《温度测量及变送》PPT课件

第五章温度测量及变送 概述膨胀式温度计热电偶温度计热电阻温度计小结 第一节概述 常用 玻璃温度计 压力温度计 双金属温度计 热电偶温度计 热电阻温度计 一 温度测量方法 1 接触式测温 任意两个冷热程度不同物体相接触 均会发生热交换 热量将由温度高的物体传向温度低的物体 直到两物体完全达到热平衡 要求 测温物体的物理性质必须连续 单值地随温度变化 且复现性好 需满足条件 感温部件与被测介质充分接触 保证热交换时间 返回 第一节概述 2 非接触式测温 测温元件任何部位均不与被测物体相接触 多以辐射式为主 经被测物体与感温元件之间的热辐射作用实现测温 特点 不破坏被测的温度场 可测移动或转动物体及物体表面温度 反映速度较快 测温范围广 受物体发射率 对象与仪表间距 烟尘和蒸汽等影响 精度不高 常用于测量1000 以上移动 旋转或反应迅速的高温物体温度 返回 第一节概述 按测量方式 接触式和非接触式 二 温标 1 摄氏温标 用t表示 单位记为 2 国际温标 用T表示 单位开尔文 记为 三 温度测量仪表的分类 按工作原理 膨胀式 热电阻 热电偶及辐射式等 规定 水的三相点热力学温度为273 16 定义 1K 1 273 16 0 273 15K t T 273 15 各常用测温仪表的测温原理 基本特性见表5 1 返回 第二节膨胀式温度计 原理 物体受热体积膨胀 一 玻璃管液体温度计 体温计 水银温度计 优点 结构简单 精度较高 价格便宜 缺点 读数不便 玻璃易碎 不能远传 常用于实验室 适用范围 200 600 分为气体 液体 固体膨胀式 返回 第二节膨胀式温度计 二 压力式温度计 由温包 毛细管和弹簧管构成封闭系统 感温介质 液体 水银或有机液体 气体 氮气 氢气 蒸汽 低沸点丙酮 乙醚 一定质量液体或气体 容积一定 则 气 液体的体积膨胀系数 气体的压缩系数 毛细管容积 温包容积内径约0 4mm 长度 50m 返回 第二节膨胀式温度计 三 双金属温度计 两膨胀系数不同的金属片叠焊 一端固定 一端自由 受热后产生弯曲变形 弯曲程度与温度成比例 x 双金属片自由端位移 l 双金属片长度 d 双金属片厚度 t 温度变化量 G 弯曲率 测量范围 80 600 精度 1 1 5 2 5 返回 第二节膨胀式温度计 返回 第二节膨胀式温度计 返回 第三节热电偶温度计 一 测温原理 热电效应 两种不同均质导体组成闭合回路 两端存在温差时 回路中有电流通过 即 存在热电势 热电势包括温差电势和接触电势 1 温差电势 在同一导体的两端因其温度不同而产生的电势 eA t t0 大小只与导体材料和导体两端点温度t t0有关 与导体长度 截面及沿长度的温度分布情况无关 热电偶温度计由热电偶 导线 显示仪表组成 返回 第三节热电偶温度计 2 接触电势 由两种电子密度不同的导体相互接触所产生的电势 eAB t 大小取决于两导体材料及接触点温度 材料一定 只与接触点温度有关 回路中总电势可表示为 因温差电势 接触电势 可略 则回路总电势可近似为 返回 第三节热电偶温度计 讨论 1 EAB t t0 取决于两种材料及两端温度 与导体粗细长短及沿长度的温度分布情况无关 2 材料选定 固定冷端温度t0 测得EAB t t0 可知t 3 若两种材料相同或两接点温度相同 EAB t t0 0 4 EAB t t0 脚标AB表示热电势方向 A为正极 B为负极 t为高温端 t0为低温端 若次序改变 则热电势前面符号也随之改变 返回 第三节热电偶温度计 二 第三导体定律 热电偶回路接入第三种导体 只要与第三种导体相接的两接点温度相同 则对回路中电势无影响 返回 第三节热电偶温度计 1 铂铑30 铂铑6 分度号 B 测温范围0 1600 短期可达1820 精度高 热电势小 700 2 431mV 三 常用热电偶 2 铂铑10 铂 分度号 S 测温范围 50 1300 短期1600 精度高 可用于精密测量 可作基准热电偶 价格高 电势较小 500 4 234mV 3 镍铬 镍硅 分度号 K 测温范围 50 1000 短期1200 价廉 热电势较大 近似线性 热电势比S高3 4倍 500 20 64mV 返回 5 铜 康铜分度号 T 廉价金属热电偶中精确度最高 稳定性好 低温测量灵敏度高 200 300 短期350 误差 0 5 1 6 铁 康铜分度号 J 700 以下线性非常好 具有较高的灵敏度 40 700 短期750 误差 1 5 2 5 4 镍铬 康铜 分度号 E 测温范围 200 750 短期870 价格便宜 热电势大 比K型高近 倍 500 37mV 第三节热电偶温度计 各热电偶热电特性曲线 返回 第三节热电偶温度计 EAB t t0 取决于两导体材料及接触点温度t t0 当两种材料一定时 只与t t0有关 四 分度表 分度表 t0 0 时 热电势E t 0 与温度t的对应关系 相同分度号的热电偶可共用同一分度表 若将t0作参考点 冷端 保持不变 则EAB t t0 只与接触点t 测温端或热端 温度有关 即 E f t 常用分度表见本章附表 分度表可由t E t 0 或E t 0 t 分度表 返回 第三节热电偶温度计 五 补偿导线 补偿导线 两种廉价导体材料的导线 在一定温度范围内热电特性与热电偶相同或十分相近 若A B 为普通导线 则E EAB t t0 t0 为现场环境温度 不稳定 补偿型 C A A B B 用于贵金属热电偶 延伸型 X A A B B 用于廉价金属热电偶 补偿型必须将热电偶与补偿导线连接处温度 100 返回 第三节热电偶温度计 不同分度号热电偶补偿导线材料不同 应注意型号匹配与正负极性连接正确 注意 补偿导线本身并无温度补偿作用 仅起到热电偶冷端的延伸作用 返回 第三节热电偶温度计 六 冷端温度补偿方法 因分度表在t0 0 得到 只有得到E t 0 才能由分度表得实测温度t 1 冰浴法 将冷端延伸到冰水混合物0 中 测得EAB t 0 直接查表求得t 补偿精度高 使用不便 用于实验室温度精密测量 冷端温度补偿 则需将 返回 第三节热电偶温度计 2 计算修正法 当t0 0 时 测得热电势为E t t0 可采用 E t 0 E t t0 E t0 0 E t 0 冷端0 热端t 热电势 E t t0 冷端t0 热端t 热电势 由热电偶回路测得 E t0 0 冷端0 热端t0 热电势 由室温计测t0 查分度表得到 返回 第三节热电偶温度计 3 补偿电桥法 利用不平衡电桥随温度变化产生电压 补偿冷端温度变化导致热电偶回路电势变化 当桥路取在0 平衡时 R1 R2 R3 Rcu R0桥路无输出 Uab 0 当冷端温度t0 0 时 t0 Rcu R0 Uab 热电偶回路中热电势 t0 E t t0 适当选择桥路参数 使Uab E t0 0 达到自动补偿 Ex 返回 第三节热电偶温度计 七 热电偶结构 1 普通型热电偶 热电极 贵金属D 0 3 0 65mm 普通金属D 0 5 3 2mm 长度一般350 2000mm 绝缘子 聚四氟乙烯 石英 陶瓷等材料 结构有单孔 双孔和四孔 保护套管 有金属 非金属和金属陶瓷三类 接线盒 用于导线与热电极连接 返回 第三节热电偶温度计 固定螺纹锥形保护管连接 高强度结构 用于P 30MPa 流速 80m s的测量 常用连接方式 螺纹连接或法兰连接 用于P 10MPa的测量 返回 第三节热电偶温度计 2 铠装热电偶 热电极与绝缘材料及金属套管经整体复合拉伸而成的可弯曲的坚实组合体 标准铠装型 外径0 5 8mm 热电极 0 1 1 3mm 套管壁厚0 075 1mm 长度 500m 动态特性好 10s 寿命短 套管壁薄 热电极细 返回 适用于温度变化频繁 热容量较小 结构复杂对象 第三节热电偶温度计 八 热电偶测温系统的组成 1 热电偶 测温元件 2 导线 补偿导线 3 显示仪表 输入mV 带冷端补偿 模拟 数显或控制仪表 计算机 一 温度显示或控制 二 热电偶 变送器 显示或控制 1 热电偶 测温元件 2 导线 补偿导线 3 温度变送器 输入mV 带冷端补偿 4 显示仪表 输入4 20mA 模拟 数显或控制仪表 计算机 返回 第三节热电偶温度计 3 显示仪表 输入4 20mA 数显仪表 计算机 三 一体化温度变送器 显示或控制 1 一体化温度变送器 热电偶与变送器一体化 不需补偿导线 2 导线 普通导线 返回 一体化温度变送器 热电偶 第三节热电偶温度计 返回 第三节热电偶温度计 返回 第四节热电阻温度计 一 测温原理 利用某些物质自身电阻随温度发生变化的特性 金属导体或半导体电阻值与温度呈一定函数关系 金属导体电阻 Rt Rt0 1 t t0 Rt一温度为t 的电阻值 Rt0一温度为t0 的电阻值 一电阻温度系数 半导体电阻 RT AeB T RT一温度为T的电阻值 T一绝对温度 e一自然对数的底 2 71828 A B一常数 与材料有关 一般温度每上升1 导体电阻增大0 36 0 68 半导体电阻下降3 6 返回 第四节热电阻温度计 二 常用金属热电阻 1 铂热电阻 测温范围 200 850 分度号 Pt10 Pt100 200 0 范围 Rt R0 1 At Bt2 C t 100 t3 0 850 范围 Rt R0 1 At Bt2 R0 0 阻值 分别为R0 10 和100 A 3 90802 10 31 B 5 80195 10 71 2 C 4 27350 10 121 4 平均电阻温度系数 3 85 10 31 Pt10电阻丝较粗 主要用于600 以上温度测量 特点 精度高 性能稳定可靠 抗氧化性好 Rt R0 1 t 返回 第四节热电阻温度计 2 铜热电阻 测温范围 50 150 分度号 Cu50 Cu100 特点 电阻温度系数大 且材料易提纯 价格便宜 电阻率低 R0分别为50 和100 Rt R0 1 t 平均电阻温度系数 4 28 10 31 3 热电阻结构 1 普通型热电阻 电阻体 0 01 0 07mm电阻丝双线无感绕制而成 消除电流变化或外界交变磁场产生的感应电势 结构图 若有温度梯度存在 检测值为感温元件所在范围内介质的平均温度 返回 第四节热电阻温度计 内引线 工业用 1mm 标准或实验室用 0 3 0 5mm 保护管 同热电偶保护管 材质有金属或非金属等 导线连接方式 为减少导线电阻对测量的影响 采用三线制或四线制连接方式 三线制连接 与测量桥路配合使用 桥路平衡时 R2 Rt r R1 R3 r 桥路设计若满足R1 R2 则r可完全消去 返回 第四节热电阻温度计 R0 R3 初始固定电阻 Uab不仅与被测温度t有关 且与导线电阻r有关 即与导线长度 环境温度等因素有关 改进前采用二线制有导线电阻影响 改进后采用三线制克服导线电阻影响 返回 四线制连接 与电压或电势输入的自动平衡式仪表配合使用 电位差计测得U 可得Rt U I 只要恒流源电流稳定 此方法不受任何条件限制 能消除连接导线电阻对测量的影响 第四节热电阻温度计 返回 第四节热电阻温度计 2 铠装热电阻 结构及特点与铠装热电偶相似 外径为2 8mm 个别可制成1mm 优点 外型尺寸小 响应速度快 抗震 可挠 适于结构复杂部位测量 返回 第四节热电阻温度计 1 热电阻测温元件 2 导线普通导线 三线 4 显示仪表 输入4 20mA 模拟 数显仪表 计算机 二 热电阻 变送器 显示仪表 3 温度变送器 输入电阻信号 三 热电阻测温系统组成 1 热电阻测温元件 2 导线普通导线 三线 3 显示仪表模拟 数显仪表 计算机 一 热电阻 显示仪表 返回 第四节热电阻温度计 3 显