温度测量仪表课件

温度测量仪表,温度测量仪表,热电偶,概述,热电阻,动圈式仪表,电子自动平衡式仪表,其它仪表,热电偶,热电偶的特点,热电偶是工业上应用得最广泛的感温元件之一,它将温度信号转换成热电势信号,配以显示仪表或变送器,可以实现温度的测量或信号显示。,热电偶的结构特点及测温原理,热电偶,热电偶的结构,热电偶是两种不同的导体（或半导体）A电极和B电极构成的。,将A、B电极的一端焊接在一起，称为测量端（或工作端），另一端称为参考端（或自由端）。使用时，将热电偶A、B两电极套上既绝缘又耐热的套管，将测量端置于被测介质中，参考端接至电测仪器上。,热电偶,热电偶的测温原理,热电偶的工作原理是基于物质的热电效应，若两种不同的导体组成闭合回路，由于两种导体内的电子密度不同，热电偶两端温度不同，在回路中产生电动势，形成热电流。接在回路中的电测仪器就会显示出热电偶的热电势值EAB（t,t0)。,EAB（t,t0)=fab(t)-fAB(t0),T,T0,A,B,EB(T,T0),EA(T,T0),EAB(T),EAB(T0),EAB（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）-EA（T，T0）-EB（T，T0）=fAB（T）-fAB（T0）,EAB（T，T0）,若热电偶的参考端温度t0恒定或等于0，则热电偶的热电势值EAB（t,t0)。仅是测量端温度t的函数。即EAB（t,t0)=AB+常数=f(t)由此说明，当热电偶的参考端温度t0恒定时，热电偶所产生的热电势仅随测量端温度t的变化而变化。一定的热电势对应着相应的温度值，通过测量热电势即能达到测量温度的目的。,热电偶,必须有两种性质不同且符合一定要求的导体或半导体材料组成。,热电偶产生热电势的条件,热电偶的热端和冷端之间必须有温差。,热电偶,热电偶,EAB（t,t0)=EAB（t,0)-EAB（t0，0),热电偶的热电势可用下式计算：,热电偶,均质导体定律,热电偶基本定律,中间导体定律,中间温度定律,热电偶参考电极定律,均质导体定律,当单根均质材料做成闭合回路时，无论导体上温度如何分布以及导体的粗细或长短怎样，闭合回路的热电动势总是为零。,热电偶,应用:,利用均质导体定律可以检查单支热电极是否均质。,中间导体定律,在热电偶回路中接入第三、第四种均质导体，只要中间接入的导体两端具有相同的温度，就不会影响热电偶的热电动势。,热电偶,应用:,为测量仪表接入热电偶回路测量热电动势提供了理论基础;,采用不同形式的热电偶测量温度提供了理论基础;,证明：中间导体定律,热电偶,C,C,=,t,t0,A,B,A,A,B,B,t,t,t0,t0,=,中间温度定律,热电偶在接点温度为t，t0时的热电势等于该热电偶在接点温度分别为t，tn和tn，t0时相应的热电势的代数和，即,热电偶,EAB（t,t0)=EAB（t,tn)+EAB（tn，t0),应用:,为使用热电偶分度表奠定了理论基础;,为热电偶测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。,证明：中间温度定律,热电偶,EAB（T1，T2）,+,=,T1,B,B,B,A,A,T2,T2,T2,T3,T1,T3,A,EAB（T2，T3）,EAB（T1，T3）,+,=,热电偶参考电极定律,如要求任意热电极A、B的热电动势，可在A、B两热电极之间接入C热电极，利用A、C热电极的热电动势和B、C热电极的热电动势相减即可得到热电极A、B的热电动势，即,热电偶,EAB（t,t0)=EAC（t,t0)-EBC（t，t0),应用:,为工业应用中在选配热电极对时提供了理论依据。,习题讲解,Lb3D3046140,应用热电偶定律，试求如图D-17所示的三种热电极组成回路的总热电势值，并指出其电流方向？,A,B,C,100,300,镍硅,镍铬,康铜,80,解法1：,80,e,e=EK（100，80）-EE（300，80）=（4.095-3.266）-（21.033-4.983）,假设,热电偶冷端温度补偿,根据热电偶测温原理，冷端温度t0恒定使热电偶产生的热电势仅与温度有关。但在实际测温中热电偶冷端的环境温度不可能稳定，影响实际测温的准确性。因此，对于冷端温度要进行处理，以使测量结果准确。,热电偶,热电偶冷端温度处理方法,热电势修正法,热电偶,补偿导线法,冷端恒温法,仪表机械零点调整法,冷端温度补偿器,辅助热电偶法,1、热电势修正法,热电偶,各种热电偶的分度值是在冷端温度为0获得的，当冷端温度不是0而是t0时，则可应用中间温度定律校正，即,EAB（t,0)=EAB（t,t0)+EAB（t0，0),热电偶,2、补偿导线法,在一定的温度范围内，与配用的热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的导线称为补偿导线。,用补偿导线将热电偶的冷端延伸到远离热源或环境温度比较恒定的场所。,补偿导线,补偿导线通常由补偿导线线芯、绝缘层及护套等组成。各种补偿导线的正极均为红色，只要记住负极的颜色，就可按绝缘着色区分各种补偿导线的类型和极性。补偿导线的线芯型式有单股和多股两种。,热电偶,补偿导线在测量回路中的连接示意,t0,EAB（t，t0）=EAB（t，tn）+EAB（tn，t0）=EAB（t，tn）+EAB（tn，t0）,热电偶,使用补偿导线时的注意事项,各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用。,补偿导线与热电偶、仪表连接时，正负极性不能接错；两个连接点的温度必须相同，而且不能超过规定的使用温度范围。,热电偶,要根据所配仪表的不同来选用补偿导线的线径。,补偿导线与热电偶的连接点温度，不得超过规定的使用温度范围，通常连接点温度在100以下，耐高温补偿导线可达200。,3、冷端恒温法,此法是将热电偶冷端置于恒温器中，使冷端温度恒定。（0、050）,4.辅助热电偶法,辅助热电偶测量端恒温法,辅助热电偶测量端恒温补偿线路,E,E=E（t，t1）-E（t0，t1）=E（t，t1）+E（t1，t0）=EAB（t，t0）,将主、辅热电偶的冷端都放在t1处，辅助热电偶的热端放在恒温箱内。主、辅热电偶的热电性质相同，反向串接。此时显示仪表接受的电势E为主、辅热电势之差，即,辅助热电偶冷端恒温法,辅助热电偶冷端恒温补偿线路,E=E（t，t1）+E（t1，t0）=EAB（t，t0）,测量热电偶称为主热电偶，其冷端与辅热电偶的测量端都放在t1处，辅助热电偶的冷端放在恒温箱内。主、辅热电偶的热电性质相同，正向串接。此时显示仪表接受的电势E为主、辅热电势之和，即,利用辅助热电偶进行冷端温度补偿时，显示仪表的机械零点要调整到恒温箱所恒定的温度上。通常多支热电偶经切换开关共用一只显示仪表时，用这种辅助热电偶法进行冷端温度补偿。对于同类型的多只热电偶，只要一只辅助热电偶即可。,5、仪表机械零点调整法,当热电偶与带有温度刻度的毫伏型或毫安型指示表相配，且无调零电动势机构时，如热电偶的冷端温度变化又较之恒定，则可采用仪表机械零位调整法来实现热电偶的冷端温度的补偿。,6、冷端温度补偿器,当热电偶的冷端温度经常变化时，采用冷端温度补偿器可以自动地补偿热电偶冷端温度的变化。（直流不平衡电桥，输出电势uab=E（t0，20）或uab=E（t0，0），用以补偿热电偶冷端变化而产生的附加热电势。,E入=EAB+Ucd=fAB（t）-fAB（t0）+IRcuIR1,证明：热电偶参考电极定律,热电偶,A,C,C,B,T,T,T0,T0,EAC（T，T0）,ECB（T，T0）,EABC（t,t0)=EAC（t,t0)EBC（t，t0)EAC（t,t0)ECB（t，t0),习题讲解,P138Lb3D2042,已知由铂（Pt）（C）、银（Ag）（A）、钨（W）（B）组成热电偶的热电势为：EAg-Pt（100，0）=0.72mV，EW-Pt（100，0）=0.79mV。试求EAg-W（100，0）热电势为多少？,解：EAg-W（100，0）=EAg-Pt（100，0）-EW-Pt（100，0）=0.72mV-0.79Mv=-0.07mV,习题讲解,P138Lb3D2043,已知某热电偶热电势为E（1000，0）=41.27mV，E（20，0）=0.8mV，E（30，20）=0.4mV。试求该热电偶的热电势E（30，0）、E（1000，20）和E（30，1000）？,解：E（30，0）=E（30，20）+E（20，0）E（1000，20）=E（1000，0）-E（20，0）E（30，1000）=-E（1000，30）=-E（1000，0）-E（30，0）,习题讲解,P138Lb3D3044,试证明热电偶中间导体定律。,习题讲解,Lb3D3045138,简述热电偶中间温度定律并证明。,习题讲解,Lb32D2041137,分度号为K的热电偶误配用N型的补偿导线，接配在K型的电子电位差计上，如图D-15所示。电子电位差计的读数为650,问所测实际温度为多少？,EK(650,20)=EK(t，40）EN(40,20)EK(t，0）=EK(t，40）+EK(40，0）=EK(650,20)-EN(40,20)+EK(40，0）,习题讲解,Lb3D3047141,现有S分度热电偶和动圈仪表组成的测温系统如图D-18所示。被测温度已知为1000，仪表所处环境温度为30。现有二种方法产生指示温度，即：将仪表机械零位调至30，然后通上热电势产生指示；先通上热电势产生温度指示，然后读温度加上30。试求哪种方法正确，相对误差是多少？,S分度,方法ES（t，0）=ES（1000，30）+ES（30，0）=ES（1000，0）t=1000方法ES（tI，0）=ES（1000，30）tI=984.9t=（984.9+30）=1014.9相对误差为,习题讲解,Lb3D3048141,现有E分度的热电偶、动圈表，它们之间由相应的EX型补偿导线相连接，如图D-19所示。已知热点温度t=800，t1=50；仪表环境温度tn=30，仪表机械零位tm=30。如将EPX，ENX补偿导线都换成铜导线，仪表指示为多少？如将EPX，ENX补偿导线的位置对换，仪表指示又为多少？,解：EE（tI，0）（tI=784.1）=EE（800，50）+EE（30，0）EE（tI，0）（tI=768.3）=EE（800，50）-EE（50，30）+EE（30，0）,习题讲解,Lb3D3049142,有S分度的热电偶测温系统如图D-20所示。试问此动圈仪表的机械零位应调在多少度上？当冷端补偿盒的电源开路（失电）时，仪表指示为多少？电源极性接反时，仪表指示又为多少？,解：Es（t1，tm）=Es（1000，40）+Es（40，20）t1=1000，tm=20Es（t1，tm）=Es（1000，40）+Es（20，0）t1=991Es（t1，tm）=Es（1000，40）-Es（40，20）=Es（1000，20）t1=982.3,热电偶,热电偶的检定(检验),检验用的标准仪器仪表及设备,电测仪器仪表,标准仪器仪表,标准热电偶,热电偶,恒温油槽,检验设备,恒温水槽,管式检定炉,热电偶,热电偶的检定点温度在300以上时，在管式检定炉中与二等标准铂铑10铂热电偶进行比较检验。,管式检定炉检定方法,恒温油槽,工作介质(油)通过加热丝加热,由搅拌器搅拌,经过导流筒导流后,得到温度均匀的恒温区.对温场要求是,水平温差和300mm内的垂直温差均应不超过0.2；温度的稳定性每分钟变化不超过0.2，油槽的温度由控温铂电阻进行检测。,热电偶,热电偶在检定前为什么要清洗和退火？,热电偶在检定之前进行清洗是为了消除热电偶表面的污染，改善热电性能和延长使用寿命。退火是为了消除热电偶内应力，改善金相组织和提高热电偶的稳定性。,清洗分为酸洗和硼砂洗。酸洗可消除热电极表面的有机物和一般金属杂质及氧化物。硼砂清洗是利用硼砂的还原性，消除电极表面难溶于酸的金属杂质及氧化物。,热电偶,退火分为空气退火和炉内退火，空气退火是为了热电偶纵向受热均匀，电极表面上附着的低熔点金属和杂质得到了挥发。空气退火的缺点就是热电极径向受热温度不均匀，降温时冷却速度太快，不易得到均匀组织，结果产生内应力；,热电偶,炉内退火可弥补热电极径向受热不均匀，能消除内应力，提高热电性能的稳定性。,热电偶,热电偶,热电偶测温的优点？,结构简单，便于维修；,测温准确度较高；,动态响应速度快；,测温范围较宽；,信号可远传，便于集中检测和自动控制；,可测量局部温度甚至“点”温度。,习题讲解,工业用热电偶检定时，与二等标准水银温度计进行比较，检定时油槽温度变化不得超过（）。（A）0.1;（B）0.2;（C）0.5;（D）1。,P25Lb3A3058,A,测量仪表测热电偶热电动势的理论依据是（）。（A）均质导体定律；（B）中间导体定律；（C）参考电极定律；（D）中间温度定律。,P32Lb3A2105,习题讲解,B,P32Lb3A2105,习题讲解,检定工业用级热电偶时，采用的标准热电偶必须是一等铂铑10铂热电偶。（）,P99Lb3C2074简述热电偶测温原理。,习题讲解,P99Lb3C2076简述热电偶的均质导体定律。,P176Lb3F2021试叙述热电偶的结构及测温原理。,热电阻,测温原理,利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性，来测量温度的感温元件称为热电阻。,热电阻的测温原理及其特点,热电阻,金属导体与温度的关系,式中：Rt温度为t时的电阻值；Rt0温度为t0时的电阻值；电阻温度系数。,热敏电阻,半导体热敏电阻与温度的关系,式中：Rt温度为t时半导体热敏电阻的电阻值（）；t半导体热敏电阻的工作温度（）；T=t+273.14A，B常数；自然对数的底。,热电阻,热电阻材料,Pt50Pt100输出信号大，灵敏度高。,铜电阻的测温范围为-50150，分度号为Cu50和Cu100，其0的标称电阻值R（0）分别为50和100。,工业上常用的热电阻有两种：为铜电阻和铂电阻。,热电阻,铂电阻的测温范围为-200850，其分度号为Pt100和Pt10，其0的标称电阻值R（0）分别为100和10。,准确度等级分为A级B级两种。,热电阻,答：（1）为了减小环境温度对线路电阻的影响，工业上常采用三线制连接，也可以采用四线制连接。（2）热电阻引入显示仪表的线路电阻必须符合规定值，否则将产生系统误差。（3）热电阻工作电流应小于规定值（工业用时为6mA），否则将因过大电流造成自热效应，产生附加误差。（4）热电阻分度号必须与显示仪表调校时分度号相同。,简述热电阻使用中应注意的事项？,动圈式仪表,分类：,配热电偶用动圈式温度仪表,动圈式仪表,测压用动圈式温度仪表,配热电阻用动圈式温度仪表,动圈式仪表,分类：,配热电偶用动圈式温度仪表,动圈式仪表的工作原理和结构,测压用动圈式温度仪表,配热电阻用动圈式温度仪表,动圈式仪表,动圈式仪表是利用通过电流的导体在磁场中受力的原理工作的。是一种磁电式直流微安级仪表，输入mV电压信号，通过mVA的直接变换推动指针在标尺上位移。,动圈式仪表的工作原理,动圈式仪表,动圈式仪表由转动系统、磁路系统、支撑系统和测量线路等组成。,转动系统主要包括动圈和指针，动圈由张丝支撑。,动圈式仪表的结构,动圈式仪表,张丝的作用：产生反力矩；支撑动圈；引入电流。,动圈式仪表,配热电偶用动圈式温度仪表的工作原理,配热电偶用动圈式温度仪表，是一个磁电式表头与测量电路组成的直流微安表。热电偶产生的热电势输入仪表后，动圈回路将有电流通过，产生磁场，该磁场与永久磁铁的磁场相互作用，产生旋转力矩，使动圈和指针转动。同时张丝产生反作用力矩，当两个力矩平衡时，指针就停在刻度盘的某一点上，指示出被测温度值。,动圈式仪表,配热电阻用动圈式温度仪表的工作原理,动圈式仪表,测压用动圈式指示仪表的工作原理,动圈仪表是利用载流导体在恒磁场中受力的大小与导体中电流强度成正比的原理工作的。仪表中有一个可以转动的线圈叫动圈，它处于永久磁铁与圆柱形铁芯所制成的径向均匀恒磁场中，动圈上下由张丝支撑着。,动圈式仪表,测压用动圈式指示仪表的工作原理,当电流流过动圈时，动圈就受到一个与电流大小成比例的力矩作用，而围绕张丝转动。此时张丝由于扭转而产生一个反力矩，此力矩与动圈的转角成比例，并阻止动圈转动。,动圈式仪表,测压用动圈式指示仪表的工作原理,动圈的转动力矩与张丝的反力矩大小相等时，动圈就停止转动。动圈的转角反映了通过动圈电流的大小，而动圈的电流来自于压力变送器，压力变送器输出电流的大小与被测压力成正比。因此，动圈的转角间接地反映了被测压力的大小，并借助指针在刻度盘上指示出被测的压力值。,电子自动平衡仪表,工作原理和结构,电子自动平衡式仪表,电子自动平衡式仪表的工作原理是利用电压平衡法，即用一个已知的电压与被测电压作比较，当两者达到平衡状态时，由已知的电压去确定被测的电压。,直流电位差计的工作原理,直流电位差计,直流电位差计的工作原理,直流电位差计,直流电位差计由3个回路组成，即：标准回路，亦称校准工作电流回路；测量回路；工作电流回路。,直流电位差计,工作原理：直流电位差计测量电势是采用补偿原理，即用一个大小相等、方向相反的已知直流压降与被测电势平衡。如图，当电源B的电流I通过电阻RX和RN时将产生压降，若将开关K打向N（标准）调节RP，改变回路中的电流I，使RN的压降等于外接标准电池的电动势EN，此时检流计指零，则EN=IRN，保持I不变，把开关K打向X（未知）调节RX，使检流计再次指零，又得EX=IRX。换算得EX=ENRX/RN，比值RX/RN和EN已知，就能求出未知电势EX。,电子自动平衡仪表,电子电位差计的工作原理,电子、电位差计是利用补偿法测量电压。电位差计采用不平衡电桥线路。热电偶输出的直流电势与测量桥路中的电压比较，比较后的差值电压经放大器放大后输出足够大的电压，以驱动可逆电机，可逆电机带动滑线电阻的滑动触点移动，改变滑线电阻的电阻值，使测量桥路输出电压与热电势相等（大小相等方向相反）。,电子自动平衡仪表,电子电位差计的工作原理,当被测温度变化时，热电势变化，桥路又输出新的不平衡电压，再经放大驱动可逆电机转动，改变滑动触点的位置，直到达到新的平衡为止。在滑动触点移动的同时，与之相连的指针和记录笔沿着有温度分度的标尺和记录纸运动。滑动触点的每一个平衡位置对应着一定的温度值，因此能自动指示和记录出相应的温度来。,电子自动平衡仪表,电子电位差计的测量桥路,电子自动平衡仪表,电子自动平衡电桥的工作原理,电子自动平衡仪表,电子自动平衡电桥的工作原理,自动平衡电桥有直流和交流两种，都是利用电桥的平衡原理工作的。热电阻测温元件Rt作为桥路的一个桥臂，当Rt处于下限温度时，电桥处于平衡状态，桥路输出为零。,电子自动平衡仪表,电子自动平衡电桥的工作原理,当温度增加时，Rt的电阻值增加，桥路平衡破坏，输出一个不平衡电压信号，经放大器放大后，输出足够大功率以驱动可逆电机转动，改变上支路两个桥臂电阻的比值，从而使桥路达到新的平衡。可逆电机同时带动指示记录机构和记录出相应的温度值。,测量桥路的工作原理,温度变送器的工作原理,热电偶（或热电阻）的信号输入仪表后，经输入桥路转换成直流毫伏信号，该信号与负反馈信号比较后，经放大器调制放大到足够大，放大后的信号由输出变压器输出到检波放大器，滤去交流信号后输出一个随输入温度信号变化的420mA的统一信号。,输入回路,电子放大器,反馈环节,+,Ui,Uf,t,-,Io,DBW型温度变送器的平衡补偿原理,热电偶,为什么热电偶输入回路要具有冷端温度补偿的作用？,因为当用热电偶测量温度时，总希望冷端温度不变，但这在工业生产中是很难做到的。因此,就要求变送器的输入回路具有”冷端温度补偿器”的功能.这就是说,当热电偶的输出随冷端温度的变化而变化时,桥路的输出也应随着变化，并且使两者的变化量大小相等,方向相反。这样，就可以自动补偿冷端温度变化所引起的测量误差。,温度变送器的用途,温度变送器可与各类热电偶、热电阻配合使用，将温度或温差信号转换成统一的毫安信号，温度变送器再与调节器及执行器配合，可组成温度或温差的自动调节系统。,温度变送器,热电阻数字温度仪表的构成,热电阻数字温度表由数字电压表与测量电桥电路构成。测量电桥电路将热电阻信号转换成电压信号输出，数字电压表将输入的电压信号经过电压放大级放大后转换成数字量并显示。,双金属温度计的测温原理,双金属温度计利用两种不同膨胀系数的双金属片焊接在一起作为测量元件，当温度变化时，因两种金属的线膨胀系数不同而使金属片弯曲，利用弯曲程度与温度高低成比例的性质来测量温度的。,双金属温度计,双金属温度计的组成结构,金属温度计由螺旋形双金属感温元件、支撑双金属感温元件的细轴、连接指针与双金属片顶端的杠杆、刻度盘、保护套管和固定螺母组成。金属感温元件置于保护套管内，其一端固定在套管底部，另一端接在细轴上，细轴的顶端装有指针，双金属通过细轴带动指针在刻度盘上指示出被测温度。,双金属温度计,玻璃管温度计的组成结构,玻璃管温度计（简称玻璃温度计）是利用液体受热膨胀的原理工作的。按照感温液体种类可分为水银玻璃温度计和有机玻璃温度计。,玻璃温度计,玻璃管温度计测量温度的主要误差来源：,读数误差；标尺误差；弯月面顶部误差；修正的误差；零点位移；露出液柱的存在；外部压力的影响；测量变动温度时示值的停留（热惰性）；温度计本身的温度失真。,玻璃温度计,水银温度计的检定步骤（用比较法）：,（1）温度计按规定浸入方式垂直插入槽中，插入前应注意预热（零上温度计）或预冷（零下温度计