8”为热电偶温度变送器的420mADC电流输出端；有零点和量程调节螺钉。,图4-1
41、5热电偶温度变送器接线端子,3）热电阻温度变送器热电阻温度变送器与热电阻配合使用，要求将温度信号线性地转换为420mADC电流信号或15VDC电压信号。由于热电阻传感器的输出量是电阻的变化，故需引入桥路，将电阻的变化转换成电压的变化。又由于热电阻温度特性具有非线性，故在直流毫伏线路的基础上需引入线性化环节。热电阻温度变送器的构成框图如图4-16所示。,图4-16热电阻温度变送器构成框图,需要注意的是，热电阻温度变送器的线性化电路不同于热电偶温度变送器。它采用的是热电阻两端电压信号正反馈的方法，使流过热电阻的电流随电压增大而增大，即电流随温度的增高而增大，从而补偿热电阻引线电阻由于环境温度增加而
42、导致输出变化量减小的趋势，最终使热电阻两端的电压信号与被测温度成线性关系。由于热电阻温度变送器本质上测量的是电阻的变化，故它引线电阻的要求较高，一般采用三线制接法。,热电阻温度变送器接线端子如图4-17所示。“A”、“B”、“H”分别代表热电阻连接端；“+”、“-”为24VDC电源的正、负极接线端；“4”、“5”为热电阻温度变送器的15VDC电压输出端；“7”、“8”为热电阻温度变送器的420mADC电流输出端；有零点和量程调节螺钉。,图4-17热电阻温度变送器接线端子,4）DDZ温度变送器防爆措施DDZ温度变送器安全火花防爆措施有三条：在输入、输出及电源回路之间通过变压器而相互隔离；在输入端
43、设有限压和限流元件；在输出端及电源端装有大功率二极管及熔断丝。以上三条措施使DDZ温度变送器能适用于防爆等级为He的场所。,4.1.3非接触式测温1.黑体辐射定律辐射测温的理论基础是黑体辐射定律，黑体是指能对落在它上面的辐射能量全部吸收的物体。自然界中任何物体只要其温度在绝对零点以上，就会不断地向周围空间辐射能量。温度愈高，辐射能量就愈多。黑体辐射满足下述各定律。,1）普朗克定律当黑体的温度为T(K)时，它的每单位面积向半球面方向发射的对应于某个波长的单位波长间隔、单位时间内的辐射能量与波长、温度的函数关系为,（4-24）,式中Eb(，T)为黑体在温度T、波长、单位时间、单位波长间隔辐射的能量
44、，W(cm2m)；C1为普朗克第一辐射常数， C1=3.741310-12Wm/cm2；C2为普朗克第二辐射常数， C2=1. 4388 cmK；为辐射波长，m；T为黑体表面的绝对温度，K。,2） 维恩位移定律黑体对应最大辐射能量的波长随温度的升高， 而向短波方向移动， 其关系为,（4-25）,式中: m为对应黑体辐射能量最大值的波长，m；T为黑体表面的绝对温度，K。 式(4-25)称为维恩位移定律。可见，对于温度较低的黑体， 其辐射能量主要在长波段。当它的温度升高时，辐射能量增加。 对应最大辐射能量的波长向短波方向移动。,3） 斯忒藩玻耳兹曼定律在一定的温度下， 黑体在单位时间内单位面积辐射
45、的总能量为,（4-26）,式中，为斯忒藩一玻耳兹曼常数，=5.6710-12 W(cm2K4)。 上述各定律只适用于黑体。实际物体都是非黑体，它们的辐射能力均低于黑体。 实际物体的辐射能量与黑体在相同温度下的辐射能量之比称为该物体的比辐射率或黑度，记为，则,（4-27）,2. 辐射测温方法1） 亮度测温法亮度温度的定义是：某一被测体在温度为T、 波长为时的光谱辐射能量，等于黑体在同一波长下的光谱辐射能量。此时，黑体的温度称为该物体在该波长下的亮度温度(简称亮温)。 由普朗克定律可以得到,（4-28）,式中: e为有效波长；为有效波长e的比辐射率； T为被测体的真温； TL为被测体的亮温。,2）
46、 比色测温法比色温度的定义是：黑体在波长1和2下的光谱辐射能量之比等于被测体在这两个波长下的光谱辐射能量之比， 此时黑体的温度称为被测体的比色温度(简称色温)。 由普朗克定律可求得被测体的温度与其色温的关系为,（4-29）,式中: Tc为被测体的色温；T为被测体温度；1、2分别为被测体对应于波长1和2的比辐射率。 当比辐射率1、 2为已知时，根据式(429)可由测得的色温求出被测体的真温。,3） 全辐射测温法全辐射测温的理论依据是斯忒藩玻耳兹曼定律。全辐射温度的定义是：当某一被测体的全波长范围的辐射总能量与黑体的全波长范围的辐射总能量相等时， 黑体的温度瓦就称为该被测体的全辐射温度。 此时有,
47、（4-30）,当被测体的全波比辐射率为已知时， 可由式(4-30)校正后， 求得真温T。,由上述三种测温原理可知， 比色测温与亮度测温都具有较高的精度。 比色测温的抗干扰能力强，在一定程度上可以消除电源电压的影响和背景杂散光的影响等。 全辐射测温容易受背景干扰。 从三种辐射测温原理可见， 辐射法测温并非直接测得物体的真温，每种方法都需要由已知的比辐射率校正后求出真温。这样，由于比辐射率的测量误差将会影响辐射测温结果的准确性，这是辐射测温法的缺点。因此，尽管辐射测温具有很多优点，但测温精度还不够高，这在一定程度上影响了它的使用。加之，辐射测温仪器复杂，价格较贵， 因此它的使用范围远不及接触式测温
48、仪表广泛。,3. 辐射测温仪表1） 光学高温计光学高温计按其结构可分为灯丝隐灭式和灯丝恒亮式两类。灯丝隐灭式是光学高温计中最完善的一类， 这里只介绍灯丝隐灭式光学高温计的工作原理。 当被测物体辐射的单色亮度与光学高温计内灯丝的单色亮度相等时，两者的温度便是一致的，而灯丝的温度可由流过它的电流的大小来确定。测量时，将光学高温计对准被测体。调节灯丝电流、改变灯丝的亮度，使之与被测物体亮度相等。这时被测体辐射强度就等于标准灯泡灯丝的辐射强度， 灯丝便消失在被测物的背景之中。灯丝的电流与它的温度有着确定的关系， 因此可把电流值直接刻度成温度值。,光电高温计的工作原理如图4-18所示。被测体的辐射光由物
49、镜、聚焦后经光栏、调制遮光板的上方孔、滤光片， 投射到光敏元件上。另一路光是由参比光源灯泡发出的一束光经透镜、调制遮光板的下方孔、滤光片后投射到光敏元件的同一位置。调制遮光板将来自被测体和参比光源的两束光变成脉冲光束，并交替地投射到光敏元件上。如果两束光存在亮度差，则差值将被放大推动可逆电动机旋转带动滑线电阻的触点，调节灯泡的电源，直至两束光的亮度平衡为止。 同时可逆电动机也带动显示记录仪表记录出相应的温度值。,图4-18 光电高温计原理图,2） 光电比色高温计光电比色高温计在光路结构上与光电亮度高温计有很多相似之处，但它是利用被测对象两个不同波长的辐射能量之比与其温度之间的关系来实现辐射测量
50、的。比色高温计有两种基本结构形式：单通道式和双通道式。图4-19是双通道式光电比色高温计的结构原理图。,图4-19 双通道式光电比色高温计的结构原理图,3） 全辐射温度计全辐射温度计的工作原理如图4-20所示。与前面几种辐射温度计相比，它是把被测体的所有波长的能量全部接收下来，而不需要变为单色光。因此，全辐射式温度计要求光敏元件对整个光谱的光都能较好的响应。 一般选用热电堆或热释电器件。热释电器件近年来应用较多。 它的响应速度快，并且有很宽的动态范围，对光谱辐射的响应几乎与波长无关，直到远红外波段灵敏度都相当均匀。,图4-20 全辐射温度计的工作原理,4.1.4 温度检测仪表的选用温度检测仪表
