第18章温度检测仪表

1,第18章温度检测仪表,2,基本要求,掌握温度、温标的概念、温度检测仪表的分类掌握热电偶温度计测温原理、自由端温度的处理了解热电偶的结构形式掌握热电阻测温原理了解热电阻的结构和类型掌握热电阻温度检测系统：三线制、四线制掌握玻璃管温度计、双金属温度计、压力式温度计的测温原理掌握辐射测温原理及主要的方法,3,18.1概述,热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。,1.温度,4,摄氏温标华氏温标热力学温标国际实用温标,2.温标温标是温度的数值表示法，是衡量温度大小的尺度。,5,(1)摄氏温标,工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是指在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，)，水的冰点及沸点分别对应0度和100度。一般用小写字母t表示。摄氏温标百度温标,(2)华氏温标,目前已用得较少，其规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用。,它和摄氏温度的关系如下：,m=1.8n+32,n=5/9(m-32),6,(3)热力学温标,水的冰点（绝对零度）及沸点分别对应273.15度和373.15度。符号：K因是开尔文总结出来的，故又称开尔文温标，是国际基本单位制之一。,(4)国际实用温标,1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位：开尔文，符号：K。,注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔1K=1。若T0表示在标准大气压下冰的融化温度，T0=273.15K。由此得摄氏温标与热力学温标的关系：t=T-T0,7,温度不能直接测量，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不同而变化的特性来加以间接测量。,分类,按测量范围,按用途,高温计、温度计,标准仪表、实用仪表,按工作原理,热电偶温度计、热电阻温度计、膨胀式温度计、压力式温度计和辐射高温计,按测量方式,接触式与非接触式,3.温度检测仪表的分类,8,表18-1常用温度计的种类及优缺点,9,18.2热电偶温度计热电效应热电势主要由两部分组成：接触电势和温差电势温差电势：同一导体因两端温度不同而产生的热电势原因：高温端电子能量向能量小的低温端移动,10,接触电势：两种不同导体接触时产生原因：两者电子密度不同，扩散速度不同温差电势比接触电势小的多只与两种导体材料A、B及两端温度t，t0有关，与热电极的形状、大小、长短无关,11,热电偶基本定律均质导体定律中间导体定律中间温度定律参考电极定律(标准电极定律),12,几种常用的标准化热电偶的测温范围及热电势,13,几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析,哪几种热电偶的测温上限较高？,结论：,哪几种热电偶的线性较差？,哪一种热电偶的灵敏度较高？,哪一种热电偶的灵敏度较低？,为什么所有的曲线均过原点（零度点）？,哪种热电偶的热电势最小，哪种热电偶的热电势最大？,14,热电偶的分度表,热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法,我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。,直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。本教材p289的附录1列出了工业中常用的热电偶的分度表。,15,假设热电偶的冷端温度为0C，请根据本教材p297的附表1-3工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表，查出100C、0C、100C时的热电势。,例：K型热电偶的分度表,如何由热电偶的热端温度值查热电势?,16,K热电偶的分度表,比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？,17,如何由热电偶的热电势查热端温度值,设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx。,18,常用的热电偶任何两种导体都可组成热电偶，但作为测温的热电偶需满足：温度每增加时所能产生的热电势要大，而且热电势与温度应尽可能成线性关系；材料易获得，复制性好，价格低；物理、化学性稳定；电极的电阻小，温度系数小。,热电偶丝,19,t0=0时，制作分度表,t=0时，所有型号的热电偶的热电势均为0，温度越高，热电势越大；t0时,热电势为负值。B型热电偶的热电势最小，E型热电偶的热电势最大。当自由端t00时，不能根据测量得到的热电动势直接查表。,分度表,20,例：K型热电偶测量热处理炉炉温。冷端温度T0=30，此时测得热电势E(T,T0)39.17mV,则实际炉温是多少？,解：E(T,0)E(T,30)E(30,0)39.17mV1.2mV40.37mV再由40.37mV查分度表，得实际炉温T977,查表E(30,0)1.2mV,根据中间温度定律,21,例：用K型热电偶测炉温时，测得参比端温度t138；测得测量端和参比端间的热电动势E(t,38)29.90mV，试求实际炉温。解:由K型分度表查得E(38，0)1.53mV，可得：E(t，0)E(t,38)+E(38,0)29.90+1.53=31.43mV再查K型分度表，由31.43mV查得到实际炉温756。,22,上述例子，若参比端不作修正，直接按所测测量端和参比端间的热电动势E(t,38)29.90mV查K型分度表得对应的炉温718，与实际炉温755相差38，由此产生的相对误差约为5%。由此可见，如果不考虑参比端温度修正、补偿有时将产生相当大的（温度）测量误差。,23,热电偶自由端温度的处理补偿原因：从前述分析可知，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；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。实际应用中，由于冷端暴露在空气中，往往和工作端又比较接近，故冷端温度易波动。,24,补偿导线法目的：使冷端远离工作端，和测量仪表一起放到恒温或温度波动小的地方。手段：延长热电偶的长度采用补偿导线,25,1).延伸型补偿导线其效果等于把热电偶接长，冷端被远离。补偿导线的材料与热电偶的材料相同,2).补偿型补偿导线连接之后等于在热电动势的基础上增加了热电动势，但总电动势和整支热电偶效果一样。要求：a.补偿导线的材料与热电偶的有相同的热电性质；b.材料是廉价金属。,EAB（t,t0）+EAB（t0,t0）=EAB（t,t0）,根据中间温度定律,-类型,26,用补偿导线时必须注意以下问题：补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0100）与热电偶的热电势相等或相近；不同型号的热电偶有不同的补偿导线（参考表3.5）；热电偶和补偿导线的二个接点要保持同温；补偿导线有正负极，分别与热电偶的正负极相连,补偿导线合金丝,27,把热电偶的参比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。,mV,A,B,A,B,T,C,C,仪表,铜导线,试管,补偿导线,热电偶,冰点槽,冰水溶液,T0,（2）冰点槽法（自由端恒温法）,28,（3）计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算例铜-康铜热电偶测温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.979mV，用室温计测出TH=21,EAB(21,0)=0.84mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21,0)=1.979+0.84=2.819(mV)再次查分度表，与2.819mV对应的热端温度T=69。,注意:既不能只按1.979mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。,EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0),29,(4)自动补偿法:电桥设计：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。原理：利用不平衡电桥产生的电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。,冷端补偿器,注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，处于同一温度之下。,mV,EAB(T,T0),T0,T0,T,A,B,a,b,U,Uab,RCu,R1,R2,R3,R,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。,-,+,-,+,30,（5）补正系数法把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即T为未知的被测温度；T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；TH室温；k为补正系数。例用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时测得热电动势为11.351mV对应于1150的补正系数k=0.53。利用补正系数法求被测温度。解：查S型分度表，得出与此相应的温度T=1150。于是，T=1150+0.5335=1168.3（）这种办法稍简单些，比计算修正法误差可能大一点，但不大于0.14。,TTkTH,31,3.热电偶温度检测系统使用热电偶组成一个温度检测系统，主要有二种情况。1)热电偶直接与显示仪表相连，显示仪表显示被测温度值；2)热电偶先接到热电偶温度变送器，变送器输出的标准信号与被测温度成线性对应关系，并送到显示仪表显示温度值。,32,18.3热电阻温度计热电阻测温原理：基于导体或半导体的电阻随温度变化的性质1.金属热电阻的分度号与分度表目前常用的金属热电阻有铂、铜,33,一般工业用标准铂电阻R0值有100W和500W两种，并将电阻值Rt与温度t的相应关系统一列成表格，称其为铂电阻的分度表，分度号分别用pt100和pt500表示。一般铜电阻R0值在50和100条件下，制成相应分度表作为标准。,34,2、热电阻的结构形式,热电阻电阻体绝缘套管接线盒,（1）普通型热电阻,35,36,(2)铠装热电阻铠装热电阻的结构较为特殊。热电阻体与保护套封装成一个整体，它具有良好的机械性能，耐振动与冲击，有良好的挠性，便于安装，不受有害介质侵蚀，外径尺寸可以做得很小，反应速度快，适用于安装在结构复杂的设备上进行测温，并且使用寿命较长。,37,(3)薄膜热电阻薄膜热电阻是用真空镀膜法将铂直接蒸镀在陶瓷基体上制成的热电阻，薄膜热电阻减少了热惯性，提高了灵敏度和响应速度，适用于平面物体的表面温度和动态温度的测量。,38,整个测温系统组成:热电阻传感器、测量电桥、显示仪表及连接导线。由于热电阻的阻值较小(几欧姆到几十欧姆范围)，这样热电阻本体的引线电阻和连接导线的电阻会给温度测量结果带来很大的影响。例如，50的铂电阻，若导线电阻为1，会产生5的测量误差。为了解决这一问题，热电阻的连接线路从二线制发展到三线制和四线制。,3.热电阻温度检测系统,39,(1)两线制,控制室,生产现场,指示仪表,r,r,Rt,采用三线制或四线制测量电路，可以克服长连接导线的电阻在环境温度变化时造成测量误差。,注意：为了避免热电阻中流过电流时产生加热效应，在设计电桥时要使流过热电阻的电流尽量小些,一般要求小于10mA。,40,（2）三线式电桥连接法,平衡：,41,（3）四线式电阻测量电路,因IVIM,IV0,又EM=E+IV（r2+r3）,由上式知引线电阻r1-r4将不引起测量误差。电压表的值EM可认为是热电阻Rt上的压降，据此可计算出微小温度变化。,42,（3）四线式电阻测量电路,由上式知引线电阻r1-r4将不引起测量误差。,43,4.热电阻的应用,铂电阻温度显示变送器,44,18.4其它接触式温度检测仪表(1)玻璃管温度计(测温仪表),在有刻度的玻璃管里冲入酒精或水银而构成的温度计。,45,压力式温度计结构原理图,1传动机构；2刻度盘；3指针；4弹簧管；5连杆；6接头；7毛细管；8温包；9工作物质,(2)压力式温度计,压力式温度计的构造由以下三部分组成:,温包毛细管弹簧管（或盘簧管）,46,原理:根据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而制成的，并用压力表来测量这种变化，从而测得温度。,压力式温度计结构原理图,1传动机构；2刻度盘；3指针；4弹簧管；5连杆；6接头；7毛细管；8温包；9工作物质,47,双金属片,双金属温度信号器,1双金属片；2调节螺钉；3绝缘子；4信号灯,双金属片的工作原理：利用两种膨胀系数不同的金属元件测量温度。,(3)固体膨胀式,48,双金属室温计,49,50,（4）集成温度传感器,51,18.5非接触式温度检测仪表1.检测原理测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。任何物体，其温度超过绝对零度(-273.15)，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。,52,能对被测物体热辐射能量进行检测，进而确定被测物体温度的仪表，通称为辐射式温度计。辐射式温度计的感温元件不需和被测物体或被测介质直接接触。非接触式测温优点：不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。,53,辐射测温主要有如下三种基本方法全辐射法亮度法比色法辐射式温度计的组成：光学系统、检测元件、转换电路和信号处理电路等。,54,2.辐射温度计(1)全辐射高温计全辐射高温计是接受被测物体全部辐射能量来测定温度的。,55,（2）光电温度计光电温度计采用光电元件作为敏感元件感受辐射源的亮度变化，并根据被测物体亮度与温度