第11章 溫度測量

第三章溫度的測量和變送第一節(jié)溫度的測量方法第二節(jié)熱電偶溫度計第三節(jié)電阻溫度計第四節(jié)半導(dǎo)體電阻溫度計(熱敏電阻)第五節(jié)輻射式高溫計第六節(jié)溫度信號的遠(yuǎn)傳第一節(jié)溫度的測量方法溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它是不能直接加以測量的。工業(yè)上的溫度測量是以熱平衡現(xiàn)象為基礎(chǔ)的．任何兩個冷熱程度不同的物體相接觸，必然發(fā)生熱量由高溫物體向低溫物體的傳遞，直至兩物體的冷熱程度完全一致，即達(dá)到熱平衡。由熱平衡定律可知，處于同一熱平衡狀態(tài)的兩個物體必然會擁有一個或多個相同的物理性質(zhì)，而能夠最明顯地表示熱的物理性質(zhì)的量就是溫度。利用這一原理，我們可選擇一些物理性質(zhì)能連續(xù)而且單值地隨溫度成線性或某一規(guī)律變化的物體做測溫物體，使之與被測物質(zhì)相接觸并達(dá)到熱平衡，這時測溫物體的溫度等于被測物體的溫度。于是只要把測溫物體在這一溫度下的某些物理性質(zhì)的變化(如體積、密度、電導(dǎo)率、熱容量、熱電勢和幅射強(qiáng)度等)測量出來，便可以定量地給出被測物體的溫度值．隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)上還應(yīng)用了一些新的測溫原理．如射流測溫、渦流測溫，激光測溫等．下面只重點(diǎn)介紹利用物體熱電效應(yīng)的測溫儀表——熱電偶溫度計和熱電阻溫度計．第二節(jié)熱電偶溫度計一、熱電偶測溫原理二、熱電偶的基本定律三、常用熱電偶種類四、熱電偶的結(jié)構(gòu)類型五、熱電偶冷端溫度補(bǔ)償。一、熱電偶測溫原理熱電偶溫度計是目前應(yīng)用最廣的一種測溫儀表。它主要由熱電偶和指示溫度的二次儀表組成。熱電偶是溫度的傳感器，是這種溫度計的核心。熱電偶是基于熱電效應(yīng)這一原理測量溫度的。1821年塞貝克(T．J.Seebeek)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種不同導(dǎo)體兩端結(jié)合成一封閉回路時，加熱其中一端，則在另一端可測到電動勢，回路中有電流流動．這一現(xiàn)象稱做熱電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動勢叫塞貝克電勢或熱電勢。圖3—2—1為熱電偶測溫原理的示意圖．熱電偶是由兩根不同的導(dǎo)體A、B焊接而成。A、B導(dǎo)體又叫作熱偶絲或熱電極．焊接的一端(T端)稱作工作端，用以插入被測介質(zhì)中進(jìn)行測溫，故又稱為熱端．與導(dǎo)線接連的另一端T0端為自由端或冷端。如果兩端所處的溫度不同(T≠T0，)，則測量儀表將指示出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。該熱電勢E與熱電偶材料、熱電偶兩端的溫度有關(guān)，而與熱電極的長度和直徑無關(guān)。如果T0不變，且熱電極材料一定時．E只是T的函數(shù)。由理論分析知道，熱電勢由接觸電勢和溫差電勢組成．(一)溫差電勢

溫差電勢也叫湯姆遜電勢，當(dāng)一根均質(zhì)金屬的兩端置于不同的溫度場T和T0中時，于是兩端有一溫度差。高溫端(T端)金屬中的自由電子必然比低溫端(T0端)金屬中的自由電子要獲得更多的能量，因而電子由T端向T0端擴(kuò)散的速率(或數(shù)目)要大于電子由T0端向T端擴(kuò)散的速率(或數(shù)目)。T瑞金屬因失電子而帶正電，T0端則因得電子而帶負(fù)電，由此在金屬兩端便建立起一個電位差，此電位差的存在將阻止電子由T端向T0端的進(jìn)一步擴(kuò)散，直到電子擴(kuò)散的能力與上述電場的阻力平衡時，自由電子的擴(kuò)散才達(dá)到動平衡。這種由溫度差在均質(zhì)金屬上產(chǎn)生的電位差就被稱為溫差電勢。記作eA(T,T0)由式(3—2—1)可以看出：1．溫差電勢的大小僅取決于金屬的材料和兩端的溫度T和T0，而與金屬(絲)的直徑和長度無關(guān)；2．當(dāng)金屬(絲)兩端溫度相等(T＝T0)時，溫差電勢為零；3．與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)．（二）、接觸電勢

兩種不同材料的金屬中所含有的電子密度是不同的．當(dāng)兩根不同材料的金屬絲連接在一起時，在接點(diǎn)處便有電子的擴(kuò)散。設(shè)A和B金屬電子密度分別為NA和NB，且NA＞NB,則由A金屬擴(kuò)散到B金屬中的自由電子數(shù)必然大于由B金屬擴(kuò)散到A金屬中的自由電子數(shù)，于是A金屬因失電子而帶正電．B金屬因得電子而帶負(fù)電，在接點(diǎn)處形成一個由A指向B的電位差即電動勢。這一電動勢將阻礙電子由A金屬向B金屬的繼續(xù)擴(kuò)散，直到電子擴(kuò)散的能力與電場的阻力相平衡時，上述擴(kuò)散達(dá)到動平衡．這種由兩金屬中電子密度不同而在接點(diǎn)處產(chǎn)生的電位差即接觸電勢，記作eAB（T）和eAB(T0)。接觸電勢的大小僅和所造金屬材料的性質(zhì)及接點(diǎn)溫度有關(guān)，而與金屬材科的幾何尺寸無關(guān)。顯然，如兩金屬材料相同。即NA＝NB，則接觸電勢為零．(三)熱電偶回路的熱電勢由上所述，熱電偶的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢所組成，見式(3-2-3)。一般溫差電勢遠(yuǎn)小于接觸電勢。因此熱電勢的方向決定于接觸電勢的方向，因t＞t0亦即決定于eAB(t)的方向，如圖3-2-2所示．T熱端T0冷端A(正極)B（負(fù)極）eA(T,T0)eB(T,T0)EAB

(T,T0)eAB(T)eAB(T0)圖3-2-2將（3-2-4）代入（3-2-3）得：fAB(t)和fAB(t0)稱為分熱電勢。實(shí)際上，fAB(t)和fAB(t0)的大小是無法知道的，只能由實(shí)驗(yàn)確定。將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，即熱電勢-溫度的對應(yīng)關(guān)系列成表格，稱為分度表。由式(3-2-5)知，當(dāng)t0恒定時，fAB(t0)為一常數(shù)C，則有:熱電勢僅是熱端溫度t(被測溫度)的單值函數(shù)．分度表是在t0為0°C時確定的．而工業(yè)上常使t0恒定在常溫．

有兩點(diǎn)需要指出：1．熱電偶的熱電勢-溫度關(guān)系是非線性的．即在不同溫域中，溫度差即使相等，其對應(yīng)的熱電勢差并不相等．2．熱電勢代號EAB(t,t0)中，寫在前面的A和t分別代表正極和高溫,寫在后面的B和t0分別代表負(fù)極和低溫．各文字代號的前后位置不要排亂，如果它們的前后位置有一個互換，則該代號表示的熱電勢的極性相反。如：EAB(t，t0)=－EAB(t0，t)EAB(t，t0)=－EBA(t，t0)二、熱電偶的基本定律（一）均質(zhì)導(dǎo)體定律（二）中間溫度定律（三）中間導(dǎo)體定律（四）標(biāo)準(zhǔn)電極定則(一)均質(zhì)導(dǎo)體定律由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電勢的大小僅與熱電極的材料和兩端溫度有關(guān)，是兩端溫度差的函數(shù)，而與熱電極的幾何形狀及長度、沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。如果組成熱電極是非均質(zhì)導(dǎo)體，則熱電偶回路就會出現(xiàn)附加誤差．(二)中間溫度定律設(shè)熱電偶回路中間溫度為tn(如圖3-2-3所示)，熱電偶A、B的熱電勢只與接點(diǎn)溫度t,t0有關(guān)，而與中間溫度tn無關(guān)。證明如下：圖3-2-3式(3-2-6)也說明了熱電偶A、B在接點(diǎn)溫度t、t。時的熱電勢等于熱電偶在接點(diǎn)溫度為t,tn和tn,t0時熱電勢的總和.這一重要定律為后面講到的補(bǔ)償導(dǎo)線法提供了理論根據(jù)。(三)中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中接入第三種材料的中間導(dǎo)線C，(如圖3-2-4所示)只要中間導(dǎo)線C兩端溫度相同，第三種材料導(dǎo)線的接入不會影響熱電偶的熱電勢大?。@里有兩種情況．第一種情況如圖3-2-4(a)所示，熱電偶A、B間接上第三種材料導(dǎo)線C，各接點(diǎn)的溫度分別力t．t。。這時的回路總熱電勢為：亦即當(dāng)?shù)谌N材料導(dǎo)線C的兩端點(diǎn)溫度均為t。時．熱電偶總熱電勢不受導(dǎo)線C影響。第二種情況如圖3—2—4(b)所示。三種材料之間各接點(diǎn)的溫度為t、t。、t1，這時,回路總熱電勢為：亦即當(dāng)?shù)谌N材料導(dǎo)線C的兩端點(diǎn)溫度均為t1時,熱電偶總熱電勢同樣不受導(dǎo)線C的影響。根據(jù)這一定律,我們可以在回路中接入各種儀表和連接導(dǎo)線，而不必?fù)?dān)心它們對熱電勢的影響。也可據(jù)此定律采用開路熱電偶(即兩熱電極不直接連接)對液態(tài)金屬或金屬壁面進(jìn)行溫度測量，即直接把熱偶絲的工作端接入或焊接在被測金屬上．這時液態(tài)金屬或金屬壁面即為第三種材料，只要兩熱電極插入地方的溫度一致，則對整個回路的熱電勢不產(chǎn)生影響。四、標(biāo)準(zhǔn)電極定則如圖所示，中間導(dǎo)體c為標(biāo)準(zhǔn)電極，因其兩端的溫度相同，故熱電勢仍為EAB(T,T0).另一方面，又可看成是有A、C和C、B兩對熱電偶所組成，故有：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)EAC(T,T0)EAC(T,T0)EAC(T,T0)T0T0T0TTACCB由上式可知，采用同一個標(biāo)準(zhǔn)熱電極與不同材料組成熱電偶，先測試出各熱電勢，再根據(jù)上式計算合成熱電勢。這是測試熱電偶材料的通用方法，可以大大簡化熱電偶的選配工作。由于純鉑絲的物理化學(xué)性能穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、易提純，故常用鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極。三、常用熱電偶類型及構(gòu)造根擁熱電效應(yīng)原理，任意兩種導(dǎo)體都可做為熱電極以組成熱電偶，但為了確保工程技術(shù)中的可靠性和足夠的測量精度．必須對其嚴(yán)格選擇。要求如下：(1)在測溫范圍內(nèi)其熱電性質(zhì)要穩(wěn)定，不隨時間變化；(2)在測溫范圍內(nèi)耍有足夠的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，不易被氧化或腐蝕；(3)電阻溫度系數(shù)要小，電導(dǎo)率要高，組成熱電偶后產(chǎn)生的熱電勢耍大，其值與溫度成線性關(guān)系或有簡單的函數(shù)關(guān)系；(4)重現(xiàn)性要好，有良好的互換性，材料組織均勻，有韌性以便于加工成絲。一般情況下純金屬的熱電極容易復(fù)制，但熱電勢率??；非金屆的熱電偶的熱電勢率大，但其重現(xiàn)性和穩(wěn)定性差。合金熱電極的熱電特性和工藝性能介于純金屬和非金屬之間．目前常用熱電偶多用純金屬與合金相配對或是合金與合金相配對而成。工業(yè)上常用的(己標(biāo)準(zhǔn)化的)熱電偶有如下幾種：(一)鉑銠10—鉑熱電偶分度號為LB3，正極是由90%的鉑和10%的銠制成的合金絲，負(fù)極為純鉑絲。優(yōu)點(diǎn)是：熱電特性穩(wěn)定，便于復(fù)制，精確度高，一般用作精密測量和國際實(shí)用溫標(biāo)中630.755~1064.42℃范圍的熱電偶．它的熔點(diǎn)高，測溫上限1600℃以上(長期1300℃，短期l600℃)?？寡趸阅芎?，適于氧化性、中性氣氛及真空中使用。缺點(diǎn)是：與其它熱電偶相比，其熱電勢小，須配靈敏度高的顯示儀表、價貴，故—般制成直徑0.5mm以下細(xì)絲，因而機(jī)械強(qiáng)度低，易斷：在還原性氣氛(如氫和一氧化碳)、二氧化碳、硫、硅、碳和碳化合物所產(chǎn)生的蒸汽中易被沾污變質(zhì)，故在這些氣氛中工作時必須另加保護(hù)套管。另外．這種熱電偶的非線性較大，熱電極在高溫下會升華，銠分子滲透到鉑極中沾污鉑極，導(dǎo)致熱電勢不穩(wěn)定。(二)鉑銠30—鉑銠6熱電偶

分度號是LL-2．是六十年代發(fā)展起來的一種高溫?zé)犭娕迹诟邷販y量中得到廣泛應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)是：由于兩個熱電極均為鉑銠合金，故提高了機(jī)械強(qiáng)度和抗沾污能力。與鉑佬—鉑熱電偶相比，其熱電特性在高溫下也更穩(wěn)定。長期使用最高溫度達(dá)l800℃。缺點(diǎn)是：熱電勢率較小，必須配用靈敏度較高的顯示儀表．鉑佬—鉑姥熱電偶在室溫下熱電勢極小，故使用時一般不需要進(jìn)行冷端溫補(bǔ)。(三)鎳鉻—鎳硅(或鎳鉻—鎳鋁)熱電偶分度號為EU-2，其正極鎳鉻成分是：9~10%鉻、0.4%硅、其余為鎳，負(fù)極鎳硅成分為2.5-3%硅、≤0.6％鈷、其余為鎳。優(yōu)點(diǎn)是：因兩熱電極合金中含有大量的鎳所以有較強(qiáng)的抗氧化性和抗腐蝕性；化學(xué)穩(wěn)定性好，復(fù)制性好。其熱電勢率高，為鉑銠10-鉑的4~5倍，溫度-熱電勢關(guān)系近似為直線性：熱電極的材料價格便宜。它是我國工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用最廣泛的熱電偶。通常在500℃以下可在還原性氣性、中性和氧化氣氛中可靠地工作．測溫范圍為．一50℃~1000℃。缺點(diǎn)是：因熱電極中含有大量鎳，所以具有較明顯的磁性，不利于溫度測量控制回路的設(shè)計。另外在500℃以上易氧化，且易受還原性氣體及琉和碳等產(chǎn)生的蒸汽侵蝕變質(zhì)，引起熱電特性變化，故—般要加保護(hù)套管。精度較鉑銠-鉑熱電偶低。鎳鉻—鎳硅和鎳鉻—鎳鋁熱電偶的熱電特性幾乎完全—致，但鎳硅合金比鎳鋁抗氧化性好。目前我國基本上用鎳鉻—鎳硅熱電偶取代了鎳鉻—鎳鋁熱電偶。(四)鎳鉻—考銅熱電偶分度號在EA-2其特點(diǎn)是熱電勢率較大，僅次于半導(dǎo)體熱電偶，所以對顯示儀表靈敏度的要求要低一些；和鎳路—鎳硅相比，含鎳量要少一些，因而價格低廉．其負(fù)極在高溫下易氧化變質(zhì)，測溫上限長期為600℃，短期可達(dá)800℃，但能用于一200℃的低溫測量，是一種重要的低溫?zé)犭娕肌?五)、銅—康鋼熱電偶分度號為CK．其特點(diǎn)是靈敏度高，熱電極容易復(fù)制，價格低廉，在測低溫(0~100℃)時精確度較高，可做成二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。但由于銅易氧化，一般測量上限不超過300℃。四、熱電偶的結(jié)構(gòu)類型（一）普通插入式熱電偶這種熱電偶的測量端（即熱端）插入被測對象的內(nèi)部，常用以測量容器或管道內(nèi)部介質(zhì)溫度。它的結(jié)構(gòu)主要有三部分：熱電偶保護(hù)套管和絕緣子。如果熱電偶的熱偶絲為貴金屬，則一般做得很細(xì)(直徑：0.36~0.65mm)；如非貴金屬時．其直徑一般則為1~2mm。熱電偶的長度根據(jù)使用時插入深度的實(shí)際需要決定。帶有保護(hù)套管的普通插入式熱電偶的長度一般在300~2150mm之間。絕緣子的作用是防止熱電偶兩極之間短路，常用的絕緣材料及使用溫度如下：橡皮、絕緣漆：60~80℃絲、絕緣漆：100~130℃琺瑯、絕緣漆：100~150℃玻璃管：500℃以下石英管；1000℃以下瓷管；1000~1500℃高溫陶瓷管：1500℃以上圖3-2-5(a)圖3—2—5（a）插入式熱電偶結(jié)構(gòu)1--熱電極2--絕緣套管3--保護(hù)管4--接線盒在某些特殊場合，如化工廠、冶煉廠、發(fā)電廠、水泥廠等，用普通熱電偶、熱電阻就極易損壞。因此，在這些場合就必須采用耐磨熱電偶。該熱電偶特別適用硫化床、磨煤機(jī)出口，一次，二次風(fēng)煤及水泥行業(yè)測溫。特征：

在WR、WZ系列基礎(chǔ)上，其保護(hù)套的插入部分，可全部或部分制成。

耐磨，同時耐沖刷，耐腐蝕。

壽命長。高溫下可使用6個月以上，低溫下可使用8個月以上。

熱電偶，熱電阻為鎧式結(jié)構(gòu)。技術(shù)指標(biāo)

*T為感溫元件實(shí)測溫度。名稱分度號測溫范圍℃允許偏差△t鎳鉻—鎳硅K0~1200±2.5℃或0.75%t鎳鉻—銅鎳E0~600±2.5℃或0.75%t鉑電阻PT100-100~500±（0.15+0.002t）銅電阻Cu50-50~100±（0.30+6.0*10-3t）圖3-2-5（b）絕緣套管瓷絕緣子使用的最多，有雙孔、單孔等形式，見圖3-2-5，也有四孔的可裝兩支熱電偶。保護(hù)套管是為了免遭有害氣體的腐蝕和沾污及防止機(jī)械損傷。熱電偶常需裝在保護(hù)套管中。套管的尾部有接線盒便于接線。接線盒上的蓋板防止灰塵、水汽進(jìn)入．為安裝方便保護(hù)套管上還帶有安裝螺絲或法蘭(見圖3-2-5)，它們分固定式和可移式兩種。常用保護(hù)套管及其使用溫度：無縫鋼管：600℃以下不銹鋼管：1000℃以下高鉻鋼管：石英管：1200℃以下普通瓷管：1400℃以下高氧化鋁瓷管：1500℃以下高溫陶瓷管：1500℃以上一船l000℃以下的溫度測量主要采用無縫碳鋼管作保護(hù)套管．測量煙氣溫度的熱電偶采用氧化鋁瓷管作保護(hù)套管．(二)特殊熱電偶鎧裝熱電偶是把保護(hù)套管1(材料為不銹鋼或鎳基高溫合金)、絕緣材料2(高純脫水氧化鎂或氧化鋁)與熱偶絲3組合在一起拉制而成的，也稱套管熱電偶。如圖3-2-6圖3-2-6圖3-2-6鎧裝熱電偶1--保護(hù)套管2--絕緣材料3--熱偶絲A—碰底型B--非碰底型C--露頭型D--帽型套管中熱偶絲有單絲、雙絲和多絲幾種，彼此間由絕緣物隔開。其測量端又分露頭型和帶帽型。鎧裝熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是：小型化．因體積小，熱容量小，也就具有較小的熱慣性，時間常數(shù)小，對被測溫度反應(yīng)快。例如普通型工業(yè)熱電偶的時間常數(shù)最小的為≤20秒，稍大的為20秒~4分鐘，而d=0.25mm的露頭型鎧裝熱電偶的時間常數(shù)為0.05秒，碰底型為0.3秒，不碰底型為1.5秒。另外．很細(xì)的整體組合結(jié)構(gòu)，使鎧裝熱電偶的柔性大．可彎成各種形狀，故適于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的測量對象。對于熱電偶型式的選擇一般在常壓下可采用普通式結(jié)構(gòu)：測量動態(tài)溫度時采用時間常數(shù)小的熱電