安工大-化工仪表及自动化-第3章检测仪表与传感器温度检测

1、1,第五节 温度检测及仪表,温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。温标有：华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。,概念：温度是表征物体冷热程度的物理量。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。,自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。,2,温标,（1）摄氏温标：以水的冰点为“0”，水的沸点为“100”，中间等分为100份，每份为1度，以OC表示。 （2）华氏温标：冰

2、水融体为“32”，水的沸点为“212”，中间等分为180份，每份为1度，以OF表示。,（3）热力学温标 -又称开尔文温标，单位为开尔文（K）。 （4）国际实用温标 -是一种符合热力学温标又使用简单的温标。 最新温标是1990年国际温标 (ITS90),3,测温方式可分为接触式和非接触式两大类。 接触式：温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。比较简单、可靠，测量精度较高；但因充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。 非接触测温：温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算

3、被测物体的温度。 (1) 辐射式温度计 ， (2) 光纤式温度计。不与被测物体接触，不破坏原有的温度场。精度一般不高。,一、温度测量的主要方法,温度的测量：以热平衡为基础的。温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。,4,常用温度计的种类及适用温度,5,1、膨胀式温度计,玻璃液体温度计 利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度。,双金属温度计 不同金属受热膨胀不同，双金属片在受热情况下发生弯曲而显示温度。,6,2、压力式温度计,利用液体的蒸发或气体的膨胀而引起的压力变化进行测量。 温包：传热、容纳膨胀介质；

4、毛细管：传递压力； 弹簧管：显示压力（温度）。,7,二、 热电偶测温,热电偶测温系统可实现远距离温度自动测量。 它的测温范围为： -270+1800。 是广泛应用的温度检测系统. 常用来测量中高温。,-,8,1、工作原理与热电效应,将两种不同的导体或半导体两端相接组成闭合回路，当两接点分别置于两种不同的温度时，则在回路中产生热电势，形成回路电流.这种现象称塞贝克效应，即热电效应.,热电偶回路产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。,测温时，将焊接的一端置于被测温度场中，称为测量端（或工作端、热端）。另一段一般要求恒定在某一温度，称为参考端（或自由端、冷端）。,-,9,热电势的产生,扩散作用

5、,电场作用,不同金属具有不同的电子密度； 两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生电场热电现象； 电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡； 电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散作用越强。,自由电子密度大,自由电子密度小,10,接触电势与温差电势,接触电势：,温差电势：同一根导体两端处于不同的温度，导体中会产生温差电势（很小可忽略不计） 。,K：波尔兹曼常数，e：单位电荷电量n，N为自由电子密度。,11,热电偶回路的总的热电势,接触电势的大小与不同导体的电子密度及接点处温度高低 有关.回路热电势的大小仅与材料和端点的温度有关，与热电偶的尺寸形状无关。,当冷端温度保持不变时，热电势才是被测热端温度

6、的单值函数,-,12,2、热电偶基本定律,如下：,中间导体定律：如果插入热电偶回路的第三根导线两端的温度相同，将不影响整个回路总的热电势。,13,3、标准化热电偶与分度表,热电偶的材质要求,单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性关系； 热电性质稳定； 化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀； 具有较好的延展性，易于加工； 复现性好，便于批量生产和互换。,几种型号（分度号）的国际标准化热电偶,长期工作：1300 oC,14,热电偶的热电特性,使冷端保持0时，得到热电偶的 热电特性,-,15,温度的计算,当已知冷端温度不等于0摄氏度时，如何计算所测的温度值?,回路的热电势,差表可得,热电偶的分度表见附

7、录一：第95页,16,4、补偿导线,问题引出：,热电偶一般由贵金属制成，热电极长度有限；生产现场距控制室较远；热电偶冷端暴露于空间，易受周围环境温度影响。,解决方法：,把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方。,选用一种具有和所连接的热电偶相同的热电性能，其材料又是廉价金属导线。,补偿导线,功 能：,其一延长了热电偶的冷端； 其二是降低了成本。,造成浪费,17,带有补偿导线的热电偶测温原理。,18,使用补偿导线应注意的问题：,不同的热电偶配不同的补偿导线； 补偿导线有正（绝缘层为红色）、负极，分别接热电偶的正、负极； 补偿导线两个接点的温度应相同 补偿导线的作用只是延伸了热电偶的冷

8、端，当冷端温度不等于0时需要对冷端温度进行补偿。,19,5、热电偶的冷端温度补偿,热电偶的热电动势大小与热电极材料和两节点的温度有关,同时热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表都是以热电偶参考端温度等于零为条件的。但实际上,冷端温度受周围温度的影响不可能保持为C 或某一常数。因此要测出实际温度就必须采取修正或补偿措施。,常用的补偿方法有： 冷端温度保持C法；冷端温度修正法；校正仪表零点法；补偿电桥法；补偿热电偶法；,补偿是相对的，因此有一定误差！,20,冷端温度保持C法；,1）冷端温度保持C法:使冷端温度处于C 。例如：将冷端放在盛有绝缘油的试管中，再置入装满冰水混合物的容器中,容器维持在C

9、不变，精度高。,用在实验室和精密测量，“冰浴法”,21,冷端温度修正法；校正仪表零点法,2）修正法,3）校正仪表零点法,设：冷端温度恒为t0（t00）,被测温度为t ！,修正公式如下：,被测温度 t 的热电势,测量得出的热电势,冷端 t0的热电势,将显示仪表的机械零点调至t0处，相当于在输入热电偶热电势之前就给显示仪表输入了电势E(t0 ,0)。,22,例：用S型热电偶测温，热电偶的冷端温度t0=20，测得热电势为7.32 mv，求被测对象的实际温度t 。,由分度表查得 E (20,0 ) = 0.113 mv 则 ： E (t, 0) = E (t, t0)+E (t0, 0) = 7.32

10、 + 0.113 = 7.434 mv 再查分度表得其对应的被测温度t = 808,解：,23,补偿电桥法；,4）、补偿电桥法：利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电势的变化值。,铜电阻 蜢铜电阻 电桥平衡时的温度 显示仪表的起始点 （机械零点）,在20平衡，须把显示仪表的机械零点预先调整到20。,24,补偿热电偶法；,25,6、热电偶的结构,普通型 通常由热电极、绝缘套管、保护管和 接线盒等主要部分组成. 2. 铠装热电偶 它是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体. 3. 薄膜热电偶. 4. 表面热电偶.,26,普通型热电偶的结构,-

11、,27,铠装热电偶的结构,-,28,四、热电阻测温,1、金属热电阻 (热电阻) 2、半导体热电阻 (热敏电阻),电阻的热效应:利用金属电阻随温度变化的规律进行测量。,材料要求：电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。,29,1、金属热电阻 (热电阻),铂电阻 测温范围：200850 C ； Rt=R0(1+AtBt2 Ct3)； 当0650 C,由实验求得,工业上常用的铂电阻有两种，一种是R010，对应分度号为Pt10。另一种是R0100，对应分度号为Pt100。,分度号： Pt10

12、, Pt100,30,1、金属热电阻 (热电阻),铜电阻：测温范围：50150 C ； Rt=R0(1+t)；近似线性；,温度t时的电阻值,温度0时的电阻值,分度号： Cu50, Cu100,金属铜易加工提纯，价格便宜；它的电阻温度系数很大，且电阻与温度呈线性关系；在测温范围为-50+150内，具有很好的稳定性。,31,热电阻的结构,（1）普通型热电阻,主要由电阻体、保护套管和接线盒等主要部件所组成。,图3-67 热电阻的支架形状(已绕电阻丝),（2）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。,（3）薄膜热电阻,将热电阻材料通过真空镀膜法，直接蒸镀到绝缘基底上。,32,工

13、业热电阻 的基本结构,33,工业热电阻 的引线形式,34,2、半导体热电阻 (热敏电阻),负电阻温度系数的热敏电阻（NTC型） 指数关系 优缺点,35,热敏电阻结构形式,36,五、辐射式温度计,辐射式温度计是利用物体的辐射能随温度而变化的原理制成的。 (非接触式) 检测原理：温度为T的物体对外辐射的能量E可用普朗克定律来描述。E（，T）， ：波长 。 在整个波长范围内的总能量是温度的单值函数；特定波长上的辐射能是温度的单一函数；两个特定波长上的辐射能之比也是温度的单值函数。 辐射测温的基本方法 全辐射测温法： 亮度法： 比色法：根据辐射体的颜色与温度相对应的原理，可用光电方法测量辐射体在不同波

14、长下的光谱辐射强度之比来实现测温。 辐射温度计主要由光学系统、光电转换系统和信号处理与变换电路等部分组成。,37,六、测温元件的安装,61,1.测温元件的安装要求,（1）在测量管道温度时，应保证测温元件与流体充分接触，以减少测量误差。见图3-73。,（2）测温元件的感温点应处于管道中流速最大处。,图3-73 测温元件安装示意图之一,38,图3-74 测温元件安装示意图之二,62,（3）测温元件应有足够的插入深度，以减小测量误差。见图3-74。,39,63,（4）若工艺管道过小（直径小于80mm），安装测温元件处应接装扩大管，如图3-75所示。,图3-75 小工艺管道上测温元件 安装示意图,40

15、,图3-76 热电偶或热电阻 安装示意图,64,（6）为了防止热量散失，测温元件应插在有保温层的管道或设备处。,（7）测温元件安装在负压管道中时，必须保证其密封性，以防外界冷空气进入，使读数降低。,（5）热电偶、热电阻的接线盒面盖应向上，以避免雨水或其他液体、脏物进入接线盒中影响测量，如图3-76所示。,41,65,2.布线要求,（1）按照规定的型号配用热电偶的补偿导线，注意热电偶的正、负极与补偿导线的正、负极相连接，不要接错。,（2）热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求。,（3）为了保护连接导线与补偿导线不受外来的机械损伤，应把连接导线或补偿导线穿入钢管内或走槽板。,42,（6）补偿

16、导线不应有中间接头，否则应加装接线盒。另外，最好与其他导线分开敷设。,（5）导线应尽量避开交流动力电线。,（4）导线应尽量避免有接头。应有良好的绝缘。禁止与交流输电线合用一根穿线管，以免引起感应。,66,43,第六节 现代检测技术与传感器的发展,一、软测量技术的发展,67,解决工业过程的测量要求的两条途径：,沿袭传统的检测技术发展思路，通过研制新型的过程测量仪表，以硬件形式实现过程参数的直接在线测量； 采用间接测量的思路，利用易于获取的其他测量信息，通过计算来实现被检测量的估计。（*）,44,定义：,依据易测过程变量与难以直接测量的待测过程变量之间的数学关系，通过各种数学计算和估计方法，实现对待测过程变量的测量。,分类：,机理建模、回归分析、状态估计、模式识别、人工神经网络、模糊数学、过程层析成像、相关分析、现代非线性信息处理技术。,68,软测量,45,二、现代传感器技