双金属温度计工作原理一.ppt

第二章生化过程参数检测 第一节温度的检测 第一节温度的检测 2 1温度检测的基础知识 温度 从宏观上看 温度是表示物体冷热程度的物理量从微观上看 温度标志着物质分子热运动的剧烈程度温度是与人类生活息息相关的物理量 温标 温标衡量温度的标准尺度 是温度数值化的标尺 各种温度计的刻度数值均由温标确定 华氏温标 摄氏温标 热力学温标和国际实用温标 摄氏温标 1740年瑞典人摄氏 Celsius 提出的 在标准大气压下 把纯水的冰点规定为0度 水的沸点规定为100度 而将汞柱在这两点间等分为100格 每等分格为摄氏1度 标记为 华氏温标 1714年德国人华伦海特 Fahrenheit 提出的 在标准大气压下 把冰 水 氯化铵和氯化钠的混合物的熔点定为零度 冰的熔点定为32度 水的沸点定为212度 中间划分180等分 每等分为华氏1度 符号为 热力学温标又称开尔文温标 是由开尔文 Ketvin 在1848年提出的 符号为T 单位记为K 其规定分子运动停止时的温度为绝对零度 因此又称绝对温标 一种不依赖任何测温质 当然也就不依赖任何测温质的任何物理性质 的绝对真实的绝对温标 以卡诺循环 Carnotcycle 的热量作为测定温度的工具 即热量起着测温质的作用 热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一 热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致 把理想气体压力为零时对应的温度 绝对零度与水的三相点温度分为273 16份 每份为1K Kelvin 热力学温标 国际实用温标是一个国际协议性温标 它与热力学温标相接近 而且复现精度高 使用方便 1975年第15届国际权度大会通过 IPTS 681989年第18届国际计量大会通过 ITS 90国际温标ITS 90同时定义国际开尔文温度 符号为T90 和国际摄氏温度 符号为t90 国际实用温标 ITS 90基本内容为 重申国际实用温标单位仍为K 国际摄氏温度和国际开尔文温度关系为 把整个温标分成4个温区 其相应的标准仪器如下 第一温区为0 65 5 0K 用3He和4He蒸汽温度计 第二温区为3 0 24 5561K 用3He和4He定容气体温度计 第三温区为13 803K 961 78 用铂电阻温度计 第四温区961 78 以上 用光学或光电高温计 表1各温标间的换算关系 2 2温度检测方法 温度不能直接测量 而是借助于物质的某些物理特性是温度的函数 通过对某些物理特性变化量的测量间接地获得温度值 根据温度测量仪表的使用方式 通常可分类为接触法与非接触法两大类 1 接触法接触式测温方法是使温度敏感元件和被测温度对象相接触 当被测温度与感温元件达到热平衡时 温度敏感元件与被测温度对象的温度相等 如果其中之一为温度计 就可以用它对另一个物体实现温度测量 这种测温方式称为接触法 优点 简单 可靠 测量精度高缺点 要良好的热接触 滞后 破坏对象温度场 不适高温测量2 非接触法测温元件不与被测物体直接接触 而是利用物体的热辐射能 或亮度 随温度变化的原理测定物体温度 这种测温方式称为非接触法 优点 不改变对象温度场 测温范围广 没有上限 反应快缺点 误差大 易受发射率 距离 烟尘和水气等外界因素影响 接触式与非接触式测温特点比较 应用热膨胀原理测温应用压力随温度变化的原理测温应用热阻效应测温应用热电效应测温应用热辐射原理测温 2 3温度检测原理 膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理 分为液体膨胀式和固体膨胀式两类 膨胀式温度计种类很多 按膨胀基体可分成液体膨胀式玻璃温度计 固体膨胀式双金属温度计 应用热膨胀原理测温 玻璃液体温度计简称玻璃温度计 是一种直读式仪表 水银是玻璃温度计最常用的液体 其凝固点为 38 9 测温上限为538 玻璃温度计特点 结构简单 制作容易 价格低廉 测温范围较广 安装使用方便 现场直接读数 一般无需能源 易破损 测温值难自动远传记录 玻璃温度计 玻璃温度计的分类 全浸式 测温准确度高 但读刻度困难 使用操作不便 局浸式 读数容易 但测量误差较大 即使采取修正措施其误差比全浸式仍要大好几倍或更多 V形工业玻璃温度计 玻璃温度计 固体长度随温度变化的情况可用下式表示 基于固体受热膨胀原理 测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起 构成双金属片感温元件当温度变化时 因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩 导致双金属片产生弯曲变形 下图是双金属温度计原理图 双金属温度计 双金属温度计原理图 双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类 其测温范围大致为 80 600 精度等级通常为1 5级左右 双金属温度计抗振性好 读数方便 但精度不太高 只能用做一般的工业用仪表 双金属温度计 压力温度计是根据一定质量的液体 气体 蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能的 压力温度计的典型结构示意图 压力温度计 这类压力温度计其毛细管细而长 规格为1 60m 它的作用主要是传递压力 长度愈长 则使温度计响应愈慢 在长度相等条件下 管愈细 则准确度愈高 压力温度计和玻璃温度计相比 具有强度大 不易破损 读数方便 但准确度较低 耐腐蚀性较差等特点 压力温度计 任何物体 其温度超过绝对零度 都会以电磁波的形式向周围辐射能量 这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的 其中与物体本身温度有关传播热能的那部分辐射 称为热辐射 辐射温度计是根据全辐射定律 基于被测物体的辐射热效应进行工作的 辐射温度计的敏感元件 分光电型与热敏型两大类辐射温度计由辐射敏感元件 光学系统 显示仪表及辅助装置等几大部分组成 辐射式温度计的感温元件通常工作在属于可见光和红外光的波长区域 辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为0 3 40 m 辐射温度计 红外辐射测温仪HY 303 光学高温计 表2常用测温仪表的分类及性能 第一节温度的检测 两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路 若导体A和B的连接处温度不同 设T T0 则在此闭合回路中就有电流产生 也就是说回路中有电动势存在 这种现象叫做热电效应 回路中所产生的电动势 叫热电势 这种现象早在1821年首先由西拜克 See back 发现 所以又称西拜克效应 3 1热电偶温度计 接触电势温差电势 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 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 3 回路总电势 由于NA NB是温度的单值函数 如果T0 const 则 EAB T T0 EAB T EAB T0 f T C g T 热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关 与热电偶的长度 粗细无关 均质回路定律或均质导体定律 只有用不同性质的导体 或半导体 才能组合成热电偶 相同材料不会产生热电势 因为当A B两种导体是同一种材料时 ln NA NB 0 也即EAB T T0 0 只有当热电偶两端温度不同 热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生 导体材料确定后 热电势的大小只与热电偶两端的温度有关 如果使EAB T0 常数 则回路热电势EAB T T0 就只与温度T有关 而且是T的单值函数 这就是利用热电偶测温的原理 不同电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的 从上述公式得出结论 均质回路定律或均质导体定律中间导体定律中间温度定律 热电偶的基本定律 将第三种材料C接入由A B组成的热电偶回路 如图 则图a中的A C接点2与C A的接点3 均处于相同温度T0之中 此回路的总电势不变 即同理 图b中C A接点2与C B的接点3 同处于温度T0之中 此回路的电势也为 EAB T1 T2 EAB T1 EAB T2 EAB T1 T2 EAB T1 EAB T2 中间导体定律 E T0 T0 T E T0 T1 T1 T 电位计接入热电偶回路 根据上述原理 可以在热电偶回路中接入电位计E 只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等 就不会影响回路中原来的热电势 接入的方式见下图所示 中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路 其接点温度分别为T1 T2 如图所示 时 则其热电势为EAB T1 T2 当接点温度为T2 T3时 其热电势为EAB T2 T3 当接点温度为T1 T3时 其热电势为EAB T1 T3 其值为两者的代数和 不受中间温度T2变化的影响 即 EAB T1 T3 EAB T1 T2 EAB T2 T3 冷端处理及补偿 热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差 为保证输出热电势是被测温度的单值函数 必须使冷端温度保持恒定 热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0 为依据 否则会产生误差 冰点槽法计算修正法 热电势修正法 机械零点调整法电桥补偿法补偿导线法 1 冰点槽法 仪表 把热电偶的参比端 冷端 置于冰水混合物容器里 使T0 0 这种办法仅限于科学实验中使用 为了避免冰水导电引起两个连接点短路 必须把连接点分别置于两个玻璃试管里 浸入同一冰点槽 使相互绝缘 由于热电偶的热电动势与温度的关系曲线 即刻度特性或分度表 是参考端保持在T0 0 时获得的 当参考端温度Tn 0 时 热电偶的输出热电动势将不等于EAB T T0 而等于EAB T Tn 如图9 3所示 如不加以修正 则所得的温度值必然小于实际值 为求得真实温度 则根据热电偶中间温度定律 EAB T T0 EAB T Tn EAB Tn T0 将测得的电动势的EAB T Tn 加上一个修正电动势EAB Tn T0 算出EAB T T0 再查分度表 方得实测温度值 EAB Tn T0 可从分度表查出 2 计算修正法 例5 3 不能把985 加上30 认为T 1015 3 机械零点调整法 实质 在测量结果中人为地加一个恒定值 因为冷端温度稳定不变 电动势EAB TH 0 是常数 利用指示仪表上调整零点的办法 加大某个适当的值而实现补偿 特点 比较简单 较长使用 对热电势与温度线性关系较好的热电偶 K E 误差小 非线性大误差大 应用领域 如果冷端不是0 但十分稳定 如恒温车间或有空调的场所 4 电桥补偿法 利用不平衡电桥产生的电动势补偿热电偶参考端因温度变化而产生的热电势 称为电桥补偿法 不平衡电桥由R1 R2 R3 锰铜丝绕制 RCu 铜丝绕制 四个桥臂和桥路电源组成 设计时 在0 下使电桥平衡 R1 R2 R3 RCu 此时Uab 0 电桥对仪表读数无影响 注意 不同材质的热电偶所配的冷端补偿器 其中的限流电阻R不一样 互换时必须重新调整 由图可知电路的输出电压为U E T T0 Uab RCu和参考端感受相同的温度 当环境温度发生变化时 引起RCu值的变化 使电桥产生的不平衡电压Uab的大小和极性随着环境温度而变化 达到自动补偿的目的 国产冷端补偿器的电桥一般是在20 时调平衡的 因此20 时无补偿 必须进行修正或将仪表的机械零点调到20 处 当环境温度高于20 时 热电偶输出的热电动势减小 RCu增大 电桥输出电压左正右负 低于20 时 RCu减小 电桥输出电压左负右正 设计好电桥参数 可在0 50 范围内实现补偿 表2常用国产冷端补偿器 当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A B同样热电特性的材料C D 如图 即引入所谓补偿导线时 则回路总电动势为 E EAB T1 T2 ECD T2 T0 E EAB T1 T0 EAB T2 T0 ECD T2 T0 只要T1 T0不变 接入C D后不管接点温度T2如何变化 都不影响总热电势 这便是引入补偿导线原理 5 补偿导线法 实质 采用补偿导线将热电偶延伸到温度恒定或温度波动较小处 即相当于把冷端从温度为t1处延伸到温度为t0的控制室或恒温处 原理 中间温度定律和中间导体定律 要求 在温度0 200 范围内 其热电特性与热电偶近似相同 且是廉价金属注意 两个接点温度不能超过规定温度各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用两个接点温度应当相同正负极不能接反需要修正 1 能应用于较宽的温度范围 物理性质稳定 在测温范围内 热电特性不随时间变化 2 化学性质稳定 不易被氧化 还原和腐蚀 3 组成的热电偶产生的热电势率大 以得到较高的灵敏度 热电势与被测温度成线性或近似线性关系 4 有高导电率和低电阻温度系数 这样 热电偶的内阻随温度变化就小 5 具有较好的工艺性能 便于成批生产 复制性好 即同样材料制成的热电偶 它们的热电特性基本相同 便于采用统一的分度表 6 材料来源丰富 价格便宜 热电偶的材料要求 热电偶的种类 1 标准化热电偶廉金属热电偶1 T型 铜 康铜 热电偶2 K型 镍铬 镍铝或镍硅 热电偶3 E型 镍铬 康铜 热电偶4 J型 铁 康铜 热电偶贵金属热电偶1 S型 铂铑10 铂 热电偶2 R型 铂铑13 铂 热电偶3 B型 铂铑30 铂铑6 热电偶 2 非标准化热电偶1 钨 铼系热电偶2 钨 铱系热电偶3 其他非标准化热电偶 热电偶的结构 普通工业热电偶 特点 测量端热容量小 动态响应快 机械强度高 挠性好 耐高压 耐振动 寿命长 适用各种工业测量 铠装热电偶 表面温度热电偶 表面温度热电偶 3 2热电阻温度计 测温原理 热电阻热效应 导体或半导体的阻值随温度的升高而增加或减少 实践证明 大多数金属在温度每升高1 其电阻值要增加0 4 0 6 将这一变化通过测量电路转换成电压信号 然后送至显示仪表以指示被测温度 材料要求 1 电阻温度系数的范围甚宽 2 材料加工容易 性能好 3 阻值在1 10M之间可供自由选择 4 稳定性好 5 原料资源丰富 价格低廉 铂铜铁镍 优点 信号灵敏度高 易于连续测量 可以远传 无需参比温度 稳定性高 互换性好 准确度高 可以用作基准仪表 缺点 需要电源 自热现象以及测量温度不能太高 金属热电阻与热电偶的比较 金属热电阻优缺点 同样温度下输出信号大 容易测量 热电阻必须借助外加电源 而热电偶直接测量 但热电偶需要冷端温度补偿 热电阻不需要 是用电桥平衡原理自动消除导线电阻等影响 热电阻的感温体结构复杂 体积较大 热惯性大 不适合测量体积狭小和温度变化快的温度 抗冲击和振动性能较差 热电阻的结构形式 主要由感温体 保护套管和接线盒等部分组成 1 热电阻丝 2 电阻体支架 3 引线 4 绝缘瓷管 5 保护套管 6 连接法兰 7 接线盒 8 引线孔 正温度系数热敏电阻器 PTC 负温度系数热敏电阻器 NTC 突变型负温度系数热敏电阻器 CTR 热敏电阻的分类 热敏电阻材料的分类 1 热敏电阻材料的分类 2 常用热电阻 铂热电阻统一型号为WZP其物理 化学性能非常稳定 长期复现性最好 测量精度高 用作标准电阻温度计易受还原性介质污染 因此使用时应装在保护套管中 铜热电阻统一型号为WZC优点 价格便宜 纯度高 复制性好 电阻温度系数大 线性好 灵敏高缺点 电阻率较低 容易氧化 为此只能用在较低温度和没有水份及