自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)溫度-1,2

第二篇過(guò)程參數(shù)檢測(cè)技術(shù)4.溫度檢測(cè)5.壓力檢測(cè)6.物位檢測(cè)7.流量檢測(cè)8.機(jī)械量檢測(cè)9.成分檢測(cè)4.1概述4.2接觸式測(cè)溫4.3非接觸式測(cè)溫4.溫度檢測(cè)4.1概述4.1.1溫度及其測(cè)量原理4.1.2溫標(biāo)及其表示方法4.1.3測(cè)溫方式及其原理4.1概述4.1.1溫度及其測(cè)量原理溫度是表征物體冷、熱程度的物理量，反映了物體內(nèi)部分子平均動(dòng)能的大小,是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的主要參數(shù)之一。測(cè)溫原理－溫度不能直接測(cè)量，只能借助于冷熱不同物體之間的熱交換，以及物體的某些物理性質(zhì)隨冷熱程度不同而變化的特性來(lái)加以間接測(cè)量。

4.1.2溫標(biāo)及其表示方法溫標(biāo)－衡量溫度高低的標(biāo)尺，規(guī)定溫度的起點(diǎn)及其基本單位。

1.經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)－用實(shí)驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)公式所確定的溫標(biāo)。（1）攝氏溫標(biāo)－在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的冰點(diǎn)規(guī) 定為0度，水的沸點(diǎn)規(guī)定為100度；兩 點(diǎn)間作100等分，每一份稱為1攝氏度， 記作1℃。所用標(biāo)準(zhǔn)儀器－水銀溫度計(jì)（2）華氏溫標(biāo)－在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的冰點(diǎn)規(guī) 定為32度，水的沸點(diǎn)規(guī)定為212度；兩 點(diǎn)間作180等分，每一份稱為1華氏度， 記作1℉。

攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為

T（℉）=9/5t（℃）+32

式中T——華氏溫度值; t——攝氏溫度值。2.熱力學(xué)溫標(biāo)－建立在熱力學(xué)基礎(chǔ)上，是一種理想而不能真正實(shí)現(xiàn)的理論溫標(biāo)。是把理想氣體壓力為零時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度——絕對(duì)零度與水的三相點(diǎn)（固液氣共存點(diǎn)）溫度分為273．16份，每一份稱為1開(kāi)爾文（Kelvin），記作1K。,熱力學(xué)溫標(biāo)(又稱開(kāi)氏溫標(biāo))從絕對(duì)零度起算,水的冰點(diǎn)為273.15K，沸點(diǎn)為373.15K。（注意：水的冰點(diǎn)和三相點(diǎn)是不一樣的，兩者相差0.01K。）3.國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)－國(guó)際上協(xié)商規(guī)定，一種既符合熱力學(xué)溫標(biāo)，又復(fù)現(xiàn)性好且使用方便，簡(jiǎn)稱ITS一90

（InternationalTemperatureScaleof1990）。

溫度單位：熱力學(xué)溫度是其基本物理量，國(guó)際實(shí)用溫度用符號(hào)T90表示，單位仍為開(kāi)爾文（K），K的大小定義為水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。同時(shí)使用的國(guó)際攝氏溫度的符號(hào)為t90

，單位是攝氏度，符號(hào)為℃。每一個(gè)攝氏度和每一個(gè)開(kāi)爾文的量值相同。國(guó)際實(shí)用溫度T90

（K）與國(guó)際攝氏溫度t90（℃）的關(guān)系如同熱力學(xué)溫度和攝氏溫度一樣，即

把整個(gè)溫標(biāo)分成4個(gè)溫區(qū)，使用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。

4.1.3測(cè)溫方式及其原理接觸式：與被測(cè)物接觸，通過(guò)熱交換進(jìn)行測(cè)量；非接觸式：不與被測(cè)物直接接觸，通過(guò)接受被測(cè)物體的熱輻射能實(shí)現(xiàn)熱交換。4.2接觸式測(cè)溫4.2.1玻璃溫度計(jì)4.2.2雙金屬溫度計(jì)4.2.3壓力式溫度計(jì)4.2.4熱電偶測(cè)溫4.2.5熱電阻測(cè)溫4.2.1玻璃溫度計(jì)1.工作原理－液體受熱后體積隨溫度膨脹2.特點(diǎn)－結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，價(jià)格低廉，測(cè)溫范圍較廣，安裝使用方便，現(xiàn)場(chǎng)直接讀數(shù)，一般無(wú)需能源，易破損，測(cè)溫值無(wú)法自動(dòng)遠(yuǎn)傳記錄等。4.2.2雙金屬溫度計(jì)1.工作原理－基于固體受熱膨脹。2.構(gòu)成－兩片線膨脹系數(shù)差異很大的金屬片疊焊在一起，一段固定，一端帶指針；3.特點(diǎn)－測(cè)溫范圍大致為-80℃—600℃；精度等級(jí)通常為1～2.5級(jí)左右；抗振性好，讀數(shù)方便，精度不高，做一般的工業(yè)用儀表，測(cè)溫信號(hào)難以遠(yuǎn)傳。

4.2.3壓力式溫度計(jì)1.工作原理－根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體、蒸汽在體積不變的條 件下其壓力與溫度呈確定函數(shù)關(guān)系的原理實(shí)現(xiàn)其測(cè)溫功能2.結(jié)構(gòu)－感溫包、傳遞壓力元件(毛細(xì)管)及壓力敏感元件、齒輪或 杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、指針和讀數(shù)盤(pán)組成；3.特點(diǎn)－強(qiáng)度大、不易破損、讀數(shù)方便，但準(zhǔn)確度較低、耐腐蝕性較差；響應(yīng)慢（毛細(xì)管細(xì)長(zhǎng)），測(cè)溫信號(hào)難以遠(yuǎn)傳。壓力式溫度計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖

1—傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；2—刻度盤(pán)；3—指針；4—彈簧管；5—連桿；6—接頭；7—毛細(xì)管；8—溫包；9—工作物質(zhì)4.2.4熱電偶測(cè)溫1.熱電效應(yīng)及測(cè)溫原理2.標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶與分度表3.熱電偶結(jié)構(gòu)型式4.熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償4.2.4熱電偶測(cè)溫1.熱電效應(yīng)及測(cè)溫原理熱電偶測(cè)溫是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。熱電效應(yīng)－任何兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)。閉合回路中總的熱電勢(shì)(由溫差電勢(shì)、接觸電勢(shì)組成)為t0－冷端、參比端、自由端

t－熱端、工作端EAB(t,t0)=eAB(t)－eAB(t0)或EAB(t,t0)=eAB(t)+eBA(t0)

eAB接觸電勢(shì)形成的過(guò)程熱電效應(yīng)

4.2.4熱電偶測(cè)溫1.熱電效應(yīng)及測(cè)溫原理

熱電偶測(cè)溫是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。(1)熱電效應(yīng)兩種不同材料的金屬A和B構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接觸端溫度不同時(shí)（設(shè)T>T0），回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)EAB（T，T0）。這種把熱能轉(zhuǎn)換成電能的物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。其中，這兩種不同材料的導(dǎo)體組成的回路稱為熱電偶，導(dǎo)體A、B稱為熱電極，置于測(cè)溫場(chǎng)感受被測(cè)溫度的T端稱為熱端（工作端或測(cè)量端），另一個(gè)T0端稱為冷端（自由端或參比端）。熱電偶產(chǎn)生的總的熱電勢(shì)EAB（T，T0）是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成。

(2)接觸電勢(shì)將兩種不同的金屬A和B相互接觸時(shí),在其接觸處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象，如圖所示。自由電子會(huì)從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B中,使A失去電子帶正電為正電極,B得到電子帶負(fù)電為負(fù)電極,直至在接觸處形成強(qiáng)大的正負(fù)電場(chǎng),并阻止電子的繼續(xù)擴(kuò)散,從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡為止。其接觸處就形成一定的電位差，此即接觸電勢(shì)（也叫帕爾帖電勢(shì)）。其大小可表示為

——金屬電極A和B在溫度為T(mén)時(shí)的接觸電勢(shì)；k——波爾茲曼常數(shù)；T——接觸處的熱力學(xué)溫度；熱電偶的接觸電勢(shì)e——單位電荷量；NA，NB——金屬電極A和B的自由電子密度。(3)溫差電勢(shì)同一種金屬材料如A，當(dāng)其兩端的溫度不同即T>T0時(shí)，兩端的電子能量就不同。溫度高的一端電子能量大，則電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散的多而返回的少，最后達(dá)到平衡。這樣在A的兩端形成一定的電位差，即溫差電勢(shì)（也叫湯姆遜電勢(shì)），如圖所示。其大小可表示為

——材料A在兩端溫度T、T0時(shí)的溫差電勢(shì)；

——湯姆遜系數(shù)，表示溫差為1時(shí)所產(chǎn)生的電勢(shì)值，大小與材料的性質(zhì)有關(guān)。

圖熱電偶的溫差電勢(shì)(4)總熱電勢(shì)

在導(dǎo)體A和B組成的熱電偶回路中，兩接觸端的溫度分別為T(mén)和T0，且T>T0，則回路的總熱電勢(shì)由兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)組成，圖中的箭頭表示電勢(shì)方向（由負(fù)指向正）。

取的方向?yàn)檎较?寫(xiě)出總熱電勢(shì)的方程為

若電極A和B為同一種材料，若熱電偶兩端處于同一溫度下，。因此，熱電勢(shì)存在必須具備兩個(gè)條件：一是由兩種不同的金屬材料組成熱電偶，二是其兩端接觸點(diǎn)存在溫差，而且溫差越大，熱電勢(shì)越大。也就是說(shuō)，熱電偶熱電勢(shì)的大小，只與導(dǎo)體A、B的材質(zhì)有關(guān)，與冷、熱端的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的粗細(xì)、長(zhǎng)短及兩導(dǎo)體接觸面積無(wú)關(guān)。實(shí)踐證明，在熱電偶回路中起主要作用的是兩個(gè)接觸處的接觸電勢(shì)，而兩個(gè)電極溫差電勢(shì)的差值很小而忽略不計(jì)的話，則有更簡(jiǎn)潔的工程表達(dá)式

該式清楚地說(shuō)明，如果熱電偶冷端溫度T0保持恒定時(shí)，熱電偶的熱電勢(shì)就只與被測(cè)溫度T成單值函數(shù)關(guān)系。根據(jù)國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定，T0=0℃時(shí)，用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出各種熱電偶在不同工作溫度下所產(chǎn)生熱電勢(shì)的值列成的表格，稱為分度表（見(jiàn)附錄A）。EAB(t,t0)=eAB(t)－eAB(t0)或EAB(t,t0)=eAB(t)+eBA(t0)

(5)中間導(dǎo)體定則中間導(dǎo)體定則----在熱電偶回路中，冷端處斷開(kāi)接入與A，B電極不同的另一種導(dǎo)體C時(shí)，只要這個(gè)中間導(dǎo)體C的兩端溫度相同，熱電偶回路的總熱電勢(shì)值不會(huì)受中間導(dǎo)體接入的影響。圖所示為熱電偶接入中間導(dǎo)體C的情況。此時(shí)熱電偶回路的總熱電勢(shì)為當(dāng)回路中各接點(diǎn)溫度相等且都為T(mén)0時(shí)，總熱電勢(shì)為零，即故可以得到同理，還可以加入第四種、第五種導(dǎo)體，只要加入導(dǎo)體的兩端接點(diǎn)溫度相等，回路的總熱電勢(shì)就與原回路的電勢(shì)值相等。正是根據(jù)中間導(dǎo)體定則，才可以在熱電偶測(cè)溫回路中接入各種儀表、連接導(dǎo)線和接插件等。熱電偶特點(diǎn)：測(cè)溫范圍廣，精度高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，信號(hào)遠(yuǎn)傳。2.標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶與分度表（1）標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶

電極材料應(yīng)具備的性能：①優(yōu)良的熱電特性即熱電勢(shì)率(靈敏度)要大，熱電關(guān)系接近線性，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化或腐蝕；②優(yōu)良的機(jī)械性能機(jī)械強(qiáng)度高有韌性，材料組織均勻易于加工成絲；③制造成本低，價(jià)值比較便宜。（2）熱電偶分度表根據(jù)國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定，時(shí)，用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出各種熱電偶在不同的工作溫度下所產(chǎn)生的熱電勢(shì)值，列成一張表格，稱為分度表。 根據(jù)分度表，有以下結(jié)論：①不同型號(hào)熱電偶的熱電勢(shì)有較大差別，B型熱電勢(shì)小，E型熱電勢(shì)最大；②熱電勢(shì)是溫度的升值函數(shù)；其關(guān)系為非線性；③當(dāng)④當(dāng)冷端溫度時(shí)，先補(bǔ)償電勢(shì)，再查表獲得溫度，即：

[例1]：用K型熱電偶測(cè)爐溫時(shí)，測(cè)得參比端溫度t0＝38℃；測(cè)得測(cè)量端和參比端間的熱電動(dòng)勢(shì)E(t,38)＝29.90mV，試求實(shí)際爐溫。［解］由K型分度表查得E(38，0)＝1.529mV，由上式可得到：

E(t，0)＝E(t,t0)+E(t0,0)

＝29.90+1.529=31.429mV

再查K型分度表，由31.429mV查得到實(shí)際爐溫755℃。按熱電動(dòng)勢(shì)E(t,38)＝29.90mV查K型分度表得對(duì)應(yīng)的爐溫718℃，與實(shí)際爐溫755℃相差37℃，由此產(chǎn)生的相對(duì)誤差約為5%。（再加上t0＝38℃為756℃，很接近755℃

）（注：由于熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系都是非線性的，因此在自由端的溫度不為零時(shí)，將所測(cè)得熱電勢(shì)對(duì)應(yīng)的溫度值加上自由端的溫度，并不等于實(shí)際的被測(cè)溫度。）3.熱電偶結(jié)構(gòu)型式(1)普通（裝配）型熱電偶主要由四部分組成：熱電極、絕緣管、保護(hù)管和接線盒。(2)鎧裝型熱電偶是將熱電偶絲和絕緣材料一起緊壓在金屬保護(hù)管中制成的熱電偶。特點(diǎn)：響應(yīng)速度快(0.01S),氣密性好、不怕振、耐高壓,使用壽命長(zhǎng),柔軟性好便于安裝，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如狹小彎曲管道內(nèi)）（4）表面型熱電偶專門(mén)用來(lái)測(cè)量固體表面溫度的一種特殊熱電偶。反應(yīng)速度極快、熱慣性極小。（5）快速型熱電偶測(cè)量鋼水等高溫熔融物體的一種專用熱電偶。熱電偶的結(jié)構(gòu)型式可根據(jù)它的用途和安裝位置來(lái)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。（3）薄膜型熱電偶把兩種不同的熱電極材料蒸鍍?cè)诤鼙〉慕^緣基板上。適用于測(cè)量微小面積上的瞬變溫度。4.熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償目的：熱電偶的溫度與熱電勢(shì)關(guān)系的分度表是在冷端溫度為0℃時(shí)作出的，而與熱電偶配套使用的顯示儀表也是熱電偶冷端溫度為0℃時(shí)刻度的;所以必須滿足冷端溫度為0℃的條件。就要補(bǔ)償不為零引起的誤差。方法：補(bǔ)償導(dǎo)線法、冰點(diǎn)恒溫法、計(jì)算校正法、補(bǔ)償電橋法（1）補(bǔ)償導(dǎo)線法

采用一種專用導(dǎo)線（在一定溫度范圍0～100℃內(nèi)與所連接的熱電偶具有相同的熱電特性，其材料