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温度检测仪表编制 刘莉圆2015年5月 1温度检测的基本概念2温度仪表的分类3压力式温度计4双金属温度计5热电阻温度计6热电偶温度计7温度仪表选型规范8练习题 一 温度的基本概念 温度是表征物体冷热程度的物理量 是化工生产中重要的测量及控制参数 它不能直接测量 只能借助于冷热不同物体之间的热交换 以及物体的某些物理性质随冷热程度的不同而变化的物理特性来间接测量 摄氏温标 以 来表示 在一个标准大气压下把纯水的冰点定为0 C 沸水温度定为100 C 在0 C和100 C之间分成100等份 每一份就是1 C 这种方法确定的温标叫做摄氏温标 摄氏温标是瑞典天文学家摄尔修斯在1742年提出来的 华氏温标 以 表示 华氏温标把水的冰点定为32 水的沸点定为212 在32 和212 之间分为180等份 每份为1 热力学温标 又称国际温标 单位为开 尔文 用K表示 它是把水的冰点定为273 15K 沸点定为373 15K 由于水的三相点在摄氏温标上为0 01 所以0 273 15K 热力学温标的零点 即绝对零度 记为 0K 换算关系 9 5 32 32 5 9K 273 15式中 K 开尔文温度 热力学温度 摄氏温度 华氏温度 二 温度仪表的分类 按测量方式液体玻璃管温度计 玻璃棒温度计 接触式压力式温度计 液体式 气体式 蒸汽式 固体膨胀式温度计 双金属温度计 热电阻温度计 Pt100 Cu50 热电偶温度计 K S B E J E T 光学高温计非接触式辐射高温计 各类温度计的特点 三 压力式温度计 3 1原理及结构压力式温度计是利用封闭容器内的液体 气体或饱和蒸汽受热后产生体积膨胀或压力变化作为检测信号 它的基本结构是由温包 毛细管和指示表三部分组成 3 2压力式温度计的分类A液体式 利用液体受热后体积膨胀带动指针偏转显示温度 B气体式 利用高温下的气体压力与温度的关系显示温度 C蒸汽式 利用低沸点液体的饱和蒸汽压随温度变化的特性来测量温度 压力式温度计的基本指标 四 双金属温度计 4 1工作原理及结构双金属温度计是利用固体受热产生几何位移作为测温信号的一种固体膨胀式温度计 双金属温度计的感温元件通常是由两种膨胀系数不同 彼此又牢固结合的金属制作成螺旋形状 绕城螺旋形状的双金属感温元件一端固定 另一端连接指针轴 当被测物体温度变化时 两种金属由于膨胀系数不同 使螺旋管曲率发生变化 通过指针轴带动指针偏转 直接显示温度示值 4 2双金属温度计分类按双金属温度计指针盘与保护管的连接方向分为 轴向型双金属温度计 指针盘与保护管垂直连接 径向型双金属温度计 指针盘与保护管平行连接 135 向型双金属温度计 指针盘与保护管成135 连接 万向型双金属温度计 指针盘与保护管连接角度可任意调整 4 3双金属温度计的基本参数WSS 表盘公称尺寸 3 60 4 100 5 150 结构形式 0 轴向型 1 径向型 2 135 向 8 万向型 0 无固定装置 1 可动外螺纹 2 可动内螺纹 3 固定外螺纹 4 固定法兰 F 防护性 O 电接点型 MO 大电流型 EX 防爆型 双金属温度计的基本参数 五 热电阻温度计 5 1测温原理热电阻时利用电阻与温度呈一定函数关系的金属导体或半导体材料制成的敏感元件 它由热电阻丝 骨架及引线组成的热电阻测温元件 热电阻温度计适用于测量 200 500 范围内液体 气体 蒸汽及固体表面的温度 对于线性变化的热电阻来说 其电阻值与温度关系如下式 式中 Rt是温度为t 时的电阻值 Rt0是温度为t0时的电阻值通常为100 a是电阻温度系数 t是温度的变化值 Rt是电阻值的变化量 5 2热电阻传感器的材料 金属导体 铂 铜 镍等 半导体 锗 碳 热敏电阻等 作为热电阻的金属材料一般要求 尽可能大而且稳定的温度系数 电阻率要大 在使用的温度范围内具有稳定的化学和物理性能 材料的复制性好 电阻值随温度变化要有单值函数关系 最好呈线性关系 我国最常用的铂热电阻有R0 10 R0 100 和R0 1000 等几种 它们的分度号分别为Pt10 Pt100和Pt1000 铜热电阻有R0 50 和R0 100 两种 分度号分别为Cu50和Cu100其中Pt100和Cu50的应用更为广泛 5 2 1铂电阻金属铂容易提纯 在氧化性介质中具有很高的物理化学稳定性 有良好的复制性 但价格较贵 要确定Rt t的关系 首先要确定R0的大小 R0不同 Rt t的关系也不同 这种Rt t的关系称为分度表 用分度号来表示 工业上使用的铂电阻主要有分度号为Pt100 它的R0 100 铂电阻温度系数为0 00395 0 时电阻值为100 电阻变化率为0 3851 所谓电阻的温度系数 是指当温度每升高一度时 电阻增大的欧姆数 Pt100热电阻分度表 5 2 2铜电阻金属铜易加工提纯 价格便宜 它的电阻温度系数很大 且电阻与温度呈线性关系 在测温范围为 50 150 内 具有很好的稳定性 在 50 150 的范围内 铜电阻与温度的关系是线性的 即其中铜电阻温度系数a 0 00425工业上常用的铂电阻有两种 一种是R0 50 对应的分度号为Cu50 另一种是R0 100 对应的分度号为Cu100 Cu50铜热电阻分度表 5 3热电阻的结构热电阻的电阻体由电阻丝和电阻支架组成 电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母 石英或陶瓷塑料支架上 由玻璃或陶瓷作外保护层 防止有害气体腐蚀和氧化 支架起支撑和绝缘作用 引出线通常采用直径1mm的银丝或镀银铜丝 它与接线盒柱相接 以便与外接线路相连而测量机显示温度 铂热电阻结构示意图 铜热电阻结构示意图 5 4热电阻的分类 按材料分 可分为金属热电阻式和半导体热电阻式 1 按结构分 普通型热电阻 铠装热电阻 薄膜热电阻 2 3 按用途分 工业用热电阻 精密标准电阻 5 4 1普通型热电阻 普通装配式热电阻是由感温体 不锈钢外保护管 接线盒以及各种用途的固定装置级成 安装固定装置有固定外螺纹 活动法兰盘 固定法兰和带固定螺栓锥形保护管等形式 5 4 2铠装热电阻 将电阻体 感温元件 焊到由金属保护套管 绝缘材料和金属导线三者拉伸而成的细管导线上形成的 然后再外面再焊一段短管做保护套管 在热电阻体与保护套管之间填满绝缘材料 最后焊上封头 优点 1 尺寸小 响应速度快 2 机械性能好 耐震动和冲击 3 除感温元件外 其它部分可弯曲 适合复杂结构 4 不易侵蚀 寿命长5 4 3薄膜热电阻 它将热电阻材料通过真空镀膜 直接蒸镀到绝缘基座底上 这种热电阻体积小 灵敏度高 5 4 4端面热电阻 它是特殊处理的丝材绕制 紧巾在温度计前端 与一般轴向热电阻相比 更能更正确和迅速地反映被测端面的实际温度 适用于测量轴瓦或其他机件的端面温度 5 5 1两线制 在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制 这种引线方法很简单 但由于连接导线必然存在引线电阻r R大小与导线的材质和长度的因素有关 因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合 5 5热电阻的接线方式 5 5 2三线制 在热电阻的根部的一端连接一根引线 另一端连接两根引线的方式称为三线制 这种方式通常与电桥配套使用 可以较好的消除引线电阻的影响 是工业过程控制中的最常用的引线电阻 5 5 3四线制 在热电阻根部两端各连接两根导线的方式称为四线制 其中两根引线为热电阻提供恒定电流Is 把Rt转换为电压信号Ui 再通过另两根引线把Ui引至二次仪表 可见这种引线方式可以完全消除引线电阻的影响 主要用于高精度的温度检测 5 6热电阻的选型热电阻型号命名方法 WZ ABCW 温度仪表Z 热电阻 热电阻材料 P 铂电阻 C 铜电阻 装配形式 无 普通装配式 K 铠装 阻丝对数 无 单只 2双支A 安装固定形式 1 无固定装置式 2 固定螺纹式 3 活动法兰式 4 固定法兰式 5 固定螺纹锥形保护管式 B 接线盒形式 2 防溅式 3 防水式 6 防爆式C对于装配式热电阻 0 16保护管 1 12保护管对于铠装热电阻代表铠装直径 3 3mm 4 4mm 5 5mm 6 6mm 5 7热电阻常见故障及处理办法 六 热电偶温度计 6 1测温原理热电偶测温的基本原理 任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路 如果将它们的两个接点分别置于温度各为t及t0的热源中 则在该回路内就会产生热电势 t端称为工作端 假定该端置于热源中 又称测量端或热端t0端称为自由瑞 又称参考端或冷端这两种不同导体或半导体的组合称为热电偶每根单独的导体或半导体称为热电极 闭合回路中所产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成 式 i 就是热电偶测温的基本公式 当冷端温度t0一定时 对于确定的热电偶来说 EAB t0 为常数 因此 其总热电势EAB t t0 就与温度t成单值函数对应关系 和热电偶的长短 直径无关 只要测量出热电势大小 就能判断被测温度的高低 这就是热电偶的温度测量原理 右图A表示正电极 B表示负电极 由于温差电势比接触电势小很多 常常把它忽略不计 这样热电偶的电势可表示为 重要结论 1 如果组成热电偶的两种电极材料相同 则无论热电偶冷 热两端的温度如何 闭合回路中的总热电势为零 2 如果热电偶冷 热两端的温度相同 则无论两电极材料如何 闭合回路中的总热电势也为零3 热电偶产生的热电势除了冷 热两端的温度有关之外 还与电极材料有关 也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的 注意 由于热电极的材料不同 所产生的接触热电势亦不同 因此不同热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 热电偶一般都是在自由端温度为0 时进行分度的 因此 若自由端温度不为0 而为t0时 则热电势与温度之间的关系可用下式进行计算 EAB t t0 EAB t 0 EAB t0 0 式6 1 例题1 有一只K型热电偶 测量合成反应器中的温度 已知热电偶工作端温度为800 自由端 冷端 温度为30 求热电偶产生的热电势E 800 30 解 由K型热电偶毫伏表可以查得E 800 0 33 277 mV E 30 0 1 203 mV 将上述数据代入式 6 1 即得E 800 30 E 800 0 E 30 0 32 074 mV 例题2 某支铂铑10 铂热电偶在工作时 自由端温度t0 30 测得热电势E t t0 14 195mV 求被测介质的实际温度 由S型热电偶毫伏表可以查得E 30 0 0 173 mV 代入式 6 1 变换得E t 0 E t 30 E 30 0 14 195 0 173 14 368 mV 再由S型热电偶毫伏表可以查得14 368mV对应的温度t为1400 两个重要定律中间导体定律 如果断开冷端 在热电偶中接入第三种 第四 导体后 只要接入导体的两端温度相同 接入的导体对原热电偶回路中的热电势均没有影响 根据这一性质 可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线 只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出 等值替换定律 如果热电偶AB在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶CD在同一温度范围内所产生的热电势相等 即 则这两支热电偶在该温度范围内是可以相互替换的 这就是所谓的热电偶等值替代定律 例如右图 设 证明该回路的总热电势为 某热电偶 热端温度为t 冷端温度为tc 显然冷端温度难以实现恒定 怎么办 可以把热电偶做得很长 一直到控制室 把冷端温度延伸到控制室 变为t0 恒定t0比较容易 此时 测得的热电势为 但热电偶一般为 较 贵重的金属 采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料 不妥 如果选用一组较廉价的材料 C D 且CD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶AB在同一温度范围内所产生的热电势相等 就可以用CD来替代AB的延伸段 CD即为热电偶AB的补偿导线 通常CD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成 一般在0 100 范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质 在选择和使用补偿导线时 要和热电偶的型号相匹配 注意极性不能接错 热电偶与补偿导线连接处的温度一般不能高于100 6 2热电偶的结构形式按结构形式分为 普通型 铠装型 表面型和快速型 普通型热电偶主要由热电极 绝缘管 保护套管和接线盒等主要部分组成 热电极是组成热电偶的两根热电偶丝 贵金属热电极一般做0 3 0 65mm 普通金属电极丝一般为0 5 3 2mm 其长度由插入深度决定 绝缘管是用来防止两根电极短路 保护套管是套在热电极 绝缘管的外面 其作用是保护电极不受化学腐蚀和机械伤害 铠装型热电偶是由热电极 绝缘材料和保护套管三者经过拉伸加工成型的 保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末 常用的绝缘材料有氧化镁 氧化铝等 装型热电偶可以做得很细 一般为2 8mm 在使用中可以随测量需要任意弯曲 6 3热电偶的分类工业上对热电极材料的要求 在测温范围内要有足够物理 化学稳定性 不易被氧化或腐蚀 在测温范围内其热电性质要稳定 不随时间变化 电阻温度系数要小 电导率要高 组成热电偶后产生的热电势要大 其值与 温度成线性关系或有简单的函数关系 材料组织均匀 要有韧性 便于加工成丝 铂铑30 铂铑6热电偶 简称为双铂铑热电偶 分度号为B 该热电偶的正负极都是铂铑合金 仅仅是合金含量比例丌同而巳 正极含铑30 负极含铑为6 双铂铑热电偶的抗沾污能力强 在测温1800 温度时仍有很好的稳定性 其测温精度较高 适用于氧化性 中性介质 可以长期连续测量1400 1600 的高温 短期测量可达1800 双铂铑热电偶的灵敏度较低 使用时应配灵敏度较高的显示仪表 在室温时温度对热电势的影响极小 故使用时一般丌需要迚行温度补偿 铂铑 铂热电偶 其分度号为S 正极是90 铂和10 铑的合金 负极为纯铂丝 这种热电偶的优点是能容易制备纯度极高的铂铑合金 因此便于复制 且测温精度高 可作为国际实用温标中630 74 1064 43 范围内的基准热电偶 其物理化学稳定性高 宜在氧化性和中性气氛中使用 它的熔点较高 故测温上限亦高 在工业测量中一般用它测量1000 以上的温度 在1300 以下可长期连续使用 短期测温可达1600 铂铑 铂热电偶的缺点是价格昂贵 热电势小 在还原性气体 金属蒸气 金属氧化物及氧化硅和氧化硫等气氛中使用时会很快受到沾污而变质 故在这些气氛中使用它他须加保护套管 另外 这种热电偶的热电性能的非线性较大 在高温下其热电极会升华 使铑分子渗透到铂极中去沾污它 导致热电势不稳定 镍铬 镍硅热电偶 其分度号为K 正极成分是9 10 铬 0 4 硅 其余为镍 负极成分为2 5 3 硅 0 6 铬 其余为镍 这类热电偶的优点是有较强的抗氧化性和抗腐蚀性 其他学稳定性好 热电势较大 热电势不温度问的线性关系好 其热电极材料的价格便宜 可在1000 以下长期连续使用 短期测温可达1300 镍铬 镍硅热电偶的缺点是在500 以上的温度中和在还原性介质中 以及在硫及化物气氛中使用时很容易被腐蚀 所以 在这些气氛中工作时必须加保护套管 另化它的测温精度也低于铂铑 铂热电偶 镍铬 考铜热电偶 文分度号为E 正极镍铬成分为9 10 铬 0 4 硅 其余为镍 负极考铜万分为56 铜和44 镍 镍铬 考铜热电偶的最大优点是热电势大 价格便宜 这种热电偶的缺点是丌能用来测高温 其测温上限为800 长期使用时 只限600 以下 另外 由于考铜合金易受氧化而变质 使用时必须加装保护套管 铁铜镍 其分度好为J 既可用于氧化性气氛 使用温度上限750 也可用于还原性气氛 使用温度上限950 并且耐H2及CO气体腐蚀 多用于炼油及化工 铜 康铜热电偶 其分度号为T 正极为铜 负极为60 铜 40 镍的合金 其优点是测温灵敏度较高 热电极容易复制 价格便宜 低温性能好 高温电炉可测量 200 低温 但其成分铜易氧化 因此一般测温上限丌超过300 6 4热电偶补偿导线的选用由热电偶测温原理知道 只有当热电偶冷端温度保持不变时 热电势才是被测温度的单值函数 在实际应用中 由于热电偶的工作端和冷端距离很近 冷端暴露在外部空间 往往受环境影响 为消除这种影响需要将冷端引入控制室 但是热电极材料往往很贵重 这就需要一种价格低廉专用的导线将冷端引入控制室 这种导线就称为补偿导线 它是有两种不同性质的金属制成 在一定温度范围内 0 100 与所连接的热电偶有相同的热电特性 不同的热电偶补偿导线材料也不相同 使用时注意材料的匹配及正负极的方向 6 5热电偶冷端温度的补偿在补偿导线将冷端温度延伸到温度较低和相对稳定控制室后 由于操作室内的温度往往高于0 而且也是不恒定的 即使有空调也是不恒定的 这时 热电偶产生的热电势必然会随冷端温度的变化而变 因此 在应用热电偶时 只有把冷端温度保持为0 或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果 对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿 目前热电偶冷端温度补偿常用的方法有 冰浴法计算修正法补偿电桥法 冰浴法 把热电偶的冷端放入恒温装置中 保持冷端温度为0 多用于实验室 计算修正法 是把测得的热电势EAB t t0 加上热端t0冷端为0 时的热电势EAB t0 0 才能得到实际温度下的室温EAB t 0 EAB t 0 EAB t t0 EAB t0 0 补偿电桥法 利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶因冷端温度的变化而引起热电势的变化 如图 电桥由R1 R2 R3 均为锰铜电阻 和RCu 热敏铜电阻 组成 在设计的冷端温度 例如t0 0 时 满足R1 R2 R3 RCu 这时电桥平衡 无电压输出 即Uab 0 回路中的输出电势就是热电偶产生的热电势 当冷端温度由t0变化到t 0时 不妨设t 0 t0 热电偶输出的热电势减小 但电桥中RCu随温度的上升而增大 于是电桥两端会产生一个不平衡电压Uab t 0 此时回路中输出的热电势为 由此可知电桥的不平衡电压等于因冷端温度变化引起的热电势变化 于是实现了冷端温度的自动补偿 6 6热电偶的选型热电偶型号命名的方法WR 2 温度仪表热电偶 R 铂铑30 铂铑6 B P 铂铑10 铂 S N 镍铬 镍硅 K E 镍铬 铜镍 镍铬 康铜 E C 铜 铜镍 T F 铁 铜镍 J M 镍铬硅 镍硅 N B 标准热电偶 K 铠装热电偶 M 表面热电偶 2代表双支 安装固定形式 1 无固定装置式 2 固定螺纹式 3 活动法兰式 4 固定法兰式 5 活动法兰角尺式 6 固定螺纹锥形保护管式 接线装置 0 自由端为简易式 1 普通接线盒 2 防溅接线盒 3 防水接线盒 4 防爆接线盒 5 防喷接线盒 直径序号 0 16mm保护管 1 20mm保护管 6 6热电偶常见故障及处理 七 温度仪表选型规范 7 1就地式温度计7 1 1工业用温度计宜选用1 5级 精密测量用温度计应选用0 5级或0 25级 7 1 2就地温度仪表最高最高测量值不应大于仪表测量范围上限值90 正常测量值宜在仪表测量范围上限值的50 左右 7 1 3压力式温度计测量的应在仪表测量范围上限值的50 75 之间 7 1 4对于0 以下低温测量 仪表测量范围上限值应覆盖环境温度 7 1 5双金属温度计表壳直径宜选用 100mm 在照明条件较差 安装位置较高或观察距离较远的场所 应选用 150mm 7 1 6双金属温度计仪表外壳与保护管连接方式 宜选用万向式 也可按照观测方便的原则选用轴向式或径向式 7 1 7对于 80 以下低温 无