温度检测仪表

热工仪表现场维护基础培训温度检测仪表•概述•热电偶测温•热电阻测温•温度变送器模块1.1概述1.1.1温度的概念1.1.2温标1.1.3测温方法及测温仪器1.1概述1.1.1温度的概念①温度的宏观概念：是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。②温度的微观概念：是大量分子运动平均强度的表示。（注：分子运动愈激烈其温度表现越高！）1.1.2温标摄氏温标华式温标开氏温标热力学温标国际温标经验温标等价！经验温标1.测温质:要确定选择什么样的物质,这些物质的冷热状态必须能够明显地反映客观物体(欲测物体)的温度变化，而且这种变化具有复现性。如：水银、氢气或是电偶？2.测温特性：要知道该测温质的哪些物理量随着温度的改变将产生某种预期的改变。如：水银温度计是用水银做测温质，水银的体积随温度作线性变化。3.参考点：依据确定的数值作为基准，实现划分温度的间隔。华氏温度测温质：水银；测温特性：水银柱热胀冷缩。参考点：①冰、水、氯化铵和氯化钠混合物的熔点定为零度，以0°F表示。②把冰的熔点定为32°F③把水的沸点定为212°F；④在32→212的间隔内均分180等分，每份1华氏度。华氏温标——〉华氏温度使用状况：欧美等英语国家。摄氏温度测温质：水银测温特性：水银柱热胀冷缩；参考点：①冰的熔点为零度(标以0℃)，②水的沸点为100度(标以100℃)。③在0度和100度之间均分成100等份，每一份也就是1摄氏度。这种规定办法就叫摄氏温标。使用国家：亚洲国家、非英语国家摄氏温度与华氏温度的关系同种测温质(水银)，利用了同样的测温特性(水银柱热胀冷缩)。但由于规定的参考点和分度单位不同，就造成了两种不同的温标，从而产生了两种不同的温度的数值。℃F9-20-6tFtC320326852040104热力学温标第十一届国际计量大会(1960年)规定①以纯水的三相点的温度定为开氏温标的参考点，规定其温度为273.16K(而不叫“度”)，1K等于水的三相点的热力学温度的1/273.16;②热力学温标被定为基本温标；t=T-273.15③热力学温度被作为基本温度;④符号是T，单位是开尔文，简写为开，以K表示之；⑤热力学温标的零点叫绝对零度(0K)；热力学温标参考点：水的三相点是指纯水以冰、水、蒸汽的平衡混合物的状态，只要在没有空气的密闭容器内，这个状态的温度就是确定不变的，它不依赖于压强，

最客观的参考点!1.1.3测温方法及测温仪器测（1）接触式测温接触式测温仪器温方法（2）非接触式测温非接触式测温仪器1.1.3测温方法及测温仪器(1)接触式测温含义：测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，感温元件的某一物理参数的量值（热电动势、电阻、热膨胀等等）代表了被测对象的温度值。优点：直观可靠、准确度高。缺点：感温元件影响被测温度场的分布，接触不良会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。1.1.3测温方法及测温仪器（2）非接触式测温•含义：感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射方式进行热交换。特点：•①可避免接触测温的缺点（不影响温场分布）；②具有较高的测温上限；③非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，便于测量运动物体的温度和快速度变化的温度。④准确度低常用温度计的种类及优缺点测温方式温度计种类测温范围/℃优点缺点膨胀式玻璃液体－100～600结构简单，使用方便，测量准确，价格低廉测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能记录远传接触式测温仪表双金属－80～600结构紧凑，牢固可靠精度低，量程和使用范围有限压力式液体－40～200结构简单，耐震，防爆能记录、报警。价格低廉精度低，测量距离短，滞后大气体蒸汽铂铑-铂－100～5000～2500～1600热电偶测温范围广，精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制测量精度高，便于远距离、不能测高温，需注意环境温度的需冷端温度补偿，在低温段测量精度较低镍铬-镍硅镍铬-考铜铂电阻－50～1000－50～600－200～850热电阻铜电阻－50～150多点、集中测量和自动控制影响半导体热敏电阻辐射式－50～300灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便测温时，不破坏被测温度场互换性较差，测量范围有一定限制非辐射式400～2000低温段测量不准，环境条件会影响测温准确度接触式测温仪表光学式比色式光电探测700～3200900～17000～3500红外线测温范围大，适于测温度分布，不破坏被测温度场，响应快易受外界干扰，标定困难热电探测200～20001.2热电偶测温特点：①构造简单、使用方便、具有较高的准确度、温度测量范围宽；②常用测温范围：-50~+1600℃；特殊材料，测温范围可扩为:-180~2800℃③应用极为广泛1.2热电偶测温1.2.1热电效应1.2.2热电偶基本定律1.2.3常用热电偶的材料、特点和结构1.2.4热电偶测温回路1.2.5热电偶的参比端（冷端）温度补偿1.2.1热电效应•两种导体的接触电势•单一导体的温差电势•热电偶回路热电势热电效应——将热能转换成电能的现象称为热电效应。方法：两种不同材料的导体或半导体材料A和B两端牢靠地接触在一起，组成如图所示的闭合回路，当两个接触点(称为结点)温度t和t0不相同时，回路中既可产生电势，并有电流流通。At0tBBvA•A和B称为偶极或热电极•结点之一——工作端、热端；结点之二——自由端、冷端两种导体的接触电势KTnA(T)eAB(T)lnenB(T)•eAB(T)为A、B两种不同材料在温度为T时的接触电动势,V；•K为玻耳兹曼常数,K=1.38*10-23J/K；•e为电子电荷,e=1.6*10-19C；•nA(T)、nB(T)为A、B两种材料在温度T时的自由电子密度。单一导体的温差电势TeA(T,T0)

T0dTeA(T，T0)——导体A两端温度差为T和T0时形成的温差电势，Vσ——汤姆逊系数，表示单一导体两端温度差为1℃时所产生的温差电势，与材料性质及两端温度有关。KT1e(T,T)d(nt)A0

TAe0nA回路中总的热电势对于由A和B组成的热电偶闭合回路，当温度T>T0，nA>nB时，回路总的热电势为EAB(T,T0)：KTnAEAB(T,T0)

lndteT0nB分析上式：产生热电势必须满足两个条件：1.nA≠nB，即热电偶必须使用两种不同的材料；2.T≠T0,即两种接触点必须处于不同的温度。1.2.2热电偶基本定律（1）均质导体定律（2）中间导体定律（3）标准电极定律（4）连接导体定律与中间温度定律（1）均质导体定律一种均质材料构成热电偶不论导体或半导体不论截面和长度、各处温度如何。结论：都不能产生热电势热电偶材料:两种！e(T,T)e(T,T)EAA(T,T0)0A0A00（2）中间导体定律如图所示，将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C：条件：只要保持C两端温度相同（T0）结论：接入导体C后对回路总电动势无影响。EABC(T,T0)EAB(T,T0)（3）标准电极定律内容：当结点温度为T和T0时，用A、B组成的热电偶产生的热电势等于A、C热电偶和C、B热电偶热电势的代数和，即EAB(T,T0)EAC(T,T0)ECB(T,T0)导体C称标准电极（铂）（4）连接导体定律与中间温度定律连接导体定律：在热电偶回路中，若导体A和B分别与导线A’和B’相接，接点温度分别为T、Tn、T0，如图所示，则回路总电势等于热电偶电势EAB(T,Tn)与连接导线电势EA’B’(Tn,T0)之和。EAA'B'B(T,Tn,T0)EAB(T,Tn)EA'B'(Tn,T0)意义：工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。（4）连接导体定律与中间温度定律中间温度定律：当A与A’、B与B’材料分别相同时，则有EAB(T,Tn,T0)EAB(T,Tn)EAB(Tn,T0)=0意义：中间温度定律为制定热电势分度奠定了理论基础，只要求得参考端温度0℃时的热电势与温度的关系，就可以求出参考端温度不等于0℃时的热电势。1.2.3常用热电偶的材料、特点和结构（1）热电偶的材料①两种材料组成的热电偶应输出较大的热电势，以获得较高的灵敏度，且要求电势和温度之间尽可能的成线性关系②能应用于较宽的温度范围，物理和化学特性比较稳定（较好的耐热性、抗氧化、抗还原和抗腐蚀性）③具有较高的导电率和较低电阻温度系数④工艺性好，利于批量生产（2）常用热电偶热电偶分度号测温范围℃特点及应用场合名称长期使用短期使用铂铑10－铂S0～13001700热电特性稳定，抗氧化性强测温范围广，测量精度高，热电势小，线性差且价格高。可作为基准热电偶，用于精密测量铂铑13－铂R0～13001700与S型热电偶的性能几乎相同，只是热电势同比大15％左右铂铑30－铂铑6B0～16001800测量上限高，稳定性好，在冷端低于100℃不用考虑温度补偿问题，热电势较小，线性较差，价格高，使用寿命远高于S型和R型镍铬－镍硅K－270～10001300热电势大，线性好，性能稳定，价格较便宜，抗氧化性强，广泛应用于中高温测量镍铬硅－镍硅N－270～12001300在相同条件下，特别在1100～1300℃高温条件下，高温稳定性及使用寿命较K型有成倍提高，其价格远低于S型热电偶，而性能相近，在－200～1300℃范围内，有全面代替廉价金属热电偶和部分S型热电偶的趋势铜－铜镍(康铜)T－270～350400准确度较高，价格便宜，广泛用于低温测量镍铬-铜镍(康铜)E－270～8701000热电势较大，中低温稳定性好，耐磨蚀，价格便宜，广泛应用于低温测量价格便宜，耐H2和CO2气体腐蚀，在含碳或铁的条件下铁-铜镍J－210～7501200使用也很稳定，适用于化工生产过程的温度测量（3）典型结构（工业用）a普通型(装配型）主要由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。热电偶的结构（3）典型结构（工业用）热电极热电极是组成热电偶的两根热偶丝。热电极的直径由材料的价格、机械强度、电导率以及热电耦的用途和测量范围等决定。贵金属的热电极大多采用0.3～0.65mm的细丝，普通金属电极丝的直径一般为0.5～3.2mm。其长度由安装条件及插入深度而定，一般为350～2000mm。（3）典型结构（工业用）绝缘管绝缘管（又称绝缘子）用于防止两根热电极短路。材料的选用由使用温度范围而定，常用绝缘材料见表。它的结构形式通常有单孔管、双孔管和四孔管等。常用绝缘子材料材料工作温度/℃橡皮、绝缘漆珐琅玻璃管石英管瓷管纯氧化铝管80150500120014001700（3）典型结构（工业用）保护套管保护套管是套在热电极、绝缘子的外边，其作用是保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。保护套管的材料一般根据测温范围、插入深度以及测温的时间常数等因素来决定。对保护套管材料的要求是：耐高温、耐腐蚀、能承受温度的剧变、有良好的气密性和具有高的热导系数。其结构一般有螺纹式和法兰式两种。常见保护套管的材料见表所示。常用保护套管材料工作温度/℃无缝钢管不锈钢管石英管瓷管Al2O3陶瓷管6001000120014001900以上（3）典型结构（工业用）接线盒接线盒是供热电极和补偿导线连接之用的。它通常用铝合金制成，一般分为普通式和密封式两种。为了防止灰尘和有害气体进入热电偶保护套管内，接线盒的出线孔和盖子均用垫片和垫圈加以密封。接线盒内用于连接热电极和补偿导线的螺丝必须紧固。以免产生较大的接触电阻而影响测量的准确度。（3）典型结构（工业用）b铠装型由金属套管、绝缘材料（氧化镁粉）、热电偶丝一起经过复合拉伸成型，然后将端部偶丝焊接成光滑球状结构。工作端有露头型、接壳型、绝缘型三种。其外径为1～8mm，还可小到0.2mm，长度可为50m。特点：铠装热电偶具有反应速度快、使用方便、可弯曲、气密性好、不怕震、耐高压等优点，是目前使用较多并正在推广的一种结构。（3）典型结构（工业用）c表面型——薄膜热电偶常用的结构型式是利用真空镀膜法将两电极材料蒸镀在绝缘基底上的薄膜热电偶，专门用来测量物体表面温度的一种特殊热电偶。特点：反应速度极快，热惯性极小。（3）典型结构（工业用）d快速型它是测量高温熔融物体一种专用热电偶，整个热偶元件的尺寸很小，称为消耗式热电偶。小结：热电偶的结构形式可根据它的用途和安装位置来确定。在热电偶选型时，要注意三个方面：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。1.2.4热电偶测温回路1.2.5热电偶的参比端（冷端）温度补偿①热电偶测温原理：只有参比端温度恒定时，回路总热电势EAB(T,T0)才是温度T的单值函数！②热电偶分度表中，热电势-温度的对应值以Ｔ0＝０℃为基础不稳定导线测量仪表热电偶热电偶温度计测温系统示意图1.2.5热电偶的参比端（冷端）温度补偿补（1）冰点法偿（2）热电势修正法方法（3）冷端补偿器法（4）补偿导线的应用1.2.5热电偶的参比端（冷端）温度补偿（1）冰点法T0=0C！精度最高！1.2.5热电偶的参比端（冷端）温度补偿（2）热电势修正法T0=0CT=恒温0中间温度定律TEAB(T,T0,0)EAB(T,T0)EAB(T0,0)查表T实际测量查表EAB1.2.5热电偶的参比端（冷端）温度补偿（3）冷端补偿器法R4（铜丝）0C恒温T0=f(时间,环境)R1=R2=R３=1Ω(锰铜丝)R4=1不平衡R（限流）当T0=0C时四壁电阻相等电桥g电桥平衡桥路输出电压Uba=0指示仪表总的热电势为：EAB(T,T0)EAB(T,T0)UbaEAB(T,0)1.2.5热电偶的参比端（冷端）温度补偿（3）冷端补偿器法当T0↑→R4↑→a点电位↓→Uba↑同时由于T0↑→EAB(T,T0)↓调整Rg电阻→Uba=[E(T,0)-E(T,T0)],→总电势不随T0而变说明：当T0变化时，由于冷端补偿器的接入，仪表所指示的总电势E仍保持为E(T,0),相当于热电偶冷端自动处于0C。1.2.5热电偶的参比端（冷端）温度补偿（4）补偿导线导线的应用补偿导线恒温易干扰0~100C在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接端所处的温度不应超过100℃。补偿导线的分类：X型——延伸型C型——补偿型“热电偶测温”小结：热电效应（基本概念）热电偶基本定律（结论）常用热电偶的材料、特点和结构（分度号）热电偶测温回路（典型设计）热电偶的参比端（冷端）温度补偿（为什么要进行冷端补偿、为什么要使用补偿导线）1.3热电阻测温1.3.1测温原理1.3.2常用热电阻的材料、特点和结构1.3.3热电阻接入方法1.3.1热电阻测温原理原理利用导体或半导体的电阻值随温度的变化而改变的性质来测量温度。实验证明•多数金属导体在温度升高1℃时，阻值变化0.4%~0.6%；•多数具有负温度系数的半导体在温度升高1℃时，阻值变化3%~6%；1.3.1热电阻测温原理测温范围：-200~500℃特殊范围：①测量低温端可达平衡氢的三相点——13.8K②铟电阻温度计——3.4K；碳电阻温度计——1K；特点：①精度高②在低温段下测温灵敏度高③输出信号便于远传、测量或自动控制1.3.2热电阻的材料、特点、结构1.3.2.1热电阻的材料①电阻温度系数要大：单位1/℃，定义为dRR1dRRdT

dT注：α越大制成的温度计的灵敏度越高测量结果越准确一般非常数，不同温度数值不同α=f(T)材料越纯,α越大；1.3.2.1热电阻的材料②要求有较大的电阻率：因为电阻率越大↑→电阻体积越小↓→热容量和热惯性越小↓→温度变化的响应越快↑。③在测温范围内，要求物理化学性质稳定。④复现性好、复制性强、易得到纯净物质。⑤电阻值与温度的关系近似为线性关系，便于测温的分度和读数。⑥价格低。综上所述：铂、铜、铁、镍、和一些半导体材料比较适合做热电阻。1.3.2.1热电阻的材料（1）铂热电阻特点：精度高、稳定性好、性能可靠、易于提纯、复制性好、具有良好的工艺性、可以制成极细的铂丝、电阻率较高；在0C以上，其电阻与温度的关系接近于直线(其电阻温度系数为3.9×10－3/C)。作用：工业测量,温度的基准、标准仪器。ITS-90国际温标规定，在13.81K~961.78℃的标准仪器为铂电阻温度计。缺点：电阻温度系数小，在还原气氛中，特别是在高温下，易被污染变脆、价格昂贵。常用铂电阻分度号：Pt1000，Pt100和Pt101.3.2.1热电阻的材料（2）铜热电阻优点：线性度好，电阻温度系数大、价格低、精度适中；缺点：〉100℃时，易被氧化；测温范围：-50~+150℃。常用铜电阻分度号：Cu100和Cu501.3.2.2热电阻的结构、特点热电阻的结构型式有普通型热电阻、铠装热电阻和薄膜热电阻三种。1.3.2.2热电阻的结构、特点⑴普通型热电阻主要有电阻体、保护套管和接线盒等主要部件所组成。其中保护套管和接线盒与热电偶的基本相同。电阻体的结构：将电阻丝绕制（采用双线无感绕法）在具有一定形状的支架上，这个整体就称为电阻体。电阻体要求做得体积小，而且受热膨胀时，电阻丝应该不产生附加应力。目前，用来绕制电阻丝的支架一般有三种结构：平板形、圆柱形和螺旋形，如图所示。一般地说，平板支架作为铂电阻体的支架，圆柱形支架作为铜电阻体的支架，而螺旋形支架是作为标准或实验室用的铂电阻体的支架。1.3.2.2热电阻的结构、特点铂热电阻铜电阻双线无感绕制双线无感绕制玻璃烧结式陶瓷架式云母管架式1.3.2.2热电阻的结构、特点支架的质量会直接影响热电阻的性能，作为支架材料在使用温度范围内一般应满足以下要求。①有良好的电绝缘性能；②热膨胀系数要与热电丝的一致或相近；③有较高的热导率，较小的比热容；④有稳定的物理、化学性能，不会产生有害物质污染电阻丝；⑤有足够的机械强度，有良好的加工性能。常用的材料有：云母、石英玻璃、陶瓷等。1.3.2.2热电阻的结构、特点⑵铠装热电阻将电阻体预先拉制成型并与绝缘材料和保护套管连成一体。特点：体积小、抗震性强，可弯曲、热使用寿命长。惯性小、热电阻+保护套管+绝缘材料力学性好封装1.3.2.2热电阻的结构、特点⑶薄膜热电阻它是将热电阻材料通过真空镀膜法，直接蒸镀到绝缘基底上。真空镀膜法铂陶瓷厚膜——7μm薄膜——2μm特点：体积很小、热惯性也小、热惯性小！灵敏度高。1.3.3热电阻接入方法说明：为了消除热电阻温度测量回路中的引线电阻和连接导线电阻对引起的测量误差，在测量回路接入热电阻时，大多采用三线制和四线制接法。1.3.3热电阻接入方法1.3.3.1三线制接入消除线路电阻原理ArI1r'