热工仪表培训教材.doc

我国的法定计量单位是以国际单位制为基础，并根据我国的实际情况适当的采用一些非国际单位制单位构成的。我国法定计量单位包括：（1）国际单位制的基本单位（见表2-1）；（2）国际单位制的辅助单位；（3）国际单位制中具有专门名称的导出单位（见表2-2）；（4）国家选定的非国际单位制单位（见表2-3）；（5）由以上单位构成的组合形式的单位；（6）由词头和以上单位构成的十进倍数和分数单位。组合形式的单位是一个单位与数学符号组合，或一个以上单位与数学符号组合而构成的新单位，简称组合单位。我国法定计量单位中的组合单位包括除21个具有专门名称的导出单位以外的全部导出单位。此外，还包括国家选定的非国际单位制单位与SI单位可能构成的组合形式的单位，如安时（Ah）、千瓦时（kWh）等。表2-1 国际单位制的基本单位量的名称单位名称单位符号长度米m质量千克(公斤)畦时间秒S电流安培A热力学温度开尔文K物质的量摩尔mol发光强度坎德拉cd表2-2 国际单位中具有专门名称的导出单位和辅助单位量的名称单位名称单位符号其他表示事例平面角弧度rad立体角球面度Sr频率赫兹Hzs-1力；重力牛顿NKgm/s2压力；压强；应力帕斯卡PaN/m2能量；工；热焦尔JNm功率；辐射通量瓦特WJ/s电荷量库仑CAs电位；电压；电动势伏特VW/A电容法拉FC/V电阻欧姆V/A电导西门子SA/V磁通量韦伯Wb Vs磁通量密度；磁感应强度特斯拉TWb/m2电感亨利HWb/A摄氏温度摄氏度光通量流明Lmcdsr光照度勒克斯LxLm/m2放射性活度贝可勒尔Bqs-2吸收剂量戈瑞GyJ/kg剂量当量希沃特SvJ/kg2-3 国家选定的非国际单位制单位量的名称单位名称单位符号换算关系和说明时间分小时天（日）minhd1min=60s1h=60min=3600s1d=24h=86 400s平面角角秒角分度（”）（）（）1”=（/648 000）rad(为圆周率)1=60”=（/10 800）rad1=60=（/180）rad旋转速度转每分r/mine1r/min=(1/60) s-1长度海里n/mile1n mile=1 852m(只用于航行)速度节Kn1 kn=1 n mile/h=(1 852/3 600)m/s（只用于航行）质量吨原子质量单位Tu1t=103kg1u 1.660 5651027kg体积升L(1)1 L=1 1dm3=10-3m3能电子伏eV1 eV1.602 189 210-19J级差分贝dB线密度特克斯Hm无文 平1 tex=1 g/km土地面积公顷1 hm2=10 000秒1.2.2.2 我国法定计量单位和词头的使用规则（1）单位和词头的名称，一般只易在叙述性文字中使用。单位和词头的符号，在公式、数据表、曲线图、刻度盘和产品铭牌等需要简单明了表示的地方使用，也可用于叙述性文字中。应优先采用符号。有的国家规定，当单位名称较复杂时，可以用符号代替。但复杂一词的概念是不明确的，这给使用符号的人自己去考虑。事实上，在科技出版物中，采用符号代替名称，对读者是方便的。特别是叙述特定量的大小时。例如:50km/h对于某些非确定大小的量值，采用符号表达，目前尚不习惯。例如:几十公里每小时写成几十km/h这一条只提出了使用符号的一般原则，对于具体的不同情况，还是由使用者根据方便、习惯去决定。（2）单位的名称或符号必须作为一个整体使用，不得拆开。例如：摄氏温度单位摄氏度表示的量值应写成并读成20摄氏度，不得写成并读成摄氏20度。例如：30km/h应读成三十千米每小时。上述第二例，因为千米每小时是个单位的名称，视为一个整体。把20写成或印成20C也是错误的。因为是一个符号的整体。（3）选用SI单位的倍数单位或分数单位，一般应使量的数值处于0.11000范围内。例如：1.2104N可以写成l2kN。0.00394m可以写成3.94mm。11401Pa可以写成11.401kPa。3.1x10-8s可以写成31ns。某些场合习惯使用的单位可以不受上述限制。例如：大部分机械制图使用的长度单位可以用“mm(毫米)”；导线截面积使用的面积单位可以用“mm2(平方毫米)”在同一个量的数值表中或叙述一个量的文章中，为对照方便而使用相同的单位时，数值不受限制。词头h，da，d，c(百、十、分、厘)，一般用于某些长度、面积和体积的单位中，但根据习惯和方便也可用于其他场合。某些专业和领域只习惯某一种或少数几种倍数或分数单位。例如：电力系统对发电能力用kW，MW；运输行业对运输量用tkm；土地(特别是指国家和行政区划)面积用km2；工程压力用MPa；材料物理性能用N/ mm2，等等。选择单位使数值处于0.11000范围时，应注意不得改变有效位的多少。（4）有些非法定单位，可以按习惯用SI词头构成倍数单位或分数单位。法定单位中的摄氏度以及非十进制的单位，如平面角单位“度”、“角分”、“角秒”与时间单位分、时、日等，不得用SI词头构成倍数单位或分数单位。除以上所指明的不得用SI词头的单位外，在法定计量单位中，还有以下单位不得用SI词头：n mile，kn，u，r/min。（5）不得使用重叠的词头。kg虽是SI基本单位，但由于历史上的原因已有了词头k，在构成它的倍数单位和分数单位时，也只能在g前加一个词头，而不得在kg前再加。因此l000kg如用词头表示,只能1.000Mg。（6）亿(108)、万(104)等是我国习惯用的数词，仍可使用，但不是词头。习惯使用的统计单位，如万公里可记为万km或104km，万吨公里可记为万tkm或104tkm。（7）只是通过相乘构成的组合单位在加词头时，词头通常加在组合单位中的第一个单位之前。例如：力矩的单位kNm，不宜写成Nkm。这只是个一般规定。根据习惯与方便往往并不如此。如电阻率的SI单位 m就常用cm。ISO1000有此例。（8）只通过相除构成的组合单位或通过乘和除构成的组合单位在加词头时，词头一般应加在分子中的第一个单位之前，分母中一般不用词头。但质量SI单位kg，这里不作为有词头的单位对待。例如：摩尔内能单位kJ/mol不宜写成J/mmol。 比能单位可以是J/kg。这只是个一般规定。根据习惯与方便不仅词头可以用于分母，甚至分子分母均带有词头。ISO1000中列有：密度单位g/ml。（9） 当组合单位分母是长度、面积和体积单位时，按习惯与方便，分母中可以选用词头构成倍数单位或分数单位。例如：密度单位可以选用g/cm3。（10）一般不在组合单位的分子分母中同时采用词头，但质量单位kg这里不作为有词头对待。例如：电场强度的单位不宜用kV/mm，而用MV/m；质量摩尔浓度可以用mmol/kg。（11）倍数单位和分数单位的指数，指包括词头在内的单位的幂。例如：lcm2=l (10-2m)2=ll0-4m2，而1cm210-2m2。1s-1=l (10-6s)-1=ll06s-1110-6s-1。（12）在计算中，建议所有量值都采用SI单位表示，词头以相应的10的幂代替(kg本身是SI单位，故不应换成103g)。按这一建议，数值方程的系数与相应的量方程系数一致而带来方便，在计算中也不宜产生错算。（13）将SI词头的部分中文名称置于单位名称的简称之前构成中文符号时，应注意避免与中文数词混淆，必要时应使用圆括号。例如：体积的量值不得写成2千米3。如表示二立方千米，则应写为2(千米)3(此处千为词头);如表示二千立方米，则应写为2千(米)3(此处千为数词)。1.2.3 数和量的表示方法1.2.3.1 数的表示方法1.2.3.1.1 数的分节和小数记号4位和4位以上的数字，采用三位分节法。从小数点起，向左和向右每三位分成一节(也称组)，节与节之间空半个阿拉伯数字的位置。例如，34 500m，1/1 000，270.005 5kg，3.040 32105。不采用“，”号分节法。例如，34 500mm不能写成34，500m。非科技书刊中的数字目前可不分节。非计量用数也不分节，如GB7676、83411部队、电话2 999 222等。另外，小数点是位于底地线上的圆点，国家标准不采用逗号作为小数点。例如，273，055 5kg不能写成273，055 5kg。在ISO的文件中小数点是采用逗号的，但也承认圆点可以作为小数记号。小于1的小数应该写出小数点前用以定位的0。例如，0.25不得写成.25。另外，小数点后的有效零也必须写出，例如，当测量长度的不确定度是1mm时，若测量结果是15.600m，则不应写成15.6m，如果这样写，这就意味着数字6就是不准确的，从而使测量的准确度大大受损。1.2.3.1.2 数的书写形式凡是可以使用阿拉伯数字而又很得体的地方均应使用阿拉伯数字。遇有特殊情况，可以灵活变通，但应力求保持相对统一。(1) 应当使用阿拉伯数字的两种情况凡记数与计量(包括正负整数、分数、小数、百分比、约数等)均应使用阿拉伯数字。例如：302 -125.03 1/1 000 4.5倍 3.4% 3:11 764.8万公里 18公斤 l8kg 维生素B12公历世纪、年代、年、月、日和时刻也应使用阿拉伯数字。例：20世纪90年代 公元前440年 1996年9月7日4时20分 鲁迅(1881.09.251936.10.19)(2) 应当使用汉字的几种情况用数词作词素构成的词组、惯用语等，仍应使用汉字。例：一律 第三世界 八路军 五省一市 十月革命等邻近的两个数字并列连用，表示概数时应该用汉字。例：二三米 三五天 十之八九 十三四吨 五六十岁等在叙述句中，如果出现的一位数(一、二、九)不是量值的数值部分时，也可以使用汉字。但是，带有计量单位时，必须用阿拉伯数字。例如：一个人 三本书 六条建议 读了七遍 每根长5米用夏历纪年和表示星期几时，一律用汉字。例如：辛未年二月十一日 星期六(3) 多位整数的表示方法根据中国人的习惯，5位以上的数字，尾数零多的，也可以改写为以万和亿作计数单位。一般情况下，不得以十、百、千、十万、百万、千万、十亿、百亿、千亿作计数单位(但使用SI词头不在此例)。例如345 000 000公里应该表示为3.451011m或3.45108km，也可改写为3.45亿公里或34 500万公里，但不能写作3亿4500万公里或3亿4千5百万公里。在叙述句中，中文的计数词是允许和十进倍数单位连用的。例如，可以说3千千瓦、25万千瓦、l0亿千瓦时等。但是，不能表示成“3kkW”、“250kkW”、“lGkWh”这种形式，因为词头不能重叠使用。在科技文献中，对以上量值最好分别表示为“3MW”(3兆瓦)、“250MW”（250兆瓦)、“lTWh(1太瓦时)。1.2.3.1.3 数的相乘我国标准规定，纯数字相乘时，乘号用“”。例如：525不能写成5.251.810-3不能写成1.8510-3但是，在用外文书写的文件中，若用逗号作小数点记号时，则可用居中圆点作乘号。1.2.4 法定计量单位使用中常见的问题在日常工作中，由于对使用方法没有正确掌握，对国家标准中一些新的规定不了解，以及习惯用法等等原因，使得在使用法定计量单位时往往出错，现将一些常见的问题归纳如下：(1) 必须注意符号的大写体和小写体的写法。如将词头符号k写成K，时间单位秒的符号s写成S等。(2) 法定计量单位符号只能与数字连用，不能与其他符号连用。如交流220伏不能写成220VAC，可以写成A.C220V；又如最大电流50安，只能写成最大电流50A，或Imax=50A，而不能写成50Amax。单位符号不能加以任何形式的修饰。(3) 要正确掌握词头的使用。 词头不能单独使用。例如:绝缘电阻500M不能写成500M，或读成500兆：间隙0.5m，不能写成0.5。 词头不能重叠使用。例如电容量50pF不能写成50F；质量l0t不能写成10kkg。 非十进制的法定单位(角度、角分、角秒、日、时、分)和摄氏度不能加词头。海里(nmile)、节(kn)、原子质量单位(u)、分贝(dB)、转速（r/min)也不能加词头。 词头与单位符号看作一个整体，倍数或分数单位的指数是包括词头在内的。例如，1cm2=10-4m2，而不是lcm2=10-2m2。 组合单位一般只用一个词头，通常加在第一个单位之前。分母中一般不用词头，当分母是长度、面积、体积单位时，按习惯与方便，分母中可以选用词头。一般不在组合单位的分子分母中同时采用词头，但质量单位kg除外(这里的k不作词头看待)。例如力矩单位kNm不宜写成Nkm；摩尔内能单位kJ/mol不宜写成J/mmol。但是，有一些符号虽然不符合上述要求，但在国际上通用，在某些国际标准中仍然使用，如电场强度kV/mm，煤耗g/(kWh)等，目前仍可继续使用。(4) 要正确掌握单位符号与量的符号书写的区别。两者都是外文字母，单位符号应采用正体字，而量的符号应采用斜体字。(5) 要正确掌握数值与单位符号的表达式。 表示量程范围时，应采用(255)或2030或(2030)，不应采用255。 表示百分比时亦应采用40%60%。而不采用4060%。可以采用(5010)%，而不采用50%10%，因后者10%可以理解为100的10%，也可理解为50%的10%。表示外形尺寸都应有单位。例如100mm50mm20mm，而不应写成1005020mm。另外，还有把单位名称当成物理量的名称；把词头当成单位使用；使用错误的、非规定的单位符号，使用不恰当的单位名称，等等。(6) 下面给出我们电学里几种常见的单位错例: 电压单位：KV，kv，正确符号为kV； 电流单位:KA，正确符号为kA； 有功功率单位:KW，正确符号为MW，kW; 无功功率单位:MVAR，MVar，正确符号为Mvar; 有功电能单位:KWH，KWh，正确符号为kWh; 无功电能单位:KVarh，kVARh，kVarh，正确符号为kvarh; 频率:HZ，正确符号为Hz。第二章温度测量及仪表2.1 温度测量的基本知识温度与温标1.温度是表示物体冷热程度的物理量，是物体分子运动平均动能大小的标志，它反映了物体内部分子热运动的剧烈程度。温度高低是生产过程运行状态的重要标志，故温度成为热力生产中最普遍、最重要的测量参数之一。2.温标：是衡量物体温度高低的标尺，它规定了用数值表示温度的一套规则，确定了温度的单位。国际实用温标是用来复现热力学温标的，自1927年建立以来，作过多次修改，最近一次修改版是国际计量委员会根据1987年第18界国际计量大会第7号决议的要求，于1989年会议通过的1990国际实用温标（ITS90）。90国际实用温标自1990年1月1日起使用。90国际实用温标的内容如下：1. 基本的物理量为热力学温度，符号为T，其单位为开尔文，符号为K。它规定水的三相点热力学温度为273.16K，1开尔文等于水三相点热力学温度的1/273.16。沿袭习惯，温度也可以用摄氏温度表示，其符号为t，单位为摄氏度。它定义为：t=T-273.15。2. ITS90所包含的温度范围自0.65K至单色辐射温度计可测量的最高温度。定义了17个固定点和温度点，包括14种纯物质的三相点、熔点和凝固点以及3个用蒸气温度计或气体温度计测定的温度点。3. ITS90将温区划分为4段，规定了每段温度范围内复现热力学温标的基准仪器。0.65K5.0K之间的基准仪器为：3He或4He蒸气压温度计；3.0K24.5561K之间的基准仪器为：3He或4He定容气体温度计；13.8033K961.78之间的基准仪器为：铂电阻温度计；961.78以上温区的基准仪器为：光学或光电高温计。4. 规定了基准仪器的示值与国际温标温度之间的插补公式。2.2 各种测温方法简介各种测温方法是基于物体的某些物理化学性质与温度有一定的关系而产生的。如：物体的几何尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等。当温度不同时，以上这些参数中的一个或几个随之变化，测出这些参数的变化，就可间接地知道被测物体的温度。温度测量方法大体可分为：接触测量和非接触测量。接触测温：敏感元件与被测对象直接接触，输出与温度变化相适应的信号。优点：测量准确性高。缺点：换热过程需要一定的时间，动态特性差；破坏对象的温度场，影响测温的准确性；测温上限受敏感部件耐热性的影响；测温元件易受环境影响和腐蚀。非接触测温：敏感元件不与被测对象接触。优点：不需要换热过程，动态特性好，可测移动物体的温度；不破坏对象的温度场；理论上测温上限不受限制；不受环境的影响和腐蚀。缺点：由于中间物质的影响，测量准确性一般较差。根据测温原理不同，接触测温仪表又可分为若干种类：1）膨胀式温度计：液体膨胀式温度计，如：水银温度计；固体膨胀式温度计，如：双金属温度计，杆式温度计。2）压力式温度计：液体压力式温度计，蒸气压力式温度计，气体压力式温度计。（定容体积变化产生压力变化）3）电阻温度计。4）热电偶温度计。非接触测温仪表又可分为光学温度计、辐射温度计、比色温度计。2.3 膨胀式温度计膨胀式温度计利用物体受热膨胀的原理制成的温度计，主要有液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计和压力式温度计三种。2.3.1 液体膨胀式温度计最常见的是玻璃管式温度计，如右图所示。它主要由液体储存器1，毛细管2和标尺3组成。根据所充填的液体介质不同能够测量200750范围的温度。l测温原理玻璃管液体温度计是利用液体体积随温度升高而膨胀的原理制作而成。由于液体膨胀系数远比玻璃的膨胀系数大，因此当温度变化时，就引起工作液体在玻璃管内体积的变化，从而表现出液柱高度的变化。若在玻璃管上直接刻度即可读出被测介质的温度值。为了防止温度过高时液体胀裂玻璃管，在毛细管顶部须留有一膨胀室。 温度变化所引起的工作液体体积变化为式中：、分别为工作液体在0、时的体积；、分别为工作液体和玻璃的体膨胀系数。可见工作液体和玻璃的体膨胀系数差越大，温度计的灵敏度就越高，测温精度也越高。常用工作液体种类及测量范围见下。玻璃液体温度计液体材料测温范围工作液体测量范围（）备注水银-30-750或更高上限用加压方法获得甲苯-90100乙醇-10075石油醚-13025戊烷-200202.玻璃管液体温度计的主要特点它的优点是直观测量准确、结构简单、造价低廉，因此被广泛应用于工业、实验室和医院等各个领域及日常生活中。但其缺点是不能自动记录、不能远传、易碎、测温有一定迟延。玻璃管温度计所用的玻璃材料对温度计的质量起着重要作用。对300以上的玻璃温度计要用特殊的玻璃（硅硼玻璃），500以上则要用石英玻璃。3.玻璃管液体温度计的分类1）标准温度计：用于精密测量和校准其他温度计，其准确度高，分度值一股为0.10.2。基本误差在0.20.8范围内。2）实验室用温度计；用于实验室的测温。3）工业用温度计；用于工业测温，其准确度较低，允许误差可在110之间。4）电接点温度计：作温度控制用。长期使用的温度计要定期校验并校正其零位，对零位漂移要作修正，不合格的不能使用，校验方法可按有关校验规程进行。2.3.2 固体膨胀式温度计它是利用两种线膨胀系数不同的材料制成，由杆式和双金属片式两种，如图固体膨胀式温度计所示。除用金属材料外，有时为了增大膨胀系数差，还选用非金属材料，如石英、陶瓷等。这类温度计常用作自动控制装置中的温度测量元件，它结构简单、可靠，但精度不高。双金属温度计是利用两种不同金属在温度改变时膨胀程度不同的原理工作的。工业用双金属温度计主要的元件是一个用两种或多种金属片叠压在一起组成的多层金属片。为提高测温灵敏度，通常将金属片制成螺旋卷形状。当多层金属片的温度改变时，各层金属膨胀或收缩量不等，使得螺旋卷卷起或松开。由于螺旋卷的一端固定而另一端和一可以自由转动的指针相连，因此，当双金属片感受到温度变化时，指针即可在一圆形分度标尺上指示出温度来。这种仪表的测温范围是200650，允许误差均为标尺两程的1%左右。这种温度计和棒状的玻璃液体温度计的用途相似，但可使用在机械强度要求更高的条件下。 2.3.3 压力式温度计压力式温度计是利用密闭容积内工作介质随温度升高而压力升高的性质，通过对工作介质的压力测量来判断温度值的一种机械式仪表。 压力式温度计的工作介质可以是气体、液体或蒸汽，其结构如图压力式温度计所示。仪表中包括温包1，金属毛细管2，基座3和具有扁圆或椭圆截面的弹簧管4。弹簧管一端焊在基座上，内腔与毛细管2相通，另一端封死为自由端。自由端通过拉杆、齿轮传动机构与指针相联系。指针偏转在刻度盘上指示出被测温度。压力式温度计由于受毛细管长度的限制，一般工作距离最大不超过60m，被测温度一般为-50550。它简单可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性。但这种仪表动态性能差，示值的滞后较大，也不能测量迅速变化的温度。2.4 热电偶温度计2.4.1 热电现象和关于热电偶的基本定律热电偶温度计由热电偶、电测仪表和连接导线组成。它被广泛用于测量-2001300范围内的温度。在特殊情况下，可测至2800的高温或4K的低温。热电偶能把温度信号转变为电信号，便于信号的远传和多点切换测量，具有结构简单、制作方便、准确度高、热惯性小等优点。 1. 热电偶测温原理由两种不同的导体或半导体A或B组成的闭合回路，如果使两个接点处于不同的温度t0、t，则回路中就有电动势出现，称为热电势，这一现象称为热电效应。热电势是温度t0和t的函数，恒定接点温度t0，则热电势是温度t的单值函数，只要测得热电势的大小，便可得到被测温度t。热电势由温差电势与接触电势组成。温差电势：是指一根导体上因两端温度不同而产生的热电动势。同一导体两端温度不同时，高温端（测量端、工作端、热端）电子的运动速度大于低温端电子（参比端、自由端、冷端）的运动速度，单位时间内高温端失电子带正电，低温端得电子带负电，高、低温端之间形成一个从高温端指向低温端的静电场。该电场阻止高温端电子向低温端的动；加大低温端电子向高温端的运动速度，当运动达到动态平衡时，导体两端产生相应的电位差，该电位差称为温差电势。温差电势的方向：由低温端指向高温端。2.4.2 标准化与非标准化热电偶1. 热电极材料及其性质热电极材料应满足下述要求：1）热电势及热电势率（灵敏度）大，热电势与温度间呈线性关系；2）电导率高，电阻温度系数小；3）物理、化学性能稳定（长期使用时，可保证热电特性稳定）；4）复制性好（可批量生产），便于互换；5）机械加工性好，便于安装6）价格便宜。2. 标准化热电偶标准化热电偶：是制造工艺较成熟、应用广泛、能批量生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的热电偶。标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，也就是说，标准化热电偶具有统一的分度表。分度表是以表格的形式反映电势温度之间的关系，需注意的是：该电势温度关系是在冷端温度为0时得出的，使用应特别注意。同一型号的标准化热电偶具有互换性，使用十分方便。目前，国际上已有8种标准化热电偶，这些热电偶的型号（有时也称分度号）、电极材料、可测的温度范围以及使用特点见下表。注：电极材料的前者为正极，后者为负极，紧跟的数字为该材料的百分含量。温度测量范围是热电偶在良好的使用环境下测温的极限值，实际使用时，特别是长时间使用，一般允许的测温上限是极限值的60%80%。分度号材料温度范围（）使用特点S铂铑10-铂-501768金属易提纯，复制准确度和测温准确度较高，物化性能稳定，1300以下的氧化或中性介质长期使用。价格昂贵，热电势小，热电特性非线性较大，不能在还原气氛及含有金属或非金属蒸气的气氛中使用。300以上最准确的热电偶。R铂铑13-铂-501768基本性能和使用条件与S分度号热电偶相同，只是热电势略大，欧美国家使用较多。B铂铑30-铂铑601820可在1600以下的氧化、中性环境中长期使用，不能在还原气氛及含有金属或非金属蒸气的气氛中使用。热电势及热电势率较S分度号热电偶小，冷端温度低于50时，不必进行冷端温度补偿。K镍铬-镍硅-2701372贱金属热电偶，直径3.2mm的热电偶可在1200的高温下长期使用。在500以下的还原性、中性和氧化性气氛中可靠工作。500以上，只能在还原性、中性的气氛中工作。热电势率比S分度号热电偶大45倍，且温度电势关系接近线性。N镍铬硅-镍硅-2701300E镍铬-铜镍合金（康铜）-2701000金属热电偶，直径3.2mm的热电偶可在750的高温下长期使用，也适合于低温（0以下）、潮湿环境测温。是热电势率最高的标准化热电偶。J铁-铜镍合金（康铜）-2101200适合于氧化、还原性气氛，亦可在真空、中性气氛中使用，不能在538以上的含硫气氛中使用。稳定性好、灵敏度高、价格低廉。正极铁易锈蚀。T铜-铜镍合金（康铜）-270400适合于氧化、还原、真空、中性气氛中使用，具有潮湿气氛抗腐蚀性，特别适合于0以下的测温。主要特点：稳定性好、低温灵敏度高、价格低廉，100200测温准确度最高。3.非标准化热电偶普通工业用热电偶1-补偿导线；2-出线孔；3-金属链；4-盒盖固定螺钉、5-接线柱；6-盒盖；7-接线盒；8-接线柱；9-保护套管；10-绝缘管；11-热电极非标准化热电偶无论在使用范围或数量上均不及标准化热电偶。但在某些特殊场合，如：高温、低温、超低温、高真空和有核辐射的被测对象中，这些热电偶具有某些特别良好的性能。非标准化热电偶没有统一的分度表。非标准化热电偶有钨铼系热电偶（钨的熔点为3387，铼的熔点为3180，用于测量高达2760的温度）；铱铑系热电偶，能在弱还原性介质中测量2000高温，适用于航天技术；双铂钼热电偶有较低的中子俘获面积，专用于核反应堆测温；非金属热电偶如碳化物、硼化物、氮化物，使得不用贵金属也能在氧化性气氛中测高温。由于非金属热电偶复制性差，机械强度差，在使用中受到较大的限制。2.4.3 热电偶的构造1.普通工业用热电偶普通工业用热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒构成，如图所示。（1）热电极 热电极的直径大小由材料的价格、机械强度、电导率、热电偶的用途及测温范围决定。贵金属电极的直径为0.30.65mm，普通金属电极的直径为0.33.2mm。热电极的长度有多种规格，主要由安装条件和插入深度来决定，一般为3002000mm。热电偶热端采用焊接方式连接，接头形状有点焊、对焊和绞接点焊。焊点的直径应不超过热电极直径的两倍。（2）绝缘管 为了防止热电极间的电势短路，在热电极上套装绝缘管。绝缘管有单孔、双孔、四孔等多种形式。绝缘管材料的选择根据材料允许的工作温度进行，低温下可用橡胶、塑料、聚乙烯等材料；高温下可用普通陶瓷（1000以下）、高纯氧化铝（1300以下）、刚玉（1600以下）等。常用绝缘子材料及其使用温度范围材料名称使用温度范围（）材料名称使用温度范围（）橡皮、塑料6080石英管01300丝、干漆0130瓷管1400氟塑料0250再结晶氧化铝管1500玻璃丝、玻璃管500以下纯氧化铝管16001700（3）保护套管 为了防止热电极遭受机械损伤和化学腐蚀，通常将热电极和绝缘管装入不透气的保护套管内。套管的材料和形式由被测介质的特性、安装方式和时间常数等决定。常见的材料有黄铜、#20钢、不锈钢、高温耐热钢、纯氧化铝、刚玉、金属陶瓷等，测量更高温度时还可使用氧化铍和氧化钍，可达2200。安装时可采用螺纹连接和法兰连接两种形式。常用保护管材料及其适用的温度范围材料名称长期使用（）短期使用（）材料名称长期使用（）短期使用（）铜或铜合金400高级耐火瓷管1400160020#碳钢管600再结晶氧化铝管150017001Cr18Ni9Ti不锈钢90010001250高纯氧化铝管1600180028Cr铁（高铬铸铁）1100硼化锆18002100石英管13001600普通工业用热电偶测温时间常数随保护套管的材料及直径而变化（一般为10240s），当采用金属保护套管，外径为12mm时，时间常数为45s，外径为16mm时，时间常数为90s，而耐高压的金属热电偶的时间常数为2.5min。（4）接线盒 接线盒内有接线柱作为热电极和补偿导线或导线的连接装置。根据用途的不同，有普通式、防溅式、防水式、隔爆式和插座式等结构形式。2.铠装热电偶铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体。它可以做得很细、很长，在使用中可以根据需要进行弯曲。套管材料有铜、不锈钢和镍基高温合金等。套管与热电极之间填满了绝缘粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。套管中的热电极有单芯、双芯和四芯的，彼此之间互相绝缘。目前生产的铠装热电偶，其壁厚0.120.6mm，热电极直径0.0251.3mm，外径一般为16mm，长度为120m，外径最细的有0.2mm，长度最长的超过100m。铠装热电偶的测量端有露端形（0.010.1s）、接壳形（0.012.5s）、绝缘形（0.28.0s）、扁变截面形和圆变截面形等。铠装热电偶的主要特点是测量端热容量小，动态响应快（时间常数小于10s），机械强度高，挠性好，耐高压、强烈震动和冲击，可安装在结构复杂的装置上。3.快速反应的薄膜热电偶薄膜热电偶薄膜热电偶是用真空蒸镀的方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上，二者牢固地结合在一起，形成薄膜状测量端，上面再蒸镀一层二氧化硅薄膜作为绝缘和保护层。薄膜热电偶的特点是，测量端是非常薄的薄膜（可薄到0.010.1m），尺寸也很小，故测量端的热容量小，时间常数非常小（可达几毫秒），用于测量变化快的温度。由于粘接剂的耐热限制，只能用于-200300范围。若将电极材料直接蒸镀到被测对象表面，时间常数可达微秒级。热电极有：镍铬-镍硅、铜-康铜、铁-镍等。右图为铁镍薄膜热电偶的示意图，其尺寸为60mm，6mm，0.2mm，金属薄膜厚度在36um之间，时间常数小于0.01s，测温范围0300。2.4.4 热电偶冷端温度补偿由热电偶的测温原理可知，热电势是热端温度与冷端温度的函数，在冷端温度恒定的条件下，热电势是热端温度的函数。而在实际应用时，热电偶的冷端放置在距热端很近的大气中，受高温设备和环境温度波动的影响较大，因此冷端温度不恒定。要想消除冷端温度波动对测温的影响，必须进行冷端温度补偿。常用的冷端温度补偿方法有：计算修正法、冷端恒温法、显示仪表机械零点调整法、补偿电桥（冷端温度补偿器）法、补偿导线法、辅助热电偶法、PN结补偿法等。1.计算修正法热电偶的分度关系是在冷端温度为0的情况下得到的，若热电偶的冷端温度为t0，不是0，则不能用测量热电偶的热电势去查分度表，必须进行热电势修正，而后，查分度表得出被测的热端温度，修正电势为。即： 总电势=测量热电偶输出电势+修正电势适用场合：实验室测温，现场使用的直读仪表测温。前提条件是冷端温度可测且基本恒定。缺点：不便于连续测温。2.冷端恒温法将热电偶的冷端温度恒定，从而便于补偿和修正。一般选择冰点槽（0）或工业恒温箱（50）进行恒温。J220V50S加热器指示灯工业恒温箱冰点槽法将热电偶的冷端放于冰水混合物中，热电偶输出电势即以0为冷端温度的总电势，可直接查表或送显示仪表显示热端温度。恒温箱法恒温箱法是将热电偶的冷端置于自动恒温箱中。自动恒温箱常以蒸汽或电能作为热源。这里以工业恒温箱为例作简单说明。工业恒温箱原理如图所示。需要注意：该法热电偶送出的电势e（t,50），不能用于最终温度显示，通常应调整仪表的机械零位进行修正。3.显示仪表机械零点调整法当送入显示仪表的电势为e（t,t0），而t0已知且恒定时，在断开热电偶的情况下将仪表的机械零点调整至t0温度对应的刻度。这样相当于在显示仪表内部提前施加了电势e（t0,0），接入热电偶后，则用于温度显示的总电势为e（t,0），由于所有显示仪表的刻度均按照分度表进行刻度，所以仪表正确显示被测的热端温度数值。4.补偿电桥（冷端温度补偿器）法如果能得到一个随温度而变化的附加电势，并将该电势串联在热电偶回路中，使其抵偿热电偶热电势因冷端温度变化而产生的变化，则可保证显示仪表中的电势不受冷端温度变化的影响，达到自动补偿的目的。常用的冷端温度补偿器R1R2R3RcuRs热电偶补偿导线冷端温度补偿器显示仪表连接导线冷端温度补偿器的应用+ab基于图所示的不平衡电桥原理工作。由图可见，热电偶（及补偿导线）输出的热电势与不平衡电桥的不平衡电压相加后送至温度显示仪表。冷端温度补偿器的结构及工作原理简述如下：图中R1，R2，R3是3个锰铜丝绕制的1定值电阻；Rs是限流电阻；Rcu在20时，阻值1；电桥的供电电压为4V。当热电偶（补偿导线）的冷端温度为20时，补偿电桥处于初始平衡状态，不平衡电压Uab=0，热电偶送出电势e（t,20）给显示仪表。当热电偶的冷端温度升高而高于20时，热电势将因冷端温度升高而降低，此时Rcu的阻值增加，不平衡电桥的输出电压增加，即Uab0；当热电偶的冷端温度降低而低于20时，热电势将因冷端温度降低而升高，此时Rcu的阻值减小，不平衡电桥的输出电压减小，即Uab0，可见，补偿电桥的不平衡电压的变化方向恰与热电势的变化方向相反，可起到补偿作用。若不平衡电压的增加量恰好等于热电势的减少量，则实现了完全补偿，送显示仪表的电势不受冷端温度变化的影响。由于热电偶的热电特性与电桥的温度输出特性不完全一致，故冷端温度补偿器并不能在补偿范围内各点处实现完全补偿。一般而言，完全补偿点为：初始平衡温度和补偿范围上限温度两点。另外，不同分度号热电偶的热电特性不同，要求的补偿电压不同，即补偿器信号不同，通常补偿器的区别仅为限流电阻的阻值不同。需要注意的是，若补偿电桥的初始平衡温度不是0，则送给显示仪表的电势还需要修正，通常采取显示仪表机械零点调整的方法。5.补偿导线法由中间温度定律可知，当接点温度低于100时，可用热电特性相同的一对导线代替测量用热电偶，也就是使用补偿导线。补偿导线虽不能改变冷端温度，但可以迁移热电偶的冷端位置，即将冷端从温度波动剧烈的地点迁移至相对稳定的地点，便于与其他温度补偿方法配合实现温度的正确指示。例如：测量炉膛温度的热电偶的冷端通常在炉膛外部不远的就地，该处温度受高温设备及环境温度变化的影响，波动较剧烈，同时该处的温度一般高于冷端温度补偿器的补偿温度，因此不能采用前述温度补偿方法。使用补偿导线将热电偶的冷端迁移至集控室后的电子间，当该处温度稳定时，可采用显示仪表机械调零等预置电势法；当该处温度不很稳定时，由于温度处于冷端温度补偿器的补偿范围，所以可使用冷端温度补偿器进行补偿。常用补偿导线补偿导线型号配用热电偶分度号补偿导线合金丝绝缘层着色100时允差（）200时允差（）正极负极正极负极普通级精密级普通级精密级SCSSPC（铜）SNC（铜 镍）红绿+5+3+5KCKKPC（铜）KNC（镍硅）红蓝+2.5+1.5KXKKPX（镍铬）KNX（铜镍）红黑+2.5+1.5+2.5+1.5EXEEPX（镍 铬）ENX（铜镍）红棕+2.5+1.5+2.5+1.5JXJJPX（铁）JNX（铜镍）红紫+2.5+1.5+2.5+1.5TXTTPX（铜）TNX（铜镍）红白+2.5+1.5+2.5+1.52.4.5 热电偶的检定l.热电偶的检定热电偶在使用前应预先进行校验或检定，标准热电偶必须进行个别分度。热电偶经一段时间使用后，由于热电偶的高温挥发、氧化、外来腐蚀和污染、晶粒组织变化等原因，使热电偶的热电特性逐渐发生变化，使用中会产生测量误差，有时此测量误差会超出允许范围。为了保证热电偶的测量精度，必须定期进行检定。热电偶的检定方法有两种，比较法和定点法。工业上多采用比较法，因此，这里只介绍比较法。用被校热电偶和标准热电偶同时测量同一对象的温度，然后比较两者示值，以确定被检热电偶的基本误差等质量指标，这种方法称为比较法。用比较法检定热电偶的基本要求，是要造成一个均匀的温度场使标准热电偶和被检热电偶的测量端感受到相同的温度。均匀的温度场沿热电极必须有足够的长度，以使沿热电极的导热误差可以忽略。工业和实验室用热电偶都把管状炉作为检定的基本装置。为了保证管状炉内有足够长的等温区域。要求管状炉内腔长度与直径之比至少为加20：1。为使被检热电偶和标准热电偶的热端处于同一温度环境中，可在管状炉的恒温区放置一个镍块，在镍块上钻有孔，以便把各支热电偶的热端插人其中，进行比较测量。用比较法在管状炉中检定热电偶的系统，如图所示，主要装置有管状电炉、冰点槽、转换开关、手动直流电位差计和标准热电偶。检定时取等时间间隔，按照标准、被检l、被检2、被检n，被检n、被检2、被检1、标准的循环顺序读数，一个循环后标准与被检各有两个读数，一般进行两个循环的测量，得到四次读教。最后进行数据处理和误差分析，求得它们的算术平均值，比较标准与被检的测量结果。如果各个检定点被检热电偶的允许误差都在规定范围之内，则认为它们是合格的。各种常用热电偶的允许误差热电偶材料校验温度（）热电偶允许偏差温度（）偏差（）温度（）偏差（）铂铑-铂600;800;1000;120006002.4600占所测热电势的0.4%镍铬-镍硅400;600;800;100004004400占所测热电势的0.75%镍铬-考铜200;400;60003004300占所测热电势的1%2.4.6 热电偶的使用与安装对热电偶进行分度和检定时是不带保护套管的，且要满足在均匀温度场的炉腔内插入足够深度的条件。各种温度计在工业应用时，会遇到各种各样的情况，为了避免产生较大的误差，在安装与使用中要采取备种措施以保证测温的准确性。1热电偶的使用注意事项1）为减小测量误差，热电偶应与被测对象充分接触，使两者处于相同温度。2）保护管应有足够的机械强度，并可承受被测介质腐蚀，保护管的外径越粗，耐热、耐蚀性越好，但热惰性也越大。3）当保护管表面附着灰尘等物质时，将因热阻增加，使指示温度低于真实温度而产生误差。4）如在最高使用温度下长期工作，将因热电偶材质发生变化而引起误差。5）因测量线路绝缘电阻下降而引起误差。设法提高绝缘电阻，或将热电偶的外壳做接地处理。6）冷端温度的补偿与修正。热电偶冷端最好应保持0，而在现场条件下使用的仪表则难以实现，必须采用补偿方法准确修正。7）电磁感应的影响。热电偶的信号传输线，在布线时应尽量避开强电区（如大功率的电机、变压器等），更不能与电力线近距离平行敷设。如果实在避不开，也要采取屏蔽措施。2.热电偶的安装原则安装热电偶时，应遵循下列原则；1）热电偶应与被测介质形成逆流，亦即安装时热电偶应迎着被测介质的流向插入。至少亦须与被侧介质成正交。如图所示。2）热电偶工作端应处于管道中流速最大的地方，热电偶保护管的末端应超过管道中心线约5-10mm。3）热电偶要有足够的插入深度。实践证明，在最大的允许插入深度条件下，随着插入深度的增加，测温误差减小，将测温元件斜插或沿管道轴线方向安装便可达到要求。4）管道直径过小，如直径小于80mm。往往因插人深度不够而引起测量误差安装热电偶时应接扩大管，选择适宜部位，可以减小或消除此项误差。5）含大量粉尘气体的温度测量。由于气体内含大量粉尘，对保护管的磨损严重，因此可采用端部切开的保护管，或采用铠装热电偶。采用铠装热电偶，不仅响应快，而且寿命长。6）热电偶安装在负压管道中，必须保证其密封性，以防外界冷空气吸入，使测量值偏低。7）热电偶按线盒的盖子应朝上以免雨水或其他液体的浸入，影响测量的准确性。2.5 热电阻温