温度测量常识

1、YC127 仪表1 丽东化工丽东化工 温温度度测测量的基本常量的基本常识识擔當者擔當者 : : 朱朱 基基 千千YC127 仪表2 丽东化工丽东化工 培训目的 培训要求 可以正确说明安装在现场的各种温度测量仪表的种类及原理.本教材主要帮助生产操作人员正确理解安装在现场的各种温度测量仪表的原理及工作的基本知识.仪表维护人员在温度仪表的故障处理过程中,应该以基本理论为基础,严格按照操作规程,正确处理.YC127 仪表3 丽东化工丽东化工 目录 1.概述2.按测量方法进行分类3. 感温元件的种类4. 热电偶温度计5. 热电阻温度计6. 半导体温度计7. 双金属温度计8. 充液式温度计9. 辐射式温度

2、计10. 玻璃管液体温度计附:热电偶,热电阻分度表 YC127 仪表4 丽东化工丽东化工 1. 1. 绪论绪论温度作为生产中的重要变量是反映生产状态的最基本的参数之一.它不仅决定着介质的状态,品质,反应速度等等,还是反映生产是否正常的重要指标,也是对设备的安全产生重要影响的指标.尤其在精油化学工程中,温度与压力起着决定工程状态的重要作用,所以准确测量工程中各部位的温度至关重要.温度检测从产业(工业,医学,宇宙,资源探索,海洋开发,防灾)乃至民生,应用范围极广,而且还在不断扩大.理想中的温度检测元件应该是测温范围广,精度高,体积小,价格低廉.但是这种温度检测元件在现实中并不存在,使用者只能按照用

3、途选择使用.YC127 仪表5 丽东化工丽东化工 当我们身体的一部分接触到物体就会有或冷或热的感觉,衡量冷热程度的尺度就叫做温度.其程度由物体所包含的热量决定,与物质中分子活动的活跃程度有关. 测量温度数值的仪器我们称为温度计.任意两个冷热程度不同的物体相接触,必然要发生热交换现象,热量将由受热程度高的物体传到受热程度低的物体,直到两物体的冷热程度完全一致,即达到热平衡状态为止.在工业测量仪表中,温度仪表所占比例为45%,所占比例最大,流量约为20%,压力占10%.温度虽然在直观上很好理解,但要定量使用却很困难.例如:人的体温为36,这些谁都可以判断出,不过十个人集中在一起却不会达到360 .

4、工业过程中测量对象的温度在-200 2000 范围内,测量时由于环境条件的复杂,选型时我们要根据实际情况.1.1 1.1 温温度的度的概概念念YC127 仪表6 丽东化工丽东化工 温温度的度的数值数值表示是表示是温标温标. .它规它规定了定了温温度的度的读数读数起点起点( (零点零点) )和和测测量量温温度的基本度的基本单单位位. .各各种温种温度度计计的刻度的刻度数值数值均由均由温标温标确定确定. .在在国际国际上上, ,温标温标的的种类种类很多很多, ,如如摄摄氏氏温标温标( (CELSIUS),绝对温标绝对温标(KELVIN ).1990年年国际计国际计量委量委员会员会(ICS)规规定定

5、温温标标有有 热热力力学温标学温标 (热热力力学开学开尔文尔文温温度度,热热力力学摄学摄氏氏温温度度)与国际实与国际实用用温标温标(国国际开际开尔文尔文温温度度,国际摄国际摄氏氏温温度度).1.2 1.2 温温度的度的单单位位YC127 仪表7 丽东化工丽东化工 把在标准大气压下冰的融点设为0 ;把水的沸点定为100 的一种温标,在0 到100 之间划分一百等分,每一等分为摄氏一度. 现今应用最为广泛的温度划分 1742由 Celsius 首先提出. 1 大小等于1K大小, 温度差用K或者 来表示.摄摄氏氏温温度度(Celsius)(Celsius)水的沸点(H2O)1000-273冰的融点(

6、H2O)绝对零度(H2O)温度转换公式 = ( 9/5 ) + 32 = ( 9/5 ) + 32 = 5/9( - 32 ) = 5/9( - 32 )YC127 仪表8 丽东化工丽东化工 假设人的体温为96度,当时可得到的低温(冰和盐3:1混和的极限)为零 ,中间划分180等分,每分为1 .l华氏温度在美国广为使用.l1714年由德国的Fahrenheit提出,是世界上最早的温度划分华氏温度华氏温度华华氏氏温温度度(Fahrenhei(Fahrenheit )t )水的沸点(H2O)21232-460冰的融点(H2O)绝对零度(H2O)温度转换公式 = ( 9/5 ) + 32 = 5/9

7、( - 32 )YC127 仪表9 丽东化工丽东化工 国际单位组织 (SI)将1K定义为水的三相点,热力学温度的 1/273.16. 是在学术上最为严谨的温度划分. 1848英国人开尔文(Kelvin)定义的热力学温度. 水三相点:水,冰,蒸汽可以共存的温度 ,273.16 K.摄氏温度,华氏温度,绝对温度的关系K - 273.15 = = 5 / 9 ( - 32 )开开尔文尔文温温度度(Kelvin)(Kelvin)水的沸点(H2O)3732730冰的融点(H2O)绝对温度(H2O)YC127 仪表10 丽东化工丽东化工 也有象玻璃管液体温度计那样的将测量端和显示部分成为一体的.温度计按其

8、测量方法,测量端是否直接与被测物体接触而分为接触式和非接触式. 2.2.按按测测量方法量方法进进行分行分类类 : 温度检测端 : 将测量端感知的温度直接或间接显示的装置 : 由连接测量端和显示端的导线或者管道构成.温温度度计结构计结构YC127 仪表11 丽东化工丽东化工 热量是由高温处向低温处移动,当两个以上的物体接触后,只要时间充足,相互接触的物体的温度就会相等,达到热平衡状态.热力学法则:任意两个物体各自与第三物体达到热平衡,则任意两物体也能达到热平衡状态.也就是使测量端与被测物体相接触,当达到热平衡状态时,通过测量测量端的温度即可得到工业上需要的被测物体温度.按这种方法进行测温,必须使

9、测温元件与被测介质进行充分的热交换,假如测量端与被测介质无法接触时,也就无法测量,由于接触不充分也会产生较大的误差.接接触触式式测温仪测温仪表表 2. 2. 压压力式力式温温度度计计3. 3. 热电热电偶偶温温度度计计4. 4. 双双金金属温属温度度计计5. 5. 热电热电阻阻温温度度计计2.1 2.1 接接触触式式1. 1. 玻璃管液体玻璃管液体温温度度计计YC127 仪表12 丽东化工丽东化工 感温元件不与被测物体接触的情况下,感知高温被测物体辐射出的放射能即光和热,利用感知温度与放射能之间的一定关系测得温度.非接触式温度计反应速度比较快,不会破坏被测物体的温度场.但受到物体的发射率,对象

10、到仪表之间的距离,烟尘和水蒸气等其它介质的影响,其 测量误差较大.非接非接触触式式测温仪测温仪表表1. 1. 辐辐射式射式温温度度计计2. 2. 比色式比色式温温度度计计3. 3. 红红外外线温线温度度计计4. 4. 光光学学式式温温度度计计5. 5. 热电热电探探测测式式温温度度计计2.2 2.2 非接非接触触式式温温度度计计YC127 仪表13 丽东化工丽东化工 利用铂的电阻值随温度变化而变化的原理,因为在感温元件中精度最高,所以在-60630范围内被当作标准检测元件.大部分都是铠装使用,多用于需要精密测量的染色,化学工业等等,缺点是价格昂贵.使用金属氧化物制造,利用电阻随温度变化的特性,

11、可分为负特性(NTC)和正特性(PTC)做为感温元件是现今被应用最为广泛的,且价格便宜,体积小,缺点是:线性较差,灵敏度不高,不可做为基准温度计.NTC 主要用于温度感知,温度补偿,液位/风速/真空检测,防止过电流等PTC 可用于发动机启动,过电流保护等等由于技术的飞速发展,现在已经开发出用于极低温,低温,高温用的热敏元件,并且它的应用范围还在不断扩大.3. 3. 感感温温元件的元件的种类种类YC127 仪表14 丽东化工丽东化工 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一.当我们把两种不同金属一端焊接在一起,构成闭合回路,当冷热两端温度不同时,回路中就会产生一定大小的电动势,电动势的大小与温度成

12、一定的关系.热电偶的特点是测量精度高,测量范围广,构造简单,使用方便.是一种利用被测对象表面发生的热辐射的非接触式温度计,受热物体的单色辐射强度随温度升高而增长.主要用于钢铁,陶瓷工业,最近低温辐射温度计也得到了实用化,并逐渐替代热电偶.弥补了其他温度计在线性度,灵敏度,基准性能上的缺点.它是利用半导体P-N结的电流电压随温度变化而变化的特性,有电压输出型和电流输出型.温度计的种类很多,还有双金属,玻璃液体等等,不过大多精度不高,其应用范围上受到限制.YC127 仪表15 丽东化工丽东化工 3.1 3.1 按照按照测测量原理分量原理分类类的各的各种温种温度度计计YC127 仪表16 丽东化工丽

13、东化工 热电偶温度计是一种利用两种不同材料的导体或半导体的接点处产生的电动势(热电效应)来测量温度的.工作端称为热端,与导线连接的一端称为冷端.常用的热电偶从-501600均可连续测量,某些特殊的热电偶最低可测-269(金铁-镍铬),最高可达2800(如钨-铼).由于受使用场所和成本的限制,有必要注意,当测量点距离仪表端较远时,就需要使用与热电偶有相似特性的补偿导线(compensating lead wire)在电动势较低时,补偿导线的误差可能会左右测量结果.所以需要注意不能让补偿导线的温度太高,对于补偿导线的种类与接触点的许用温度差,KS对此有严格的规定.按热电偶的用途不同,常制成以下几种

14、形式:.普通型热电偶.铠装热电偶.表面热电偶.薄膜式热电偶.快速消耗式热电偶4. 4. 热电热电偶偶温温度度计计4.1 4.1 概概要要YC127 仪表17 丽东化工丽东化工 热电热电偶作偶作为为一一种种工工业业常用的常用的测温测温元件元件, ,其其结构简单结构简单, ,价格低廉价格低廉, ,使用使用时间长时间长, ,在多在多数场数场合合测测量量是比是比较较准确的准确的. .在在183 183 2500 2500 范范围内围内其其测测量精度可量精度可达达 0.1 1 0.1 1 , ,测测量量仪仪表表简单简单, ,并并且配且配备备了降了降低干低干扰扰的降噪的降噪电电路路. . 热电热电偶具有偶

15、具有热热力力学学柔柔软软行性行性, ,所以可以按需要改所以可以按需要改变变其形其形态态, ,考考虑虑到相到相应应快快, ,耐久性耐久性, ,回路的回路的绝绝缘缘等等问题问题, ,也做成普通也做成普通热电热电偶偶线线使用使用, ,如果需要的如果需要的话话也有也有响应时间为响应时间为1ms,1ms,比比头发丝还细头发丝还细的的热电热电偶偶, ,但通常使用直但通常使用直径为径为0.50.5 1 mm 1 mm 的的热电热电偶偶丝丝制成制成, ,用金用金属氧属氧化物的粉末做化物的粉末做绝缘填绝缘填充材料充材料, ,外部采用金外部采用金属属管保管保护护. .热电热电偶偶实际实际上是起着把上是起着把热热能

16、能转换转换成成电电能的作用能的作用, ,有三有三种热电种热电效效应应在在热电热电偶中起着作用偶中起着作用. .热电热电效效应应是用是用两种两种不同材料的金不同材料的金属构属构成一成一个闭个闭合回路合回路,当两当两接点不存在接点不存在温温差差时时,也就不存在也就不存在电电位差位差,存在存在温温差差时时,就就会产会产生生电电位差位差,这时这时就会有就会有电电流在回路中流流在回路中流动动.4.2 4.2 热电热电特性特性YC127 仪表18 丽东化工丽东化工 利用利用这种现这种现象把其中一象把其中一个个接点接点设设成成稳稳定的基准点定的基准点, ,把被把被测测点点与与基准点的基准点的温温差用相差用相

17、对应对应的的热热电势来电势来表示表示, ,从从而把而把两两端的端的温温度度变变化化转换转换成工成工业业上的上的温温度度测测量量. .这时这时置于恒定置于恒定温温度中的接点度中的接点称为称为自由端自由端, ,置于被置于被测测介介质质中的接点中的接点称为称为工作端工作端 . .热电热电效效应应就是就是将将不同材料不同材料 的的导导体或半体或半导导体体焊焊接起接起来来, ,构构成一成一个闭个闭合回路合回路, ,当两个当两个接点之接点之间间存在存在温温差差时时, ,会会在回路中形成一定大小的在回路中形成一定大小的电电流流, ,两两者之者之间间存在存在电动势电动势. .热电热电偶就是利用偶就是利用这个这

18、个效果效果来测来测量量温温度的度的. .有有关热与电关热与电的的关关系系, ,除了除了热电热电效效应应, ,还还能用能用珀耳帖效应珀耳帖效应(Peltier Effect),汤汤姆姆逊逊效效应应(Thomson Effect)来来解解释释.YC127 仪表19 丽东化工丽东化工 珀耳帖效应与热电效应刚好相反珀耳帖效应与热电效应刚好相反,当电流流过两种不同材料构成的回路时当电流流过两种不同材料构成的回路时,按其电流方向按其电流方向,一端散热一端散热,一一端吸热的现象就是珀耳帖效应端吸热的现象就是珀耳帖效应.利用热电偶进行测量时利用热电偶进行测量时,高温的工作端吸热高温的工作端吸热,低温的自由端散

19、热低温的自由端散热,实际使实际使用时用时,由自身的热电流导致的温度变化是极小的由自身的热电流导致的温度变化是极小的.当电流以热电效应时的电流方向流过时当电流以热电效应时的电流方向流过时,在高温接点在高温接点处吸热处吸热,在低温接点处散热在低温接点处散热.Peltier Effect效效应应是以是以电电流流经过经过由由两个两个不同金不同金属构属构成的回路中的接点成的回路中的接点时时的的热热量量变变化化来来定定义义的的,只靠只靠两两个导个导体的接体的接触触是不是不会产会产生生Peltier Effect的的,电电流的方向是由散流的方向是由散热热或者吸或者吸热来决热来决定的定的,与与形成接点的形成接

20、点的导导体体的形的形状状大小无大小无关关,与导与导体的体的构构成材料成材料与与接点部位的接点部位的温温度有度有关关.4.2.14.2.1珀耳帖效应珀耳帖效应(Peltier Effect)(Peltier Effect)Seebeck Current FlowA(+)B(-)T1T2T1 T2Peltier EffectPeltier EffectYC127 仪表20 丽东化工丽东化工 汤汤姆姆逊逊效效应应是指是指当电当电流流流流过导线时过导线时,即使是一即使是一种种金金属内属内部部,只要存在只要存在温温度差度差,当当电电流流经过经过存在存在温温度差的部位就度差的部位就会产会产生吸生吸热热,散

21、散热现热现象象,不不过产过产生的影生的影响较响较Peltier Effect小小.关关于于Peltier Effect,Thomson Effect的的研研究究仅仅仅仅做做为为理理论研论研究究结结果果, 热电热电效效应应对热电对热电偶的解偶的解释释已已经经很充分了很充分了.4.2.2 4.2.2 汤汤姆姆逊逊效效应应YC127 仪表21 丽东化工丽东化工 由均匀的金属材质的导体构成的回路,不管其形式或温度分布,即使加热测量接点也不会产生热电流.即热电势为零的定律,不仅可以通过热力学考察来证明,还可以通过对只有一个热电系数的回路的线积分评价. 4.3 4.3 热电热电回路定律回路定律想要说明热电

22、偶回路的特性,就需要运用温度与电动势的理论关系被实际运用时的热电效应三定律,这些定律都是在实验中推导出来的.4.3.1 4.3.1 均均质质回路定律回路定律V = Sa(T1 + T2) + Sb(T2 - T1) = 0 结果为零的原因是a,b金属拥有相同的热电系数.YC127 仪表22 丽东化工丽东化工 4.3.2 4.3.2 中中间导间导体定律体定律由不同金属构成的回路中,当整个回路都处在同一温度下时,其热电势的代数之和为0,这就是中间导体定律.它是根据热电偶的基础原理,温度均匀与不均匀的差别. V = Sa(T1 - T1) + Sc(T1 - T1 ) + Sa(T1 - T1) +

23、 Sb(T1 - T1) = 0YC127 仪表23 丽东化工丽东化工 用两种不同材质的均质金属构成一个闭合回路,T1与T2为接点时,产生的电动势为V12, T2 与 T3为接点时产生的电动势为 V23 , T1与T3为接点时产生的电动势为 T12 + T23这就叫中间温度定律.V = Sa(T2 - T1) + Sa(T3 - T2 )+ Sb(T2 - T3)+ Sb(T1- T2) = Sab(T2 - T1) + Sab(T3 - T2 ) = V12 + V234.3.3 4.3.3 中中间温间温度定律度定律YC127 仪表24 丽东化工丽东化工 如图所示:将两种不同材料的导体与半导

24、体A,B焊接起来,当两个接点间存在温差,就会产生热电势.会在回路中形成电流.这一原理是1821年美国科学家Seebeck在铜与锑之间发现的现象,这就是热电效应.如下图所示:将金属A,B焊接起来,b,b在同样的温度下与不同温度的a连接,可以发现b,b之间产生热电势,并且与a-b间的温差有一定联系.同时,产生的热电势由两种金属和两接点间的温差决定,不受金属外形,过程中温度变化的影响.4.4 4.4 热电热电偶偶YC127 仪表25 丽东化工丽东化工 4.4.1 4.4.1 对热电对热电偶的要求偶的要求产生的电动势要大耐热性,耐腐蚀性良好,机械强度高长时间使用热电势依然稳定,热电偶磨损小同种热电偶拥

25、有同样的特性,有互换性电阻和温度系数要小(测量高温时)虽然没有完全满足上述条件的材料,但可以根据测量条件选择使用比较接近的材料.YC127 仪表26 丽东化工丽东化工 S 型热电偶与其它热电偶相比 ,再现性要好,精度最高.在国际实用温标 630.74 1064.43 的范围内被定为标准热电偶.热电势随着铑含量的增加在同样温度下会更低一些,特别是低温时更小,常温下(0 100 )自由端的温度变化可以忽略不计.在氧化性环境下可以使用,还原性环境 (CO2, H2, H2S, SO2, GAS 中温度超过 1000 时) ,较为勉强,所以主要使用非金属保护套管.4 . 5 4 . 5 热 电热 电

26、偶 特 性偶 特 性4.5.1 B4.5.1 B型型热电热电偶偶B型热电偶是在纯铂里加入了铑,使得融点大大提高,比起R,S 型热电偶耐热性及机械强度要更好一些.纯铂的融点为1769 ,添加 3 的铑后融点为 1800 , 含有20 的铑,融点为1900 , 含有40的铑,融点提高到1950 左右.4.5.2 R4.5.2 R型型热电热电偶偶R 型热电偶为铂铑-铂 ,名义上含铂87, 铑13 .实际上含铂87.3 , 铑12.7 .主要用于现场测量,与S型热电偶相比,电动势,耐热性都要好.4.5.3 S4.5.3 S型型热电热电偶偶YC127 仪表27 丽东化工丽东化工 K 型热电偶(又称为CA

27、型)使用的两条金属线都是以镍为主的合金,在非金属热电偶中(K,E,J,T型热电偶)可测量最高温度,比较R,S型热电偶可产生4.5倍的热电势,热电特性几乎是线性.为防止高温下被氧化,+端金属线在使用时镀有一层氧化保护膜,与合金结合良好,可以保护内部金属.老化的进程与氧化有着密切的关系.仔细观察CA热电偶的周围环境,我们可以发现,对于空气,等一般的氧化物,热电偶具有较高的化学稳定性,但对于还原性气体热电偶的化学稳定性较弱一些.CA热电偶使用直径为3.25mm的热偶丝,在710下经过 1000 小时后,热电势的变化大约为 1.5 , 由温度引起的热电势变化在 260 左右时误差最大,可达3 .同时如

28、果想长时间保持其稳定性,必须使用粗的热偶丝.在氧化,惰性气体等环境中化学稳定性较强,但在还原性环境中化学稳定性较差,电动势会显著下降,与R型热电偶不同,对金属蒸汽化学稳定性较强,所以可以使用金属保护管,K型热电偶主要用于 1000 左右的高温环境.随着工业的发展,又出现了一些新的问题.YC127 仪表28 丽东化工丽东化工 对于使用条件而言,在还原性条件下化学稳定性很好,氢气,一氧化碳等环境下也很稳定.在氧化性环境或空气中,温度升至高温,铁会急剧发生氧化反应,在有水蒸气的环境下,铁的化学稳定性也很差.区分热电偶导线时,铁的一侧由于氧化,很容易辨别出.因为长期使用时会生出铁锈,同时因为铁为磁性体

29、,使用磁石很容易辨别.J型热电偶同K型热电偶一样,性能不高,但由于价格低廉,热电势较高,所以较为常用.由于J型热电偶使用铁,温度升高容易氧化.其使用范围的上线规定为热电偶线3.2mm时不超过600 ,在空气中的实验特性为热电偶线3.25mm时在600下连续暴露800小时输出降低4.在还原性介质中性质是稳定的,在常温下,由于与碳的结合很微弱,所以也很稳定.J型热电偶主要安装在有还原性介质的石化装置.4.5.5 J 4.5.5 J 型型热电热电偶偶(Iron-Constantan)(Iron-Constantan)YC127 仪表29 丽东化工丽东化工 由于铜的氧化性,在空气中的温度下线较低,为3

30、00 ,所以T型热电偶在氧化性环境中化学稳定性很差,但在还原性环境中化学稳定性却很好.由于铜的纯度可以提炼的很高,所以可以得到很高的测量精度.工业上常用于-250 的低温测量.区别热电偶的极性时,铜线是红色,铜与镍的合金处为带有光泽的白铜色,所以很容易区别,长时间使用时,会带有蓝色.T型热电偶的铜很容易被氧化,其常用界限定为热电偶线为1.6mm时为300 . 如果使用与T型热电偶相同的热电线,就能互相替换了.4.5.6 T 4.5.6 T 型型热电热电偶偶(Copper-Constantan)(Copper-Constantan)YC127 仪表30 丽东化工丽东化工 -200 0 500 1

31、000 1400R K E J T Bi-metal* (RTD) Bearing , (Thermocouple) . /1. q YC127 仪表31 丽东化工丽东化工 热电偶本身外径小,使用热容量小,热电导率高的绝缘材料,根据其形态可测量微小的温度变化.在不损伤功能的情况下,可随意弯曲到任何角度,具有良好的加工性和高可靠性.由于机械强度高,内部填充氧化镁材料,即使不采用套管安装,也不会被腐蚀.可承受最高500kg/cm2的压力.外径为0.2mm-12.7mm,其长度可达 300m.可测量 -200 1800的温度.4.5.7 4.5.7 铠铠装装热电热电偶偶(SHEATHED)(SHEA

32、THED)4.5.7.1 4.5.7.1 概概述述YC127 仪表32 丽东化工丽东化工 热电偶感温元件暴露在 Sheath外面,所以时间常数最小,即使很微小的温度变化也能测量,气密性,机械强度较低,所以在腐蚀性介质或高温高压环境下不是适合时间使用.4.5.7.2 4.5.7.2 铠铠装装热电热电偶的偶的热热接点接点TYPE - I (接壳型)TYPE - II (绝缘型)TYPE - III (露头型)热电偶的前端直接与 Sheath的前端焊接在一起,所以时间常数小,适用于测量高温高压介质.由于感温元件于 Sheath焊接在一起,不适合在危险场所或带有杂波干扰的场所使用.热电偶材料与Shea

33、th完全绝缘,所以时间常数较接壳型大,但长期使用较稳定.不受杂波干扰的影响,在危险场所也能安全使用.YC127 仪表33 丽东化工丽东化工 热电热电偶的偶的热电势热电势是由是由热热端端与与冷端的冷端的温温度差而定度差而定. .普通普通热电热电偶冷端到接偶冷端到接线线端的距离都很端的距离都很远远, ,为为了了补偿补偿接接线线端端与与冷端的冷端的温温度度变变化化, ,使用使用与热电与热电偶特性非常相偶特性非常相似似热电热电特性的特性的补偿导线来连补偿导线来连接冷端接冷端与与接接线线端端. .热电偶的连接接线有下面两种方法:一种是直接使用热电导线,另一种是使用与热偶丝特性相似的补偿导线.如下图:4.

34、6 4.6 热电热电偶的工作方法及偶的工作方法及补偿导线补偿导线YC127 仪表34 丽东化工丽东化工 l当形成温度测量回路时,工作端显示的并非是被测介质的温度,因为会受到热电偶冷端或者温度变送器周围温度变化会导致测量误差,一测量温度为基准,补偿周围温度变化导致的误差对测温的影响,称为温度补偿.l所谓温度补偿,就是消除持续变化的除测量端以外的周围温度变化,自身不断进行补偿,一旦周围温度变化导致误差,则采取一定方法进行补偿的方法.所以与周围环境温度无关,补偿导线具有自我持续补偿的能力.l补偿导线的功能如下图a)所示,若补偿接点的温度为0 ,产生的电动势E (t-0) = Et - 0 = Et.

35、如果补偿接点的温度不是0,而是t ,则产生的电动时为与 t - t1相当的 E(t- t1) = Et - Et1 ,就会产生 Et1的误差. YC127 仪表35 丽东化工丽东化工 图中的电动势为于 t-t1相当的 Et - Et1,t1-t2的电动势为 Et1 - Et2 (采用补偿导线或热电导线),所以与 t- t2 相当的电动势的和可以如下表示:(Et- Et1) + (Et1- Et2) = Et - Et2 = Et - 0 = Et所以使用补偿导线或者热电导线可补偿周围温度变化导致的误差,使用补偿导线时,从测量端至自由端就形成等价回路,与使用热电导线有着同样的效果.YC127 仪

36、表36 丽东化工丽东化工 J : 铁-铜与镍的合金K: 镍铬-镍硅T: 铜-康铜R: 铂-铂+13%铑S: 铂-铂+10%铑热电热电偶的偶的电动势电动势特性表特性表(Thermoelectric Voltage Curves)(Thermoelectric Voltage Curves)YC127 仪表37 丽东化工丽东化工 铠装(SHEATHED) 热电偶一般的热电偶YC127 仪表38 丽东化工丽东化工 温温度度测测量元件量元件 Thermocouple Thermocouple2-1 金属保护管热电偶 种类 和 测量范围 K: Type -2001200 J: Type 0750 T:

37、Type -200350 E: Type -200800 保护管材料 SUS 304, SUS 316 SUS 310, INCONEL 600 其它特殊钢保护管外径 10mm,12mm 15mm, 22mm PT/PF 螺栓 - 1/81inch YC127 仪表39 丽东化工丽东化工 种类种类和和温温度度 B: Type -6001700 R: Type 01600 S: Type 01600 C: Type 8002300 材料材料 PT-0 PT-1 SiC Zirconia 保保护护管外管外径径 6mm, 8mm, 10mm 13mm, 15mm, 17mm 20mm, 26mm,

38、40mm, 带带保保护护管管测温测温元件元件YC127 仪表40 丽东化工丽东化工 种类和温度 K: Type -2001200 J: Type 0750 T: Type -200350 E: Type -200800 N: Type -2001200 Sheath铠装材料 SUS 316, SUS 310 SUS 446, INCONEL 600 Sheath外径 0.5mm,1.0mm,1.6mm 2.3mm, 3.2mm, 4.8mm 6.4mm, 8.0mm,12.7mm 连接 PT/PF 1/81inch RF/FF 10A125A 防爆d2G4 其他形式其他形式热电热电偶偶YC12

39、7 仪表41 丽东化工丽东化工 种类和测量温度 C: Type 8002300 B: Type 6001700 R: Type 01600 S: Type 01600 Sheath材料 钽(Tantalnum )for Max.2300 钼(Molybdenum )for Max.2200 铂合金( Platinum Alloy) forMax.1650 Sheath外径 1.6mm, 3.2mm, 6.4mm 用途 真空, 热处理 Max.2300 国外最新Exotic 热电偶YC127 仪表42 丽东化工丽东化工 种类和测量温度 K: Type 01200 N: Type 01200 R:

40、 Type 01600 外径 1.6mm, 3.2mm, 6.4mm 特殊形式特殊形式热电热电偶偶YC127 仪表43 丽东化工丽东化工 种类和测量温度 K: Type 01200 J: Type 0750 T: Type 0350 E: Type 0800 Sheath材料 SUS 316 哈氏合金Hastelloy 特殊钢 高高压压用用热电热电偶偶YC127 仪表44 丽东化工丽东化工 一体化一体化温温度度计计Model TT Series 输入信号 K, J, T, E, Type RTD Pt 100 ohm/1000ohm RTD Ni 120 ohm/Cu 10ohm 输出 4 2

41、0mA DC. YC127 仪表45 丽东化工丽东化工 精确度(Accuracy )0.25 at 25 0.5 at 25 输出阻抗 250 ohm 5-3 5-3 冷端冷端补偿补偿器器 ColdjuntionColdjuntion Compensator CompensatorYC127 仪表46 丽东化工丽东化工 4.7 4.7 热电热电偶的特点偶的特点结构简单,机械强度高,坚固,误差较小.可测量大范围温度(0 - 2500)感温元件小巧,可在很小的环境下测量,且响应时间较快.可把温度转换成电动势并检测出来,因此适合远传,且不受中间过程温度的影响.价格低廉,容易购买.需要冷端温度补偿要考

42、虑补偿导线的误差.由于输出较小,对传送线路的阻抗等要求较高.在高温下或者长时间使用时,会缩短使用寿命.YC127 仪表47 丽东化工丽东化工 热电势的产生要求冷热两端温度不同,在理论计算时,冷端温度是在0摄氏度进行的,而实际上冷端温度并不为0摄氏度,因此必须进行冷端温度补偿.(1) 室温式冷端将仪表端子等作为冷端,测量冷端温度4.7.1 4.7.1 冷端及冷端及温温度度补偿补偿A.补偿电桥B.电位差式补偿C.冰点式冷端YC127 仪表48 丽东化工丽东化工 (2) (2) 补偿补偿式冷端式冷端 ( (图图 A A,B),B)这是常用的温度补偿方法,使用室内补偿电路自动补偿 .(3) (3) 固

43、定冷端固定冷端 ( (图图 C C) )将冷端温度固定在一定的温度上,最具代表性的就是零点式冷端,只在精度要求较高时使用 .YC127 仪表49 丽东化工丽东化工 冷端冷端补偿补偿回路回路因为理论上冷端温度是在 0进行分度的,所以就要求将冷端温度维持在零度,或者用某种方法测量冷端温度,然后再用热电势补偿那一部分温度.补偿元件用多种,目前都已达到实用化.YC127 仪表50 丽东化工丽东化工 4.7.2 4.7.2 信信号传号传送送热电偶的信号传送主要方式:接收器变送器传送器接收器仪表控制室现场补偿导线补偿导线一般导线热电热电偶的信偶的信号传号传送送一种是将补偿导线从现场延伸到控制室后再进行转换

44、,另一种是使用现场传送器直接转换为 4 20 mADC 标准信号后 ,使用一般导线进行传输的方式.YC127 仪表51 丽东化工丽东化工 4.7.2 4.7.2 使用使用补偿导线补偿导线的理由的理由使用热电偶测量温度时,原则上是热电偶直接与仪表连接最为理想,不过测量端与仪表距离过远时,用热偶材料延长到仪表,价格将非常昂贵.所以我们使用与热电偶具有同样或者相类似热电特性的导体来替代热偶丝,这种导体就叫补偿导线.YC127 仪表52 丽东化工丽东化工 补偿导线有两种: 同材质型和代用合金型.同材质型使用与热偶相同的材料,所以在很大范围内都能维持很高的精确程度,缺点是价格昂贵. 合金型的优点是价格低

45、廉,但是毕竟与热电偶材质不同,所以在很大范围内很难保证高精度,测量范围受到限制是它的缺点. 4.7.3 4.7.3 补偿导线补偿导线的的种类种类和和规规格格YC127 仪表53 丽东化工丽东化工 补偿导线补偿导线的的颜颜色和色和规规格格 (Thermocouple and Extension wire Color codes) (Thermocouple and Extension wire Color codes)YC127 仪表54 丽东化工丽东化工 5. 热电阻热电阻同热电偶是接触式感温元件中最为常用的感温元件.铂电阻是其中稳定性最好,测量范围较广,所以主要用于测量精度较高的场合,其结构

46、有:线圈型,厚膜型,薄膜型.5.2 热电阻的工作原理众所周知,物质的电阻是随着温度而变化的,金属具有电阻随温度几乎成正比增加的温度系数,金属的纯度越高,温度系数就越大.热电偶使用铂,铜,镍等纯金属,也就是利用金属电阻值的温度依存性,只要测出金属的电阻就能知道温度了.5.1 概要YC127 仪表55 丽东化工丽东化工 优优点点稳定性最好测量精度高灵敏度好Pt100时,每 1的电阻值变化量约为 0.4,如果让 2mA的电流通过,则得到0.8mV/的输出电压.这相当于K型元件20 的热电势.不需要热电偶的冷端温度补偿回路,只要求出电阻值就能得到温度.从简单的附加回路中得到线性输出缺点缺点电阻元件结构

47、复杂,所以外型较大.响应较慢,不适合在狭窄场所进行测量.不能测量高温.最高使用温度低于600 .耐受震动,冲击性能较差.价格昂贵.5.3 铂电阻的特性铂电阻的最大特点就是已经实用化的温度检测元件中稳定性最好,测量精度最高.YC127 仪表56 丽东化工丽东化工 5.4 5.4 热电热电阻的阻的种类种类铂热电阻是已经实用化的感温元件中稳定性能最好,测量精度最高的感温元件,除了工业测量外,还被作为国际实用温标(IPTS)基准器.线径 0.05mm的铂电阻被使用的最多,低温时场合使用更细的线径, 高温领域时选用更粗的线径.铂的纯度可以相当高,为99.00%以上,通常其纯度的基准用100的电阻值与0时

48、的电阻值之比 R100/R0来表示,铂经过加工之后,电阻值会下降.5.4.1 铂热电阻5.4.2 铜热电阻铜电阻价格低廉,是除铂电阻外纯度最高的热电阻,是一种热电特性稳定的感温元件.但是由于铜的固有电阻较小,需要很长的铜线,所以比铂电阻体积大.高温下铜容易被氧化.因此,缺点是使用范围小.铜在250 左右被氧化产生电阻变化,所以使用温度控制在 120以下.铜电阻的用途为测量发电机轴承温度的上升或者用于各种温度补偿回路的感温元件,其中代表性的例子为热电偶的冷端温度补偿.YC127 仪表57 丽东化工丽东化工 5.4.3 5.4.3 镍热电镍热电阻阻镍线与铂相比较价格低廉,电阻温度系数大.不过由于无

49、法得到均匀的特性,所以在电阻元件中串连或并联电阻来增加温度系数.同时在340附近线性变化,限制了它的使用范围.使用温度范围为-50 300 主要用于测量常温附近的温度,亦用于冷端温度补偿 . 测温元件是装入保护管里使用的,电阻与保护端子之间的内部连线也由于受温度变化而产生电阻变化,这一变化与热电阻特性相加,也就随之产生误差.需要进行精密测量时,可采用四线制.YC127 仪表58 丽东化工丽东化工 5.4.4 5.4.4 陶瓷型陶瓷型铂电铂电阻阻 (CERAMIC TYPE R.T.D ELEMENT) (CERAMIC TYPE R.T.D ELEMENT)YC127 仪表59 丽东化工丽东化

50、工 5.4.5 5.4.5 云母型云母型铂热电铂热电阻阻 (MICA TYPE R.T.D ELEMENT) (MICA TYPE R.T.D ELEMENT)YC127 仪表60 丽东化工丽东化工 5.4.6 5.4.6 薄膜型薄膜型热电热电阻阻 (MICA TYPE R.T.D ELEMENT) (MICA TYPE R.T.D ELEMENT)YC127 仪表61 丽东化工丽东化工 5.4.7 5.4.7 玻璃骨架玻璃骨架铂热电铂热电阻阻 (GALSS TYPE R.T.D ELEMENT) (GALSS TYPE R.T.D ELEMENT)YC127 仪表62 丽东化工丽东化工 5.

51、4.8 5.4.8 铠铠装装(Sheath)(Sheath)热电热电阻阻YC127 仪表63 丽东化工丽东化工 5.4.9 5.4.9 热电热电阻的注意事阻的注意事项项5.4.9.1 配线电阻导致的误差热电阻的内部导线如图所示优二线制,三线制,四线制三种类型备注:(1) 为端子, S为电阻元件,连接端子与电阻元件的线是内部导线.(2) A,B为端子记号.表面黏附工艺介质,结焦;插入深度不够;高速气流都会引起误差,要充分注意.5.3.9.2 安装方法导致的误差测温电阻的内部导线YC127 仪表64 丽东化工丽东化工 YC127 仪表65 丽东化工丽东化工 5.4.9.3 5.4.9.3 注意介注

52、意介质气质气体体导导致的致的热热化化热电阻材料周围介质气体导致导线发热,电阻温度系数降低,特别是H2,H2S,金属气体影响最大,应给予重视.5.3.9.4 自身发热导致的误差利用热电阻测量温度时,通常使用闭合回路,流过热电阻的电流越大,测量的灵敏度越高,但由于热电阻自身发热会产生测量误差.所以不同精度的热电阻使用的电流是不同的.0.15级或0.2级时规定使用2mA .YC127 仪表66 丽东化工丽东化工 5.4.9.5 5.4.9.5 注意事注意事项项由被测流体导致的保护管的腐蚀或者磨损,振动引起的共振,弯曲导致的破损等等要给予重视.热电热电阻阻YC127 仪表67 丽东化工丽东化工 铠装热

53、电阻铠装热电阻的测量端由高纯度的铝粉充填着,同时由金属保护管包着,即使微小的温度变化也能迅速传送.除了感温元件末端 60mm的部位,铠装热阻可弯曲至2倍外径.由于使用高纯度的铂,测量精度可以达到很高.可制造 3.2mm 8.Omm, 长度达150m的热电阻测温范围广,可测量 -200c 500“C的温度. YC127 仪表68 丽东化工丽东化工 感感温温元件元件- -热电热电阻阻 R.T.DR.T.D种类 Pt 100 ohm at 0 保护管材料 SUS 304 其他用途特殊钢 保护管外径 8mm, 15mm 连接 PT/PF 螺栓 - 1/81inch 金金属属保保护护管管电电阻体阻体YC

54、127 仪表69 丽东化工丽东化工 Model TS-001ROOM 种类 Pt 100 ohm at 0 测温范围 -5070 外观 塑胶 Model TS-002DUCT 种类 Pt 100 ohm at 0 测量温度 -50200 外观 铝质外壳室室内温内温度感度感测测元件元件YC127 仪表70 丽东化工丽东化工 标准规格 长度 :90cm 23 Wire Style A 7.0cm 6.4cm L Style B 6.4cm 6.4cm L Style C 3.2cm 7.6cm L 轴轴承承温温度感度感测测元件元件种类 : Pt 100 ohm at 0 Cu10 ohm at 2

55、5 Ni 120 ohm at 0 测量温度: -50260 YC127 仪表71 丽东化工丽东化工 感测电机定子温度,插入使用,柔软性好,抗震动,耐高压,坚固耐用.种类 Pt 100 ohm at 0 Cu10 ohm at 25 Ni 120 ohm at 0 外观材料 Epoxy glass for 155 Polyester Glass for 180 耐压实验 3200 VRMS at 60Hz维持5秒标准规格 长度 152mm, 245mm 280mm, 305mm 直径 6.6mm, 7.7mm, 8.8mm 10.3mm, 12.7mm, 14.3mm 16.6mm, 19.0mm, 22.2mm 25.4mm, 27.0mm, 28.6mm 厚度 0