电力设计院温度计量培训课程.ppt

1、温度计量,河南电力试验研究院 计量所桑小明 2011,第一章温度与温标第一节基本概念,温度是用来表征物体冷热程度的物理量。热力学温度是国际单位制（SI）的七个基本量之一，与其它六个国际制单位（长度、质量、时间、电流、物质的量、发光强度）相比，温度的特殊性在于，温度是一个强度量（也称内涵量），而不是一个广延量，即：两个温度之间只有相等和不相等的关系，不能相互叠加。 注：在热力学中通常把描写均匀系的变量分为两类,一类是与总质量成比例的,名为广延量,另一类是代表物质的内在性质与总质量无关的,名为强度量。,热力学温度符号为T，单位名称为开尔文，单位符号为K，定义为水三相点热力学温度的1/273.16。

2、 摄氏温度符号为t，单位名称为摄氏度，符号为，其大小等于开尔文，即温差可以用开尔文或摄氏度来表示。 温标的定义为：温度的量值表示方法。固定点、内插仪器以及函数关系构成温标的主要内容，简称为温度的“三要素”。,1991年7月1日起，我国施行“1990年国际温标（IST90）”。 1990国际温标是以热力学温度为基础，用其测定的任何温度，数值上更加接近热力学温度值，且这种测量容易实现并有较高的复现性。 热力学温度与摄氏温度的关系为 t/=T/K-273.15 对于1990国际温标（IST90）可用下式表示 t90/=T90/K-273.15,第二章热电偶,自从1921年塞贝克发现热电效应以来，随着

3、科学技术的不断发展，热电偶已成为目前温度测量领域中应用最广泛的感温元件之一。其主要优点是： 1、测量温度范围广，可以1K到2800的广阔温域内进行测量； 2、性能稳定、准确可靠，故被确定为国际实用温标中630.630 1064.64温度范围内的基准仪器。 3、结构简单、热惯性小、动态响应速度快、信号能够远距离传送和多点测量等这些优点，便于实现集中检测与控制。 因此在工业生产和科学研究等领域中，都广泛地应用热电偶来测量温度。,第一节热电偶工作原理,两种成分不同的导体A和B（如图1）所示，组成一个闭合的回路，当接点1和2温度不同时（即存在温差），回路中即产生了热电势，这个现象称作热电效应。热电偶就

4、是利用这个原理来测量温度的。 热电偶的测量端：A与B两种导体相互焊接，用来感受被测温度的一端称为测量端，也称工作端或热端。 热电偶的参比端：处在环境温度或测量温度的另一端称为参比端（参考端），也称为自由端或冷端。,图1 热电偶的工作原理,当热电偶的热电极A、B材料一定时，热电偶的热电势为：EAB（t,t0）=eAB(t)- eAB(t0) （21）式中：eAB(t)测量端温度为t时的分热电势； eAB(t0)参比端温度为t0时的分热电势； 由式（21）可知，热电偶回路的热电势与热电极A、B的材料成分及测量端和参比端的温度t和t0有关。当参比端温度t0恒定时，热电偶的热电势为测量端温度t的单值函

5、数。由此可见：当热电极材料均匀时，热电偶的热电势的大小与热电极的长度和直径无关，仅与热电极度材料成分及测量端和参比端的温度有关。,热电偶的热电势与温度之间的关系是非线性的，当参比端温度不是恒定时，热电偶的热电势不能看成是两端温度差的函数，应为两端温度的函数。如E（200，0）E（400，200）。由于热电偶的分度表是以热电偶参比端为0时的热电势与温度的对照关系，当参比端温度不为0时，可用下式表示它们的关系：E（t,0）=E(t,t1)+E(t1,0) (22)式中：E（t,0）测量端温度为t，参比端温度为0时的热电势； E(t,t1) 测量端温度为t，参比端温度为t1时的热电势； E(t1,0

6、) 测量端温度为t1，参比端温度为0时的热电势；,第二节热电偶的种类,热电偶按用途可分为工业热电偶和标准热电偶。 工业热电偶按结构不同又可分为普通热电偶和铠装热电偶。 热电偶按热电极度的材料可分为不同分度号的热电偶。 我国采用国际标准（IEC）生产的热电偶有以下8种： （1）铂铑10铂热电偶（S型）；,（2）铂铑13铂热电偶（R型）； （3）铂铑30铂铑6热电偶（B型）； （4）镍铬镍硅热电偶（K型）； （5）镍铬硅镍铬热电偶（N型）； （6）镍铬铜镍合金（康铜）热电偶（E型）； （7）铁铜镍合金（康铜）热电偶（J型）； （8）铜铜镍合金（康铜）热电偶（T型）； 以上8种热电偶的分度表、分度公

7、式以及热电势对分度表的允许误差都与IEC标准相同。,第三节热电偶的结构,3.1普通工业热电偶的基型结构 经过统一设计的普通工业热电偶基型结构（如图2）所示。它通常由接线盒、感温元件和保护管组成。,图2,3.1.1接线盒：用来固定接线座和作为连接补偿导线的装置。根据被测量温度的对象和现场环境条件，设计有普通式、防溅式、防水式和接插座式等四种结构形式。 3.1.2感温元件：是由两根不同成分的偶丝组成。一端焊成测量端，放进保护管底部，感受被测温度，另一端作为参比端被固定在有接线柱的接线座上，供用户作为连接补偿导线用，在偶丝上套有绝缘管保证两根偶丝间的电气绝缘。3.1.3保护管：保护管是用来保护热电偶

8、免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置。保护管应具有耐高温、耐腐蚀、气密性好，导热性能好和足够的机械强度等性能。,3.2铠装热电偶,3.2.1铠装热电偶的优点 (1)寿命长，因为偶丝得到稳定性非常好的绝缘材料牢固的覆盖和气密性很好的金属套管的保护。 (2)具有很好的机械性能，可用于有强烈振动的冲击的设备上进行温度测量。 (3)耐高压，适用于各种高压，高温的化工等生产设备上进行温度测量。 (4)由于铠装热电偶具有很大的可挠性，因此适用于结构复杂的设备上进行温度测量，其最小弯曲半径通常是铠装热电偶直径的5倍。在同一位置上一般允许以最小弯曲半径弯曲3次。 (5)由于可以加工到很小的直径，因此铠装热电偶

9、的时间常数小，响应速度快。,3.2.2铠装热电偶的结构 铠装热电偶是一种由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者组合加工而成的坚实缆状组合体，并具有测量端和参比端的热电偶。有的铠装热电偶还具有接线盒或固定装置以及有单支，双支或多支感温元件。 铠装热电偶参比端在装配连接补偿导线的接线（装置）盒前应加以很好的密封，以防止绝缘材料（氧化镁）受潮。,3.3热电偶参比端温度处理,热电偶分度表是以参比端温度为0时给出的。在实际使用时，由于热电偶的参比端温度不一定处于0，它将受到所属环境的影响而引起测量误差，因此需进行修正或补偿。,常用的热电偶参比端温度处理有以下几种方法：,3.3.1测温计算法：将参比端温度测出

10、，根据下式计算修正值，进行修正，求出被测温度值。 E（t，t0）= E（t，t1）+ E（t1，t0） 式中E（t，t0）-测量端为t，参比端为t0时的热电势 E（t，t1）-测量端为t，参比端为t1时的热电势 E（t1，t0）-测量端为t1，参比端为t0时的热电势 3.3.2冰点恒温法：将参比端温度处于0。这种方法一般用于精密测量以及热电偶检定。,常用的热电偶参比端温度处理有以下几种方法：,3.3.3定点恒温法：将参比端温度恒定在某一温度下，将测温仪表起点定到该温度值。此方法一般为热电偶与无参比端温度补偿电路的现场地次仪表相配合使用。 3.3.4参比端温度自动补偿：采用参比端温度补偿器（外补

11、偿）或在二次仪表内部设计参比端温度补偿线路（内补偿）。,3.4热电偶的补偿导线,用一种热电特性与热电偶相同的廉价导线，将热电偶的参比端延伸到温度较低、较稳定的场所以便与测温仪表连接，这种导线，即为补偿导线。补偿导线的种类见表1。,3.5热电偶的安装,热电偶的安装是否正确合理，对测量结果有着重要影响。通常要求尽量做到测量准确、安全可靠、维修方便。热电偶安装时应遵守以下原则： (1)热电偶的测量端应处于能够真正代表被测介质温度的地方。在管道上安装热电偶时，应使保护管末端超过管道中心线约510mm。 (2)热电偶应有足够的插入深度。一般最少不小于热电偶保护管外径的810倍。 (3)为防止热损失，热电

12、偶保护管露在设备外部应尽可能短，并加保温层。,(4)若被测介质具有负压或为有害气体时，热电偶安装必须严格密封，以免外界冷空气进入影响测量的准确性，或有害气体溢出污染空气。 (5)热电偶的安装地点，应尽量避开其他热源、强磁场、电场等，防止外来干扰。 (6)热电偶安装位置应尽量保持垂直，防止保护管在高温下产生变形。但在有流速情况下，热电偶必须倾斜安装，如有可能，尽量安装在管道的弯曲处。若需水平安装时，则应该有耐火砖或耐热金属支架加以支撑。,第三章热电阻温度计,第一节 热电阻温度计 1.工作原理 电阻温度计在科研和生产中经常用来测量-200+600的温度。它具有测温范围宽、测温精度高、稳定性好、能远

13、距离测量、便于实现温度控制和自动记录等优点。是使用较为广泛的一种测温仪表。 热电阻是利用导体或半导体的电阻随温度而变化的原理测量温度的。当温度变化时，感温元件的电阻随之而变化，将变化的电阻值作为信号，输入显示仪表中，来测量或控制被测介质的温度。,2.热电阻种类,2.1铂热电阻 Pt10和Pt100是我国按照国际标准生产的铂热电阻温度计，0时的电阻值分别为10和100。 2.2铜热电阻 铜热电阻温度计没有国际标准，Cu50和Cu100是依照我国专业标准生产的热电阻温度计，0时的电阻值分别为50和100。 2.3镍热电阻 镍热电阻温度计分为：Ni100、Ni300和Ni500三种，0时的电阻值分别

14、为100、300和500。,热电阻与热电偶一样，分为普通工业热电阻温度计和铠装热电阻温度计。表1 感温元件的品种、代号、分度号和测温范围,3.热电阻的允许误差 3.1热电阻实际电阻值对分度标称电阻值以温度表示的允许偏差Ei见表2。,注：（1）表中|t|是以摄氏度表示的温度的绝对值； （2）A级允许偏差不适用于采用二线制的铂热电阻； （3）对R0=100.00的铂热电阻，A级允许偏差不适用于t650的温度范围； （4）二线制热电阻偏差的检定，包括内引线的电阻值，以具有多支感温元件的二线制热电阻，如要求只对感温元件进行偏差检定，则制造厂必须提供内引线的电阻值。,3.2热电阻在100和0的电阻比R（

15、100）/R（0）对标称值的允许偏差见表3。,4.热电阻的基本参数,这里指的基本参数是包括套管在内的整套热电阻参数，它与感温元件基本参数是不同的。 4.1普通工业热电阻的基本参数 （1）热电阻的绝缘电阻。 当环境温度为1535，相对湿度不大于80%时，铂热电阻感温元件与保护管之间以及多支感温元件之间的绝缘电阻应不小于100M，铜热电阻应不小于20M。,（2）热电阻的时间常数 被测介质自某一温度（如室温）阶跃变化到另一温度（如沸水），热电阻达到整个温度变化范围63.2%的瞬时止所需要的时间为热电阻的时间常数。,第四章 膨胀式温度计,第一节压力式温度计 一、工作原理 压力式温度计是利用气体、液体或

16、低沸点的液体等作为感温介质，这些物质的特点是膨胀系数较大，将这些物质填充于以温包、毛细管和弹簧管所组成的密封系统内。以温包作为测量端，当温包内介质受到温度作用后，密封系统内的压力发生变化，引起弹簧管曲率的变化，使得弹簧管自由端发生位移，通过连杆和传动机构带动指针在表刻度盘上指示出相应的温度值。,二、感温介质 1、气体 通常使用氮气，其沸点为-195.802，以气体作为感温介质的特点是： A、化学稳定性好、粘性小、比热小、压力与温度呈线性关系； B、仪表刻度均匀、测量上限可达500； C、环境温度的影响较大。,2、液体 通常使用的有：水银、二甲苯、甲醇、甘油等。以液体作为感温介质的特点是： A、

17、化学稳定性好、粘性较小、压力与温度呈线性关系； B、有较大的膨胀系数、仪表灵敏度较高、仪表刻度均匀； C、环境温度的影响较大； D、测量下限不能低于液体的凝固点，但可以高于其在常温下地沸点。,3、低沸点的液体 常用的有：氯甲烷、氯乙烯、乙醚、甲苯、丙酮等。 其特点： A、饱和蒸汽压力与温度呈线性关系； B、测温下限必须高于液体的沸点、测温上限低； C、环境温度对仪表的示值影响较小。,三、压力式温度计使用注意事项,在使用当中应注意： 1、在安装时毛细管应引直，每相隔300mm距离应用扎头固定，毛细管的最小弯曲半径不应小于50mm； 2、应将温包全部插入被测介质中，以使感温介质充分感受到被测温度；

18、 3、对于液体压力式温度计，安装时应使温包与指示仪表在同一水平面上，以减小由于液体静压引起的误差。,第二节双金属温度计,一、工作原理 双金属温度计是以两种膨胀系数不同的金属片，彼此牢固结合而制成的双金属片，以双金属片作为感温元件制成的温度计。 双金属片通常绕成螺旋形状，一端固定，另一端连接指针轴。当双金属片受到温度的作用时，由于两种金属的膨胀系数不同，使双金属片的曲率产生变化，通过指针轴带动指针偏转，在刻度盘上指示出被测温度值。,二、结构 双金属片的结构 由两层不同热膨胀系数的金属片，彼此牢固地组合而成的材料称为双金属片。其中，膨胀系数大的金属为主动层。将双金属片的一端固定，当温度升高时，主动层的伸长受到被动层的牵制，被动层的伸长又受到主动层的拉伸，产生的组合力矩使得双金属片引起弯曲。,第三节玻璃液体温度计,一、工作原理 玻璃液体温度计是利用感温液体受热产生膨胀的原理进行温度测量的。 玻璃液体温度计的示值，不仅取决于感温液体的体积变化，还受到玻璃液体温度计的感温泡容积变化的影响，由于感温液体的热膨胀系数大于玻璃热膨胀系数许多倍，因此实际上，该种温度计还是只考虑感温液体的变化沿着毛细管移动的距离来显示温度的。,玻璃液体温度计的感温液