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)

1、1第五節(jié)第五節(jié) 溫度檢測及儀表溫度檢測及儀表 溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量間接測量，而用來量度物體溫度數(shù)值的標尺叫而用來量度物體溫度數(shù)值的標尺叫溫標溫標。它規(guī)定了溫度的讀。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點（零點）和測量溫度的基本單位。溫標有：華氏溫標、數(shù)起點（零點）和測量溫度的基本單位。溫標有：華氏溫標、攝氏溫標、熱力學(xué)溫標和國際實用溫標。攝氏溫標、熱力學(xué)溫標和國際實用溫標。概念：概念：溫度是表征物體冷熱程度的物理量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動平均強度的表示。分子運動愈激烈其分子運動愈激烈其溫度表現(xiàn)越高溫度表現(xiàn)越高。

2、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)，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行測量和控制的一個重要物理量。遍進行測量和控制的一個重要物理量。2溫標溫標（1 1）攝氏溫標攝氏溫標：以水的冰點為：以水的冰點為“0”0”，水的沸點為，水的沸點為“100”100”，中間等分為，中間等分為100100份，每份為份，每份為1 1度，以度，以O(shè) OC C表示。表示。（2 2）華氏溫標華氏溫標：冰水融體為：冰水融體為“32”32”，水的沸點為，水的沸點為“212”212”，中間等分為中間

3、等分為180180份，每份為份，每份為1 1度，以度，以O(shè) OF F表示。表示。55(3 2 )94oooCFR（3 3）熱力學(xué)溫標熱力學(xué)溫標 -又稱開爾文溫標，單位為開爾文（又稱開爾文溫標，單位為開爾文（K K）。）。（4 4）國際實用溫標國際實用溫標 -是一種符合熱力學(xué)溫標又使用簡單的溫標。是一種符合熱力學(xué)溫標又使用簡單的溫標。 最新溫標最新溫標是是19901990年國際溫標年國際溫標 ( (ITSITS9090) )3測溫方式可分為測溫方式可分為接觸式接觸式和和非接觸式非接觸式兩大類。兩大類。接觸式：接觸式：溫度敏感元件與被測對象接觸，經(jīng)過換熱后兩者溫度敏感元件與被測對象接觸，經(jīng)過換熱后

4、兩者溫度相等。溫度相等。比較比較簡單簡單、可靠可靠，測量精度較高測量精度較高；但因充分的；但因充分的熱交熱交換換，需要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在測溫，需要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在測溫的的延遲現(xiàn)象延遲現(xiàn)象，同時受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高，同時受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高的溫度測量。的溫度測量。非接觸測溫：非接觸測溫：溫度敏感元件不與被測對象接觸，而是通過溫度敏感元件不與被測對象接觸，而是通過輻射能量進行熱交換，由輻射能的大小來推算被測物體的輻射能量進行熱交換，由輻射能的大小來推算被測物體的溫度。溫度。 (1) (1) 輻射式溫度計輻射式溫度計 ， (2) (2)

5、光纖式溫度計光纖式溫度計。不與被測物不與被測物體接觸，不破壞原有的溫度場。精度一般不高體接觸，不破壞原有的溫度場。精度一般不高。一、一、溫度測量的主要方法溫度測量的主要方法溫度的測量：以熱平衡為基礎(chǔ)的溫度的測量：以熱平衡為基礎(chǔ)的。溫度最本質(zhì)的性質(zhì)：當兩溫度最本質(zhì)的性質(zhì)：當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。后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度。4常用溫度計的種類及適用溫度CCCCCCCCCCCCCCC2000200:35000:1700900:3200700:200040

6、0:15050:600200:60050:100050:16000:2500:60020:60030:60080:60050:熱電式光電式紅外線比色光輻射熱輻射輻射式非接觸式、銅熱電阻：鉑考銅鎳鉻鎳硅鎳鉻鉑鉑銠熱電偶蒸汽氣體液體壓力式雙金屬玻璃液體膨脹式接觸式溫度計51、膨脹式溫度計t = t0t t0l玻璃液體玻璃液體溫度計利用液體受熱膨脹并沿玻璃毛細管延伸而直接顯示溫度。l雙金屬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。62、壓力式溫度計l利用液體的蒸發(fā)或氣體的膨脹而引起的壓力變化進行測量。溫包：傳熱、容納膨脹介質(zhì)；毛細管：傳遞壓力；彈簧管：顯示壓力（溫度）

7、。7二、二、 熱電偶測溫熱電偶測溫熱電偶測溫系統(tǒng)可實現(xiàn)熱電偶測溫系統(tǒng)可實現(xiàn)遠距離溫度自動測量。遠距離溫度自動測量。它的測溫范圍為：它的測溫范圍為：v-270-270+1800+1800。是廣泛應(yīng)用的溫度檢測是廣泛應(yīng)用的溫度檢測系統(tǒng)系統(tǒng). .常用來測量中高溫。常用來測量中高溫。-81、工作原理與熱電效應(yīng)、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，當兩接端相接組成閉合回路，當兩接點分別置于兩種不同的溫度時，點分別置于兩種不同的溫度時，則在回路中產(chǎn)生熱電勢，形成則在回路中產(chǎn)生熱電勢，形成回路電流回路電流. .這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱塞貝克效塞貝克效應(yīng)應(yīng)，即

8、，即熱電效應(yīng)熱電效應(yīng). . 熱電偶回路產(chǎn)生的熱電勢由熱電偶回路產(chǎn)生的熱電勢由接觸電勢接觸電勢和和溫差電勢溫差電勢兩部分組兩部分組成。成。 測溫時，將焊接的一端置于被測溫度場中，稱為測量端測溫時，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，（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）。稱為參考端（或自由端、冷端）。0TTA AB B圖圖7 7- -2 2 熱熱電電偶偶回回路路-9熱電勢的產(chǎn)生熱電勢的產(chǎn)生擴散作用電場作用+-金屬A金屬Bv不同金屬具有不同的電子密度；v兩種金屬接觸面因為電子的擴散作用而產(chǎn)生電場熱電現(xiàn)象；

9、v電子在擴散作用和電場力作用下最終達到平衡；v電子的擴散與溫度相關(guān)，溫度越高，擴散作用越強。自由電子密度大自由電子密度小10接觸電勢與溫差電勢接觸電勢與溫差電勢BtAtABNNektteln)(接觸電勢：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。-11熱電偶回路的總的熱電勢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處溫度高接觸電勢的大小與不同導(dǎo)體的電子密度及接點處溫度高低低 有關(guān)有關(guān). .回路熱電勢的大小回路熱電勢的大小僅與僅與材料和端點的溫度材料和端點的溫度有關(guān)，有

10、關(guān)，與與熱電偶的尺寸形狀無關(guān)熱電偶的尺寸形狀無關(guān)。 )()()()(),(000tetetetettEABABBAABAB 當冷端溫度保持不變時，熱電勢才是被測熱端溫度當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)的單值函數(shù)0TTA AB B圖圖7 7- -2 2 熱熱電電偶偶回回路路-122、熱電偶基本定律、熱電偶基本定律如下：中間導(dǎo)體定律中間導(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。),(),(),(00ttEttEttEcABcABAB等值替代定律等值替代定律：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

11、質(zhì)導(dǎo)體定律均質(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。中間溫度定律中間溫度定律：133、標準化熱電偶與分度表、標準化熱電偶與分度表熱電偶的材質(zhì)要求熱電偶的材質(zhì)要求v單位溫度變化的熱電勢大，且盡量接近線性關(guān)系；v熱電性質(zhì)穩(wěn)定；v化學(xué)穩(wěn)定性好：高溫下抗氧化，抗腐蝕；v具有較好的延展性，易于加工；v復(fù)現(xiàn)性好，便于批量生產(chǎn)和互換。幾種型號（分度號）的國際標準化熱電偶正極負極長期工作：1300 oCS：鉑銠10-鉑，-501768oC;K：鎳鉻-鎳硅，-2701372oC;長期工作：900 oC14熱電偶的熱電特性使冷端保持使冷端保持0 0時，得到熱電偶的時，得到熱電偶的 熱電特性熱電

12、特性-15溫度的計算當已知冷端溫度當已知冷端溫度不等于不等于0 0攝氏度時攝氏度時，如何計算，如何計算所測的溫度值所測的溫度值? ?)0,(),()0,(00tEttEtE回路的熱電勢差表可得熱電偶的分度表見附錄一：第95頁164、補償導(dǎo)線補償導(dǎo)線問題引出：問題引出：熱電偶一般由貴金屬制成，熱電偶一般由貴金屬制成，熱電極長度有熱電極長度有限；限；生產(chǎn)現(xiàn)場距控制室較遠；生產(chǎn)現(xiàn)場距控制室較遠；熱電偶冷端熱電偶冷端暴露于空間，易受周圍環(huán)境溫度影響。暴露于空間，易受周圍環(huán)境溫度影響。解決方法：解決方法：把熱電偶的冷端延伸到遠離被把熱電偶的冷端延伸到遠離被測對象且溫度比較穩(wěn)定的地方。測對象且溫度比較穩(wěn)定

13、的地方。選用一種具有和所連接的熱電選用一種具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能，其材料又偶相同的熱電性能，其材料又是廉價金屬導(dǎo)線。是廉價金屬導(dǎo)線。補償導(dǎo)線功功 能：能：v其一其一延長了熱電偶的冷端延長了熱電偶的冷端；v其二是降低了成本。其二是降低了成本。造成浪費造成浪費17帶有補償導(dǎo)線的熱電偶測溫原理。顯示儀表AB補償導(dǎo)線ABt1t218使用補償導(dǎo)線應(yīng)注意的問題：使用補償導(dǎo)線應(yīng)注意的問題：不同的熱電偶配不同的補償導(dǎo)線；補償導(dǎo)線有正（絕緣層為紅色）、負極，分別接熱電偶的正、負極；補償導(dǎo)線兩個接點的溫度應(yīng)相同補償導(dǎo)線的作用只是延伸了熱電偶的冷端，當冷端溫度不等于0時需要對冷端溫度進行補償。195、熱

14、電偶的冷端溫度補償 熱電偶的熱電動勢大小與熱電極材料和兩節(jié)點的溫度熱電偶的熱電動勢大小與熱電極材料和兩節(jié)點的溫度有關(guān)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。但實際上都是以熱電偶參考端溫度等于零為條件的。但實際上, ,冷冷端溫度受周圍溫度的影響不可能保持為端溫度受周圍溫度的影響不可能保持為 C C 或某一常數(shù)?；蚰骋怀?shù)。因此要測出實際溫度就必須采取修正或補償措施。因此要測出實際溫度就必須采取修正或補償措施。常用的補償方法有： 冷端溫度保持 C C法；冷端溫度修正法；校正儀表校正儀表零點法零點法；補償

15、電橋法補償電橋法；補償熱電偶法；補償是相對的，補償是相對的，因因此有一定誤差此有一定誤差！20冷端溫度保持C法；1 1）冷端溫度保持 C 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冰水混合物的容器中,容器維持在C不變，精度高。用在實驗室和精密用在實驗室和精密測量，測量，“冰浴法冰浴法”21冷端溫度修正法冷端溫度修正法；校正儀表零點法校正儀表零點法2 2）修正法）修正法)0,(),()0,(00tEttEtE3 3）校正儀表零點法校正儀表零點法設(shè)：冷端溫度恒為設(shè)：冷端溫度恒為t t0 0（t t0 000）, ,被測溫度為被測溫度為t t ！修正公式修

16、正公式如下：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械零點調(diào)至將顯示儀表的機械零點調(diào)至t t0 0處，相當于在輸入熱電偶處，相當于在輸入熱電偶熱電勢之前就給顯示儀表輸入了電勢熱電勢之前就給顯示儀表輸入了電勢E(t(t0 0 ,0) ,0)。22例：例：用用S S型熱電偶測溫，熱電偶的冷端溫度型熱電偶測溫，熱電偶的冷端溫度t t0 0=20=20，測得，測得熱電勢為熱電勢為7.32 mv7.32 mv，求被測對象的實際溫度，求被測對象的實際溫度t t 。由分度表查得由分度表查得 E (20,0 ) = 0.113 mvE (20,0 ) = 0.113 mv

17、 則則 ： E (t, 0) = E (t, tE (t, 0) = E (t, t0 0)+E (t)+E (t0 0, 0) , 0) = 7.32 + 0.113 = 7.32 + 0.113 = 7.434 mv = 7.434 mv 再查分度表得其對應(yīng)的被測溫度再查分度表得其對應(yīng)的被測溫度t = 808t = 808解：解：23補償電橋法；補償電橋法；4 4）、補償電橋法）、補償電橋法：利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱：利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因自由端溫度變化而引起的熱電勢的變化值。電偶因自由端溫度變化而引起的熱電勢的變化值。v銅電阻v蜢銅電阻v電橋平衡時的溫度v顯示儀表

18、的起始點 （機械零點）在在2020平衡，須把顯示儀表的機械零點預(yù)先調(diào)整到平衡，須把顯示儀表的機械零點預(yù)先調(diào)整到2020。24補償熱電偶法補償熱電偶法；256 6、熱電偶的結(jié)構(gòu)、熱電偶的結(jié)構(gòu)p普通型普通型 通常由熱電極、絕緣套管、保護管和通常由熱電極、絕緣套管、保護管和 接線盒接線盒等主要部分組成等主要部分組成.p2. 鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶 它是由金屬套管、絕緣材料和熱電極經(jīng)焊接它是由金屬套管、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的組合體密封和裝配等工藝制成的堅實的組合體.p3. 薄膜熱電偶薄膜熱電偶.p4. 表面熱電偶表面熱電偶.26普通型普通型熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu)-27鎧裝鎧

19、裝熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu)-28四、熱電阻測溫四、熱電阻測溫1、金屬熱電阻、金屬熱電阻 (熱電阻熱電阻)2、半導(dǎo)體熱電阻、半導(dǎo)體熱電阻 (熱敏電阻熱敏電阻)電阻的熱效應(yīng)電阻的熱效應(yīng):利用金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律進行測量。 T R熱電阻材料要求：材料要求：電阻溫度系數(shù)要大；電阻率盡可能大，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)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?？杉庸ば?，且價格便宜。291、金屬熱電阻、金屬熱電阻 (熱電阻熱

20、電阻)鉑電阻鉑電阻測溫范圍：測溫范圍：200200850 850 C C ；R Rt t=R=R0 0(1+(1+AtAtBtBt2 2 CtCt3 3) )； 當當0 0650650 C C CCCBCA/1022. 4,/10850. 5,/10950. 32273由實驗求得工業(yè)上常用的鉑電阻有兩種，一種是工業(yè)上常用的鉑電阻有兩種，一種是R010，對應(yīng)分，對應(yīng)分度號為度號為Pt10。另一種是。另一種是R0100，對應(yīng)分度號為，對應(yīng)分度號為Pt100。分度號：分度號： Pt10, Pt100301、金屬熱電阻、金屬熱電阻 (熱電阻熱電阻)銅電阻：銅電阻：測溫范圍：測溫范圍：5050150 1

21、50 C C ； R Rt t=R=R0 0(1+(1+ t t) )；近似線性；近似線性；溫度t時的電阻值 溫度0時的電阻值 分度號：分度號： Cu50, Cu100Cu50, 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。31 主要由主要由電阻體電阻體、保護套管保護套管和和接線盒接線盒等主要部件所組成。等主要部件所組成。圖3-67 熱電阻的支架形狀(已繞電阻絲) 將電阻體預(yù)先拉制成型并與絕緣材料和保護套管連成一體。 將熱電阻材料通過真空鍍膜法，直接蒸鍍到絕緣基底上。32工業(yè)熱電阻工業(yè)熱電阻 的的基本結(jié)構(gòu)基

22、本結(jié)構(gòu)33工業(yè)熱電阻工業(yè)熱電阻 的的引線形式引線形式342、半導(dǎo)體熱電阻、半導(dǎo)體熱電阻 (熱敏電阻熱敏電阻)負負電阻溫度系數(shù)的熱敏電阻電阻溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC型）型）指數(shù)關(guān)系指數(shù)關(guān)系優(yōu)缺點優(yōu)缺點35熱敏電阻熱敏電阻結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式36五、輻射式溫度計五、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1. 全輻射測溫法：2

23、. 亮度法： 3. 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度之比來實現(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。37 六、測溫元件的安裝61（1 1）在測量管道溫度時，應(yīng)保證測溫元件與流體在測量管道溫度時，應(yīng)保證測溫元件與流體充分充分接觸接觸，以減少測量誤差。見圖，以減少測量誤差。見圖3-733-73。 （2 2）測溫元件的測溫元件的感溫點感溫點應(yīng)處于管道中應(yīng)處于管道中流速最大處流速最大處。 圖3-73 測溫元件安裝示意圖之一38圖3-74 測溫元件安裝示意圖之二62（3 3）測溫元件應(yīng)有足夠的測溫元件應(yīng)有

24、足夠的插入深度插入深度，以減小測量誤差。，以減小測量誤差。見圖見圖3-743-74。 3963（4 4）若工藝管道過?。ㄖ睆叫∮谌艄に嚬艿肋^?。ㄖ睆叫∮?080mm），安裝測溫元件），安裝測溫元件處應(yīng)接裝擴大管，如圖處應(yīng)接裝擴大管，如圖3-753-75所示。所示。 圖3-75 小工藝管道上測溫元件安裝示意圖40圖3-76 熱電偶或熱電阻安裝示意圖64（6 6）為了）為了防止熱量散失防止熱量散失，測溫元件應(yīng)插在有，測溫元件應(yīng)插在有保溫層保溫層的管道的管道或設(shè)備處?；蛟O(shè)備處。 （7 7）測溫元件安裝在測溫元件安裝在負壓管道負壓管道中時，必須保證其中時，必須保證其密封性密封性，以防外界冷空氣進入，使

25、讀數(shù)降低。以防外界冷空氣進入，使讀數(shù)降低。 （5 5）熱電偶、熱電阻的熱電偶、熱電阻的接線盒面蓋應(yīng)向上接線盒面蓋應(yīng)向上，以避免雨水或其，以避免雨水或其他液體、臟物進入接線盒中影響測量，如圖他液體、臟物進入接線盒中影響測量，如圖3-763-76所示。所示。 4165（1 1）按照規(guī)定的型號配用熱電偶的補償導(dǎo)線，注意熱按照規(guī)定的型號配用熱電偶的補償導(dǎo)線，注意熱電偶的電偶的正、負極正、負極與補償導(dǎo)線的正、負極相連接，不要與補償導(dǎo)線的正、負極相連接，不要接錯。接錯。 （2 2）熱電阻的線路電阻一定要符合所配二次儀表的要求。熱電阻的線路電阻一定要符合所配二次儀表的要求。 （3 3）為了保護連接導(dǎo)線與補償導(dǎo)線不受外來的機械損為了保護連接導(dǎo)線與補償導(dǎo)線不受外來的機械損傷，應(yīng)把連接導(dǎo)線或補償導(dǎo)線穿入鋼管內(nèi)或走槽板。傷，應(yīng)把連接導(dǎo)線或補償導(dǎo)線穿入鋼管內(nèi)或走槽板。 42（6 6）補償導(dǎo)線不應(yīng)有中間接頭補償導(dǎo)線不應(yīng)有中間接頭，否則應(yīng)加裝接線盒。，否則應(yīng)加裝接線盒。另外，最好與其他導(dǎo)線分開敷設(shè)。另外，最好與其他導(dǎo)線分開敷設(shè)。 （5 5）導(dǎo)線應(yīng)盡量導(dǎo)線應(yīng)盡量避開交