第二章 温度检测及仪表.pdf

第二章 温度检测及仪表第二章 温度检测及仪表 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 2 2 2 1 温标及温度计的分类 温度是一个基本的物理量 它是物理化学过程中最普遍 最重 要的参数 一种产品的产量 质量 能耗都直接与温度有关 一切物理化学量都是温度的函数 温度是一个基本的物理量 它是物理化学过程中最普遍 最重 要的参数 一种产品的产量 质量 能耗都直接与温度有关 一切物理化学量都是温度的函数 一 温标一 温标 温标即温度的标尺温标即温度的标尺 Temperature Scale 即温度的数值 表示 它是利用物质的 即温度的数值 表示 它是利用物质的 相平衡温度相平衡温度 作为固定点刻度在标尺 上 而其它点的温度通过内插方程来定 各种温度计的分度数 值均由温标来确定 规定温度的始点 零度 和测量温度的基 本单位 作为固定点刻度在标尺 上 而其它点的温度通过内插方程来定 各种温度计的分度数 值均由温标来确定 规定温度的始点 零度 和测量温度的基 本单位 温标的三要素 温标的三要素 温度固定点 标准温度计温度固定点 标准温度计 测温物质测温物质 内插公 式 内插公 式 经验温标 常用的有摄氏温标和华氏温标经验温标 常用的有摄氏温标和华氏温标 热力学温标 开尔文温标 热力学温标 开尔文温标 国际实用温标国际实用温标 9 32 5 273 15 Ft Tt 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 3 3 一 温标 热力学温标热力学温标 亦称亦称 开尔文温标开尔文温标 绝对温标绝对温标 它是建立在热力学第二 定律基础上的一种和测温界质无关的理想温标 它完全不 依赖测温物质的性质 它是建立在热力学第二 定律基础上的一种和测温界质无关的理想温标 它完全不 依赖测温物质的性质 热力学温标选定水的三相点为273 16K 定义水的三相 点温度的1 173 16为1度 单位为开尔文 简称K 热 力学温度也称为绝对温度 1927年第七届国际计量大会曾采用为基本的温标 年第七届国际计量大会曾采用为基本的温标 1960年第十一届国际计量大会规定热力学温度以开尔文为单 位 简称 年第十一届国际计量大会规定热力学温度以开尔文为单 位 简称 开开 用 用K表示 表示 由于水的三相点在摄氏温标上为由于水的三相点在摄氏温标上为0 01 所以 所以 0 273 15K 热力学温标的零点 即绝对零度 记为 热力学温标的零点 即绝对零度 记为 0K 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 4 4 热力学温标 按照国际规定是最基本的温标 它只是 一种理想温标 热力学温标 按照国际规定是最基本的温标 它只是 一种理想温标 理想气体温标由于在它所能确定的温度范围内等于热 力学温标 所以往往用同一符号 理想气体温标由于在它所能确定的温度范围内等于热 力学温标 所以往往用同一符号T代表这两种温标的 温度 代表这两种温标的 温度 在理想气体温标可以实现的范围内 热力学温标可通 过理想气体温标来实现 在理想气体温标可以实现的范围内 热力学温标可通 过理想气体温标来实现 1990年国际实用温标 年国际实用温标 ITS 90 以纯物质的相平衡点 定义固定点 为基础建立起来 的 以固定点的温度给定值以及在这些固定点上分度 过的标准仪器和插补公式确定的 采用四种标准仪器 复现热力学温标 以纯物质的相平衡点 定义固定点 为基础建立起来 的 以固定点的温度给定值以及在这些固定点上分度 过的标准仪器和插补公式确定的 采用四种标准仪器 复现热力学温标 t90 T90 273 15 一 温标 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 5 5 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 6 6 按测量方法分 接触式和非接触式温度计按测量方法分 接触式和非接触式温度计 二 温度计的分类二 温度计的分类 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 7 7 按测温范围分 高温计和普通温度计按测温范围分 高温计和普通温度计 按用途分 实用温度计和标准温度计按用途分 实用温度计和标准温度计 按工作原理分 按工作原理分 测量温度时感受温度的元件称为感温元件 测量温度时感受温度的元件称为感温元件 感温元件是利用物质的不同物理性质来反映温度的 常用 的物理性质有以下几个方面 感温元件是利用物质的不同物理性质来反映温度的 常用 的物理性质有以下几个方面 1 膨胀式温度计 膨胀式温度计 基于物体受热体积膨胀的性质制成的温度计叫膨胀 式温度计 有气体膨胀式 液体膨胀式和固体膨胀 式三种 基于物体受热体积膨胀的性质制成的温度计叫膨胀 式温度计 有气体膨胀式 液体膨胀式和固体膨胀 式三种 玻璃管温度计是属于液体膨胀式温度计 双金属温 度计是属于固体膨胀式温度计 玻璃管温度计是属于液体膨胀式温度计 双金属温 度计是属于固体膨胀式温度计 二 温度计的分类二 温度计的分类 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 8 8 双金属温度计双金属温度计是属于固体膨胀式温度计 双金 属温度计的感温元件是两片线膨胀系数不同的 金属片叠焊在一起的 是属于固体膨胀式温度计 双金 属温度计的感温元件是两片线膨胀系数不同的 金属片叠焊在一起的 金属片受热 两个金属片膨胀长度不同 弯曲 温 度越高弯曲的角度越大 这就是双金属温度计的 金属片受热 两个金属片膨胀长度不同 弯曲 温 度越高弯曲的角度越大 这就是双金属温度计的测 温原理 测 温原理 双金属温度计 双金属片制成螺旋形 温度变化 时 螺旋的自由端绕中心轴旋转 带动指针偏转 在刻度盘上指示相应的温度 双金属温度计 双金属片制成螺旋形 温度变化 时 螺旋的自由端绕中心轴旋转 带动指针偏转 在刻度盘上指示相应的温度 1 膨胀式温度计 膨胀式温度计 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 9 9 2 压力式温度计 原理原理 在封闭系统中的液体 气体 或低沸点液体的饱和蒸汽受 热后体积膨胀或压力变化这 一原理制作的 是用压力随 温度的变化来测温的仪表 如图为压力式温度计 在封闭系统中的液体 气体 或低沸点液体的饱和蒸汽受 热后体积膨胀或压力变化这 一原理制作的 是用压力随 温度的变化来测温的仪表 如图为压力式温度计 组成 组成 温包 毛细管 弹簧管 温包 毛细管 弹簧管 温包 直接与被测物接触的 感温元件 它须有强度高 膨胀系数小 热导率高 温包 直接与被测物接触的 感温元件 它须有强度高 膨胀系数小 热导率高 抗腐 蚀等性能 可用铜合金 钢 或不锈钢制造 抗腐 蚀等性能 可用铜合金 钢 或不锈钢制造 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 10 10 3 热电偶温度计 热电偶温度计 利用不同材料的金属焊接在一起 当温度发 生变化时 会产生热电势 依靠热电势的测 量来测温度 利用不同材料的金属焊接在一起 当温度发 生变化时 会产生热电势 依靠热电势的测 量来测温度 4 热电阻温度计 热电阻温度计 利用导体或半导体材料的电阻值随温度的变 化而变化的原理测温 利用导体或半导体材料的电阻值随温度的变 化而变化的原理测温 5 热辐射温度计 热辐射温度计 利用高温物体以电磁波的形式辐射出的能量 与物体的温度存在一定的关系对物体进行非 接触式测温 利用高温物体以电磁波的形式辐射出的能量 与物体的温度存在一定的关系对物体进行非 接触式测温 二 温度计的分类二 温度计的分类 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 11 11 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 12 12 2 2 热电偶温度计 一 热电偶温度计的特点一 热电偶温度计的特点 热电偶温度计是以热电偶温度计是以热电效应热电效应为基础的测温仪表 为基础的测温仪表 其测量范围广 结构简单 使用方便 测量准确 可靠 便于信号的远传 自动记录和集中控制 其测量范围广 结构简单 使用方便 测量准确 可靠 便于信号的远传 自动记录和集中控制 可用于可用于 200 1700 范围内的温度测量 特殊 情况可用于 范围内的温度测量 特殊 情况可用于4K的低温或的低温或2800 的高温测量 的高温测量 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 13 13 二 热电偶温度计测温系统原理图二 热电偶温度计测温系统原理图 1 热电偶 热电偶 感温元件 由两种不同材料的导体感温元件 由两种不同材料的导体 A 和和 B 焊接而 成 焊接的一端插入被测介质中 感受被测温度 称为 工作端或热端 另一端与导线相连 称为冷端或自由 端 包括热电极 绝缘管 保护管及接线盒 焊接而 成 焊接的一端插入被测介质中 感受被测温度 称为 工作端或热端 另一端与导线相连 称为冷端或自由 端 包括热电极 绝缘管 保护管及接线盒 2 导线 导线 连接热电偶和测量测量仪表的导线 补偿导线及铜线 连接热电偶和测量测量仪表的导线 补偿导线及铜线 3 显示仪表 显示仪表 显示温度或热电势显示温度或热电势 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 14 14 热电现象 热电现象 取两根不同材料的金属导线取两根不同材料的金属导线A和和B 将其两端焊在一起 组成一个闭合回路 如 将其中的一端加热 此闭合回路中就有热电 势产生 这种现象称为热电现象 该电势包 括 将其两端焊在一起 组成一个闭合回路 如 将其中的一端加热 此闭合回路中就有热电 势产生 这种现象称为热电现象 该电势包 括接触电势接触电势和和温差电势温差电势 B eAB t0 A eAB t tt0 eA t t0 eA t t0 NA NB t t0 三 热电偶 的测温原理热电偶 的测温原理 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 15 15 t t0 A B eA t t0 eB t t0 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 16 16 回路总电势 热电势与两接点温度 热电极材料有关 热电势与两接点温度 热电极材料有关 当热电极材料确定后 热电势是两接点温度的函数 差 当热电极材料确定后 热电势是两接点温度的函数 差 当冷端温度确定后 热电势与热端温度成单值的函 数关系 当冷端温度确定后 热电势与热端温度成单值的函 数关系 所以通过测量热电势可以测温度 所以通过测量热电势可以测温度 一般来说 温差电势很小 可以忽略 一般来说 温差电势很小 可以忽略 ln 00 0 tftfdt N N e ttE t t Bt At AB 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 17 17 四 热电偶分度表四 热电偶分度表 采用实验的方法 将冷端温度采用实验的方法 将冷端温度t0固定为固定为0 测得不同 温度 测得不同 温度t下的下的EAB t 0 值绘成表即热电偶分度表 查 表时应注意冷端温度是否为 值绘成表即热电偶分度表 查 表时应注意冷端温度是否为0 和热电极材料 和热电极材料 分度表 分度表 当t当t0 0 0 时 与温度t对应的数值 表 0 时 与温度t对应的数值 表 非 线性 非 线性 分度号 分度号 与分度表所对应的热 电偶的代号 与分度表所对应的热 电偶的代号 0ttEAB 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 18 18 五 热电偶应用基本定律五 热电偶应用基本定律 1 均质导体定律 均质导体定律 由同一种均质导体 自由电子密度处处相等的导 体 组成的闭合回路 不论导体的截面 长度以及 各处的温度分布如何 均不产生热电势 由同一种均质导体 自由电子密度处处相等的导 体 组成的闭合回路 不论导体的截面 长度以及 各处的温度分布如何 均不产生热电势 证明 证明 应用应用 检验热电极材料的均匀性检验热电极材料的均匀性 即无电势产生 0ln 0ln 0 0 dt N N e ttE N N NN t t Bt At AB B A BA 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 19 19 2 中间导体定律 中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体 只要与第三种 导体接入的两端温度相同 接入第三种导体后 对热电偶回路中的总电势无影响 在热电偶回路中接入第三种导体 只要与第三种 导体接入的两端温度相同 接入第三种导体后 对热电偶回路中的总电势无影响 证明证明 应用应用 节省热电极材料 为信号的远距离传送提供理论依 据 节省热电极材料 为信号的远距离传送提供理论依 据 AB t0 t0 C t 导线的接入无关 与 联立上述两式得 C tetettE tetete tetetettE ABABACB CABCAB CABCABACB 00 000 000 0 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 20 20 3 中间温度定律 中间温度定律 热电偶两接点温度为热电偶两接点温度为t t0时的热电势等于该热电偶两 接点温度分别为 时的热电势等于该热电偶两 接点温度分别为t tn和和tn t0时相应热电势的代数和 时相应热电势的代数和 应用应用 计算校正法进行热电偶冷端温度补偿的理论根据 热电偶分度 表均是以参考端t 计算校正法进行热电偶冷端温度补偿的理论根据 热电偶分度 表均是以参考端t0 0 0 为标准的 而热电偶在实际使用中其自 由端常常不为0 可应用此公式来修正参考端为t 0 为标准的 而热电偶在实际使用中其自 由端常常不为0 可应用此公式来修正参考端为tm m温度时的 热电势 温度时的 热电势 到定律所述表达式成立前两式相加 则上述得 证明 00 00 0 tftfttE tftftte tftftte ttettettE AB nnAB nnAB nABnABAB Q 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 21 21 六 热电偶的结构六 热电偶的结构 1 工业生产对热电极的要求 工业生产对热电极的要求 热电极对温度反应灵敏 热电势与温度之间尽量成线性关系 物理稳定 性高 化学稳定性高 材料组织均匀 易加工 热电极对温度反应灵敏 热电势与温度之间尽量成线性关系 物理稳定 性高 化学稳定性高 材料组织均匀 易加工 2 普通热电偶的结构 普通热电偶的结构 热电极热电极 由两种不同材料的导体 由两种不同材料的导体 A 和和 B 焊接而成 焊接的一端插入被测 介质中 感受被测温度 称为工作端或热端 另一端与导线相连 称为 冷端或自由端 贵金属的偶丝直径为 焊接而成 焊接的一端插入被测 介质中 感受被测温度 称为工作端或热端 另一端与导线相连 称为 冷端或自由端 贵金属的偶丝直径为0 3 0 65mm 普通金属的偶丝直径 为 普通金属的偶丝直径 为0 5 3 2mm 长度由安装条件及插入深度而定 一般为 长度由安装条件及插入深度而定 一般为350 2000mm 绝缘管绝缘管 绝缘子绝缘子 防止两根热电极 短路 有单孔管 双孔管及四孔管 防止两根热电极 短路 有单孔管 双孔管及四孔管 保护管 保护管 保护热电极不受化学腐 蚀和机械损伤 保护热电极不受化学腐 蚀和机械损伤 接线盒 接线盒 是供热电极和补偿导线连接用的是供热电极和补偿导线连接用的 常用铝合金制成 连接热电极和补偿导线的 螺丝必须拧紧 以免产生较大的接触电阻而 影响测量的准确度 常用铝合金制成 连接热电极和补偿导线的 螺丝必须拧紧 以免产生较大的接触电阻而 影响测量的准确度 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 22 22 标准化热电偶是定型生产 有统一分度表的通用热电 偶称作标准化热电偶 定型生产 有统一分度表的通用热电 偶称作标准化热电偶 现在国际上已有 现在国际上已有8 种标准化的热 电偶 型号材料测温范围 种标准化的热 电偶 型号材料测温范围 型号材料测温范围 型号材料测温范围 S 铂铑铂铑10 铂铂 50 1768 N镍铬硅镍铬硅 镍硅镍硅 270 1300 R 铂铑铂铑13 铂铂 50 1768 E 镍铬镍铬 铜镍合金铜镍合金 270 1000 B铂铑铂铑30 铂铑铂铑60 1820 J铁铁 铜镍合金铜镍合金 210 1200 K 镍铬镍铬 镍硅镍硅 270 1372 T铜铜 铜镍合金铜镍合金 270 400 七 热电偶的种类七 热电偶的种类 1 标准热电偶 标准热电偶 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 23 23 名称分度号测量范围 适用气氛名称分度号测量范围 适用气氛 稳定性 铂铑 稳定性 铂铑30 铂铑铂铑6B200 1800氧化 中性0 1800氧化 中性 1500 良 铂铑 优 1500 良 铂铑13 铂铂R 铂铑铂铑10 铂铂S 镍铬镍铬 镍硅 铝 镍硅 铝 K 270 1300氧化 中性中等 镍铬硅 0 1300氧化 中性中等 镍铬硅 镍硅镍硅N 270 1260 氧化 中性 还原 良 镍铬 0 1260 氧化 中性 还原 良 镍铬 康铜康铜E 270 1000氧化 中性中等 铁 0 1000氧化 中性中等 铁 康铜康铜J 40 760 氧化 中性 还原 真空 0 760 氧化 中性 还原 真空 500 差 铜 良 500 差 铜 康铜康铜T 270 350 氧化 中性 还原 真空 0 350 氧化 中性 还原 真空 170 200 优 钨铼 0 200 优 钨铼3 钨铼钨铼25 WRe3 WRe25 钨铼钨铼5 钨铼钨铼26 WRe5 WRe26 0 2300 中性 还原 真空 中等0 2300 中性 还原 真空 中等 40 1600氧化 中性0 1600氧化 中性 1400 良 优 1400 良 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 24 24 Thermocouple TypeNames of MaterialsUseful Application Range B Platinum30 Rhodium Platinum 6 Rhodium 1370 1700 C W5Re Tungsten 5 Rhenium W26Re Tungsten 26 Rhenium 1650 2315 E Chromel Constantan 95 900 J Iron Constantan 95 760 K Chromel Alumel 95 1260 N Nicrosil Nisil 650 1260 R Platinum 13 Rhodium Platinum 70 1450 S Platinum 10 Rhodium Platinum 980 1450 T Copper Constantan 200 350 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 25 25 1 对热电偶的有关说明 对热电偶的有关说明 a 各种型号的热电偶电极材料前者为 各种型号的热电偶电极材料前者为 极 后者为极 后者为 极 极 b 在实际使用中 一般允许测量的温度上限是极限值 的 在实际使用中 一般允许测量的温度上限是极限值 的60 80 c 铂铑 铂铑10 表示铂占表示铂占90 铑占 铑占10 d 以 以S K B E分度号热电偶最常使用 分度号热电偶最常使用 B B分度号适用温度最高 长期最高使用温度可达1600 分度号适用温度最高 长期最高使用温度可达1600 S BS B 分度号的热电特性曲线非线性大 产生的热电势小 分度号的热电特性曲线非线性大 产生的热电势小 K K分度号热电特性呈线性 产生的热电势较大 可长期使用在 900 以下温度 分度号热电特性呈线性 产生的热电势较大 可长期使用在 900 以下温度 E E分度号产生的热电势率最大 分度号产生的热电势率最大 T T分度号可用于低温测量 灵敏度高 稳定性好 分度号可用于低温测量 灵敏度高 稳定性好 热电偶在测量温度高时 适用于氧化性气氛中使用 均不推 荐在还原性气氛中使用 热电偶在测量温度高时 适用于氧化性气氛中使用 均不推 荐在还原性气氛中使用 2011 4 5 11 37 51热工仪表讲义热工仪表讲义 26 26 2 热电偶的选用原则 热电偶的选用原