《自動化儀表與過程控制》課件2.4 溫度的檢測及儀表

2.4溫度的檢測及儀表2.4.1溫度檢測方法2.4.2熱電偶溫度計2.4.3熱電阻溫度計2.4.4其他溫度檢測方法2.4.5測溫元件的安裝2.4.1溫度檢測方法

溫度不能直接測量，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加以間接測量。分類按測量范圍

按用途

高溫計、溫度計標(biāo)準(zhǔn)儀表、實用儀表

按工作原理

膨脹式溫度計、壓力式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計和輻射高溫計

按測量方式

接觸式與非接觸式

測溫方式溫度計種類測溫范圍／℃優(yōu)點缺點接觸式測溫儀表膨脹式玻璃液體-50～600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，不能記錄遠(yuǎn)傳雙金屬-80～600結(jié)構(gòu)緊湊，牢固可靠精度低，量程和使用范圍有限壓力式液體氣體蒸汽-30～600-20～3500～250結(jié)構(gòu)簡單，耐震，防爆能記錄、報警，價格低廉精度低，測溫距離短，滯后大熱電偶鉑銠-鉑鎳鉻-鎳硅鎳鉻-考銅0～1600-50～1000-50～600測溫范圍廣，精度高，便于遠(yuǎn)距離、多點、集中測量和自動控制需冷端溫度補(bǔ)償，在低溫段測量精度較低熱電阻鉑銅-200～600-50～150測量精度高，便于遠(yuǎn)距離、多點、集中測量和自動控制不能測高溫，需注意環(huán)境溫度的影響非接觸式測溫儀表輻射式輻射式光學(xué)式比色式400～2000700～3200900～1700測溫時，不破壞被測溫度場低溫段測量不準(zhǔn)，環(huán)境條件會影響測溫準(zhǔn)確度紅外線光電探測熱電探測0～3500200～2000測溫范圍大，適于測溫度分布，不破壞被測溫度場，響應(yīng)快易受外界干擾，標(biāo)定困難表：

常用溫度檢測儀表1.膨脹式溫度計圖3-52雙金屬片

圖3-53雙金屬溫度信號器1—雙金屬片；2—調(diào)節(jié)螺釘；3—絕緣子；4—信號燈

膨脹式溫度計是基于物體受熱時體積膨脹的性質(zhì)而制成的。2.壓力式溫度計1—傳動機(jī)構(gòu)；2—刻度盤；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)

應(yīng)用壓力隨溫度的變化來測溫的儀表叫壓力式溫度計。3.輻射式溫度計輻射式高溫計是基于物體熱輻射作用來測量溫度的儀表。2.4.2熱電偶溫度計熱電偶溫度計是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的測溫儀表。圖3-55熱電偶溫度計測溫系統(tǒng)示意圖1—熱電偶；2—導(dǎo)線；3—測量儀表1.熱電偶圖3-56熱電偶示意圖先看一個實驗——熱電偶工作原理演示結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB2.熱電偶基本定律

圖3-57熱電現(xiàn)象圖3-58接觸電勢形成的過程圖3-59熱電偶原理及電路圖左圖閉合回路中總的熱電勢或注意

如果組成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體材料相同，則無論兩接點溫度如何，閉合回路的總熱電勢為零；如果熱電偶兩接點溫度相同，盡管兩導(dǎo)體材料不同，閉合回路的總熱電勢也為零；熱電偶產(chǎn)生的熱電勢除了與兩接點處的溫度有關(guān)外，還與熱電極的材料有關(guān)。也就是說不同熱電極材料制成的熱電偶在相同溫度下產(chǎn)生的熱電勢是不同的。3.標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶與分度表工業(yè)上對熱電極材料的要求溫度每增加１℃時所能產(chǎn)生的熱電勢要大，而且熱電勢與溫度應(yīng)盡可能成線性關(guān)系；物理穩(wěn)定性要高；化學(xué)穩(wěn)定性要高；材料組織要均勻，要有韌性，便于加工成絲；復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，而且在應(yīng)用上也可保證良好的互換性。熱電偶名稱代號分度號熱電極材料測溫范圍/℃新舊正熱電極負(fù)熱電極長期使用短期使用鉑銠30-鉑銠6鉑銠10-鉑鎳鉻-鎳硅鎳鉻-銅鎳鐵-銅鎳銅-銅鎳WRRWRPWRNWREWRFWRCBSKEJTLL-2LB-3EU-2--CK鉑銠30合金鉑銠10合金鎳鉻合金鎳鉻合金鐵銅鉑銠6合金純鉑鎳硅合金銅鎳合金銅鎳合金銅鎳合金300～1600-20～1300-50～1000-40～800-40～700-400～300180016001200900750350表：工業(yè)用熱電偶幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析為什么所有的曲線均過原點（零度點）？熱電偶的分度表4.熱電偶結(jié)構(gòu)①普通型熱電偶熱電極絕緣管保護(hù)套管接線盒材料工作溫度/℃橡皮、絕緣漆琺瑯玻璃管石英管瓷管純氧化鋁管80150500120014001700表：

常用絕緣材料表：常用保護(hù)套管材料工作溫度/℃無縫鋼管不銹鋼管石英管瓷管Al2O3陶瓷管6001000120014001900以上②鎧裝熱電偶

由金屬套管、絕緣材料（氧化鎂粉）、熱電偶絲一起經(jīng)過復(fù)合拉伸成型，然后將端部偶絲焊接成光滑球狀結(jié)構(gòu)。

優(yōu)點：反應(yīng)速度快、使用方便、可彎曲、氣密性好、不怕振、耐高壓等。③多點式熱電偶

專門用來測量物體表面溫度的一種特殊熱電偶。優(yōu)點：反應(yīng)速度極快、熱慣性極小。

④隔爆外殼型熱電偶

多支熱電偶組合。

防爆結(jié)構(gòu)的接線盒。⑤

表面型熱電偶

5.補(bǔ)償導(dǎo)線圖3-62補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖

采用一種專用導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸出來，這既能保證熱電偶冷端溫度保持不變，又經(jīng)濟(jì)。

它也是由兩種不同性質(zhì)的金屬材料制成，在一定溫度范圍內(nèi)（0～100℃）與所連接的熱電偶具有相同的熱電特性，其材料又是廉價金屬。見左圖。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時，要注意型號相配。熱電偶名稱補(bǔ)償導(dǎo)線工作端為100℃，冷端為0℃時的標(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銅鎳銅鎳銅鎳綠藍(lán)棕白0.645±0.0374.095±0.1056.317±0.1704.277±0.047表：

常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線外形AB屏蔽層保護(hù)層6.冷端溫度的補(bǔ)償

在應(yīng)用熱電偶測溫時，只有將冷端溫度保持為０℃，或者是進(jìn)行一定的修正才能得出準(zhǔn)確的測量結(jié)果。這樣做，就稱為熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償。一般采用下述幾種方法。（1）冰浴法舉例

某一設(shè)備的實際溫度為t，其冷端溫度為t1，這時測得的熱電勢為E（t，t1）。為求得實際t

的溫度，可利用下式進(jìn)行修正，即

由此可知，冷端溫度的修正方法是把測得的熱電勢E（t，t1）加上熱端為室溫t１冷端為0℃時的熱電偶的熱電勢E（t1，0），才能得到實際溫度下的熱電勢E（t，0）。（2）計算修正法舉例例6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）＝66982μV，而自由端的溫度t1＝30℃，求被測的實際溫度。解:由附錄三可以查得

則再查附錄三可以查得68783μV對應(yīng)的溫度為900℃。

由于熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢與溫度之間的關(guān)系都是非線性的（當(dāng)然各種熱電偶的非線性程度不同），因此在自由端的溫度不為零時，將所測得熱電勢對應(yīng)的溫度值加上自由端的溫度，并不等于實際的被測溫度。譬如在上例中，測得的熱電勢為66982μV，由附錄三可查得對應(yīng)溫度為876.6℃，如果再加上自由端溫度30℃，則為906.6℃，這與實際被測溫度有一定誤差。其實際熱電勢與溫度之間的非線性程度越嚴(yán)重，則誤差就越大。（3）機(jī)械調(diào)零法

若采用測溫元件為熱電偶時，要使測溫時指示值不偏低，可預(yù)先將儀表指針調(diào)整到相當(dāng)于室溫的數(shù)值上。注意：只能在測溫要求不太高的場合下應(yīng)用。（4）補(bǔ)償電橋法

利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢，來補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。

2.4.3熱電阻溫度計

在中、低溫區(qū)，一般是使用熱電阻溫度計來進(jìn)行溫度的測量較為適宜。圖3-66熱電阻溫度計

對于呈線性特性的電阻來說，其電阻值與溫度關(guān)系如下式

熱電阻溫度計適用于測量-200～+500℃范圍內(nèi)液體、氣體、蒸汽及固體表面的溫度。1.測溫原理

利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性（電阻溫度效應(yīng)）來進(jìn)行溫度測量的。2.工業(yè)常用熱電阻作為熱電阻的材料一般要求是：

電阻溫度系數(shù)、電阻率要大；熱容量要??；在整個測溫范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)和良好的復(fù)制性；電阻值隨溫度的變化關(guān)系，最好呈線性。（1）鉑電阻

在0～650℃的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度的關(guān)系為

工業(yè)上常用的鉑電阻有兩種，一種是R0＝10Ω，對應(yīng)分度號為Pt10。另一種是R0＝100Ω，對應(yīng)分度號為Pt100。在－200℃~0℃范圍內(nèi)，鉑的電阻溫度關(guān)系為Rt=R0[1+At+Bt2+C(t－100)t3]附表Pt100熱電阻分度表（2）銅電阻

金屬銅易加工提純，價格便宜；它的電阻溫度系數(shù)很大，且電阻與溫度呈線性關(guān)系；在測溫范圍為-50～+150℃內(nèi)，具有很好的穩(wěn)定性。

在-50～+150℃的范圍內(nèi)，銅電阻與溫度的關(guān)系是線性的。即

工業(yè)上常用的鉑電阻有兩種，一種是R0＝50Ω，對應(yīng)的分度號為Cu50。另一種是R0＝100Ω，對應(yīng)的分度號為Cu100。附表Cu50和Cu100分度表３.熱電阻的結(jié)構(gòu)（1）普通型熱電阻

主要由電阻體、保護(hù)套管和接線盒等主要部件所組成。圖3-65熱電阻的支架形狀(已繞電阻絲)（2）鎧裝熱電阻

將電阻體預(yù)先拉制成型并與絕緣材料和保護(hù)套管連成一體。

（3）薄膜熱電阻

將熱電阻材料通過真空鍍膜法，直接蒸鍍到絕緣基底上。雙線無感繞法4熱電阻的應(yīng)用

熱電阻測溫電橋的三線制接法熱電阻與測量電橋連接有二線制、三線制和四線制三種。熱電阻測溫電橋的二線制接法在使用熱電阻測溫時，應(yīng)注意如下問題：①應(yīng)根據(jù)測溫范圍及被測溫度場氣氛等因素選擇熱電阻的類型和規(guī)格參數(shù)；②安裝地點應(yīng)避開加熱源和爐門；③熱電阻最好垂直安裝；④熱電阻的插入深度應(yīng)大于其保護(hù)套管外徑的8～10倍；⑤使用中應(yīng)保持電阻絲與保護(hù)套管之間具有良好的絕緣。熱電阻測溫電橋的四線制接法半導(dǎo)體熱敏電阻優(yōu)點：溫度系數(shù)大電阻率大結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械性能好PTC熱敏電阻缺點：線性度差2.4.4其他溫度檢測方法1、輻射式溫度計2、集成溫度傳感器AD590、DS18B20全輻射法、亮度法、比色法

紅外線輻射溫度計用于食品溫度測量紅外線輻射溫度計在非接觸測溫中的應(yīng)用耳溫儀紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量

紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用集成IC溫度測量

利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（冷藏牛奶和面食）

利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（電控柜、天花板內(nèi)的布線層）溫度采集系統(tǒng)鋼鐵工業(yè)解決方案汽車檢測與維護(hù)供熱、通風(fēng)及制冷行業(yè)應(yīng)用水泥回轉(zhuǎn)窯筒體掃描溫度測量系統(tǒng)

玻璃加工制造

電氣系統(tǒng)故障診斷便攜式產(chǎn)品在線式產(chǎn)品空調(diào)制冷、火災(zāi)安全和保護(hù)，以及工業(yè)維護(hù)和質(zhì)量控制等，可作為故障診斷工具2.4.5測溫元件的安裝1.測溫元件的安裝要求（1）在測量管道溫度時，應(yīng)保證測溫元件與流體充分接觸，以減少測量誤差。見圖3-76。（2）測溫元件的感溫點應(yīng)處于管道中流速最大處。（3）測溫元件應(yīng)有足夠的插入深度，以減小測量誤差。