第五章溫度測(cè)量與變送

1、第五章 溫度測(cè)量與變送第一節(jié) 引言概念：溫標(biāo)：國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)International Practical Temperature Scale of 1968(簡(jiǎn)稱IPTS-68)，又稱國(guó) 際溫標(biāo)。 1954年，國(guó)際計(jì)量會(huì)議為273.16，并以它的1/273.16定為一度，熱力學(xué)溫標(biāo)完全確定。攝氏溫標(biāo)：是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(即101325Pa)下將水的冰點(diǎn)與沸點(diǎn)中間劃分一百個(gè)等份，每一等份稱為攝氏一度(攝氏度，)，一般用小寫字母t表示。與熱力學(xué)溫標(biāo)單位開爾文并用。 攝氏溫標(biāo)與國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)溫度之間的關(guān)系如下：t=T-273.15 注意：攝氏溫度的分度值與開氏溫度分度值相同，即溫度間隔1K=1。T0是在標(biāo)

2、準(zhǔn)大氣壓下冰的融化溫度， T0 = 273.15 K。水的三相點(diǎn)溫度比冰點(diǎn)高出0.01 K。華氏溫度：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的融點(diǎn)為32華氏度，水的沸點(diǎn)為212華氏度，中間等分為180份， 每一等份稱為華氏一度，符號(hào)用 ，它和攝氏溫度的關(guān)系如下：m=1.8n+32 測(cè)溫儀表分類：原理：膨脹、熱電阻、熱電偶、輻射測(cè)量方式：接觸式，非接觸式常用測(cè)溫儀表的分類和性能 見表5-1。 第二節(jié) 膨脹式溫度計(jì)物體熱脹冷縮性質(zhì)制成的儀表，液、氣、固。u玻璃管液體溫度計(jì)：毛細(xì)管內(nèi)液體體積 Vt=Vt0（- )(t-t0） (5-2) 液體體積膨脹系數(shù) 越大越好 盛液容器體積膨脹系數(shù) 越小越好 工業(yè)級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)級(jí)、實(shí)驗(yàn)室級(jí)

3、三種。u壓力式溫度計(jì)：密閉容器內(nèi)液體氣體或者低沸點(diǎn)液體的飽和蒸汽受熱后體積變化壓力變化的原理 一定質(zhì)量的氣或液 Pt-Pt0= (t-t0）/ 氣體的壓縮系數(shù) 外部體積不變時(shí)，壓力與溫度成線性關(guān)系。溫包、毛細(xì)管、彈簧管、表頭組成。第五章 溫度測(cè)量與變送 雙金屬溫度計(jì)兩種不同膨脹系數(shù)的金屬片為主要敏感元件的儀表。 膨脹系數(shù)差別越大越好。 為提高靈敏度，雙金屬片作成螺旋狀，加大變形量，總變形量為單圈彈簧管的n 倍。 選型和安裝時(shí)注意軸向和徑向結(jié)構(gòu)的區(qū)別第五章 溫度測(cè)量與變送 第三節(jié) 熱電偶溫度計(jì)廣泛使用、集中控制、遠(yuǎn)傳記錄、高精度可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便組成：熱偶，連接導(dǎo)線，顯示儀表原理：冷端：熱

4、偶的感受被測(cè)溫度一端，工作端。熱端：連接導(dǎo)線、儀表的端，自由端熱點(diǎn)效應(yīng)（現(xiàn)象）：熱偶兩端溫度不同時(shí)，回路即產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象；電勢(shì)叫熱電勢(shì)。包括溫差電勢(shì)、接觸電勢(shì)。溫差電勢(shì)：同一導(dǎo)體兩端溫度不同時(shí)，因高端電子的能量高，從高端移動(dòng)到低端的電子比從低端移動(dòng)到高端的電子多，結(jié)果電子的分配不平衡，形成帶電現(xiàn)象。接觸電勢(shì)：不同導(dǎo)體的電子密度不同，密度高的向低的方向移動(dòng)，結(jié)果電子的分配不平衡，形成電場(chǎng)，方向阻止電子的繼續(xù)移動(dòng)，待平衡時(shí)穩(wěn)定，平衡時(shí)的電勢(shì)為接觸電勢(shì)。第五章 溫度測(cè)量與變送熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端 eAB（t）為A、B的接觸電勢(shì) eA（t，to）為A的溫差電勢(shì) eAB（t， to ）= eA

5、B（t ）- eAB（ to ） eAB（t）=- eBA（t） 兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同（設(shè)TT0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（Seeback）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。第五章 溫度測(cè)量與變送 A B T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB結(jié)論結(jié)論： 熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無關(guān)。 只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生。 導(dǎo)體材料確定

6、后，熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB0(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢(shì)EAB (T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。 只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln(NA/NBB)=0，也即EAB (T，T0)=0。第五章 溫度測(cè)量與變送對(duì)于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，接點(diǎn)溫度分別為T1、T2 、 、Tn ，冷端溫度為零度的熱電勢(shì)。其熱電勢(shì)為 E= EAB（T1）+ EBC（T2）+ENA（Tn） 熱電偶回路的性質(zhì)均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是

7、否存在溫度梯度，回路中沒有電流(即不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì))；反之，如果有電流流動(dòng)，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。兩點(diǎn)結(jié)論： l）將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，如圖，則圖a中的A、C接點(diǎn)2與接點(diǎn)3，均處于相同溫度T0之中，此回路的總電勢(shì)不變，即同理，圖b中C、A接點(diǎn)2與C、B的接點(diǎn)3，同處于溫度T0之中，此回路的電勢(shì)也為：T023ABEABT1T2 CT0EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(b)C23T2T1AaBEABaA(a)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三種材料接入熱電偶回路圖電位計(jì)接入熱電偶回路根據(jù)上

8、述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計(jì)E，只要保證電位計(jì)與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等，就不會(huì)影響回路中原來的熱電勢(shì)，接入的方式見下圖所示。 ET0T0TT0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）如果任意兩種導(dǎo)體材料的熱電勢(shì)是已知的，它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢(shì)的關(guān)系為：EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） ABT1T2T2ABT0T0熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)

9、線接線圖E對(duì)于冷端溫度不是零度時(shí)，為熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。如當(dāng)T2=0時(shí)，則：只要T1、T0不變，接入AB后不管接點(diǎn)溫度T2如何變化，都不影響總熱電勢(shì)。這便是引入補(bǔ)償導(dǎo)線原理。EAB=EAB(T1)EAB(T0)說明：當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B同樣熱電特性的材料A、B(如圖)即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，當(dāng)EAA(T2)=EBB(T2)，則回路總電動(dòng)勢(shì)為熱電偶材料應(yīng)滿足：l 物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時(shí)間改變；l 化學(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測(cè)量時(shí)不被腐蝕；l 熱電勢(shì)高，導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)?。籰 便于制造；l 復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。二、熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)常

10、用熱電偶常用熱電偶 1 鉑銠30-鉑銠6（分度為B）：長(zhǎng)時(shí)間1600度，短時(shí)間1800度，冷端在40度以下時(shí)可不補(bǔ)償。 2 鉑銠10-鉑（分度為s）：長(zhǎng)時(shí)間1300度，短時(shí)間1600度。精度穩(wěn)定。 鎳洛-鎳硅（分度為K）：鎳洛正極-鎳硅負(fù)極、鎳洛-鎳硅長(zhǎng)時(shí)間1000度，短時(shí)間1200度。精度穩(wěn)定 3 鎳鉻（ge）康銅分度為E，測(cè)溫范圍-200870度，熱電勢(shì)高，價(jià)格便宜 4 銅-康銅（分度為T），銅正，康銅負(fù)；-200300度，廉價(jià)金屬熱偶中精度最高，低溫測(cè)量靈敏度高，高溫易氧化。 5 鐵-康銅 （分度為J）鐵正，康銅負(fù)；-40750度，硫?qū)λg。第五章 溫度測(cè)量與變送 熱電偶結(jié)構(gòu)： 1 普

11、通型 0.30.65mm，0.1貴重金屬絲；0.53.2mm金屬絲。 2鎧裝型 可彎曲外徑0.2512mm，熱電級(jí)直徑0.0251.3mm，偶長(zhǎng)達(dá)100米，相應(yīng)時(shí)間短，時(shí)間常數(shù)小于10s 3薄膜型 響應(yīng)時(shí)間短，時(shí)間常數(shù)小于0.01S 4熱套型 外部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度第五章 溫度測(cè)量與變送熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償熱電偶的熱點(diǎn)是只有在冷端溫度恒定時(shí)才與被測(cè)溫度呈單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般在100度范圍內(nèi)，取電特性基本相近的廉價(jià)金屬為補(bǔ)償導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線分為補(bǔ)償型C和延長(zhǎng)型X；補(bǔ)償型用于貴重金屬熱偶，不同材質(zhì)；延長(zhǎng)型采用同種材質(zhì)，廉價(jià)金屬熱偶。無論延長(zhǎng)型還是補(bǔ)償性，補(bǔ)償導(dǎo)線本身不能補(bǔ)償熱電偶的冷端溫度變化，只能起到冷端延伸

12、作用，改變冷端位置。補(bǔ)償辦法：冰點(diǎn)法，計(jì)算修正法，儀表零點(diǎn)校正法熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償冰點(diǎn)法:將熱電偶的冷端分別插入盛有冰水混合物的保溫容器內(nèi)，使之保持冷端溫度為0度。計(jì)算修正法：E(t,0)=E(E(t, t0)+ E(t0,0) E(t0,0) 為冷端為0熱端為t0,時(shí)的熱電勢(shì) 查表可得E(t0,0) 的值，代入公式可求出E(t,0)的值，在查表可得到溫度值。例：儀表零點(diǎn)校正法:冷端溫度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，可采用此法，先將冷端形成的熱電勢(shì)加到儀表上，以此作為儀表的零點(diǎn)開始計(jì)算，調(diào)零。如1.5mv，那么以1.5mv對(duì)應(yīng)的溫度值作為儀表的起始點(diǎn)。補(bǔ)償電橋法：將一只阻值隨溫度變化的電阻接入穩(wěn)壓供電的電橋中

13、，作為一支臂，將橋路的輸出串聯(lián)接入電偶的輸出回路中，將冷端的溫度變化一溫變電阻的變化，由轉(zhuǎn)換成電橋的輸出變化，彌補(bǔ)冷端非零的測(cè)量誤差。第四節(jié) 熱電阻溫度計(jì) 在零下200度到零上500度范圍內(nèi)常采用熱電阻測(cè)溫。但是動(dòng)態(tài)特性不如熱電偶，慢。 測(cè)溫原理：金屬： 電阻溫度系數(shù)，在一定溫度范圍內(nèi)，近似為常數(shù)。非金屬： T 絕對(duì)溫度 k A、B位于半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)測(cè)量：特定熱電阻測(cè)溫計(jì)的阻值與溫度有對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)得阻值即可知道溫度值，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。001ttRtRtTBTAeR負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器的溫度特性NTC的電阻溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：RT、RT0溫度為T、T0時(shí)熱敏電阻器的電阻

14、值； BN NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。 由測(cè)試結(jié)果表明，不管是由氧化物材料，還是由單晶體材料制成的NTC熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍（小于450），都能利用該式，它僅是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。如果以lnRT、1/T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，則上式是一條斜率為BN ，通過點(diǎn)(1/T，lnRT)的一條直線。 第四節(jié) 熱電阻溫度計(jì)011exp0TTBRRNTT0ln11ln0TNTRTTBR第四節(jié) 熱電阻溫度計(jì)要求：電阻溫度系數(shù)高，靈敏度高；物理化學(xué)特性穩(wěn)定，長(zhǎng)期使用；電阻率高，體積?。痪€性，精度高；便宜。鎳、鉑、銅、鐵等常用熱電阻：普通型：鉑絲0.07，銅0.1，雙絞繞在絕緣子上，外引線一般為1mm直徑。鎧

15、裝型：小、快、方便、28毫米，或1毫米。常用熱電阻：鉑絲，電阻率高，電阻溫度系數(shù)小，測(cè)溫范圍為-200-850度-200-0 時(shí)0-850度時(shí)A=3.908X10-3 1/C B=3.908X10-7 1/C2 C=3.908X10-12 1/C2平均溫度系數(shù) 3.85 X10-3 1/C 。 Pt100 ， Pt10 兩種，0度時(shí)100，10 歐姆。后者粗用于600度以上溫度測(cè)量。3201001ttCBtAtRRt201BtAtRRt第四節(jié) 熱電阻溫度計(jì) 銅電阻 線性度高，溫度系數(shù)大，便宜；易氧化 阻值與溫度的關(guān)系： a=4.25-4.28 X10-3 1/C 國(guó)內(nèi)有Cu50，Cu100兩種

16、，0度時(shí)分別為50，100歐姆。tRRt10半導(dǎo)體熱電阻/熱敏電阻 熱敏電阻的特點(diǎn) 鐵 錳 鉬 鈦等氧化物 1電阻溫度系數(shù)的范圍甚寬 有正、負(fù)溫度系數(shù)和在某一特定溫度區(qū)域內(nèi)阻值突變的三種熱敏電阻元件。電阻溫度系數(shù)的絕對(duì)值比金屬大10100倍左右。多為負(fù)溫度系數(shù)。 2材料加工容易、性能好 可根據(jù)使用要求加工成各種形狀，特別是能夠作到小型化。目前，最小的珠狀熱敏電阻其直徑僅為 0.2mm。 3阻值在110M之間可供自由選擇 使用時(shí)，一般可不必考慮線路引線電阻的影響；由于其功耗小、故不需采取冷端溫度補(bǔ)償，所以適合于遠(yuǎn)距離測(cè)溫和控溫使用。 4. 電阻度系數(shù)： 21TBdTAedRtdTRtdRtTBT

17、BTAeR半導(dǎo)體熱電阻/熱敏電阻的特性與外形 半導(dǎo)體熱電阻/熱敏電阻的缺點(diǎn)： 電阻的復(fù)現(xiàn)性較差，互換性較差，非線性嚴(yán)重，隨時(shí)間變化，測(cè)量精度不高 靈敏性高(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)65432 112D0.20.5A型B型( j )測(cè)溫元件的安裝 熱敏電阻的安裝(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)油測(cè)量物體表面溫度時(shí)熱敏電阻器的安裝方式測(cè)溫元件的連接 熱電偶采用對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線，極性，導(dǎo)線阻值滿足儀表的要求 少接頭，少故障；遠(yuǎn)高壓，少干擾； 注意導(dǎo)線的保護(hù)，走管，走槽 非接觸測(cè)溫儀的安裝： 使用溫度低于100度，否則采用水冷降溫。測(cè)熱電橋 測(cè)熱電橋及其等效電

18、路RTR5R6R3(R1)En+ + U2UTRITEURRr(a)(b)(c)R1EnAR1R2R4R3U+ 第七節(jié) 溫度變送器 熱電偶變送器和熱電阻變送器 室內(nèi)安裝變送器：熱偶采用補(bǔ)償導(dǎo)線，熱阻采用三線制，或四線制；集散控制系統(tǒng)和PLC 插卡為發(fā)展趨勢(shì) 變送器包括調(diào)理單元和放大單元 調(diào)理單元：調(diào)理電橋?qū)犭娮韬蜔犭娕嫉牧泓c(diǎn)和冷端補(bǔ)償調(diào)節(jié)，調(diào)整成放大單元容易處理的毫伏信號(hào)。調(diào)理單元 熱電偶測(cè)溫 電偶接在A、B 端子上 T0 為冷端溫度UAC=E（T，TO）+UOUTUOUT=I1（RCU+R11+R9）- I2（w1+R12+R10）當(dāng)T0 上升時(shí)， E（T，TO）減小， I1RCU會(huì)增大。在一定范圍內(nèi)使I1RCU的增加與E（T，TO）的減小相抵消，起到冷端補(bǔ)償作用。參考溫