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化工仪表及自动化第五节温度检测及仪表内容提要概述测温仪表的分类温度检测的基本原理热电偶温度计热电偶补偿导线与冷端温度补偿热电阻温度计测温原理常用热电阻内容提要温度变送器电动温度变送器一体化温度变送器智能式温度变送器一、概述一、测温仪表的分类反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。温度概念的建立及测量：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。分类按测量方式接触式与非接触式一、概述测温方式温度计种类优点缺点使用范围／℃接触式测温仪表玻璃液体温度计结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉容易破损、读数麻烦、一般只能现场指示,不能记录与远传-100～100（150）有机液体0～350（-30～650）水银双金属温度计结构简单、机械强度大、价格低、能记录、报警与自控精度低、不能离开测量点测量,量程与使用范围均有限-80～600压力式温度计结构简单、不怕震动、具有防爆性、价格低廉、能记录、报警与自控精度低、测量距离较远时,仪表的滞后性较大、一般离开测量点不超过10米-30～600液体型0～250蒸汽型电阻温度计测量精度高,便于远距离、多点、集中测量和自动控制结构复杂、不能测量高温,由于体积大,测点温度较困难-200～600铂电阻-50～150铜电阻-50～150（180）镍电阻-100～200（300）热敏电阻热电偶温度计测温范围广,精度高,便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿,在低温段测量精度较低0～1300（1600）铂铑10-铂-50～1000（1200）镍铬-镍硅非接触式测温仪表光学高温计携带用、可测量高温、测温时不破坏被测物体温度场测量时,必须经过人工调整,有人为误差,不能作远距离测量,记录和自控700～3200辐射高温计测温元件不破坏被测物体温度场,能作远距离测量、报警和自控、测温范围广只能测高温,低温段测量不准,环境条件会影响测量精度,连续测高温时须作水冷却或气冷却0～2000）表5-1各种温度计的优缺点及使用范围4接触式测温温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。常用的接触式测温仪表：(1)膨胀式温度计。(2)热电阻温度计。(3)热电偶温度计。(4)其他原理的温度计。特点：优点：直观、可靠，测量仪表也比较简单。缺点：由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程中就可能破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差。有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的热平衡，使测温元件和被测对象温度不一致，也会带来误差。在接触过程中，介质腐蚀性，高温时对测温元件的影响，影响测温元件的可靠性和工作寿命。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被测物体的温度。常用的非接触式测温仪表：(1)辐射式温度计：基于普朗克定理光电高温计，辐射传感器，比色温度计。(2)光纤式温度计：光纤的温度特性、传光介质。光纤温度传感器，光纤辐射温度计。优点：不与被测物体接触，不破坏原有的温度场，在被测物体为运动物体时尤为适用。缺点：精度一般不高。一、概述1.应用热膨胀原理测温图3-50双金属片图3-51双金属温度信号器1—双金属片；2—调节螺钉；3—绝缘子；4—信号灯利用液体或固体受热时产生热膨胀的原理,可以制成膨胀式温度计。一、概述2.应用压力随温度变化的原理测温3.应用热阻效应测温4.应用热电效应测温5.应用热辐射原理测温二、热电偶温度计热电偶热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。图3-53热电偶温度计测温系统示意图1—热电偶；2—导线；3—测量仪表热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。图3-54热电偶示意图热电偶也叫温差电偶是最早出现的一种热电探测器件赛贝克（Seebeck）效应(热点效应)1821年赛贝克发现了铜、铁这两种金属的温差电现象。即在这两种金属构成的闭合回路中，对两个接头的中一个加热即可产生电流。在冷接头处，电流从铁流向铜。由于冷、热两个端（接头）存在温差而产生的电势差e，就是温差热电势。这种由两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶。二、热电偶温度计1.热电现象及测温原理图3-55热电现象热电偶：两种不同的金属A和B构成闭合回路当两个接触端T﹥T0时，回路中会产生热电势热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定（1）接触电势不同金属材料内部的自由电子密度不同，当A和B材料接触是，自由电子要从密度大的地方扩散到密度小的地方，从而产生自由电子扩散现象。自由电子从A扩散到B，扩散平衡时，A失去电子带正电荷，B得到电子带负电荷，因此在A、B接触处形成一定电位差，即接触电势（帕尔帖电势）。接触电势帕尔帖电势大小为：BAABNNekTTeln)(k——玻耳兹曼常数；K＝1.38×10-23T——接触面的绝对温度；e——单位电荷量；e=1.6×10-19CNA——金属电极A的自由电子密度NA——金属电极B的自由电子密度（2）温差电势在同一金属材料A中，当金属材料两端的温度不同时，两端电子能量不同。温度高的一端电子能量大，则电子从高温端向低温扩散的数量多，直至平衡。即在A两端形成一定电位差，即温差电势（汤姆逊电势）。温差电势（汤姆逊电势）汤姆逊电势大小为：TTAdTTTe0),(0δ——汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。（3）热电偶回路的总热电势TTBABABAABABBABAABABdt)(NNln)TT(ek)]T,T(e)T,T(e[)]T(e)T(e[)T,T(e)T(e)T,T(e)T(e)T,T(E000000000结论：热电势存在必须具备两个条件：两种不同的金属材料组成热电偶它的两端存在温差。图3-56接触电势形成的过程0000,,tetettEtetettEBAABABAB左图闭合回路中总的热电势或图3-57热电偶原理二、热电偶温度计注意由于热电极的材料不同,所产生的接触热电势亦不同,因此不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的。热电偶一般都是在自由端温度为0℃时进行分度的,因此,若自由端温度不为0℃而为t0时,则热电势与温度之间的关系可用下式进行计算。EAB(t,t0)=EAB(t,0)-EAB(t0,0)二、热电偶温度计举例例1今用一只镍铬-镍硅热电偶,测量小氮肥厂中转化炉的温度,已知热电偶工作端温度为800℃,自由端(冷端)温度为30℃,求热电偶产生的热电势E(800,30)。解：由附录四可以查得E(800,0)=33.277(mV)E(30,0)=1.203(mV)将上述数据代入,即得E(800,30)=E(800,0)-E(30,0)=32.074(mV)二、热电偶温度计例2某支铂铑10-铂热电偶在工作时，自由端温度t0=30℃,测得热电势E(t,t0)=7.172mV，求被测介质的实际温度。解:由附录一可以查得E(30,0)=0.173(mV)代入式变换得E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=0.173+7.172=7.345(mV)再由附录一可以查得7.345mV对应的温度t为800℃。二、热电偶温度计注意：由于热电偶所产生的热电势与温度的关系都是非线性的(当然各种热电偶的非线性程度不同),因此在自由端温度不为零时,将所测热电势对应的温度值加上自由端温度,并不等于实际的被测温度。标准化热电偶热电势和温度的关系二、热电偶温度计2.插入第三种导线的问题利用热电偶测量温度时，必须要用某些仪表来测量热电势的数值，见下图。00teteteECABCABt总的热电势0000000teteteteteteCABCABCABCAB能量守恒原理（3-77）0teteEABABt（3-78）将式（3-77）代入式（3-76）可得图3-58热电偶测温系统连接图（3-76）二、热电偶温度计说明：在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。中间导体定律-此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须接入仪表(第三种材料)，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致(T0)，根据中间导体定律，仪表的接入就不会影响热电势。二、热电偶温度计3.常用热电偶的种类工业上对热电极材料的要求在测温范围内其热电性质要稳定,不随时间变化;在测温范围内要有足够物理、化学稳定性,不易被氧化或腐蚀;电阻温度系数要小,电导率要高,组成热电偶后产生的热电势要大,其值与温度成线性关系或有简单的函数关系;复现性要好,这样便于成批生产,而且在应用上也可保证良好的互换性;材料组织均匀、要有韧性,便于加工成丝。二、热电偶温度计热电偶名称代号分度号热电极材料测温范围/℃新旧正热电极负热电极长期使用短期使用铂铑30-铂铑6铂铑10-铂镍铬-镍硅镍铬-铜镍铁-铜镍铜-铜镍WRRWRPWRNWREWRFWRCBSKEJTLL-2LB-3EU-2--CK铂铑30合金铂铑10合金镍铬合金镍铬合金铁铜铂铑6合金纯铂镍硅合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金300～1600-20～1300-50～1000-40～800-40～700-400～300180016001200900750350表3-4常用热电偶1、铂铑30-铂铑6（B型）为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为0.5mm，正极（BP）和负极（BN）的名义化学成分均为铂铑合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在0～50℃范围内热电势小于3µV。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵。2、铂铑10-铂热电偶（S型）贵金属热电偶。电极线径规定为0.5mm，正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金负极（SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。优点：准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。3、镍铬-镍硅热电偶（K型）使用量最大的廉金属热电偶，用量为其他热电偶的总和正极（KP）的名义化学成分为：Ni:Cr=90:10，负极（KN）的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3。其使用温度为-50～1000℃。优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。K型热电偶不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。4、镍铬-铜镍热电偶（E型）称为镍铬-康铜热电偶，也是一种廉价金属热电偶。其正极（EP）为镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为55%的铜、45%的镍以及少量的钴、锰、铁等元素。该热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶之最，宜制成热电偶堆来测量微小温度变化。E型热电偶可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，抗氧化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、还原性气氛中。二、热电偶温度计4.热电偶的构造及结构形式图3-59热电偶的结构热电极绝缘管保护套管接线盒普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰普通装配型热电偶的结构放大图接线盒引出线套管固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管柔性安装型铠装结构它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。测量端的热容量