第3章 檢測儀表及傳感器(溫度檢測)

1、第三章 檢測儀表及傳感器溫度檢測及儀表Instrumentation and sensor 教學(xué)內(nèi)容溫度測量方法及儀表熱電偶及熱電偶冷端溫度補(bǔ)償熱電阻溫度計(jì)測溫元件的安裝3.5溫度檢測及儀表溫度是普遍而重要的操作參數(shù)所有的過程都是在一定溫度下進(jìn)行溫度決定一些反應(yīng)能否進(jìn)行和反應(yīng)方向溫度決定一些反應(yīng)的進(jìn)行程度溫度顯示反應(yīng)的能量變化表征物體冷熱程度的物理量溫度測量：溫度：通過冷熱程度不同的物體之間的熱交換，熱量傳遞到敏感元件后，其物理性質(zhì)隨溫度而變化。一.溫度檢測方法溫度計(jì)的分類1.按使用的測量范圍分 600以上 高溫計(jì) 600以下 溫度計(jì)2. 按用途分 標(biāo)準(zhǔn)儀表 實(shí)用儀表（1）接觸式：物體接觸熱交

2、換，物體的某些物理性質(zhì)隨溫度而變化。3.按測量方式分如（2）非接觸式：通過接受輻射或?qū)α鱽淼臒崃慷鴾y量溫度。膨脹式溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)如光學(xué)高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、輻射高溫計(jì)接觸式儀表測溫精度高非接觸式儀表測高溫10002000， 測溫范圍廣、快，不破壞測溫現(xiàn)場，能測運(yùn)動的物體。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)反應(yīng)慢；易破壞現(xiàn)場的溫度分布，造成測量誤差；不能測量移動的或太小的物體。優(yōu)點(diǎn)精度較低，測量結(jié)果受物體發(fā)射率、中間介質(zhì)、測量距離等影響。缺點(diǎn)4.按工作原理分 （1）膨脹式溫度計(jì)t = t0t t0根據(jù)液體或固體熱脹冷縮原理。 （-80500）液體溫度計(jì)：水銀和酒精固體溫度計(jì)：雙金屬片溫度雙金屬片變形自由

3、端產(chǎn)生角位移傳動機(jī)構(gòu)放大指針偏轉(zhuǎn)雙金屬片溫度計(jì)測量中低溫度的現(xiàn)場儀表就地指示，直觀方便安全可靠，使用壽命長多種結(jié)構(gòu)形式，可滿足不同要求特點(diǎn)雙金屬溫度計(jì)雙金屬溫度信號器爐膛熱源溫度補(bǔ)償 封閉體積內(nèi)的氣體或液體的壓力隨溫度變化。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）刻度盤毛細(xì)管工作物質(zhì)接頭傳動機(jī)構(gòu)彈簧管指針連桿（2）壓力式溫度計(jì)膨脹式及壓力式溫度計(jì)精度低，信號不易遠(yuǎn)傳，一般不用于控制系統(tǒng)中（3）熱電阻溫度計(jì)利用金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的性質(zhì)測溫范圍-200500，精度高，便于遠(yuǎn)傳和自動控制。有鉑電阻、銅電阻、鎳鉻電阻、半導(dǎo)體電阻等。（4）熱電偶溫度計(jì)利用金屬的熱電現(xiàn)象有鉑

4、銠鉑鎳鉻鎳硅鎳鉻考銅鉑銠30鉑銠6等（5）輻射高溫計(jì)：物體輻射能隨溫度而變化。（6）比色高溫計(jì)：物體發(fā)光的顏色隨溫度而變化。 （7）光學(xué)高溫計(jì)：物體發(fā)光的亮度隨溫度而變化。 非接觸式溫度計(jì)靈敏度高，響應(yīng)速度快，測量誤差較大一般用于極高溫度的測量或便攜式的機(jī)動測量二.熱電偶溫度計(jì)以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ) 適于測500以上的溫度溫度信號毫伏電勢熱電偶顯示儀表變送器統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)電流組成 熱電偶導(dǎo)線測量儀表熱電偶（感溫元件）測量儀表；連接導(dǎo)線（補(bǔ)償導(dǎo)線及銅線）熱電偶熱電偶特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易加工動態(tài)性能好，精確度較高將溫度信號直接轉(zhuǎn)換成直流電勢信號，便于信號傳遞和顯示測溫范圍寬主要內(nèi)容 熱電偶測溫原理熱電偶

5、冷端溫度的補(bǔ)償熱電偶的種類與結(jié)構(gòu)熱電偶的選擇、使用和安裝高溫貴金屬熱電偶鉑銠-鉑熱電偶 適用于高溫場合，例如：陶瓷爐、砌磚、瓷器制造和玻璃制造等溫度高達(dá)1600的場合鎧裝熱電偶 根據(jù)介質(zhì)的腐蝕特性選擇不同的耐腐材料防腐熱電偶 1.熱電偶 工作端自由端AB（1）熱電效應(yīng)及測溫原理 兩根不同導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端處于不同溫度時(shí)，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，引起熱電流流動。tt0熱電效應(yīng)（現(xiàn)象）熱電勢組成：溫差電勢、接觸電勢溫差電勢當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體兩端溫度不同時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)要產(chǎn)生一個(gè)電勢溫差電勢 e（t，t0）。 +-擴(kuò)散作用電場作用Estt0e（t，t0）大小與導(dǎo)體的性質(zhì)、兩端溫度有關(guān)，溫差越大， e（t，

6、t0）越大。接觸電勢兩種不同導(dǎo)體接觸時(shí)，在接觸面上產(chǎn)生電勢差接觸電勢 eAB（t）+-擴(kuò)散作用電場作用金屬A金屬BEeAB （t）大小取決于兩種不同導(dǎo)體性質(zhì)和接點(diǎn)溫度，t越高， eAB （t）越大 。 eAB （t）= -eBA （t）工作原理 eAB（t）eAB（t0）eB（t，t0）eA（t，t0）+- -E（t，t0）為兩接點(diǎn)熱電勢的代數(shù)和ABtt0eAB(t)R2eAB(t0)R1+-E（t，t0）只與材質(zhì)和溫度有關(guān)當(dāng) A、B 材料固定，t0 不變，則 E（t，t0）為t單值函數(shù)。當(dāng)兩導(dǎo)體材料相同時(shí)，回路中不產(chǎn)生E。若兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)，回路內(nèi)E=0。不同熱電極材料制成的熱電偶，在相同t

7、下產(chǎn)生的E是不同的。一般情況下，t0選取0作為刻度標(biāo)準(zhǔn)。注意例題1用鎳鉻銅鎳熱電偶測量某加熱爐的溫度，測得的熱電勢E(t,t1)=66982V，而自由端的溫度t1=30，求被測的實(shí)際溫度。例題2今用一只鎳鉻鎳硅熱電偶，測定小氮肥廠中轉(zhuǎn)化爐的溫度，已知熱電偶工作端溫度為800，自由端（冷端）溫度為30，求熱電偶產(chǎn)生的熱電勢。分度表在冷端溫度t0=0時(shí)，各種類型熱電偶的熱電勢與工作端溫度t之間的關(guān)系已由國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了統(tǒng)一的表格形式，稱為分度表。 （修正公式）熱電勢與溫度之間的關(guān)系是非線性在t00 時(shí)，E（t，t0）對應(yīng)的溫度+ t0真實(shí)溫度注意（2）關(guān)于插入第三種導(dǎo)線的問題ABBCCtt0t1t1

8、第一種情況：第二種情況：接點(diǎn)溫度相同，則Et只與t有關(guān)ABCCtt0t0回路中接入第三種導(dǎo)線，只要保證引入導(dǎo)線的兩端溫度相同，則對原熱電勢數(shù)值無影響?；芈分写敫喾N導(dǎo)線，只要引入導(dǎo)線兩端溫度相同，也不影響熱電勢數(shù)值。結(jié)論可測熔融金屬或金屬壁面的溫度AB開路熱電偶（3）常用熱電偶種類單位溫度變化的熱電勢大，且盡量接近線性關(guān)系；熱電性質(zhì)穩(wěn)定；化學(xué)穩(wěn)定性好；具有較好的延展性；復(fù)現(xiàn)性、互換性好。熱電偶的材質(zhì)要求：常用的熱電極材料分為四類貴金屬材料普通金屬材料非金屬材料如鉑、銠、銥及其合金難容金屬材料如鎳、鉻、銅及其合金如鎢、鉬、錸及其合金如碳、石墨、氧化鎂等及其混合物熱電偶種類標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)熱電

9、偶工藝成熟，成批生產(chǎn)、性能優(yōu)良，并符合專業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶，具有統(tǒng)一的分度表，可互換使用。為適應(yīng)更高或更低的溫度及特殊的介質(zhì)氣氛的測量，沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)和分度號。工業(yè)用熱電偶種類鉑銠30鉑銠6代號：WRR；新分度號：B；舊：LL-2鉑銠10鉑代號：WRP：新分度號S；舊：LB-3精度高，適于氧化性和中性介質(zhì)，熱電勢小。測溫范圍稍低些，精度高、穩(wěn)定，適于氧化性和中性介質(zhì)。鎳鉻鎳硅代號：WRN；新分度號：K；舊：EU-2鎳鉻考銅代號：WREA；新分度號：XK；舊：EA-2適于氧化性和中性介質(zhì)，熱電勢大于S的45倍，價(jià)格適中。適于還原性和中性介質(zhì)，熱電勢大，價(jià)格便宜，測低溫效果較好。不同材質(zhì)的熱

10、電偶有不同特性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇：測量范圍、放大系數(shù)、測量精度、抗腐蝕能力、價(jià)格等。種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)貴金屬準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，抗氧化、耐腐蝕，可用于1000以上，電阻小，損壞后可回收再利用靈敏度低，熱電勢與溫度為非線性，不適用于還原性介質(zhì)，價(jià)格貴廉金屬靈敏度高，線性好，可用于還原氣氛，價(jià)格便宜抗氧化、耐腐蝕性差，穩(wěn)定性差，壽命短，用于1300以下，電阻率高熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電極：貴金屬，直徑0.30.65，普通金屬一般0.53.2，長度3502000 絕緣子保護(hù)套管接線盒：鋁合金普通型鎧裝型將熱電極、絕緣材料一起緊壓在金屬保護(hù)套管中，三者經(jīng)組合加工成可彎曲的堅(jiān)實(shí)組合體。熱電極絕緣材料保護(hù)套管反應(yīng)速度

11、快、使用方便、可彎曲（可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對象）、不怕振、耐高壓等微小鎧裝熱電偶表面型熱電偶（薄膜型） 絕緣基板鐵膜鎳膜采用真空鍍膜或化學(xué)涂層工藝適于快速測量和物體表面溫度的測量快速型熱電偶 測量高溫熔融物體的一種專用熱電偶熱電偶的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)它的用途和安裝位置來確定。在熱電偶選型時(shí)，要注意三個(gè)方面：熱電極的材料；保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)，材料及耐壓強(qiáng)度；保護(hù)套管的插入深度。2.補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冷端通?？拷O(shè)備，冷端溫度會受環(huán)境溫度或設(shè)備內(nèi)物料溫度影響而變化。補(bǔ)償導(dǎo)線：用于延伸熱電偶冷端使t0穩(wěn)定的專用導(dǎo)線。 t1在100以內(nèi)，銅銅鎳與鎳鉻鎳硅相似+-補(bǔ)償導(dǎo)線測量電路熱電偶tt1t1t0t0回路中總熱電勢B

12、ADC回路中總熱電勢與t，t0有關(guān)，故補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端t1延伸至t0處，不影響最終結(jié)果。當(dāng)t00時(shí)，E(t,t0) 并不是實(shí)際的熱電勢。作用延伸熱電偶的冷端降低儀表線路成本結(jié)論補(bǔ)償導(dǎo)線正、負(fù)極要與熱電偶正、負(fù)極對應(yīng)相接。兩接點(diǎn)溫度t1應(yīng)相同。t0要恒定。注意在一定溫度范圍內(nèi)（0100），熱電性質(zhì)與熱電偶相同或相接近的廉價(jià)金屬。作為補(bǔ)償導(dǎo)線的材料常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶名稱補(bǔ)償導(dǎo)線工作端為100，冷端為0時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)熱電勢/mV正極負(fù)極材料顏色材料顏色鉑銠10鉑鎳鉻鎳硅（鎳鋁）鎳鉻銅鎳銅銅鎳銅銅鎳鉻銅紅紅紅紅銅鎳康銅銅鎳銅鎳綠藍(lán)棕白0.6450.0374.0950.1056.3170.1704.27

13、70.0473.冷端溫度補(bǔ)償 將冷端溫度保持為0 ，或者進(jìn)行一定的修正，才能得出準(zhǔn)確的測量結(jié)果的做法。補(bǔ)償方法（1）冰點(diǎn)槽法+-補(bǔ)償導(dǎo)線冰水混合物t硅油銅導(dǎo)線精度很高、麻煩，可用于實(shí)驗(yàn)室。（2）用熱電勢修正當(dāng) t00（3）校正儀表零點(diǎn)方法（工業(yè)上）工業(yè)上常用，有一定誤差t0必須恒定，只適于實(shí)驗(yàn)室或臨時(shí)測溫（4）冷端溫度補(bǔ)償器（補(bǔ)償電橋法）利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢自動補(bǔ)償冷端溫度變化而引起的熱電勢變化R1R2R3Rtt+-ab具有補(bǔ)償電橋的熱電偶測溫線路設(shè)計(jì)在0時(shí)，R1=R2=R3= Rt（0）= R0（0），電橋平衡，Uab=0當(dāng)t00時(shí)，Rt隨溫度升高而增大，橋路輸出Uab與E（t，t0）相

14、疊加，送入測量儀表。適當(dāng)選擇橋臂電阻和電流數(shù)值，可使Uab=Et，儀表即可指出正確的溫度數(shù)值。若電橋的平衡溫度為20，需將儀表起始點(diǎn)調(diào)到20處。（5）補(bǔ)償熱電偶法儀表tBAt1t1t1t0t1等效原理圖將補(bǔ)償熱電偶的工作端插入23m深的地下或放在其他恒溫器中， t0恒定，E（t，t0）不受t1影響。優(yōu)點(diǎn)可同時(shí)對多只工作熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，適于工業(yè)應(yīng)用測溫線路并聯(lián) 測溫線路串聯(lián) 四.熱電阻溫度計(jì)500以下的中低溫區(qū)溫度信號電壓信號熱電阻顯示儀表變送器統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)電流測量電路電阻變化組成熱電阻（感溫元件）顯示儀表（不平衡電橋或平衡電橋）連接導(dǎo)線（采用三線制接法）1熱電阻測溫原理利用金屬導(dǎo)體的電阻值

15、隨溫度變化的特性a- 電阻溫度系數(shù)；t- 溫度變化量; Rt電阻值變化量 Rt- t 時(shí)的電阻值; Rt0- t0 時(shí)的電阻值;其電阻值與溫度的關(guān)系： 金屬導(dǎo)體半導(dǎo)體作為熱電阻的材料有兩類2. 常用的兩種導(dǎo)體材料電阻溫度系數(shù)和電阻率要大，即靈敏度要高熱容量要小。 物理和化學(xué)性能應(yīng)穩(wěn)定。電阻值隨溫度變化最好是線性關(guān)系。易提純、加工和復(fù)制。要求對材料、R0值，R100/R0及R t之間的關(guān)系、允許誤差都有嚴(yán)格要求標(biāo)準(zhǔn)化金屬熱電阻國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻主要有鉑電阻銅電阻鎳電阻（1）鉑電阻（舊型號WZB ；新WZP）A=3.95010-3/ B=-5.85010-7/ （）2 在0-650 范圍內(nèi)C=-4.

16、2210-22/ （）3 測量各種生產(chǎn)過程中的-200 500內(nèi)液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面溫度。熱電阻WZPT鉑電阻溫度傳感器 溫度電阻的關(guān)系接近于線性關(guān)系鎧裝熱電阻 具有能彎曲、耐高壓、熱響應(yīng)時(shí)間快和堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。作為溫度變送器，亦可作為裝配式熱電偶的感溫元件。可測0800內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)、固體表面的溫度。普通熱電阻 鎧裝防爆熱電阻 優(yōu)點(diǎn)易提純；測溫精度高、范圍廣，化學(xué)穩(wěn)定性高，能耐較高溫度。 缺點(diǎn)在高溫下，特別是還原性氣氛中易沾污使鉑絲變脆Rtt的關(guān)系分度表，用分度號表示，與R0有關(guān)。原來： R0=46 分度號 BA1 R0=100 BA2新標(biāo)準(zhǔn)：R0=10 分度號 Pt1

17、0 R0=100 Pt100儀表的靈敏度取決于的大小，越大，阻值變化越大，儀表越靈敏。實(shí)踐證明：金屬的純度越高，R100/R0與越大，所以金屬的純度用R100/R0表示鉑電阻標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì) 1.3925 工業(yè)上=1.391（2）銅電阻 在-50150內(nèi) Rt=R01+（t-t0） 新型號：WZC（舊WZG）舊： R0=53，分度號為G（被淘汰）現(xiàn)工業(yè)上： R0=50 分度號為 Cu50 R0=100 Cu100純度用=1.428易加工提純，價(jià)格便宜。很大，Rtt呈線性關(guān)系。適用-50150，測溫范圍不廣。電阻率小，電阻體積較大，機(jī)械強(qiáng)度降低。特點(diǎn)4.熱電阻的構(gòu)造電阻體、保護(hù)套管、接線盒等 熱電阻的

18、雙線無感繞制芯柱保護(hù)膜引線端電阻絲平板形圓柱形螺旋形結(jié)構(gòu)：普通型，鎧裝型，薄膜型支架：平板狀（鉑）、圓柱形（銅）、螺旋形（標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嶒?yàn)室用的鉑電阻，直徑為0.050.01），雙線無感繞制。電阻體熱電阻的支架形狀(已繞電阻絲)四.電動溫度變送器作用：與熱電偶或熱電阻配合使用，將某點(diǎn)溫度（或溫差）轉(zhuǎn)換成420mA和15V的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號。和毫安表配合，顯示出溫度或溫差，和控制器等配合對溫度自動控制。DDZ型和DDZ型的溫度變送器的比較：（1）采用安全火花型防爆措施，可實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)場合中的溫度或毫伏信號測量。（2）采用了線性化機(jī)構(gòu)，使變送器的輸出信號與被測溫度呈線性關(guān)系。（3）使用了集成電路，使變送器具有

19、良好的可靠性、穩(wěn)定性等各種技術(shù)性能。溫度變送器有三種類型： 熱電偶溫度變送器 熱電阻溫度變送器 直流毫伏變送器（一）熱電偶溫度變送器（常用）1.作用：將溫度轉(zhuǎn)換成420mA或15V的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號2.結(jié)構(gòu)：輸入電路將溫度信號轉(zhuǎn)換成直流毫伏信號反饋電路放大電路熱電偶輸入電橋放大電路反饋電路被測溫度Et+-I0輸出電流t熱電偶溫度變送器的結(jié)構(gòu)方框圖+-EtRCuR1R4R2I1I2+-輸入電橋1）輸入電路Rcu熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電阻 R1、R2高值電阻 R4 零點(diǎn)遷移電阻作用：冷端溫度補(bǔ)償；調(diào)整零點(diǎn)，輸出與溫度相對應(yīng)的毫伏電壓2）反饋電路：對熱電偶的Et非線性進(jìn)行修正，使變送器的輸出信號與t呈線性關(guān)系，以便于顯示、控制和計(jì)算機(jī)連用。放大電路反饋電路-I0輸出電流+VtVfEttI0VftI0組成：集成運(yùn)算放大器輸