第五章温度检测

第五章温度检测温度是表征物体冷热程度的物理量。在工农业生产和科学研究中都要遇到温度的检测控制问题。在化工生产中，温度是既普遍而又十分重要的操作参数。大家知道，任何一种化工生产过程，都伴随着物质的物理和化学性质的改变，都必然有能量的转化和变换，而热交换则是这些能量转换最普遍的交换形式。此外，有些化学反应与温度有着直接的关系。譬如某写化学反应，在未达到反应温度以前是根本不能进行的；而另一些化学反应，在温度超过某一极限值会有燃烧、爆炸等危险。所以，温度的检测与控制是保证化工生产实现稳产、高产、安全、优质、低消耗的关键之一。第一节概述一、测温仪表的分类温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，通过对这些特性参数的测量间接地获得。按照测量方式的不同，温度检测仪表可以分为接触式与非接触式两类。任意两个冷热不同的物体相接触，必然要发生热交换现象。热量将由较热的物体传到较冷的物体，直到两物体的冷热程度完全一致，即达到热平衡状态为止。接触法测温就是利用这一原理，选择某一物体与被测物体相接触，并进行热交换。当两者达到热平衡状态时，选择物体与被测物体温度相等，于是，可以通过测量选择物体的某一物理量（例如液体的体积、导体的电阻等），得出被测物体的温度数值。当然，为了得到温度的精确测量，要求用于测温的物体的物理性质必须是连续、单值地随着温度变化，并且要复现性好。非接触法测温时，测温元件是不与被测物体直接接触的。它是利用物体的热辐射（或其它特性），通过对辐射能量（或亮度）的检测来实现测温的。接触法可以直接测得被测物体的温度，因而简单、可靠、测量精度高。但由于测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，因而产生了测温的滞后现象，对运动状态的固体测温困然较大。另外，测温元件容易破坏被测对象温度场，且有可能与被测介质产生化学反应。由于受到耐高温材料的限制，也不能应用于很高的温度测量。非接触法只能测得被测物体的表现温度（亮度温度、辐射温度、比色温度等），一般情况下，要通过对被测物体表面发射率修正后才能得到真实温度。这种方法受到被测物体到仪表之间的距离以及辐射通道上的水汽、烟雾尘埃等其他介质的影响，因此测量精度较低。非接触法测量在原理上不受温度上限的限制，因而测温范围广，由于它是通过热辐射来测量温度的，所以不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快，可以用来测量运动物体的表面温度。各种温度计的优缺点和适用范围见表5-1二、温度检测的基本原理前面已经讲过，温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，实现间接测量，温度检测的基本原理是与这些特性值的选择密切相关的。可以用来测量的基本原理有一下几种。1、应用热膨胀原理测温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。玻璃温度计是属于液体膨胀式温度计；双金属温度计是属于固体膨胀式温度计。在使用玻璃液体温度计时，为了获得准确的温度测量，要经常检查零点位置，当发现有零点位移时，应把位移加到以后的所有读数上；应使温度计有足够的插入深度；保持温度计的清洁；避免急剧振动；在读数时，观察者的视线应与标尺垂直，对水银温度计是按凸出弯月面的最高点读数，对酒精等有机液体温度计则按凹月面的最低点读数。双金属温度计中的感温元件是用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起而制成的。当金属片受热后，由于金属片的膨胀长度不同而产生弯曲，如图5-1所示。温度越高，产生的线膨胀长度差越大，因而引起弯曲的角度越大。双金属温度计就是根据这一原理制成的。用金属片制成的温度计，通常被用于温度继电控制器（常用于烘箱、恒温箱的温度控制）、极值温度信号器或其他仪表的温度补偿器。过去很少作为独立的检测仪表，目前，已生产工业用指示式双金属温度计。图5-2是一种双金属温度信号旗的示意图。当温度超过某一定值后，双金属片便产生弯曲，，且与调节螺钉2相接触，使电路接通，信号灯便发亮。如以继电器代替信号灯。便可以用来控制热源（如电热丝），而成为两位式温度器。温度的控制范围可通过改变调节螺钉2与双金属片1之间的距离来调整。2、压力随温度变化的原理测温利用封闭在固定体积中的气体、液体或某种液体的饱和蒸汽受热时，其压力会随着温度而变化的性质，可以制成压力计式温度计。由于一般称充以气体、液体饱和蒸汽的容器为温包，所以这种温度计又温包式温度计。3、应用热电阻效应测温利用导体或半导体的电阻随温度变化的性质，可以制成热电阻式温度计。根据所使用的热电阻材料的不同，有铂热电阻、铜热电阻和半导体热敏电阻温度计等。4、应用热电效应测温利用金属的热电性质可以制成热电偶温度计。根据所使用的热电偶材料的不同，有铂铑10-铂热电偶、镍铬-镍硅热电偶、镍铬-铜镍热电偶、铂铑30-铂铑6热电偶等。‘5、应用热辐射原理测温利用物体辐射能随温度而变化的性质可以制成辐射高温计。由于这时测温元件不再与与被测介质相接触，故属于非接触式温度计。第二节热电偶温度计热电偶温度计是基于热电效应这一原理测量温度的。它的测温范围很广，可测量生产过程中0~1600℃范围内（在某些情况下，上下限还可扩展）液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。这类仪表结构简单、使用方便、测温准确可靠、便于远传、自动记录和集中控制，因而化工生产中应用极为普遍。图5-3是热电偶测温系统的简单示意图，它重要有三部分组成：热电偶1是系统中的测温元件；检测仪表3是用来检测热电偶产生的热电势信号的，可以采用动圈式仪表或电位差计；导线2用来连接热电偶与检测仪表，为了提高测量精度，一般都要采用补偿导线和考虑冷端温度补偿。下面分别对这三部分作简单的介绍。一、热电偶在热电偶测温系统中，热电偶是必不可少的测温元件，它是由两种不同材料的导体A和B焊接而成，如图5-4所示。焊接的一端插入被测介质中，感觉到被测温度，称为人电偶的工作端（习惯上称为热端），另一端与导线连接，称为自由端（习惯上称为冷端）。导线A、B称为热点极，合成热电偶。1.热电现象及测温原理先来看一个简单的试验，已建立对热电偶热电现象的认识。取两根不同材料的金属导线A和B，将其两端焊在一起，这样就组成了一个闭合回路，如图5-5（a）所示。如将其一端加热，就是使接点1处的温度t高于另一接点2处的温度t0,那么在此闭合回路中就有热电势产生，如果在此回路中串接一只直流毫伏计（将金属B断开接入毫伏计，或者在两金属线的t0接头处断开接入毫伏计均可），如图5-5（b）、（c）所示，就可见到毫伏计中有电势指示，这种现象就称为热电现象。下面分析一下为什么会产生热电势呢？从物理学中我们知道，两种不同的金属，它们的自由电子的密度是不相同的。也就是说，两金属内每单位体积内的自由电子数是不相同的。假设金属A中的自由电子密度大于金属B中的自由电子密度，按古典电子理论，金属A的电子密度大，其压强也大。正因为这样，当这两种金属接触时，在它们的交界处，电子从A扩散到Ｂ多于Ｂ扩散A。而原来自由电子处于金属A这个统一体时，统一体时呈中性不带电的。当自由电子越过接触面迁移后，金属Ａ就因为失去电子而带正电，金属B则因得到电子而带负电，结果就在两金属的接触面两侧形成了一个电场方向由A指向B的静电场，其作用是阻止自由电子的进一步扩散。这就是说，由于电子密度的不平衡而引起扩散运动，扩散的结果产生了静电场，这个静电场的存在又称为扩散运动的阻力，这两者是互相对立的，开始的时候，扩散运动占优势。随着扩散的进行，静电场的作用就加强，反而使电子沿反方向运动。结果当扩散进行到一定程度时，压强差的作用与静电场的作用相互抵消，扩散与反扩散建立了动态平衡。图5-6（a）表示两金属接触面上将发生方向相反、大小不等的电子流，使金属B中逐渐地积聚过剩电子，并引起逐渐增大的由A指向Ｂ的静电场及电势差ｅAB。图5-6（b）表示电子流达到动平衡后的情况，这时的接触电势差，仅和两金属的材料及接触点的温度有关。温度越高，金属中的自由电子就越活跃，由A迁移到B地自由电子就越多，致使接触面处所产生的电场强度也增加，因而接触电势也增高。在金属Ａ、B材料已经确定的情况下，所产生接触电势的大小只和温度有关，故称为热电势，记作eAB（t）,注A表示正极金属，注脚B表示负极金属，如果下标次序改为BA，则e前面的符号亦应作相应的改变，即eAB(t)=-eBA(t0)(5-1)若把导体的另一端也闭合，形成闭合回路，则在两接点处就形成了两个方向相反的热电势，如图5-7所示。图5-7（a）表示两接点的温度不同，设t.t0,由于两金属的接点温度不同，就产生了两个大小不等、方向相反的热电势eAB(t)和eAB(t0)。必须指出，对于同一金属A（或B），由于其两端温度不同，也会产生一个相应的电动势，这个电动势称为温差电势。但由于温差电势远小于接触热电势，因此常常把它忽略不计。这样，就可以用图5-7（b）作为（a）的等效电路，Ｒ１Ｒ２为热偶丝的等效电阻，在此闭合回路中总的热电势E(t,t0)为或E(t,t0)=eAB(t)+eAB(t0)E(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)（5-2）式（5-2）说明热电势EAB(t,t0)等于热电势两接点热电势的代数和。当A、B材料确定后，热电势是接点温度t和t0的函数之差。如果一端温度t0保持不变，即eAB(t0)为常数，则热电势EAB(t,t0)就成为另一端温度t的单值函数了，而和热电偶的长短及直径无关。这样，如果另一端温度t就是被测温度，那么只要测出热电势的大小，就能判断测温点温度的高低，这就是用热电现象来测量温度的原理。不难理解：如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无论两接点温度如何，回路的总热电势为零；如果热电偶两接点温度相同，尽管两导体材料不同，回路的总热电势也为零。应当指出：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。几种常用的热电偶在不同温度下所产生的热电势可以从附录一至附录三中查到。必须指出：EAB（t,t0）=EAB（t，0）-EAB（t0，0）（5-3）式中，EAB（t，0）和EAB（t0，0）相当于该种热电偶的工作端温度分别为t和t0，而自由端温度为0℃时产生的热电势，其值可从热电偶的分度表（即附录一、附录二、附录三）中直接查得。在这里特别要指出的是：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。譬如在例5-2中，测得的热电势为14.195mV，如以这个电势由附录一直接查得温度近似为1386℃，如果再加上自由端温度30℃，则为1416℃，这与实际的被测温度有较大的误差。热电势与温度之间的非线要性越严重，则误差就越大。2.插入第三种导体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，而检测仪表往往要远离测温点，这就要将热电偶回路的自由端t0断开，接入连接导线C，如图5-8所示。这样就在ＡＢ所组成的热电偶回路中加入了第三种导体，而第三种导体的接入又构成了新的接点，如图5-8中的接点2和3，这样引入第三种导体会不会影响热电偶的热电势呢？我们来研究图5-8的电路，假设在这电路中2、3接点温度相同且等于t0，那么回路的总热电势Et等于Et=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0)（5-4）根据能量守恒原理可知，多种金属组成的闭合回路中，尽管它们的材料不同，但只要各接点温度想等，则此闭合回路中的总热电势等于零。若将A、B、C三种金属丝组成一个闭合回路，各接点温度相同（都等于t0），则回路内的总热点热等于零，即eAB(t0)+eBC(t0)+eCA(t0)=0—eAB(t0)=eBC(t0)+eCA(t0)(5-5)或将式（5-5）代入式（5-4），得Et=eAB(t)—eAB(t0)（5-6）这和式（5-2）相同，可见总的热电势与没有接入第三种导体时的热电势一样。这样说明在热电偶回路中接入第三种导体时，只要保证引入导体时，只要保证引入导体的两端温度相同，则对原热电