自动检测技术温度1,2

1、第二篇第二篇 过程参数检测技术过程参数检测技术4. 4. 温度检测温度检测5. 5. 压力检测压力检测6. 6. 物位检测物位检测7. 7. 流量检测流量检测 8. 8. 机械量检测机械量检测9. 9. 成分检测成分检测4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 接触式测温接触式测温4.3 4.3 非接触式测温非接触式测温4. 4. 温度检测温度检测4.1 4.1 概述概述4.1.14.1.1温度及其测量原理温度及其测量原理4.1.24.1.2温标及其表示方法温标及其表示方法4.1.34.1.3测温方式及其原理测温方式及其原理4.1 4.1 概述概述4.1.14.1.1温度及其测量原理温度及其测量

2、原理温度温度是表征物体冷、热程度的物理量，是表征物体冷、热程度的物理量， 反映了物体内部反映了物体内部分子平均动能的大小分子平均动能的大小, ,是工业生产过程中的主要参数是工业生产过程中的主要参数之一。之一。测温原理测温原理温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物温度不能直接测量，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。度不同而变化的特性来加以间接测量。 4.1.24.1.2温标及其表示方法温标及其表示方法温标温标衡量衡量温温度高低的度高低的标标尺，规定温度的起点及其基本尺，规定温度的起点及

3、其基本单位。单位。1.1.经验温标经验温标用实验方法或经验公式所确定的温标。用实验方法或经验公式所确定的温标。 （1）摄氏温标摄氏温标在标准大气压下，把水的冰点规在标准大气压下，把水的冰点规 定为定为0 0度，水的沸点规定为度，水的沸点规定为100100度；两度；两 点间作点间作100100等分，每一份称为等分，每一份称为1 1摄氏度，摄氏度， 记作记作11。所用标准仪器水银温度计。所用标准仪器水银温度计（2）华氏温标）华氏温标在标准大气压下，把水的冰点规在标准大气压下，把水的冰点规 定为定为3232度，水的沸点规定为度，水的沸点规定为212212度；两度；两 点间作点间作180180等分，每

4、一份称为等分，每一份称为1 1华氏度，华氏度， 记作记作11。 摄氏温度和华氏温度的关系摄氏温度和华氏温度的关系为为 T T（）=9/5 t=9/5 t（）+32 +32 式中式中 T T华氏温度值华氏温度值; ; t t摄氏温度值。摄氏温度值。 5/92.热力学温标热力学温标建立在热力学基础上，是一种理想而不能真正建立在热力学基础上，是一种理想而不能真正实现的理论温标。实现的理论温标。是把理想气体压力为零时对应的温度是把理想气体压力为零时对应的温度绝对零绝对零度与水的三相点（固液气共存点）温度分为度与水的三相点（固液气共存点）温度分为2732731616份，每一份称份，每一份称为为1 1开尔

5、文（开尔文（KelvinKelvin），记作），记作1K1K。,热力学温标热力学温标(又称开氏温标又称开氏温标)从绝从绝对零度起算对零度起算,水的冰点为水的冰点为273.15K，沸点为，沸点为373.15K。（注意：水的冰。（注意：水的冰点和三相点是不一样的，两者相差点和三相点是不一样的，两者相差0.01K。）。）3.3.国际实用温标国际实用温标国际上协商规定，一种既符合热力学温标，又复国际上协商规定，一种既符合热力学温标，又复现性好且使用方便，简称现性好且使用方便，简称ITSITS一一9090 （International Temperature Scale of 1990 ）。 温度单位：

6、热力学温度是其基本物理量，温度单位：热力学温度是其基本物理量，国际实用温度用符号国际实用温度用符号T90表示，单位仍为开尔文（表示，单位仍为开尔文（K），），K的大小定义为水的三相点热力的大小定义为水的三相点热力学温度的学温度的1/273.16。同时使用的。同时使用的国际摄氏温度的符号为国际摄氏温度的符号为 t90 ，单位是，单位是摄氏度，符号为摄氏度，符号为。每一个摄氏度和每一个开尔文的量值相同每一个摄氏度和每一个开尔文的量值相同。国。国际实用温度际实用温度T90 （K）与国际摄氏温度与国际摄氏温度t90（）的关系如同热力学温的关系如同热力学温度和摄氏温度一样，即度和摄氏温度一样，即 把整个

7、温标分成把整个温标分成4 4个温区，使用相应的标准仪器。个温区，使用相应的标准仪器。15.27390o90）（）（KTCt15.27390o90）（）（KTCt15.27390o90）（）（KTCt 4.1.3 测温方式及其原理测温方式及其原理接触式：与被测物接触，通过热交换进行测量；非接触式：不与被测物直接接接触式：与被测物接触，通过热交换进行测量；非接触式：不与被测物直接接触，通过接受被测物体的热辐射能实现热交换。触，通过接受被测物体的热辐射能实现热交换。4.2 4.2 接触式测温接触式测温4.2.14.2.1玻璃温度计玻璃温度计4.2.24.2.2双金属温度计双金属温度计4.2.34.2

8、.3压力式温度计压力式温度计4.2.44.2.4热电偶测温热电偶测温4.2.54.2.5热电阻测温热电阻测温4.2.14.2.1玻璃温度计玻璃温度计1.1.工作原理工作原理液体受热后体积随温度膨胀液体受热后体积随温度膨胀2.2.特点特点结构简单，制作容易，价格结构简单，制作容易，价格低廉，测温范围较广，安装使用方便低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直接读数，一般无需能源，易，现场直接读数，一般无需能源，易破损，测温值无法自动远传记录等。破损，测温值无法自动远传记录等。4.2.24.2.2双金属温度计双金属温度计1.1.工作原理基于工作原理基于固体受热膨胀。固体受热膨胀。2.2.构成构成两片

9、线膨胀系数差异很大的金属片叠焊在一起，一段固定，两片线膨胀系数差异很大的金属片叠焊在一起，一段固定，一端带指针；一端带指针；3.特点特点测温范围大致为测温范围大致为-80-80600600；精度等级通常为精度等级通常为1 12.52.5级左右；级左右；抗振性抗振性好，读数方便，精度不高，做一般的工好，读数方便，精度不高，做一般的工业用仪表，测温信号难以远传。业用仪表，测温信号难以远传。4.2.3压力式温度计压力式温度计1.工作原理工作原理根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能件下其压力与温度呈确

10、定函数关系的原理实现其测温功能2.结构结构感温包、传递压力元件感温包、传递压力元件( (毛细管毛细管) )及压力敏感元件、齿轮或及压力敏感元件、齿轮或杠杆传动机构、指针和读数盘组成；杠杆传动机构、指针和读数盘组成；3.3.特点特点强度大、不易破损、读数方强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差；便，但准确度较低、耐腐蚀性较差；响应慢（毛细管细长），测温信号难响应慢（毛细管细长），测温信号难以远传。以远传。压力式温度计结构原理图压力式温度计结构原理图 11传动机构；传动机构；22刻度盘；刻度盘； 33指针；指针；44弹簧管；弹簧管；55连杆；连杆；66接头；接头；77毛细管；毛细管

11、；88温包；温包；99工作物质工作物质4.2.44.2.4热电偶测温热电偶测温1.热电效应及测温原理热电效应及测温原理2.标准化热电偶与分度表标准化热电偶与分度表3.热电偶结构型式热电偶结构型式4.热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿4.2.44.2.4热电偶测温热电偶测温1.热电效应及测温原理热电效应及测温原理 热电偶测温是以热电效应为基础的。热电偶测温是以热电效应为基础的。热电效应热电效应任何两种任何两种不同的导体或半导体不同的导体或半导体组成的闭合回路，当两组成的闭合回路，当两个个接点处的温度不同时接点处的温度不同时，回路中将产生热电势。闭合回路中，回路中将产生热电势。闭合回路中总的

12、热电势总的热电势(由由温差电势温差电势、接触电势接触电势组成组成)为为 t0冷端、参比端、自由端 t 热端、工作端 EAB(t,t0)= eAB(t)eAB(t0)或EAB(t,t0)= eAB(t) + eBA(t0) eAB接触电势形成的过程热电效应 4.2.44.2.4热电偶测温热电偶测温1.热电效应及测温原理热电效应及测温原理 热电偶测温是以热电效应为基础的。热电偶测温是以热电效应为基础的。 (1)热电效应热电效应 两种不同材料的金属两种不同材料的金属A和和B构成一个闭合回路，当两个构成一个闭合回路，当两个接触端温度不同时（设接触端温度不同时（设T T0），回路中会产生热电势），回路中

13、会产生热电势EAB（T，T0）。这种把热能转换成电能的物理现象称为）。这种把热能转换成电能的物理现象称为热电效热电效应应。 其中，这两种不同材料的导体组成的回路称为热电偶，其中，这两种不同材料的导体组成的回路称为热电偶，导体导体A、B称为热电极，置于测温场感受被测温度的称为热电极，置于测温场感受被测温度的T端称为端称为热端（工作端或测量端热端（工作端或测量端），另一个），另一个T0端称为端称为冷端（自由端或冷端（自由端或参比端参比端）。）。 热电偶产生的总的热电偶产生的总的 热电势热电势EAB（T，T0）是）是 由由接触电势接触电势和和温差电势温差电势 两部分组成。两部分组成。 (2) 接触电

14、势接触电势 将两种不同的金属将两种不同的金属A和和B相互接触时相互接触时,在其接触处会发在其接触处会发生自由电子的扩散现象，如图所示。自由电子会从密生自由电子的扩散现象，如图所示。自由电子会从密度大的金属度大的金属A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B中中,使使A失去电子带失去电子带正电为正电极正电为正电极,B得到电子带负电为负电极得到电子带负电为负电极,直至在接触直至在接触处形成强大的正负电场处形成强大的正负电场,并阻止电子的继续扩散并阻止电子的继续扩散,从而达从而达到动态平衡为止。其接触处就形成一定的电位差，此到动态平衡为止。其接触处就形成一定的电位差，此即接触电势（也叫帕尔帖电势）。其

15、大小可表示为即接触电势（也叫帕尔帖电势）。其大小可表示为 金属电极金属电极A和和B在在 温度为温度为T时的接触电势；时的接触电势； k波尔兹曼常数；波尔兹曼常数； T接触处的热力学温度；接触处的热力学温度； 热电偶的接触电势热电偶的接触电势 e单位电荷量；单位电荷量； NA，NB金属电极金属电极A和和B的自由电子密度。的自由电子密度。 (3) 温差电势温差电势 同一种金属材料如同一种金属材料如A，当其两端的温度不同即，当其两端的温度不同即T T0时，时，两端的电子能量就不同。温度高的一端电子能量大，两端的电子能量就不同。温度高的一端电子能量大，则电子从高温端向低温端扩散的多而返回的少，最后则电

16、子从高温端向低温端扩散的多而返回的少，最后达到平衡。这样在达到平衡。这样在A的两端形成一定的电位差，即温的两端形成一定的电位差，即温差电势（也叫汤姆逊电势），如图所示。其大小可表差电势（也叫汤姆逊电势），如图所示。其大小可表示为示为 材料材料A在两端在两端 温度温度T、T0时的温差电势；时的温差电势； 汤姆逊系数，表示汤姆逊系数，表示 温差为温差为1时所产生的电势值，时所产生的电势值， 大小与材料的性质有关。大小与材料的性质有关。 图图 热电偶的温差电势热电偶的温差电势 (4)总热电势总热电势 在导体在导体A和和B组成的热电偶回路中，两接触端的温度分别为组成的热电偶回路中，两接触端的温度分别为

17、T 和和T0，且，且T T0，则回路的总热电势由两个接触电势，则回路的总热电势由两个接触电势 和两个温差电势和两个温差电势 组成，图中的箭头表示电势方组成，图中的箭头表示电势方向（由负指向正）。向（由负指向正）。 取取 的方向为正方向的方向为正方向,写出总热电势的方程为写出总热电势的方程为 若电极若电极A和和B为同一种材料，为同一种材料， 若热电偶两端处于同一温度下，。若热电偶两端处于同一温度下，。 因此，热电势存在必须具备两个条件：一是由两种不同因此，热电势存在必须具备两个条件：一是由两种不同的金属材料组成热电偶，二是其两端接触点存在温差，的金属材料组成热电偶，二是其两端接触点存在温差，而且

18、温差越大，热电势越大。也就是说，而且温差越大，热电势越大。也就是说，热电偶热电势热电偶热电势的大小，只与导体的大小，只与导体A、B的材质有关，与冷、热端的温的材质有关，与冷、热端的温度有关，而与度有关，而与导体的粗细、长短及两导体接触面积导体的粗细、长短及两导体接触面积无关无关。 实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是两个接触处实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是两个接触处的接触电势，而两个电极温差电势的差值很小而忽略不的接触电势，而两个电极温差电势的差值很小而忽略不计的话，则有更简洁的工程表达式计的话，则有更简洁的工程表达式 该式清楚地说明，如果热电偶冷端温度该式清楚地说明，如果热电偶冷端

19、温度T0保持恒定时，保持恒定时，热电偶的热电势就只与被测温度热电偶的热电势就只与被测温度T成单值函数关系。根成单值函数关系。根据国际温标规定，据国际温标规定，T0 =0时，用实验方法测出各种热时，用实验方法测出各种热电偶在不同工作温度下所产生热电势的值列成的表格，电偶在不同工作温度下所产生热电势的值列成的表格，称为分度表（见附录称为分度表（见附录A）。）。 EAB(t,t0)= eAB(t)eAB(t0)或EAB(t,t0)= eAB(t) + eBA(t0) (5)中间导体定则中间导体定则中间导体定则中间导体定则-在热电偶回路中，在热电偶回路中，冷端处断开接入与冷端处断开接入与A，B电极不同

20、电极不同的另一种导体的另一种导体C时，只要这个中间时，只要这个中间导体导体C的两端温度相同，热电偶回的两端温度相同，热电偶回路的总热电势值不会受中间导体接入的影响。路的总热电势值不会受中间导体接入的影响。 图所示为热电偶接入中间导体图所示为热电偶接入中间导体C的情况。此时热电偶的情况。此时热电偶回路的总热电势为回路的总热电势为当回路中各接点温度相等且都为当回路中各接点温度相等且都为T0时，总热电势为零，即时，总热电势为零，即 故可以得到故可以得到 同理，还可以加入第四种、第五种导体，只要加入导体的两端接同理，还可以加入第四种、第五种导体，只要加入导体的两端接点温度相等，回路的总热电势就与原回路

21、的电势值相等。正是根点温度相等，回路的总热电势就与原回路的电势值相等。正是根据据中间导体定则中间导体定则，才可以在热电偶测温回路中接入各种仪表、连才可以在热电偶测温回路中接入各种仪表、连接导线和接插件等接导线和接插件等。 热电偶特点：热电偶特点：测温范围广，精度高，性测温范围广，精度高，性能稳定，结构简单，动态响应好，信号能稳定，结构简单，动态响应好，信号远传。远传。2.标准化热电偶与分度表标准化热电偶与分度表（1 1）标准化热电偶）标准化热电偶 电极材料应具备的性能：电极材料应具备的性能：优良的热电特性优良的热电特性 即热电势率即热电势率( (灵敏度灵敏度) )要大，热电关系接近线性，物理、

22、化学要大，热电关系接近线性，物理、化学性能稳定，不易氧化或腐蚀性能稳定，不易氧化或腐蚀 ；优良的机械性能优良的机械性能 机械强度高有韧性，材料组织均匀易于加工成丝；机械强度高有韧性，材料组织均匀易于加工成丝；制造成本低，价值比较便宜。制造成本低，价值比较便宜。（2）热电偶分度表）热电偶分度表 根据国际温标规定，根据国际温标规定， 时，用实验方法测出各种热电时，用实验方法测出各种热电偶在不同的工作温度下所产生的热电势值，列成一张表格，称偶在不同的工作温度下所产生的热电势值，列成一张表格，称为分度表。为分度表。 根据分度表，有以下结论：根据分度表，有以下结论： 不同型号热电偶的热电势有较大差别不同

23、型号热电偶的热电势有较大差别 ，B型热电势小，型热电势小，E型热电势最大；型热电势最大； 热电势是温度的升值函数；其关系为非线性；热电势是温度的升值函数；其关系为非线性； 当当 当冷端温度当冷端温度 时，先时，先 补偿电势，再查表获得温度，补偿电势，再查表获得温度， 即：即： Cto00Cto000)(,000tECto)0 ,(),()0 ,(00tEttEtE例例1 ：用用K K型热电偶测炉温时，测得参比端温度型热电偶测炉温时，测得参比端温度t t0 03838；测得测量端和参比端间的热电动势测得测量端和参比端间的热电动势E(t,38 )E(t,38 )29.90 mV29.90 mV，试

24、求实际炉温。试求实际炉温。解由解由K K型分度表查得型分度表查得E(38E(38，0)0)1.529 mV1.529 mV，由上式可，由上式可得到：得到： E(tE(t，0)0)E(t,tE(t,t0 0 ) + E(t ) + E(t0 0, 0 ), 0 ) 29.90 +1.529= 31.429 mV29.90 +1.529= 31.429 mV再查再查K K型分度表，由型分度表，由31.429 mV31.429 mV查得到实际炉温查得到实际炉温755 755 。 按热电动势按热电动势E(t,38 )E(t,38 )29.90 mV29.90 mV查查K K型分度表得对应的型分度表得对

25、应的炉温炉温718718，与实际炉温，与实际炉温755755相差相差3737，由此产生的相，由此产生的相对误差约为对误差约为5%5%。（再加上。（再加上t t0 03838为为756 756 ，很接近，很接近755 755 ）（注：（注：由于热电偶所产生的热电势与温度之间的关系都是非线性的，因此在自由端的温度不为零时，将所测得热电势对应的温度值加上自由端的温度，并不等于实际的被测温度。）3.3.热电偶结构型式热电偶结构型式(1)(1)普通（装配）型热电偶普通（装配）型热电偶 主要由四部分组成主要由四部分组成 ：热电极、绝缘管、保护管和接线盒。热电极、绝缘管、保护管和接线盒。(2)(2)铠装型热

26、电偶铠装型热电偶 是将热电偶丝和绝缘材料一起紧压在金属保护管中制成的热电是将热电偶丝和绝缘材料一起紧压在金属保护管中制成的热电偶。偶。特点：特点：响应速度快响应速度快(0.01S),(0.01S),气密性好、不怕振、耐高压气密性好、不怕振、耐高压, ,使用寿命长使用寿命长, ,柔软性好便于安装，柔软性好便于安装，适用于复杂结构（如狭小弯曲管道內）适用于复杂结构（如狭小弯曲管道內）（4 4）表面型热电偶）表面型热电偶专门用来测量固体表面温度的一种特殊热电偶。专门用来测量固体表面温度的一种特殊热电偶。 反应速度极快、热惯性极小。反应速度极快、热惯性极小。（5 5）快速型热电偶）快速型热电偶测量钢水

27、等高温熔融物体的一种专用热电偶。测量钢水等高温熔融物体的一种专用热电偶。热电偶的结构型式热电偶的结构型式可根据它的用途和安装位置来确定。在热电可根据它的用途和安装位置来确定。在热电偶选型时，要注意偶选型时，要注意三个方面三个方面：热电极的材料；保护套管的结构，：热电极的材料；保护套管的结构，材料及耐压强度；保护套管的插入深度。材料及耐压强度；保护套管的插入深度。（3 3）薄膜型热电偶）薄膜型热电偶 把两种不同的热电极材料蒸镀在很薄的绝缘基板上。把两种不同的热电极材料蒸镀在很薄的绝缘基板上。 适用于测量微小面积上的瞬变温度。适用于测量微小面积上的瞬变温度。4.4.热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端

28、温度补偿目的：目的：热电偶的温度与热电势关系的分度表是在冷端温度为热电偶的温度与热电势关系的分度表是在冷端温度为 0 0时作出的，而与热电偶配套使用的显示仪表也是热电偶冷时作出的，而与热电偶配套使用的显示仪表也是热电偶冷端温度为端温度为 0 0时刻度的时刻度的; ;所以必须满足冷端温度为所以必须满足冷端温度为0 0的条件。的条件。就要补偿不为零引起的误差。就要补偿不为零引起的误差。方法：补偿导线法、冰点恒温法、计算校正法、补偿电桥法方法：补偿导线法、冰点恒温法、计算校正法、补偿电桥法（1 1）补偿导线法）补偿导线法 采用一种专用导线（在一定温度范围采用一种专用导线（在一定温度范围0 0100100内与所连接内与所连接的热电偶具有相同的热电的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金特性，其材料又是廉价金属），将热电偶的冷端延属），将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又偶冷端温度保持不变，又经济廉价。经济廉价。图 补偿导线接线图（镍硅）kT常见热电偶的补偿导线常见热电偶的补偿导线使用补偿导线注意问题使用补偿导线注意问题1）补偿导线只能在规定的范