过程检测技术及仪表2章第二节温度测量.ppt

2节量,温度检测的主要方法和分类热电偶及其测温原理热电阻及其测温原理温度变送器简介其它温度检测仪表简介温度检测仪表的选用和安装,1温度常用的检测方法和分类,2热电偶及其测温原理,热电效应和热电偶热电偶中间导体定律与热电势的检测热电偶的等值替代定律和补偿导线标准化热电偶和分度表热电偶冷端温度的处理热电偶的结构型式,热电效应和热电偶,热电效应（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：,下标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：,注意：如果下标次序改为eBA，则热电势e前面的符号也应相应改变，即,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。,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。,中间导体定律和热电势的测量,热电偶的输出信号是毫伏信号，毫伏信号的大小不仅与冷、热两端的温度有关，还和热电偶的电极材料有关，理论上任何两种不同导体都可以组成热电偶，都会产生热电势。但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢？因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表，那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势，对热电偶回路产生影响呢？答：不会产生影响的。,如果断开冷端，接入第三种导体C，并保持A和C、B和C接触处的温度均为t0，则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和:,中间导体定律,当tt0时，有,于是可得,同理还可以证明，在热电偶中接入第四种、第五种导体以后，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。,等值替代定律和补偿导线,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。,例如左图，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0100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。,标准化热电偶和分度号,从理论上分析，似乎任何两种不同的导体都可以组成热电偶，用来测量温度。但实际情况并非如此，为了保证在工业现场应用可靠，并具有足够的精度，热电偶的电极材料在被测温度范围内应满足：热电性质稳定、物理化学性能稳定、热电势随温度的变化率要大、热电势与温度尽可能成线性对应关系、具有足够的机械强度、复制性和互换性好等要求，目前在国际上被公认的热电偶材料只有几种。,附录中列出了几种常用的标准热电偶分度表。根据标准规定，热电偶的分度表是以t00为基准进行分度的。当t0时，所有型号热电偶产生的热电势为0mV；当tt0，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(t0),此时回路中输出的热电势为:,经过设计，可使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，即,于是实现了冷端温度的自动补偿。实际的补偿电桥一般是按t020设计的，即t020时，补偿电桥平衡无电压输出。,热电偶的结构形式,热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于500以上较高温度的测量，普通型热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构。,普通型热电偶,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。,贵重金属热电极的直径一般为0.30.65mm，普通金属热电极的直径一般为0.53.2mm；热电极的长度由安装条件和插入深入而定，一般为3502000mm。,绝缘管用于防止两根电极短路,保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤,材料的选择因工作条件而定,普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式,铠装型热电偶,铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的,金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等,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。,铠装型热电偶可以做得很细，一般为28mm，在使用中可以随测量需要任意弯曲。,铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。,热电阻,热电阻的特性和测量原理热电阻的特点和结构常用的热电阻热电阻的安装,热电阻的温度特性电阻温度系数：热电阻阻值随温度的变化大小=(RT-RTO)/RTO(T-TO)RT、RTO分别为温度为T、TO时热电阻的电阻值一般选取TO为0度、T为100度。实际上是指温度每变化1度时热电阻阻值的相对变化量对于金属热电阻，0，即电阻随温度升高而增加；对于半导体热敏电阻：NTC型热敏电阻0PTC型热敏电阻0,热电阻的纯度定义：用电阻比W表示，W=R100/R0W越大，电阻温度系数越大W越小，电阻温度系数越小,热电阻测温原理利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度制作热电阻的材料要满足以下要求：1、要有大而稳定的电阻温度系数2、电阻率要大，以便在同样灵敏度下减小元件尺寸3、电阻随温度变化要有单值函数关系，最好是线性关系4、化学和物理性能在工作温度内要稳定5、价格便宜，性价比高,铂热电阻优点是准确度高、稳定性好、性能可靠、抗氧化性强、复现性好等；缺点是电阻与温度呈非线性、价格较贵，在还原介质中工作容易变脆；测温范围：-200850,铂热电阻铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：当温度t在200t0时：,当温度t在0t850时：,常用的铂热电阻有R010、R0100和R01000等几种，它们的分度号分别为Pt10、Pt100和Pt1000；,铜热电阻应用：测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围：50150优点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。缺点：易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。,铜电阻的阻值与温度之间的关系,关系是线性的工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取50和100两种，分度号分别为Cu50和Cu100，,镍电阻镍电阻的电阻温度系数约为铂电阻的1.5倍，温度与电阻呈非线性关系；测温范围为50150；为标准化的热电阻，但未制定相应的标准分度表；应用场合：温度变化范围小、灵敏度要求高的场合；,金属热电阻小结：均可做成标准化的工业热电阻温度计；铂电阻可用来制作成精密的标准热电阻温度计；工业上最常用热电阻为Pt100和Cu50；,半导体热敏电阻：热敏电阻的温度系数较大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围为40350左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为：,式中，为温度t时对应的电阻值A、B是取决于半导体材料和结构的常数,半导体热敏电阻特点：1、灵敏度高；2、电阻值大，不必考虑引线电阻的影响；3、体积小、热惯性小、响应时间快；4、结构简单5、资源丰富、价格低廉、化学稳定性好；6、互换性、稳定性较差，非线性严重，测温范围一般不能超过350；,其它热电阻铠装热电阻1、制作工艺：将陶瓷骨架或玻璃骨架的感温元件装入细不绣钢管内，周围填充氧化镁（绝缘材料），拉制成一个整体。2、同装配式热电阻相比优点：外径尺寸小，套管内为实体，响应速度快；抗震，可弯可绕，使用方便使用寿命长,薄膜热电阻目前推广产品只有薄膜铂热电阻；采用薄膜工艺替代普通热电阻常用的线绕工艺制作而成；测温范围：-50600度；优点：热容量小，导热系数大，测温迅速，可测表面、狭小区域等场合温度有装配式和铠装式,热电阻的信号连接方式,热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上。常用的引线方式有三种：,二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号。这种引线方式最简单,但由于连接导线必然存在引线电阻r，r的大小与导线的材质和长度等因素有关,很明显，图中的,因此，这种引线方式只适用于测量精度要求较低的场合。,三线制：在热电阻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，可以较好地消除引线电阻的影响，是工业过程中最常用的引线方式。,事实上电桥上R1R2Rt、R3，经过设计可以使两个桥臂上的电流相等，均为I，且I几乎不受Rt的影响,三线制的连接，每根线上同样也存在导线电阻r,此时，UiUAC？,可以起到调零的作用,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。,热电阻的误差分析热电阻测温系统一般有以下几方面的误差来源：1、传热误差：热电阻未与被测对象充分接触、未达到热平衡等。2、分度误差产生原因：标准化的热电阻分度表是由统计分析产生的，因此具体所采用的热电阻会因为材料、制造工艺而有所不同，就会出现分度误差。3、自热误差：测量过程中电流流经热电阻时产生温升所引起的附加误差4、测量系统连接导线误差5、其它误差：热电阻连接点接触不良、屏蔽绝缘不良等,热电阻的结构形式,和热电偶相同,4、一体化温度变送器,一体化温度变送器,分为一体化热电偶温度变送器和一体化热电阻温度变送器两种,热电偶温度变送器：把mV信号转换为标准电流输出,热电阻温度变送器：把信号转换为标准电流输出,所谓一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内,变送器模块和测温元件形成一个整体，可直接安装在被测设备上，输出为统一标准信号420mA。这种变送器具有体积小、重量轻、现场安装方便等优点，因而在工业生产中得到广泛应用。,由于一体化温度变送器直接安装在现场，但由于变送器模块内部的集成电路一般情况下工作温度在20+80范围内，超过这一范围，电子器件的性能会发生变化，变送器将不能正常工作，因此在使用中应特别注意变送器模块所处的环境温度。,一体化温度变送器品种较多，其变送器模块大多数以一片专用变送器芯片为主，外接少量元器件构成，常用的变送器芯片有AD693、XTR101、XTR103、IXR100等。下面以AD693构成的一体化温度变送器为例进行介绍。,双金属温度计,玻璃液体温度计,原理：利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度,压力式温度计,利用液体的蒸发或气体的膨胀而引起的压力变化进行测量。温包：传热、容纳膨胀介质；毛细管：传递压力；弹簧管：显示压力（温度）。,温度检测仪表的选用,工业上常见的温度检测仪表主要有:,双金属温度计热电偶热电阻辐射式温度计等,选择使用热电阻、热电偶时还应该根据相应的要求确定合适的分度号。,温度检测仪表的安装,一般来说，温度检测仪表的安装需要遵循以下原则：,检测元件的安装应确保测量的准确性，选择有代表性的安装位置。,检测元件应该有足够的插入深度不应该把检测元件插入介质的死角，以确保能进行充分的热交换；测量管道中的介质温度时，检测元件工作端应位于管道中心流速最大之处检测元件应该迎着流体流动方向安装，非不得已时，切勿与被测介质顺流安装，否则容易产生测量误差，参见图3；测量负压管道（或设备）上的温度时，必须保证有密封性，以免外界空气的吸入而降低精度。,检测元件的安装应确保安全、可靠。,为避免检测元件的损坏，接触式测量仪表的保护套管应该具有足够的机械强度在使用时可以根据现场的工作压力、温度、腐蚀性等特性，合理地选择保护套管的材质、壁厚当介质压力超过10Mpa时，必须安装保护外套，确保