第二章-温度测量

第二章温度测量第一节热电偶测温一、热电偶的测温原理热电偶温度计以热电偶作为感温元件，一般用于测量500℃以上的高温，长期使用时其测温上限可达1300℃，短期使用时可达1600℃，特殊材料制成的热电偶可测量的温度范围为2000～3000℃。如电厂生产过程中的主蒸汽温度、过热器管壁温度、烟气高温等都是采用热电偶来测量的。热电偶具有性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容易维护和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量，1、热电现象热电偶接触电势产生将两种不同材料的导体（或半导体）A和B组成闭合回路称之为热电偶。A、B是热偶丝，也叫热电极。放在被测对象中，感受温度变化的那端称为工作端或热端，另一端称为自由端或冷端。当热端和冷端温度不同时回路中有电流流过，此电流称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势，这种物理现象称为热电现象。此热电势由接触电势和温差电势两部分组成的（1）接触电势:接触电势的大小可用下式表示：式中e—一单位电荷，等于4.802×10-10绝对静电单位；K—一波尔兹曼常数，等于1.38×10-28J/K；NA(t),NB（t）——金属A、B在温度t时的自由电子密度；T——A、B金属接触处的绝对温度，K。（2）温差电势:温差电势是同一金属体两端温度不同而产生的。式中NA（t）——金属A的电子密度，它是温度函数。为了分析方便，温差电势可由下面函数差来表示：)()(ln)(tNtNeKTteBAABttAAAtdNNeKtte0)(1),(0)()(),(00tetetteAAA(3)热电偶回路热电势温差电势的产生回路电势热电偶回路中，如果t＞t0，NA（t）＞NB（t），则在回路内便产生两个接触电势eAB(t)和eAB(t0)，两个温差电势eA（t，t0）和eB（t，t0），各电势的方向如图所示。回路的总电势EAB(t,t0)等于回路中各电势的代数和。即上式表明热电偶的热电势是热电偶两端温度的函数之差，其大小取决于热电偶两个热电极材料的性质和两端接点温度，而与热电极几何尺寸无关。如果保持热电偶冷端温度to恒定不变，对一定材料的热电偶其eAB（t0）亦为常数，设为C，则热电偶的热电势只与热电偶热端温度t有关，若测得EAB(t,t0)值，便可知温度t值，这就是热电偶测温原理。即EAB(t,t0)=eAB(t)–C),()(),()(),(0000ttetettetettEAABBABAB)()()()()()(),(0000tetetetetetettEABABABABAB二、热电偶的基本定律1、均质导体定律该定律内容是：由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论导体或半导体的截面积、长度和各处温度分布如何，都不能产生热电势。该定律已在理论分析中得到证明，并可得出如下结论：（1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成。（2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此，可检查热电极材料的均匀性。2、中间导体定律该定律内容是：由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。根据中间导体定律还可以得出如下结论：（1）在热电偶回路中接入第三种均质材料，只要保证所接入材料两端温度相同，就不会影响热电偶的热电势。图2－6是两种接入中间导体的热电偶回路。根据中间导体定律，只要保证连接导线和显示仪表接入热电偶回路时两连接端的温度相同，就不会改变热电势。另外，热电偶的热端焊接点也相当于第三种金属，只要它与热电极接触良好，整个接点温度一致，也不会影响热电偶回路的热电势。（2）如果两种导体A和B对另一种参考导体C热电势已知，则这两种导体组成的热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和，即EAB（t，to）=EAC（t，to）＋ECB（t,to）参考导体亦称标准电极，一般选用铂制成，若已知各种电极与标准电极配成热电偶的热电特性，便可按此结论计算出任意两电极A、B配成热电偶后的热电特性，这样大大简化了热电偶的选配工作。3、中间温度定律热电偶A、B在接点温度为t1、t3时的热电势等于热电偶A、B在接点温度分别为t1，t2和t2，t3时热电势的代数和，即EAB（t1，t3）＝EAB（t1，t2）＋EAB（t2，t3）由此定律可得如下结论：（1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可在另外的冷端温度下使用。该定律为制定和使用热电偶的热电势一温度关系即分度表奠定了理论基础。因为热电偶分度表是在冷端温度t0=0℃时热电势与热端温度的关系，根据中间温度定律便可以算出任何冷端温度时的热电势值。可得出EAB（t，0）＝EAB（t，tn）＋EAB（tn，0）（2）和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势。该定律为应用补偿导线提供了理论依据。我国规定补偿导线分为补偿型和延伸型两种。补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金属制成的，但在低温下它们的热电性质是相同的。延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其热电性能的准确度要求略低。三、标准化热电偶所谓标准化热电偶是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶。由于标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，也就是说标准化热电偶具有统一的分度表。对于同一型号的标准化热电偶具有互换性、使用十分方便。•铂铑10-铂热电偶（分度号S）•铂铑13-铂热电偶（分度号R）•铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）•镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（分度号K）•镍铬一康铜热电偶（分度号E）•铁一康铜热电偶（分度号J）•铜一康铜热电偶（分度号T）•镍铬一金铁热电偶（分度号NiCr－AuFe0.07）及铜一金铁热电偶（分度号Cu－AuFe0.07）四、热电偶的构造1、普通型热电偶常用的普通型热电偶本体是一端焊接的两根金属丝（热电极）。考虑到两根热电极之间的电气绝缘和防止有害介质侵蚀热电极，在工业上使用的热电偶一般都有绝缘管和保护套管。在个别情况下，如果被测介质对热电偶不会发生侵蚀作用，也可不用保护套管，以减小接触测温误差与滞后。热电偶的结构1-热电偶热端；2-热电极；3-绝缘管；4-保护套管；5-接线盒2、铠装热电偶铠装热电偶是由金属套管、绝缘材料和热电极经拉伸加工而成的坚实组合体，其结构如图所示。套管材料有铜、不锈钢及镍基高温合金等。热电偶与套管之间填满了绝缘材料的粉末，目前采用的绝缘材料绝大部分为氧化镁。套管中的热电极有单丝的、双丝的和四丝的，彼此之间互相绝缘3、薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶。这种薄膜热电偶的热端既小又薄，热容量很小，可以用于微小面积上的温度测量；动态响应快，可测量瞬变的表面温度。我国研制成的铁一镍薄膜热电偶如图所示，五、热电偶冷端温度处理方法热电偶的测温原理表明：热电偶的热电势是两个接点温度的函数差，只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。但在实际应用中，热电偶冷端所处环境温度总有波动，从而使测量得不到正确结果，因此必须对热电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施，使热电偶的热电势只反映热端温度（被测温度）的变化，而不受冷端温度变化的影响。常用的处理办法有以下几种。1．计算修正法若温度显示仪表分度时规定热电偶冷端温度为0℃，而在使用中冷端温度为t0≠0℃时，根据热电偶的中间温度定律，得知在这种情况下产生的热电势为EAB（t，0）＝EAB（t，t0）＋EAB（t0，0）(2-8)式中EAB（t，0）——冷端为0℃、热端为t℃时的热电势；EAB（t，t0）——冷端为t0℃，热端为t℃时的热电势，即实测值；EAB（t0，0）——冷端为t0℃应加的校正值。2、仪表机械零点调整法仪表的机械零点为仪表输入电势为零时，指针停留的刻度点，也就是仪表的刻度起始点。若预知热电偶冷端温度为t0，在测温回路开路情况下，将仪表的刻度起始点调定在t0位置，此时相当于人为给仪表输入热电势EAB（t0，0），在接通测温回路后，输入仪表的热电势为EAB（t，t0）＋EAB（t0，0）=EAB（t，0）使仪表指针指示热端温度t值。3、恒温法在精密测量中，一般要求热电偶冷端温度保持为0℃，通常采用冰点槽。冰点槽的容器中充满蒸馏水与碎冰块的混合物，其温度保持为0℃。冰点槽法是准确度很高的冷端处理方法，然而使用比较麻烦，需要保持冰、水两相共存，一般限于实验室精确测温或热电偶检定时使用。在现场，常使用电加热式恒温箱。这种恒温箱通过接点控制或其他控制方式维持箱内温度恒定（常为50℃）。4、补偿电桥法（冷端补偿器）补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化所引起的热电势的变化。5、多点测量的热电偶冷端温度补偿（1）利用一块显示仪表和一个冷端温度补偿器的多点测量线路；（2）用一只辅助热电偶对多只同型号热电偶冷端进行补偿的线路；六、热电偶的校验热电偶经过长期使用后，由于氧化、腐蚀等原因，其材料的性质将会逐渐变化，热特性也会随之改变，造成测温误差。为此，有必要对热电偶定期进行校验，以确定其误差是否超出规定的允许误差。如超出允许误差则应报废或将其热端剪去一段后重新焊接，再经校验合格后才能使用。热电偶的校验有两种方法。一种是定点法，就是在国际温标规定的定点温度（如锌、银、金、锑等金属的相平衡点温度）下进行校验。这种方法的特点是精确度高，但设备复杂、校验点数少，而且校验操作复杂。该方法只用于对高精确度的铂铑一铂热电偶的校验。另一种是比较法，它是广泛采用的方法，可用于实验室用和工业用热电偶的校验。比较法校验是用标准热电偶与被校热电偶测同一稳定对象的温度来进行的。一般用管式电炉作为被测对象，通过手动操作或温度控制器控制调整电炉的温度，并稳定在预定的温度值上。标准热电偶一般采用比被校热电偶精确度更高的铂铑10-铂热电偶。第二节热电阻测温工业上广泛应用电阻温度计来测量―200～＋500℃之间的温度。电阻温度计的特点是准确度高；在中低温下（500℃以下）测温,它的输出信号比热电偶的要大得多,故灵敏度高；电阻温度计的输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。电阻温度计由热电阻、显示仪表和连接导线组成，热电阻由电阻体、绝缘管和保护套管等主要部件组成。一、测温原理根据材料不同，测温热电阻可分为金属和半导体热电阻两种。实验证明，大多数金属导体当温度升高1℃时，其阻值要增加0.4％～0.6％，半导体的阻值要减小3％～6％。正是由于导体和半导体的电阻值会随温度而变化，因此测量它们的电阻值变化便可达到测温的目的。电阻温度系数的定义是：温度变化l℃时电阻值的相对变化量，用α来表示，单位是℃-1，根据定义，α用下式表示：一般材料的温度系数α并非常数，在不同的温度下具有不同的数值。因此常用（R100－R0）／（R0×100）代表0～100℃之间的平均温度系数，其中R100表示100℃时的电阻值，R0表示0℃时的电阻值。电阻温度系数越大，热电阻的灵敏度越高，测量温度时就越容易得到准确的结果。dtdRRdtRdR1二、标准化热电阻1、铂电阻•特点是稳定性好、准确度高、性能可靠，在还原性气氛中，特别是在高温下很容易被还原性气体污染，铂丝将变脆，并改变了电阻与温度间的关系；•铂的纯度常以R100/R0来表示。对于工业用铂电阻，规定其R100/R0为1.385；•分度号：Pt10和Pt100；•铂电阻的温度特性可用下列二式表示：在一200～0℃之间Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]在0～850℃之间Rt=R0(1+At+Bt2)以上两式中Rt——t℃时的电阻值；R0——0℃时的电阻值；A，B，C——常数，对于工业用铂电阻，A＝3.90802×10-3℃-1，B＝－5.802×10-7℃-2,C=—4.27350×10-12℃-42、铜电阻•特点：铜电阻的电阻值与温度的关系几乎是线性的，它的电