温度测量与热电偶.ppt

第二章 温度测量 u 温度测量概述 u 热电偶温度计 u 热电阻温度计 u 非接触式测温仪表 主要内容： 某200mw机组的测点示意图： 2-1 温度测量概述 温度和温标的概念 测温仪表的分类 温度和温标的概念1 温度表征物体冷热程度的物理参数 温标用来度量温度高低的标尺 l 摄氏温标（ ） l 华氏温标（ ） l 热力学温标 （k） 建立在卡诺循环基础上的理想温标。 可由气体温度计来实现。 l 国际温标 协议性的国际实用温标 （international practical temperature scale） ipts27、 ipts48、 ipts68、its90 热力学温度（t）是基本物理量， 单位是k （卡尔文） 水的三相点热力学温度是273.16k， 卡尔文一度等于水三相点热力学温度的 1/273.16。 摄氏温度（t），单位 t = t-273.15 its90规定： (1) 定义温标的固定(基淮)温度点 (2) 确定不同温度范围内的基准温度计 低温段（0.65k-24.556k）用he蒸气或气体温度计； 中高温段（13.8033k-961.78 ）用铂电阻温度计； 高温段（961.78以上 ）用光电（光学）高温计。 (3) 建立基准温度计的信号与温度的内插公式 基本要点： 测温仪表的分类 n 温度不能直接测量 n 物体温度的变化会带来各种效应： 物理的 长度、容积等机械量；电阻、电势等电量； 光强、辐射功率、波长等光学量。 化学的 分解、聚合、颜色等。 根据不同的效应可制成不同的测温仪表 。 按测温原理分 膨胀式温度计 压力式温度计 热电阻温度计 热电偶温度计 辐射式高温计 按测温方式分 接触式温度计 非接触式温度计 1、膨胀式 ： 1）工作原理：利用液体(水银、酒精)或固体( 双金属片)受热时产生膨胀的特性 2）分类：液体膨胀式和固体膨胀式 3）测温范围：200700 4）特点 ：结构简单、价格低廉，一般只用作 就地测量 2、压力式： 1）工作原理：利用封闭在一定容积中的 气体、液体或某些液体的饱和蒸汽，受热 时其体积或压力变化的性质 2）分类：气压式，液压式，蒸气式 3）测温范围：0300 4）特点：结构简单，具有防爆性，不怕 振动，可作近距离传示；准确度低，滞后 性大 。 3、热电阻式 ： 1）原理：利用导体或半导体受热其电阻值变化 的性质 2）分类: 金属热电阻、半导体热敏电阻 3）测温范围：200850 、100300 ； 4）特点: 准确度高，能远距离传送，适于低、中 温测量；体积较大，测点温较困难 . 4、热电偶式 ： 1）原理: 利用物体的热电性质 2）测温范围: 01600 ； 3）特点：测温范围广，能远距离传送，适于 中、高温测量，需进行冷端温度补偿，低温段 测量准确度较低 。 5、非接触式（辐射式）： 1）原理：利用物体辐射能随温度变化的性质 2）分类：光学式，全辐射式，比色式，红外式 3）测温范围：6002000 ； 4）特点：测温范围广，多用于高温测量，测量 准确度受环境条件的影响，而对测量值修正后才 能减小误差 。 2-2 热电偶温度计 热电偶测温原理 冷端温度补偿问题 热电偶的校验 热电偶的基本定律 常用热电偶的种类 热电偶的构造 概述 1）热电偶是应用最普遍、最广泛的温 度测量元件。 2）既可用于流体温度测量也可用于固 体温度测量，既可以检测静态温度也能 测量动态温度。 3）在火电厂中，主蒸汽、过热器管壁 与高温烟气等的温度都是采用热电偶测 量的。 4）热电偶一般用于测量1001600 范围内温度，用特殊材料制成的热电偶 还可测更高或更低的温度； 5）热电偶将感受到的温度信号直接转 换成电势信号输出，便于测量、信号传 输、自动记录和控制等。 热电偶测温原理 热电偶由两根不同材料的导体焊接或绞接而成。 将两种不同材料的导体组成一个闭合回路， 如果两端接点的温度不同，回路中将产生电势 ，称为热电势。这个物理现象称为热电效应 或塞贝克效应。 l热电效应 热电偶测温系统 l 热电势 接触电势 + 温差电势 t0t1 塞贝克效应示意图 冷端 （自由端） 热电极a/b 热端 （工作端） 接触电势 （帕尔帖电势） 它是在两种电子密度n 不相等的均质导体(或半 导休)相接触时形成的。 数量级在10-110-3v 帕尔帖电势 t a t a t0 汤姆逊电势 温差电势 （汤姆逊电势） 同一均质导体因两端温 度不同而形成的电势。 热电偶的热电势（赛贝克电势） 或 当热电偶材料确定后，总热电势与温度t和t0有关 则测得热电势的大小，就可求得热端温度t的数值 若冷端温度t0保持不变，则总热电势只与t有关 几点说明： u热电偶热电势量eab(t，t0)是温度函数之差， 不是温度差（tt0）的函数。 ueab(t，t0) eba(t，t0) eab(t0，t) 热电势符号eab(t，t0)中，改变符号a与b或t与 t0的顺序，即改变热电势的方向。 u当冷端t0处将热电偶脱开时，热电极a将流出 电流，故称a为正热电极，b为负热电极。 这是判断热电偶正或负电极的方法。 热电偶基本定律 l均质导体定律 l中间导体定律 l中间温度定律 1、均质导体定律 由一种均质导体(或半导体)组成的 闭合回路，不论导体(或半导体)的截面 和长度如何，各处的温度分布如何， 都不能产生热电势。 材料内部电子密度处处 相等的导体 推论： 1）热电偶必须由两种不同性质的材料组成。 2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时， 回路如产生热电势，说明该材料不纯，是 不均匀的。据此，可以检查热电极材料的 均匀性。 2、中间导体定律： 由不同材料组成的闭合回路中， 若各种材料接触点的温度都相同，则 回路中热电势的总和等于零。 推论一： 在热电偶回路中接入第三种(或更多种) 导体 材料，只要接入的导体材料两端的温度相同，则 对热电偶回路的热电势不产生影响。 中间导体定律推论一为测量仪表接入热电偶a、b 回路，组成热电偶测温系统来测量热电势提供了 理论基础。 当温度t = t0时，总热电势为零，故 则有： 推论二： 如果两种导体a、b对另一种参考导 体c的热电势为已知，则这两种导体组成 热电偶的热电势是它们对参考导体热电势 的代数和。即 eab(t1, t2)= eac(t1, t2)+ ecb (t1, t2) 中间导体定律推论二简化了热电偶的选配工作。 接点温度为t1和t2的热电偶，它的热电势 等 于接点温度分别为t1，t3和t3，t2的两支同性质热 电偶的热电势的代数和。即 eab(t1, t2)= eab(t1, t3)+ eab (t3, t2) 3、中间温度定律： 结论一： 已知热电偶在某一给定冷端温度（t0）下 进行的分度，只要进行一些简单的计算， 就可以在另外的冷端温度（t1）下使用。 该结论为制定热电偶的热电势温度 关系分度表奠定了理论基础。 热电偶的热电势e（t，t0）与温度t的关系 称为热电偶的热电特性。 冷端t0为0时，将热电偶热电特性（ et）制成的表，叫做分度表。 实际测量时，冷端t0为往往为环境温度。 如t020时，测得 eab(t，20)，要求 t？ 根据中间温度定律有 eab(t，0) eab(t，20) eab(20，0) 解：查表得ek(25，0)1mv, 则 ek (t，0) ek (t，25) ek (25，0) 18.537mv 查分度表求得 t =450.5 。 如果用ek(t，25)17.537mv直接查表，则得t=427 ，显然误差是很大的。 例：一支镍铬镍硅热电偶，在冷端温度为室温 25时，测得热电势ek(t，25)17.537mv， 试求热电偶所测的实际温度 t？ 结论二： 和热电偶具有相同热电性质的补偿导线 可引入热电偶的回路中，相当于把热电 偶延长而不影响热电偶应有的热电势。 该结论为工业测温中应用补偿导线提供 了理论依据。 热电偶的补偿导线： 分为延伸型和补偿型两种，结构与电缆一样。 延伸型补偿导线的材料与相应的热电偶相同， 而补偿型补偿导线与对应的热电偶则不同。 而两者的作用则完全一样，即在不改变热电偶 热电关系的情况下，将热电偶的参比端延伸到适当 的地方构成一只加长的热电偶。 注意： p补偿导线应该与热电偶配套使用； p连接时极性不可接错； p补偿型补偿导线，必须保证它与热电偶连接的两个接点 温度一致。 eab(t，t0) eab(t，t0) eab(t0，t0) eab(t，t0) ecd(t0，t0) 补偿导线c、d 与热电偶a、b 配 接，将热电偶的冷 端由t0移到t0处。 已知k分度号（镍铬镍硅）热电偶的热电势 ek(100，0)4.095mv， ek(20，0)0.798mv， ek(30，20)0.405mv。试求 ek(30，0)、 ek(100 ，20)、 ek(100，30)。 课堂练习 常用热电偶的种类 （1）在使用温度范围内，物理、化学性能稳定； （2）热电势和热电势率大，et是单值函数关系，最 好呈线性关系； （3）电导率高，电阻温度系数小； （4）热电性能稳定，易复现，同类热电偶互换性好； （5）具有一定的机械强度；加工方便，价格便宜。 热电极材料要求： 1)定义：是指生产工艺成熟、成批生产、性能优 越并已列入工业标准文件中的热电偶。 2）特点：发展早、性能稳定、应用广泛，具有统 一的分度表，可以互换，并有与其配套的显示仪 表可供使用，十分方便。 3）规定：国际电工委员会(iec)在1975年推荐7种 标准化热电偶，在1986年又推荐了一种。我国目 前共采用八种标准热电偶。 标准化热电偶： l标准化热电偶： （1）铂铑10-铂（s）； （2）铂铑30-铂铑6 （b）； （3）铂铑13-铂 （r）； （4）镍铬-镍硅(镍铬-镍铝) （k）； （5）铜-铜镍(康铜) （t）； （6）镍铬-康铜（e）； （7）铁-康铜 （j）； （8）镍铬-金铁热偶以及铜-金铁热偶。 铂铑10-铂（s型） 偶丝直径：0.50.020 mm； 适用范围： 01100，11001600； 适用于氧化性气氛中测温;长期最高使用温度 为1300,短期最高使用温度1600，不推荐 在还原气氛中使用,短期内可用于真空中测温 特点：复制性好、测量精度高；价格贵、热电 势小 偶丝直径：0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、 2.0、2.5、3.2 mm； 适用范围： 2001300 ；用于氧化和中性 气氛中测温,不推荐在还原气氛中使用,可短期 在还原气氛中使用,但必须外加密封保护管。 特点：测温范围较宽、热电势较大、et线性 度好、价格适中；但长期使用后，镍铝氧化变 质使热电特性改变影响测量精确度。 镍铬-镍硅（镍铝）（k型） 偶丝直径：0.3、0.5、0.8、1.2、1.6、2.0、 3.2 mm； 适用范围：200900；适用氧化或弱还原 性气氛中测温 特点：输出的热电势大,灵敏度高,价格低廉，适 合在0以下测温。 镍铬康铜（e型） l普通型热电偶 l铠装热电偶（套管热电偶） l薄膜热电偶 热电偶的构造及结构形式 （1）普通型热电偶： 1-热电极; 2-绝缘管; 3-保护套管; 4-接线盒 l热电极： 直径：贵金属一般为0.30.65mm； 贱金属一般为0.53.2mm。 长度：一般为3502000mm。 a点焊； b对焊； c绞状点焊 l绝缘管：防止两根热电极短路。 低温下：橡胶、塑料 高温下：氧化铝、陶瓷等 a：无固定装置 b：带加强管且无固定装置 c：固定螺纹 d：固定法兰 e：活动法兰 l保护套管：防止热电极遭受化学和机械损伤. f：高压用锥形固定螺纹 g：高压焊接固定锥形 h：900套管 普通式、防溅式、防水式、隔爆式和插座式 接线盒内有接线端子，可供热电极和补偿导线 连接之用。 l接线盒： （2）铠装热电偶（套管热电偶）： l是由热电极、绝缘材料 和金属套管三者组合 经拉伸加工而成的坚实 组合体。 l特点：动态响应快，机 械强度高，耐高压、耐 冲击。适用于狭小管道 内的温度测量。 （3）薄膜热电偶： 铁镍薄膜热电偶 1：热端接点；2：衬架； 3：铁膜；4：镍膜； 5：铁丝；6：镍丝； 7：接头夹具 制作：用真空蒸镀等方法 使两种热电极材料(金属) 蒸镀到绝缘基板上，二者 牢固地结合在一起，形成 薄膜状热接点。 特点： 动态响应快，精确度高 可以用来测变化极快的 表面温度和点的温度； 1. 冰点法 2. 计算法 (冷端温度校正法) 3. 补偿导线法 4. 仪表机械零点调整法 5. 补偿电桥法（冷端温度补偿器） 热电偶的冷端温度补偿问题 特点： 实现方便、 测量准确；但只局 限于实验室，不利 于在线测量。 1. 冰点法 将热电偶冷端置于冰点恒温槽中,使冷端温度恒定 在0时进行测温。 e(t，0) e(t， t0) e(t0 ，0) 根据计算得到的热电势e(t，0)，通过查 分度表可得被测温度值。 （中间温度定律） 2.计算法 (冷端温度校正法) 例 ：用镍铬-镍铝热电偶(分度号k）测温，热电偶 冷端温度t0=34，测得热电势为38. 339mv 。计 算被测温度t 解： ek (t，0) ek (t，34) ek (34，0) 38. 339 1.3666 39.7056 mv 3.补偿导线法 在一定范围内(0100)，补偿导线具有和所连接 的热电偶相同的热电性能。 注意事项： p补偿导线仅将热电偶冷端延长到温度相对恒定 的地方，如果这地方温度不是0，尚须继续 进行其冷端温度补偿。 p热电偶正、负极必须与补偿导线正、负极相接 ，不能错接；两者分度号必须致。 p补偿导线应工作在100以下，否则其热电特 性将不符合热电偶要求。 4.仪表机械零点调整法 将仪表的机械零点调至热电偶冷端温度t0处 当输入信号为零时，指针所指的位置 现有二种方法产生指示温度： (1)将仪表机械零位调至30，然后通上热电势产生指示； (2)先通上热电势产生指示温度，然后读数温度加上30。 试问哪种方法正确，相对误差为多少? 例题： 解：方法（1）产生的指示电势 es (t，0) es (30，0) es (1000，30) es (1000，0) 得 t 1000，本方法正确。 方法（2）在未调机械零点时，产生的指示电势 es (t1，0) es (1000，30)9.585-0.173=9.412mv, 查s分度表t1984.9。最后指示结果 t2t1+30=1014.9 其相对误差为（ t2t）/ t 100%=1.49 问：(1) 如将epx、 enx补偿导线都换成铜导线， 仪表指示为多少？ (2) 如将epx、 enx补偿导线的位置对换， 仪表的指示又为多少? 例题： 解：（1） ee (t ，0) ee (800，50) ee (30，0) 61.022-3.047+1.801 59.776(mv) 查e分度表得指示温度t784.1 。 （2） ee (t”，0) ee (800，50) ee (50，30) ee (30，0) (61.0223.047)(3.047 1.801) 1.801 58. 53 (mv) 反查e分度表得t”768.3 。 由此可见，补偿导线接反时，仪表指示温度将偏低。 是采用不平衡电桥产生的电势来 补偿热电偶因冷端温度变化而引起的 热电势的变化值，从而等效地使冷端 温度恒定的一种自动补偿法。 5. 补偿电桥法（冷端温度补偿器） 注意事项： p使用时注意冷端温度补偿器型号和接线极性。 型号必须与热电偶相同，输入正端接正热电极 。输出至仪表的连接线用铜导线。 p使用冷端温度补偿器仍须调节好仪表的机械零 点，应调整在电桥平衡时的设计温度(20)数 值上。 p冷端补偿器工作温度范围通常不超过5 50。 例：有s分度热电偶测温系统如图所示。试问： （1）此动圈仪表的机械零位应调在多少度上？ （2）当冷端补偿器的电源开路(失电)时，仪表指示为多少？ （3）电源极性接反时，仪表指示又为多少? 解：（1）补偿器产生补偿电动势es (40，20)，要使 es (1000，40)es (40，20) es (t m，0) es (1000，0) 则t m20 。即仪表机械零位应调在补偿器 设计平衡点温度20上。 解：（2）当补偿器电源开路，冷端补偿器失去 补偿作用时，指示电势 es (t 1，0)es (1000，40)es (20，0) 9.5850.2350.1339.483 (mv) 由s分度表查得t 1991.1 。 解：（3）当补偿器电源接反，补偿器会反向补偿，故 指示电势 es (t 1，0)es (1000,40) es (40,20) es (20,0) (9.585-0.235)-(0.235 -0.133 )+0.133 9.381 (mv) 由s分度表查得t 1982. 3 。 课外作业1 用分度号为k的热电偶和动圈式仪表组成 测温回路，把动圈式仪表的机械零位调到 20 ，但热电偶的参比端温度t0=55 ， 试求出仪表示值为425 时的被测温度。 课外作业2 有k分度热电偶