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3 2温度检测仪表 现代传感技术和过程检测系统 1 3 2温度检测仪表 3 2 1概述温标温度检测仪表分类3 2 2热电偶温度计标准化热电偶与分度表热电偶自由端温度的处理结构形式热电偶温度检测系统3 2 3热电阻温度计3 2 4其它接触式3 2 5非接触式3 2 6温度检测仪表的使用 知识要点热电偶的基本定律 回顾 标准热电偶的分度和查表方法热电偶自由端温度补偿标准热电偶的选型热电阻的分度 查表 选型辐射式温度检测仪表的原理普朗克定律温度检测仪表的选型 2 温度检测的应用例子 生产过程综合自动化系统 互动 温度检测的例子和相应的检测方法 3 美丽的济公故里 4 发酵罐温度检测 5 发酵罐温度控制 6 温度检测的应用例子 公共卫生与公共安全 7 3 2 1概述 温度描述系统不同自由度之间能量分布状况的基本物理量 决定一系统是否与其它系统处于热平衡的宏观性质 互为热平衡 相同温度 分子物理学 大量分子的平均动能 无规则运动的剧烈程度物理 化学性质与温度的关系工业生产和科学实验中 温度及温度检测与控制 8 3 2 1 1温标 温标温度的数值表示方法 标尺规则和方法 如零点 测量单位常用的温标经验温标热力学温标国际实用温标 飞机温度场热应力和热变形分析 9 经验温标借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系 用实验方法或经验公式所确定的温标根据液体 水银 受热后体积膨胀的性质摄氏温标 中国暂时使用 标准大气压下 冰点和沸点 0 100 100等分 华氏温标 中国已不用 32 212 180等分 1 8t 32 t 32 1 8 热力学温标开尔文温标 Kelvin K 以热力学第二定律为基础的理论温标 被采纳为国际统一基准温标绝对零度不与温度计 不与测温物质的性质相联系 纯理论 国际实用温标 国际温标 人的体表温度37 应为多少 T t 273 15K t T 273 15 Fahrenheit 1 8 37 32 98 6 10 国际实用温标 国际温标 温标基准点 选择了一些固定点 可复现的平衡态 温度作为温标基准点基准仪器 规定了不同温度范围内的基准仪器内插公式 标准仪器示值与国际温标数值间的关系 越来越接近热力学温标ITS 27 第一个国际温标 ITS 48ITS 68ITS 90 0 100 100等分 摄氏温标 32 F 212 F 180等分 华氏温标 热力学温标 0K 国际实用温标 11 1990年国际温标 ITS 90 简介定义固定点 17个标准仪器 4个温区下限 0 65K上限 单色辐照的普朗克辐射定律实际可测的最高温度内插公式 每种内插标准仪器在n个固定点温度下分度 12 1K等于水三相点热力学温度的1 273 16ITS90基准仪器及温度范围 0 65 5 0K3He和4He蒸气压温度计 He同位素 3 0 24 5561K3He 4He定容气体温度计13 8033 1234 93K基准铂电阻温度计1234 96K以上光学或光电高温计 13 3 2 1 2温度检测仪表的分类 接触式膨胀式 体积 长度 温度 热电阻式 电阻值 温度 热电偶 热电效应 非接触式主要是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系 普朗克定律E T 能量 波长 温度 亮度法全辐射法比色法 14 接触式和非接触式的比较 接触式被测物体温度 若被测物体热容量较小 测量精度较低要准确 被测物体的热容量 非接触式利用被测物体热辐射而发出红外线制造成本较高 测量精度却较低优点 可进行遥测不从被测物体上吸收热量不会干扰被测对象的温度场连续测量不会产生消耗反应快等 15 互动 选择检测方法 16 3 2 2热电偶温度计 温差热电偶 简称热电偶 使用最普遍的传感元件之一结构简单 测量范围宽 准确度高 热惯性小 输出信号为电信号便于远传或信号转换测量流体 固体 固体壁面的温度微型热电偶还可测快速及动态温度变化 17 热电偶热电极热端 工作端 测量端 冷端 自由端 参考端 接触电势 帕尔贴电势 两种导体接触E温差电势 汤姆逊电势 单一导体E差 总热电势 接触电势 温差电势 热端 自由端 热电效应两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路导体A和B的连接处温度不同 设T T0 在此闭合回路中就有电流产生也称西拜克 See back 效应 1821年 18 1 接触电势 eAB T 导体A B结点在温度T时形成的接触电动势 e 单位电荷 e 1 6 10 19C k 波尔兹曼常数 k 1 38 10 23J K NA NB 导体A B在温度为T时的电子密度 接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关 电子扩散速率与两种导体的电子密度有关 并与接触区的温度成正比 e接触 T 系数 T ln 电子密度之比 19 eA T T0 导体A两端温度为T T0时形成的温差电动势 T T0 高低端的绝对温度 A 汤姆逊系数 表示导体A两端的温度差为1 时所产生的温差电动势 例如在0 时 铜的 2 V 2 温差电势 单一导体 如果两端温度不同 则 高温端自由电子动能大 因而向低温端扩散 动态平衡时 产生电位差 温差电势 E温差 T T0 温度差范围内对温度的积分 20 由导体材料A B组成的闭合回路 其接点温度分别为T T0 如果T T0 则必存在着两个接触电势和两个温差电势 回路总电势 3 回路总电势 NAT NAT0 导体A在结点温度为T和T0时的电子密度 NBT NBT0 导体B在结点温度为T和T0时的电子密度 A B 导体A和B的汤姆逊系数 可忽略温差电势 21 四点结论 提问 为什么 判断题 AB为同种导体 不论温差为多大 EAB T T0 0材料不同 有温差才有热电势热电势只与热电极材料和两端温差有关 与热电极几何尺寸 长短 粗细等 无关热电极材料确定之后 热电势只与T T0有关 若T0已定 则E与T为单值函数 T0 T eAB T eAB T0 eA T T0 eB T T0 A B 22 热电偶的基本定律均质导体定律 中间导体定律 中间温度定律 1 均质导体定律由一种导体组成的闭合回路 不论导体的截面积和长度如何 也不论各处的温度如何都不产生热电势 EAB T T0 E接T EB E接T0 EA E接T E接T0 EA EB X Tln NAT NBT X Tln NAT0 NBT0 积分 A dT 积分 B dT T T0 A B Ln 1 0 23 2 中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体 只要中间导体两端温度相同 那么中间接入导体对热电偶回路总热电势没有影响应用 引入各种检测仪表 各种连线 不影响测量 T EABC T T0 e接ABT eB e接BCT0 eC e接ACT0 eA e接ABT e接BCT0 e接ACT0 eA eB eC Ln B C Ln C A Ln B A 24 中间导体定律的应用 E T0 T0 T E T0 T1 T1 T 电位计接入热电偶回路 25 E总 EAB T EBC T ECA T 0 三种不同导体组成的热电偶回路 中间导体定律 引伸 一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路 只要它们彼此连接的接点温度相同 则此回路各接点产生的热电势的代数和为零 如图 由A B C三种材料组成的闭合回路 则 26 3 中间温度定律 A 因此 只要列出热电势在冷端温度为0 的分度表 就可以求出冷端在其它温度时的热电势值 27 热电偶的误差 1 分度引起的误差热电偶的输出电势与温度之间是非线性关系 2 冷端温度引起的误差工业上使用的热电偶分度表和根据分度表刻度的显示仪表都是在冷端温度为零时进行的 需补偿 3 测量线路及仪表误差需有配套的测量电路和相应的仪表 要选用合适的仪表量程 热电偶与仪表连接时应选用电阻小且恒定的导线 4 干扰和漏电引起的误差电磁场绝缘不好可能造成热电势的分流 5 其它热电偶的材料不均匀 补偿导线与热电偶的热电特性不完全一致 热电偶的热惰性引起的动态误差等等 28 3 2 2 1标准化热电偶与分度表 热电偶电极材料的要求 可靠性 准确度 热电性质 物理化学性能稳定 时间和被测介质 不易氧化或腐蚀 导电率要高 并且电阻温度系数要小热电势随温度的变化率要大 const机械强度要高 复制性要好 复制工艺要简单 价格便宜 目前在国际上被公认的比较好的热电材料只有几种 根据IEC推荐 目前我国已经为八种热电偶制定了标准 被称为标准热电偶 29 同一型号的标准化热电偶 国家进行了统一规定 因此 互换性好 热电极材料及其化学成分热电性质允许偏差SRBKNTEJ选型考虑 测量范围 精度和稳定性要求 被测对象的特殊要求 成本等 30 标准化热电偶 31 标准化热电偶 续 32 标准化热电偶的分度表 根据国际温标规定 t0 0 时 用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同的工作温度下所产生的热电势值 列成一张张表格 这就是常说的分度表 也可用参考函数表示 判断题 各种标准热电偶 当t 0 时 热电势为零 分度表参考函数热电特性曲线 33 热电偶温度特性曲线 Et 0 E 0t 0 E 0t 0 E 0不同型号 E有较大差别非线性自由端t0 0 求t 需用如下公式 34 例子 型热电偶在工作时自由端温度 30 现测得热电偶的电势为7 5 求被测介质实际温度 解 S型 E t0 0 E 30 0 0 173mV P440 P289 E t 0 E t 30 E 30 0 7 5 0 173 7 673mV查表 830 P442 P291 35 3 2 2 2热电偶自由端温度的处理 36 1 补偿导线法用较廉价的导体来加长热电偶 要求热电特性相近 中间导体定律中间温度定律若自由端不为0 仍需修正 E总 EAB t t0 EA B t0 t0 EAB t t0 判断题 热电偶的补偿导线法 可补偿自由端不为零 的情况 不需再进行温度值修正了 37 补偿导线法注意事项补偿导线只能在一定温度范围内与热电偶特性相近不同型号 不同型号t0 处的两个点 温度需一致 接 补偿导线的作用只是延伸自由端 当自由端温度不为0时 仍需进行其他补偿与修正 C 补偿型 X 延伸型 38 2 计算修正法需查表 计算 难进行连续测量 T T0 E总 E T 0 E T T0 E T0 0 39 3 自由端恒温法自由端引至电加热的恒温器中 如冰浴法 40 4 自动补偿法采用补偿电桥 补偿自由端温度变化导致的热电势自由端温度补偿器4VDC 电桥 Rs mV EAB T T0 T0 T0 T A B a b U Uab RCu R1 R2 R3 Rs Uab E t0 0 锰铜电阻 铜电阻 41 例3 4 K型 KX K型 300 50 20 1 E总 T显 2 补偿导线为铜 或显示仪表为E型 求E总 T显 解 1 K K K型 E总 E t 0 E1 t tc E2 tc t0 E3 t0 0 2 K 铜 且K型显示 E总 E1 t tc E2CU tc t0 E3 t0 0 E1 t t0 E1 tc 0 0 E3 t0 0 K K型 E型显示 E总 E1K t tc E2K tc t0 E3E t0 0 WHY 42 3 2 2 3热电偶的结构形式 1 普通型热电偶 43 铠装热电偶测量端热容量小 动态响应快 机械强度高 挠性好 可安装在结构复杂的装置上工业应用广泛 铠装式热电偶断面结构示意图1 金属套管 2 绝缘材料 3 热电极 a 碰底型 b 不碰底型 c 露头型 d 帽型 44 薄膜热电偶可以实现物体表面的温度的测量体积很小 所以热容量小快速温度变化的测量 时间常数小于10ms 45 3 2 2 4热电偶温度检测系统 配套使用 自由端温度补偿器非线性补偿标度变换 可使用通用的显示仪表 标度变换 46 3 2 3热电阻温度计 热电阻效应热电阻铂 Pt 铜 Cu 半导体热敏电阻热电阻的分度号和分度表R0要合适Pt R0 10 R0 100 分度号Pt10 Pt100Cu R0 50 R0 100 分度号Cu50 Cu100 如Pt100在室温20 时电阻107 79 附表3 1 3 2 0 47 热电阻的结构型式 无感绕法 支架材料 云母 石英玻璃 陶瓷等 电绝缘性能 热膨胀系数要与热电丝的一致或相近 较高的热电率 较小的比热 有稳定的物理 化学性能 不污染电阻丝 有足够的机械强度 加工性能好 内引线 接触电势小 大直径 大电阻 48 热电阻温度检测系统 与热电偶的异同点 热电阻 专用显示仪表 配套使用非线性处理或补偿 热电阻 通用显示仪表 配套使用非线性处理或补偿 变送器 热电阻和热电偶温度检测系统的区别输入电路形式不同热电偶 自由端补偿器 热电阻 测量电桥引线 热电偶 补偿导线 E接 T0 一致 热电阻 可用普通导线 R引线 Const R接 E接 49 热电阻的三线制接法 减小引线电阻对热电阻测温的影响接到电源和两个桥臂 R引 R桥 而u影响不大 从而较好消除了 R引的影响 准确度 50 热电阻的外引线接线方法二线制 三线制 四线制 51 二线制 52 三线制 53 四线制 54 3 2 4其它接触式温度检测仪表 接触式 除了热电偶 热电阻式 还有玻璃管温度计压力式温度计双金属温度计集成温度传感器 一般不具备远传功能 作为现场指示之用 55 1 玻璃管温度计玻璃温包 毛细管 工作液体和刻度标尺等体积膨胀系数水银 酒精等为工作液工业 标准和实验室 2 压力式温度计受热后体积膨胀或压力增大的原理液体 气体 蒸汽压力式 结构基本相同 但原理有些区别 关系式不一样 毛细管 容积尽量 但太小会增加传递阻力弹性元件 传动机构 合理设计毛细管 弹性元件和传动机构 56 3 双金属温度计利用两种膨胀系数不同的金属元件来测量温度 替代水银温度计测量范围较宽 80 600 准确度等级1 2 5级 但测量滞后较大 双金属温度计结构图 57 4 集成温度传感器晶体三极管发射结电压与温度T 反向饱和电流与温度T等变化关系敏感元件 放大电路和补偿电路等部分集成化 并封装起来特点 体积小 反应快的优点外 还具有线性好 性能高 价格低等AD590 输出电流 绝对温度的微安 可测绝对温度 注意 AD590输出不是标准信号 需转换 58 3 2 5非接触式温度检测仪表 主要是辐射式物体的辐射能随温度而变化优点 非接触 运动 不破坏温度场原理普朗克定律 59 3 2 5非接触式温度检测仪表 士兵突击 防红外探测侦察 非接触式温度探测与检测具有重要的应用价值 60 普朗克定律 1 整个波长内的能量 令 T 1 土星的温度辐射图 斯蒂芬 玻尔兹曼定律 2 特定波长令波长 c为常数 3 两个特定波长 能量之比 维恩公式 全辐射法 亮度法 比色法 需 T校正 61 辐射式温度计主要组成框图 62 3 2 5 2辐射温度计 1 全辐射高温计 透射 高温测量 反射 中温测量 检测元件 热电偶堆 热释电元件 硅光电池和热敏电阻等 注意 测量距离 根据辐射率修正 400 2000 1 5 2 0 优点 简单方便缺点 易受干扰测量距离 63 2 光电温度计 两束辐射能量 即亮度 不同时 光电元件输出对应于两辐射能量差的交变电信号 人工瞄准系统 测量距离0 5 3m 根据辐射率修正 结构复杂可接受能量小优点 抗干扰能力强 200 1500 1 0 1 5 响应时间 5 5s 64 3 比色温度计