過程檢測技術(shù)及儀表2章第二節(jié)溫度測量課件

2節(jié)溫度測量溫度檢測的主要方法和分類熱電偶及其測溫原理熱電阻及其測溫原理溫度變送器簡介其它溫度檢測儀表簡介溫度檢測儀表的選用和安裝測溫方式

測溫儀表

測溫范圍℃主要特點

接觸式

膨脹式

玻璃液體

－100～600結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量準(zhǔn)確、價格低廉；測量上限和精度受玻璃質(zhì)量的限制，易碎，不能遠(yuǎn)傳

雙金屬

－80～600結(jié)構(gòu)緊湊、可靠；測量精度低、量程和使用范圍有限

熱電效應(yīng)

熱電偶

－200～1800測溫范圍廣、測量精度高、便于遠(yuǎn)距離、多點、集中檢測和自動控制，應(yīng)用廣泛；需自由瑞溫度補償，在低溫段測量精度較低

熱阻效應(yīng)

鉑電阻

－200～600測量精度高，便于遠(yuǎn)距離、多點、集中檢測和自動控制，應(yīng)用廣泛；不能測高溫

銅電阻

－50～150半導(dǎo)體熱敏電阻

－50～150靈敏度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便；互換性較差，測量范圍有一定限制

非接觸式

非接觸式

輻射式

0～3500不破壞溫度場，測溫范圍大，響應(yīng)塊，可測運動物體的溫度；易受外界環(huán)境的影響，標(biāo)定較困難

1溫度常用的檢測方法和分類2熱電偶及其測溫原理熱電效應(yīng)和熱電偶熱電偶中間導(dǎo)體定律與熱電勢的檢測

熱電偶的等值替代定律和補償導(dǎo)線

標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和分度表熱電偶冷端溫度的處理熱電偶的結(jié)構(gòu)型式——熱電效應(yīng)和熱電偶

熱電效應(yīng)（熱電偶測溫的基本原理）：任何兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路，如果將它們的兩個接點分別置于溫度各為t及t0的熱源中，則在該回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電勢。ABBA圖3-37熱電偶示意圖ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)圖3-38熱電現(xiàn)象

t端稱為工作端(假定該端置于熱源中)，又稱測量端或熱端

t0端稱為自由瑞，又稱參考端或冷端這兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶每根單獨的導(dǎo)體或半導(dǎo)體稱為熱電極

ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)閉合回路中所產(chǎn)生的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成：

下標(biāo)A表示正電極，B表示負(fù)電極，由于溫差電勢比接觸電勢小很多，常常把它忽略不計，這樣熱電偶的電勢可表示為：

注意：如果下標(biāo)次序改為eBA，則熱電勢e前面的符號也應(yīng)相應(yīng)改變，即式(i)就是熱電偶測溫的基本公式。當(dāng)冷端溫度t0一定時，對于確定的熱電偶來說，eAB(t0)為常數(shù)，因此，其總熱電勢EAB(t,t0)就與溫度t成單值函數(shù)對應(yīng)關(guān)系，和熱電偶的長短、直徑無關(guān)。只要測量出熱電勢大小，就能判斷被測溫度的高低，這就是熱電偶的溫度測量原理。

重要結(jié)論：1.如果組成熱電偶的兩種電極材料相同，則無論熱電偶冷、熱兩端的溫度如何，閉合回路中的總熱電勢為零；2.如果熱電偶冷、熱兩端的溫度相同，則無論兩電極材料如何，閉合回路中的總熱電勢也為零3.熱電偶產(chǎn)生的熱電勢除了冷、熱兩端的溫度有關(guān)之外，還與電極材料有關(guān)，也就是說由不同電極材料制成的熱電偶在相同的溫度下產(chǎn)生的熱電勢是不同的。

——中間導(dǎo)體定律和熱電勢的測量熱電偶的輸出信號是毫伏信號，毫伏信號的大小不僅與冷、熱兩端的溫度有關(guān)，還和熱電偶的電極材料有關(guān)，理論上任何兩種不同導(dǎo)體都可以組成熱電偶，都會產(chǎn)生熱電勢。但如何來檢測熱電偶產(chǎn)生的毫伏信號呢？因為要測量毫伏信號，必須在熱電偶回路中串接毫伏信號的檢測儀表，那串接的檢測儀表是否會產(chǎn)生額外的熱電勢，對熱電偶回路產(chǎn)生影響呢？答：不會產(chǎn)生影響的。tt0ABCC毫伏計如果斷開冷端，接入第三種導(dǎo)體C，并保持A和C、B和C接觸處的溫度均為t0，則回路中的總熱電勢等于各接點處的接觸電勢之和:

中間導(dǎo)體定律tABCt0t0ABtt0當(dāng)t＝t0時，有于是可得

同理還可以證明，在熱電偶中接入第四種、第五種……導(dǎo)體以后，只要接入導(dǎo)體的兩端溫度相同，接入的導(dǎo)體對原熱電偶回路中的熱電勢均沒有影響。根據(jù)這一性質(zhì)，可以在熱電偶回路中接入各種儀表和連接導(dǎo)線，只要保證兩個接點的溫度相同就可以對熱電勢進(jìn)行測量而不影響熱電偶的輸出。

tt0ABCC毫伏計——等值替代定律和補償導(dǎo)線如果熱電偶AB在某一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電勢與熱電偶CD在同一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電勢相等，即，則這兩支熱電偶在該溫度范圍內(nèi)是可以相互替換的，這就是所謂的熱電偶等值替代定律。t0tAAABBBDCtt0tctc例如左圖，設(shè)，證明該回路的總熱電勢為某熱電偶，熱端溫度為t，冷端溫度為tc，顯然冷端溫度難以實現(xiàn)恒定，怎么辦？冷端的延伸ttcAB熱電偶被測設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)場t0毫伏計恒溫環(huán)境AB可以把熱電偶做得很長，一直到控制室。把冷端溫度延伸到控制室，變?yōu)閠0，恒定t0比較容易此時，測得的熱電勢為但熱電偶一般為（較）貴重的金屬，采用如圖所示的延伸方式將需要大量的貴金屬材料，不妥。如果選用一組較廉價的材料（C、D），且CD在一定溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電勢與熱電偶AB在同一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電勢相等，就可以用CD來替代AB的延伸段。冷端的延伸ttcAB熱電偶被測設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)場t0毫伏計恒溫環(huán)境CDCD即為熱電偶AB的補償導(dǎo)線，通常CD采用比熱電偶電極材料更廉價的兩種金屬材料做成，一般在0～100℃范圍內(nèi)要求補償導(dǎo)線要與被補償?shù)臒犭娕季哂袔缀跬耆嗤臒犭娦再|(zhì)。在選擇和使用補償導(dǎo)線時，要和熱電偶的型號相匹配，注意極性不能接錯，熱電偶與補償導(dǎo)線連接處的溫度一般不能高于100℃。

——標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和分度號從理論上分析，似乎任何兩種不同的導(dǎo)體都可以組成熱電偶，用來測量溫度。但實際情況并非如此，為了保證在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用可靠，并具有足夠的精度，熱電偶的電極材料在被測溫度范圍內(nèi)應(yīng)滿足：熱電性質(zhì)穩(wěn)定、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、熱電勢隨溫度的變化率要大、熱電勢與溫度盡可能成線性對應(yīng)關(guān)系、具有足夠的機(jī)械強度、復(fù)制性和互換性好等要求，目前在國際上被公認(rèn)的熱電偶材料只有幾種。…………附錄中列出了幾種常用的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，熱電偶的分度表是以t0＝0℃為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的。當(dāng)t＝0℃時，所有型號熱電偶產(chǎn)生的熱電勢為0mV；當(dāng)t<0℃時，熱電勢為負(fù)值。在所有標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶中，相同溫度條件下B型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢最小，E型最大。如果把各型號熱電偶的熱電勢和溫度制成曲線，可以看出二者呈一定的非線性關(guān)系。即：例用K型熱電偶來測量溫度，在冷端溫度為t0＝25℃時，測得熱電勢為22.9mV，求被測介質(zhì)的實際溫度。解1：根據(jù)題意有由K型熱電偶的分度表查出因此有反查分度表有解2：根據(jù)題意有直接查分度表有因此再加上冷端溫度，有

哪種計算結(jié)果正確，為什么？

——熱電偶冷端溫度的處理中間導(dǎo)體定律拆開冷端，串入“毫伏計”，可以測量熱電勢，而不影響總的熱電勢等值替代定律利用補償導(dǎo)線來延伸冷端，是把熱電偶的冷端從溫度較高和不穩(wěn)定的現(xiàn)場延伸到溫度較低和比較穩(wěn)定的操作室內(nèi)由于操作室內(nèi)的溫度往往高于0℃，而且也是不恒定的（即使有空調(diào)也是不恒定的），這時，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢必然會隨冷端溫度的變化而變。因此，在應(yīng)用熱電偶時，只有把冷端溫度保持為0℃，或者進(jìn)行必要的修正和處理才能得出準(zhǔn)確的測量結(jié)果，對熱電偶冷端溫度的處理稱為冷端溫度補償。目前，熱電偶冷端溫度主要有以下幾種處理方法：冰浴法計算修正法電橋補償法冰浴法——把熱電偶的冷端放入恒溫裝置中，保持冷端溫度為0℃，多用于實驗室ttc熱電偶補償導(dǎo)線毫伏計0℃恒溫裝置計算修正法——如例3.7。這種方法適用于實驗室或者臨時測溫。電橋補償法——儀表中常用電橋補償法t+－RcuER1R2R3+ab－+－是儀表中最常用的一種處理方法，它利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來補償熱電偶因冷端溫度的變化而引起熱電勢的變化如圖，電橋由R1、R2、R3（均為錳銅電阻）和RCu（熱敏銅電阻）組成。在設(shè)計的冷端溫度（例如t0＝0℃）時，滿足R1＝R2，R3＝RCu，這時電橋平衡，無電壓輸出，即Uab=0，回路中的輸出電勢就是熱電偶產(chǎn)生的熱電勢當(dāng)冷端溫度由t0變化到t’0時，不妨設(shè)t’0>t0，熱電偶輸出的熱電勢減小，但電橋中RCu隨溫度的上升而增大，于是電橋兩端會產(chǎn)生一個不平衡電壓Uab(t’0)此時回路中輸出的熱電勢為:經(jīng)過設(shè)計，可使電橋的不平衡電壓等于因冷端溫度變化引起的熱電勢變化，即于是實現(xiàn)了冷端溫度的自動補償。實際的補償電橋一般是按t0＝20℃設(shè)計的，即t0＝20℃時，補償電橋平衡無電壓輸出?！獰犭娕嫉慕Y(jié)構(gòu)形式熱電偶廣泛應(yīng)用于各種條件下的溫度測量，尤其適用于500℃以上較高溫度的測量，普通型熱電偶和鎧裝型熱電偶是實際應(yīng)用最廣泛的兩種結(jié)構(gòu)。接線盒保護(hù)套管絕緣管熱電偶安裝法蘭引線口普通型熱電偶普通型熱電偶主要由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等主要部分組成。貴重金屬熱電極的直徑一般為0.3～0.65mm，普通金屬熱電極的直徑一般為0.5～3.2mm；熱電極的長度由安裝條件和插入深入而定，一般為350～2000mm。絕緣管用于防止兩根電極短路保護(hù)套管用于保護(hù)熱電極不受化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷材料的選擇因工作條件而定普通型熱電偶主要有法蘭式和螺紋式兩種安裝方式鎧裝型熱電偶熱電極絕緣材料金屬套管熱電極絕緣材料鎧裝型熱電偶斷面結(jié)構(gòu)鎧裝型熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)過拉伸加工成型的金屬套管一般為銅、不銹鋼、鎳基高溫合金等保護(hù)套管和熱電極之間填充絕緣材料粉末，常用的絕緣材料有氧化鎂、氧化鋁等。鎧裝型熱電偶可以做得很細(xì)，一般為2～8mm，在使用中可以隨測量需要任意彎曲。鎧裝熱電偶具有動態(tài)響應(yīng)快、機(jī)械強度高、抗震性好、可彎曲等優(yōu)點，可安裝在結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的裝置上，應(yīng)用十分廣泛。

熱電阻熱電阻的特性和測量原理熱電阻的特點和結(jié)構(gòu)常用的熱電阻熱電阻的安裝熱電阻的溫度特性電阻溫度系數(shù)α：熱電阻阻值隨溫度的變化大小α=(RT-RTO)/[RTO(T-TO)]RT、

RTO分別為溫度為T、TO時熱電阻的電阻值一般選取TO為0度、

T為100度。

α實際上是指溫度每變化1度時熱電阻阻值的相對變化量對于金屬熱電阻，α〉0，即電阻隨溫度升高而增加；對于半導(dǎo)體熱敏電阻：NTC型熱敏電阻α〈0PTC型熱敏電阻α〉0熱電阻的純度定義：用電阻比W表示，

W=R100/R0W越大，電阻溫度系數(shù)越大W越小，電阻溫度系數(shù)越小熱電阻測溫原理利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)來測量溫度制作熱電阻的材料要滿足以下要求：1、要有大而穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)2、電阻率要大，以便在同樣靈敏度下減小元件尺寸3、電阻隨溫度變化要有單值函數(shù)關(guān)系，最好是線性關(guān)系4、化學(xué)和物理性能在工作溫度內(nèi)要穩(wěn)定5、價格便宜，性價比高鉑熱電阻優(yōu)點是準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、性能可靠、抗氧化性強、復(fù)現(xiàn)性好等；缺點是電阻與溫度呈非線性、價格較貴，在還原介質(zhì)中工作容易變脆；測溫范圍：-200——850℃鉑熱電阻鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系，即特性方程如下：當(dāng)溫度t在－200℃≤t≤0℃時：當(dāng)溫度t在0℃≤t≤850℃時：常用的鉑熱電阻有R0＝10Ω、R0＝100Ω和R0＝1000Ω等幾種，它們的分度號分別為Pt10、Pt100和Pt1000；銅熱電阻應(yīng)用：測量精度要求不高且溫度較低的場合測量范圍：―50～150℃優(yōu)點：溫度范圍內(nèi)線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純、加工，價格便宜，復(fù)制性能好。缺點：易于氧化，一般只用于150℃以下的低溫測量和沒有水分及無侵蝕性介質(zhì)的溫度測量。與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系關(guān)系是線性的工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的R0按國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計取50Ω和100Ω兩種，分度號分別為Cu50和Cu100，鎳電阻鎳電阻的電阻溫度系數(shù)約為鉑電阻的1.5倍，溫度與電阻呈非線性關(guān)系；測溫范圍為－50～150℃；為標(biāo)準(zhǔn)化的熱電阻，但未制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)分度表；應(yīng)用場合：溫度變化范圍小、靈敏度要求高的場合；金屬熱電阻小結(jié)：均可做成標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)熱電阻溫度計；鉑電阻可用來制作成精密的標(biāo)準(zhǔn)熱電阻溫度計；工業(yè)上最常用熱電阻為Pt100和Cu50；半導(dǎo)體熱敏電阻：熱敏電阻的溫度系數(shù)較大，常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以上），但互換性較差，非線性嚴(yán)重，測溫范圍為－40～350℃左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度的關(guān)系為：

式中，為溫度t時對應(yīng)的電阻值A(chǔ)、B是取決于半導(dǎo)體材料和結(jié)構(gòu)的常數(shù)半導(dǎo)體熱敏電阻特點：1、靈敏度高；2、電阻值大，不必考慮引線電阻的影響；3、體積小、熱慣性小、響應(yīng)時間快；4、結(jié)構(gòu)簡單5、資源豐富、價格低廉、化學(xué)穩(wěn)定性好；6、互換性、穩(wěn)定性較差，非線性嚴(yán)重，測溫范圍一般不能超過350℃；其它熱電阻鎧裝熱電阻1、制作工藝：將陶瓷骨架或玻璃骨架的感溫元件裝入細(xì)不繡鋼管內(nèi)，周圍填充氧化鎂（絕緣材料），拉制成一個整體。2、同裝配式熱電阻相比優(yōu)點：外徑尺寸小，套管內(nèi)為實體，響應(yīng)速度快；抗震，可彎可繞，使用方便使用壽命長

薄膜熱電阻目前推廣產(chǎn)品只有薄膜鉑熱電阻；采用薄膜工藝替代普通熱電阻常用的線繞工藝制作而成；測溫范圍：-50——600度；優(yōu)點：熱容量小，導(dǎo)熱系數(shù)大，測溫迅速，可測表面、狹小區(qū)域等場合溫度有裝配式和鎧裝式——熱電阻的信號連接方式

熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計算機(jī)控制裝置或者其它二次儀表上。常用的引線方式有三種：ER1R2R3二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來引出電阻信號。這種引線方式最簡單但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r的大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長度等因素有關(guān)很明顯，圖中的因此，這種引線方式只適用于測量精度要求較低的場合。

ER1R2R3三線制：在熱電阻根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制這種方式通常與電橋配套使用，可以較好地消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程中最常用的引線方式。

事實上電橋上R1＝R2>>Rt、R3，經(jīng)過設(shè)計可以使兩個橋臂上的電流相等，均為I，且I幾乎不受Rt的影響三線制的連接，每根線上同樣也存在導(dǎo)線電阻r此時，Ui＝UAC＝？？可以起到調(diào)零的作用四線制：在熱電阻根部兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流Is，把Rt轉(zhuǎn)換為電壓信號Ui，再通過另兩根引線把Ui引至二次儀表。可見這種引線方式可以完全消除引線電阻的影響，主要用于高精度的溫度檢測。熱電阻的誤差分析熱電阻測溫系統(tǒng)一般有以下幾方面的誤差來源：1、傳熱誤差：熱電阻未與被測對象充分接觸、未達(dá)到熱平衡等。2、分度誤差產(chǎn)生原因：標(biāo)準(zhǔn)化的熱電阻分度表是由統(tǒng)計分析產(chǎn)生的，因此具體所采用的熱電阻會因為材料、制造工藝而有所不同，就會出現(xiàn)分度誤差。3、自熱誤差：測量過程中電流流經(jīng)熱電阻時產(chǎn)生溫升所引起的附加誤差4、測量系統(tǒng)連接導(dǎo)線誤差5、其它誤差：熱電阻連接點接觸不良、屏蔽絕緣不良等——熱電阻的結(jié)構(gòu)形式和熱電偶相同4、一體化溫度變送器——一體化溫度變送器

分為一體化熱電偶溫度變送器和一體化熱電阻溫度變送器兩種熱電偶溫度變送器：把mV信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流輸出熱電阻溫度變送器：把Ω信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流輸出所謂一體化溫度變送器，是指將變送器模塊安裝在測溫元件接線盒或?qū)Ｓ媒泳€盒內(nèi),變送器模塊和測溫元件形成一個整體，可直接安裝在被測設(shè)備上，輸出為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號4～20mA。這種變送器具有體積小、重量輕、現(xiàn)場安裝方便等優(yōu)點，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。由于一體化溫度變送器直接安裝在現(xiàn)場，但由于變送器模塊內(nèi)部的集成電路一般情況下工作溫度在–20～+80℃范圍內(nèi)，超過這一范圍，電子器件的性能會發(fā)生變化，變送器將不能正常工作，因此在使用中應(yīng)特別注意變送器模塊所處的環(huán)境溫度。一體化溫度變送器品種較多，其變送器模塊大多數(shù)以一片專用變送器芯片為主，外接少量元器件構(gòu)成，常用的變送器芯片有AD693、XTR101、XTR103、IXR100等。下面以AD693構(gòu)成的一體化溫度變送器為例進(jìn)行介紹。雙金屬溫度計

玻璃液體溫度計原理：利用液體受熱膨脹并沿玻璃毛細(xì)管延伸而直接顯示溫度壓力式溫度計利用液體的蒸發(fā)或氣體的膨脹而引起的壓力變化進(jìn)行測量。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）。溫度檢測儀表的選用

工業(yè)上常見的溫度檢測儀表主要有:雙金屬溫度計熱電偶熱電阻輻射式溫度計等就地指示精度不高在線檢測適用于測量500℃以下的中低溫度一般用于2000℃以上的高溫測量選擇