自动检测技术及仪表控制系统课件(第四章)

1、 第四章 温度检测接触式测温接触式测温2非接触式测温非接触式测温3 3测温方法及温标测温方法及温标3 1光纤温度传感器光纤温度传感器4n 测温原理n温度是国际单位制温度是国际单位制(SI)7(SI)7个基本物理量之一个基本物理量之一 n温度反映物体的冷热程度，是物体分子运动平均动能大温度反映物体的冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。小的标志。n温度的定量测量以热平衡现象为基础，两个受热程度不温度的定量测量以热平衡现象为基础，两个受热程度不同的物体相接触后，经过一段时间的热交换，达到共同同的物体相接触后，经过一段时间的热交换，达到共同的平衡态后具有相同的温度。的平衡态后具有相同的温度。长

2、度长度 质量质量 时间时间 电流电流 热力学温度热力学温度 物质的量物质的量 光强光强（m） （kg） （s） （A） （K） （mol） （cd） 4.1 4.1 测温方法及温标测温方法及温标接接触触式式测测温温仪仪表表玻璃液体玻璃液体温度计温度计 结构简单、使用方便、测结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉量准确、价格低廉 容易破损、读数麻烦、一般只容易破损、读数麻烦、一般只能现场指示能现场指示 , ,不能记录与远传不能记录与远传-100-100100100（150150）有机液体）有机液体0 0 350350（-30 -30 650650）水银）水银双金属双金属温度计温度计结构简单、机械

3、强度大、结构简单、机械强度大、价价格低、能记录、报警与自格低、能记录、报警与自控控 精度低、不能离开测量点测量精度低、不能离开测量点测量 ,量程与使用范围均有限量程与使用范围均有限 0 0 300300（-50 -50 600600）压力式压力式温度计温度计结构简单、不怕震动、具结构简单、不怕震动、具有防爆性、价格低廉、能有防爆性、价格低廉、能记录、报警与自控记录、报警与自控 精度低、测量距离较远时精度低、测量距离较远时 ,仪仪表的滞后性较大、一般离开测表的滞后性较大、一般离开测量点不超过量点不超过 10米米 0 0 500500（-50 -50 600600）液体型）液体型0 0 10010

4、0（-50 -50 200200）蒸汽型）蒸汽型电阻电阻温度计温度计测量精度高测量精度高 ,便于远距离、便于远距离、多点、集中测量和自动控多点、集中测量和自动控制制 结构复杂、不能测量高温结构复杂、不能测量高温 ,由由于体积大于体积大 ,测点温度较困难测点温度较困难 -150 -150 500500（-200 -200 600600）铂电阻）铂电阻0 0 100100（-50 -50 150150）铜电阻）铜电阻-50 -50 150150（180180）镍电阻）镍电阻-100 -100 200200（300300）热敏电阻）热敏电阻热电偶热电偶温度计温度计测温范围广测温范围广 ,精度高精度高

5、 ,便于便于远距离、多点、集中测量远距离、多点、集中测量和自动控制和自动控制 需冷端温度补偿需冷端温度补偿 ,在低温段测在低温段测量精度较低量精度较低 -20 -20 13001300（16001600）铂铑）铂铑1010- -铂铂-50 -50 10001000（12001200）镍铬）镍铬- -镍硅镍硅-40 -40 800800（900900）镍铬）镍铬- -铜镍铜镍-40 -40 300300（350350）铜）铜- -铜镍铜镍非接非接触式触式测温测温仪表仪表光学光学高温计高温计携带用、可测量高温、测携带用、可测量高温、测温时不破坏被测物体温度温时不破坏被测物体温度场场 测量时测量时

6、,必须经过人工调整必须经过人工调整 ,有有人为误差人为误差 ,不能作远距离测量不能作远距离测量 ,记录和自控记录和自控 900 900 20002000（700 700 20002000）辐射辐射高温计高温计测温元件不破坏被测物体测温元件不破坏被测物体温度场温度场 ,能作远距离测量、能作远距离测量、报警和自控、测温范围广报警和自控、测温范围广 只能测高温只能测高温,低温段测量不准低温段测量不准,环境条件会影响测量精度环境条件会影响测量精度,连续连续测高温时须作水冷却或气冷却测高温时须作水冷却或气冷却 100 100 20002000（50 50 20002000） 任何任何不同的导体或半导体组

7、成的闭合回路，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如果将它们的两个接点分别置于温度各为 及及的热源中，的热源中， 则在该回路内就会产生则在该回路内就会产生。ABBA t 端称为端称为 又称测量端或热端又称测量端或热端 (假定该端置于热源中假定该端置于热源中)， t0 端称为端称为， 又称参考端或冷端又称参考端或冷端 这两种不同导体或半导体的组合称为这两种不同导体或半导体的组合称为 每根单独的导体或半导体称为每根单独的导体或半导体称为 A BeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)tt0A BeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t

8、,t0)tt0 0000,ttettetetettEABABAB 接触电势接触电势温差电势温差电势 00,tetettEABAB 00,tetettEBAAB A BeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)tt0 00,tetettEABAB 00,tetettEBAAB A BeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)tt0 热电偶由两种不同的金属材料组成。热电偶由两种不同的金属材料组成。 热电偶的两端存在温差。热电偶的两端存在温差。 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面和长度以及其温度分布如何，都不能产生

9、热电势。和长度以及其温度分布如何，都不能产生热电势。在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端的温度相同，对热电偶回路的总热电势值没有影响。的温度相同，对热电偶回路的总热电势值没有影响。热电偶热电偶ABAB在接点温度为在接点温度为t t、t t0 0时的热电势时的热电势E EABAB( (t t, ,t t0 0) )等等于热电偶于热电偶ABAB在接点温度为在接点温度为t t、t tc c和和t tc c、t t0 0时的热电势时的热电势E EABAB( (t t, ,t tc c) )、E EABAB( (t tc c, ,t t0 0) )

10、的代数和。的代数和。如果热电偶如果热电偶ABAB在某一温度范围内所产生的热电势与热在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶电偶CDCD在同一温度范围内所产生的热电势相等，则这在同一温度范围内所产生的热电势相等，则这两支热电偶在该温度范围内是可以相互替换的。两支热电偶在该温度范围内是可以相互替换的。在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端的温度相同，对热电偶回路的总热电势值没有影响。的温度相同，对热电偶回路的总热电势值没有影响。t0t0t0t0t0t1t1ttt毫伏计毫伏计 000,tetetettECABCABABC 0,00000 tetet

11、ettECABCABABC 000,ttEtetettEABABABABC 根据这一性质根据这一性质：可以在热电偶回路中接入各可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线，只要保种仪表和连接导线，只要保证两个接点的温度相同就可证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出。响热电偶的输出。 00,ttEttEttEABcABcAB 热电偶热电偶ABAB在接点温度为在接点温度为t t、t t0 0时的热电势时的热电势E EAB AB ( (t t, ,t t0 0) )等等于热电偶于热电偶ABAB在接点温度为在接点温度为t t、t tc c和和t tc c、t

12、 t0 0时的热电势时的热电势E EAB AB ( (t t, ,t tc c) )、E EABAB( (t tc c, ,t t0 0) )的代数和。的代数和。t0tAAABBBDCtt0tctc 00,ttEttEttEABcCDcAB 如果热电偶如果热电偶ABAB在某一温度范围内所产生的热电势与热在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶电偶CDCD在同一温度范围内所产生的热电势相等，则这在同一温度范围内所产生的热电势相等，则这两支热电偶在该温度范围内是可以相互替换的。两支热电偶在该温度范围内是可以相互替换的。 在测温范围内其热电性质要稳定在测温范围内其热电性质要稳定, ,不随时间变化不随时

13、间变化; ; 在测温范围内要有足够物理、化学稳定性在测温范围内要有足够物理、化学稳定性, ,不易不易 被氧化或腐蚀被氧化或腐蚀; ; 电阻温度系数要小电阻温度系数要小, ,电导率要高电导率要高, ,组成热电偶后产组成热电偶后产生的热电势要大生的热电势要大, ,其值与温度成线性关系或有简单其值与温度成线性关系或有简单的函数关系的函数关系; ; 复现性要好复现性要好, ,这样便于成批生产这样便于成批生产, ,而且在应用上也而且在应用上也可保证良好的互换性可保证良好的互换性; ; 材料组织均匀、要有韧性材料组织均匀、要有韧性, ,便于加工成丝。便于加工成丝。 工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应

14、用广泛，工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。 国际电工委员会国际电工委员会(IEC)(IEC)共推荐了共推荐了8 8种标准化热电偶。种标准化热电偶。在在t t0 0=0=0条件下，用实验的方法测出各种不同热电极组条件下，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同热端温度下所产生的热电势值，可以合的热电偶在不同热端温度下所产生的热电势值，可以列出对应的分度表。列出对应的分度表。具有某些特殊

15、性能，能满足一些特殊条件具有某些特殊性能，能满足一些特殊条件下测温的需要，如超高温、极低温、高真空或核辐射环境。下测温的需要，如超高温、极低温、高真空或核辐射环境。热电偶名称热电偶名称分度分度号号热电极识别热电极识别E E（100,0100,0）（mVmV）测温范围（测温范围（）对分度表允许偏差（对分度表允许偏差（）新新极极性性识别识别长期长期短期短期等等级级使用温度使用温度允差允差铂铑铂铑1010- -铂铂S S正正亮白较硬亮白较硬0.6460.6460130001300160016006006001.51.5负负亮白柔软亮白柔软6006000.25%t0.25%t铂铑铂铑1313- -铂铂

16、R R正正较硬较硬0.6470.647013000130016001600 6006001.51.5负负柔软柔软110011000.25%t0.25%t铂铑铂铑3030- -铂铑铂铑B B正正较硬较硬0.0330.03301600016001800180060090060090044负负稍软稍软8008000.5%t0.5%t镍铬镍铬- -镍硅镍硅K K正正不亲磁不亲磁4.0964.096012000120013001300 -401300-4013002.52.5或或0.75%t0.75%t负负稍亲磁稍亲磁-20040-200402.52.5或或1.5%t1.5%t镍铬硅镍铬硅- -镍硅镍硅

17、N N正正不亲磁不亲磁2.7742.774- -2001200200120013001300 -401100-4011001.51.5或或0.4%t0.4%t负负稍亲磁稍亲磁 -401300-4013002.52.5或或0.75%t0.75%t镍铬镍铬- -康铜康铜E E正正暗绿暗绿6.3196.319-200760-200760850850 -40900-409002.52.5或或0.75%t0.75%t负负亮黄亮黄-20040-200402.52.5或或1.5%t1.5%t铜铜- -康铜康铜T T正正红色红色4.2794.279-200350-200350400400 -40350-403

18、5011或或0.75%t0.75%t负负银白色银白色-20040-2004011或或1.5%t1.5%t铁铁- -康铜康铜J J正正亲磁亲磁5.2695.269-40600-40600750750 -40750-407502.52.5或或0.75%t0.75%t负负不亲磁不亲磁热电偶名称热电偶名称代号代号分度号分度号热电极材料热电极材料测温范围测温范围/新新旧旧正热电极正热电极负热电极负热电极长期使用长期使用短期使用短期使用铂铑铂铑3030- -铂铑铂铑6 6铂铑铂铑1010- -铂铂镍铬镍铬- -镍硅镍硅镍铬镍铬- -铜镍铜镍铁铁- -铜镍铜镍铜铜- -铜镍铜镍WRRWRRWRPWRPWRN

19、WRNWREWREWRFWRFWRCWRCB BS SK KE EJ JT TLL-2LL-2LB-3LB-3EU-2EU-2- - -CKCK铂铑铂铑3030合金合金铂铑铂铑1010合金合金镍铬合金镍铬合金镍铬合金镍铬合金铁铁铜铜铂铑铂铑6 6合金合金纯铂纯铂镍硅合金镍硅合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金30030016001600-20-2013001300-50-5010001000-40-40800800-40-40700700-400-400300300180018001600160012001200900900750750350350 在应用热电偶测温时，只有将冷

20、端温度保持为在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为，或，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为称为。一般采用下述几种方法。一般采用下述几种方法。 采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。 它也是由两种不同性质它也是由两种不同性质的金属材料制成，在一定的金属材料制成，在一定温度范围内（温度范围内（0 0100100）与所连接的热电偶具有相与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又同的热电特性，其

21、材料又是廉价金属。是廉价金属。补偿导线接线图补偿导线接线图 0011,ttEttEttEABABAB 00,ttEttEttEABcCDcAB 热电偶名称热电偶名称补偿导线补偿导线工作端为工作端为100，冷端为，冷端为00时时的标准热电势的标准热电势mVmV正极正极负极负极铂铑铂铑10-铂铂镍铬镍铬-镍硅镍硅镍铬镍铬-铜镍铜镍铜铜铜铜镍铬镍铬铜镍铜镍铜镍铜镍铜镍铜镍0.640.030.034.104.100.150.156.956.950.300.30热电偶冷端温度保持热电偶冷端温度保持的方法的方法 0000,ttEttEttEttEttEttEABcABcABABcABcAB 今用一只镍铬今

22、用一只镍铬- -镍硅热电偶镍硅热电偶, ,测量小氮肥厂中转测量小氮肥厂中转化炉的温度化炉的温度, ,已知热电偶工作端温度为已知热电偶工作端温度为800,800,自由端自由端( (冷端冷端) )温度为温度为30,30,求热电偶产生的热电势求热电偶产生的热电势 E(800,30)(800,30)。 解：由附表可以查得解：由附表可以查得 E(800,0)=33.277(800,0)=33.277(mV) ) E(30,0)=1.203(30,0)=1.203(mV) ) 将上述数据代入式将上述数据代入式(5-3),(5-3),即得即得 E(800,30)=(800,30)=E(800,0) -(80

23、0,0) -E(30,0)=32.074 ( mV)(30,0)=32.074 ( mV) 某支铂铑某支铂铑1010- -铂热电偶在工作时，自由端温度铂热电偶在工作时，自由端温度t0 0= 30,= 30,测得热电势测得热电势 E( (t, ,t0 0) =14.195) =14.195mV，求被测介质的实际温度。，求被测介质的实际温度。解解: :由附表可以查得由附表可以查得 E(30,0)=0.173(30,0)=0.173(mV) )代入式代入式(5-3)(5-3)变换得变换得 E( (t,0)=,0)=E( (t,30)+,30)+E(30,0)=0.173+14.195=14.368(

24、30,0)=0.173+14.195=14.368(mV) )再由附表可以查得再由附表可以查得14.368mV14.368mV对应的温度对应的温度t为为14001400。 用铂铑用铂铑1010- -铂热电偶进行温度检测铂热电偶进行温度检测, ,热电偶的冷端热电偶的冷端温度温度t0=30，显示仪表的温度读数显示仪表的温度读数 ( (假定此仪表是假定此仪表是不带冷端温度自动补偿且是以温度刻度的不带冷端温度自动补偿且是以温度刻度的) )为为985985，试求被测温度的实际值。试求被测温度的实际值。 解解：由分度号为：由分度号为S S的铂铑的铂铑1010- -铂热电偶分度表查出铂热电偶分度表查出985

25、985时时的热电势值为的热电势值为9.412mV9.412mV。也就是。也就是E(t,t0)=9.412mV,=9.412mV,又从分度又从分度表中查得表中查得 E(t0 ,0) = E(30 ,0) = 0.173mV。将此两个数值代。将此两个数值代入式入式 (5-14),(5-14),得得 E(t,0)=9.412=9.412mV+0.173+0.173mV=9.585(=9.585(mV) ) 再查分度表可知再查分度表可知, ,对应于对应于9.585mV9.585mV的温度的温度t=1000,t=1000,这这就是该支铂铑就是该支铂铑1010- -铂热电偶所测得的温度实际值。铂热电偶所测

26、得的温度实际值。 由于热电偶所产生的热电势与温度的关系都是由于热电偶所产生的热电势与温度的关系都是非线性的非线性的 ( (当然各种热电偶的非线性程度不同当然各种热电偶的非线性程度不同),),因此因此在自由端温度不为零时在自由端温度不为零时, ,将所测热电势对应的温度值将所测热电势对应的温度值加上自由端温度加上自由端温度, ,并不等于实际的被测温度。并不等于实际的被测温度。 若采用测温元件为热电偶时，要使若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不偏低，可预先将仪表指测温时指示值不偏低，可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上。针调整到相当于室温的数值上。 注意：注意：只能在测温要求不太高的场合

27、下应用。只能在测温要求不太高的场合下应用。t+RcuER1R2R3+ ab 00tt0( , )E t t0( , )E t t+利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。因冷端温度变化而引起的热电势变化值。是仪表中最常用的一种处理方法。是仪表中最常用的一种处理方法。 由于电桥是在由于电桥是在2020时平衡时平衡的，所以采用这种补偿电桥时的，所以采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到须把仪表的机械零位预先调到2020处。如果补偿电桥是在处。如果补偿电桥是在00时平衡设计的，则仪表零时平衡设计的，则仪表零位应调在位应调在

28、00处。处。000( , )( )( , )abE t tUtE t t接线盒接线盒保护套管保护套管绝缘管绝缘管热电偶热电偶安装法兰安装法兰引线口引线口热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量，热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于尤其适用于500500以上较高温度的测量，以上较高温度的测量，和和是实际应用最广泛的两种结构。是实际应用最广泛的两种结构。 普通型热电偶主要由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、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。安装方式主要有法兰式和螺纹式两种。安装方式主要有法兰式和螺纹式两种。铠装型热电偶是由铠装型热电偶是由热电极

29、、绝缘材料热电极、绝缘材料和金属套管三者和金属套管三者经过拉伸加工成型的经过拉伸加工成型的具有动态响应快、机械强度高、具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，抗震性好、可弯曲等优点，可安装在结构较复杂的装置上，可安装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。应用十分广泛。热电极热电极 绝缘材料绝缘材料 金属套管金属套管热电极热电极绝缘材料绝缘材料铠装型热电偶铠装型热电偶断面结构断面结构铠装型热电偶可以铠装型热电偶可以做得很细，一般为做得很细，一般为2 28mm8mm，可以随测量需要任意弯曲。可以随测量需要任意弯曲。薄壁金属保护套管（铠体）薄壁金属保护套管（铠体） 21tEtEEABABt

30、 注意热电偶非线性带来的影响注意热电偶非线性带来的影响 3321EEEEt 并联法测量平均温度并联法测量平均温度 321EEEEt 串联法测量平均温度串联法测量平均温度3tEE平平均均若干只热电偶通过切换若干只热电偶通过切换开关共用一台测量仪表开关共用一台测量仪表 练习题练习题1 1n 用铂铑10-铂(分度号S)的热电偶测温，已知参比端温度为20，测得热电势E(t,20)=11.30mV，试求被测温度t？n 查热电偶的分度表知：E(20,0)=0.113mVE(t,0)=E(t,20)+E(20,0)=11.30+0.113=11.413mVn 查表知：t=1155练习题练习题2 2n 用镍铬

31、-镍硅(分度号K)的热电偶测温，已知参比端温度为25，检测端温度为506，求产生的热电势是多少？n E(506,25)=E(506,0)-E(25,0) =20.900-1.000 =19.900mV 在炼钢厂中有时直接将廉价热电极(易耗品，例如镍铬-镍硅热偶丝，时间稍长即熔化)插入钢水中测量钢水温度，如图所示：试说明 1)为什么不必将工作端焊在一起? 2)要满足哪些条件才不影响测量精度?采用上述方法是利用了热电偶什么定律？ 3)如果检测物不是钢水，而是熔化的塑料行吗？为什么？ 001ttRRtt tRRtt 0 RtIsUi=IsRt 这种接法两根导线的电阻这种接法两根导线的电阻 都加在电桥

32、的一个桥臂上，都加在电桥的一个桥臂上， 显然当导线电阻也随温度变化时，显然当导线电阻也随温度变化时， 不平衡电桥自然反映的不平衡电桥自然反映的 不仅仅是热电阻的变化，不仅仅是热电阻的变化， 如配铂电阻和铜导线，如配铂电阻和铜导线， 显然两者的变化不同，显然两者的变化不同，RtIsUi=IsRt)(00TTBTeRR B热敏电阻常数，是温度系数热敏电阻常数，是温度系数 的函数，的函数，B=- T2；RT任意温度任意温度T时的电阻值；时的电阻值；R0基准温度基准温度T0时的电阻值。时的电阻值。 )11(00TTBTeRR 各种热敏电阻的阻值在常温下很大，通常在数千欧以上，各种热敏电阻的阻值在常温下很大，通