过程检测技术及仪表2章第二节温度测量

2节温度测量温度检测的主要方法和分类热电偶及其测温原理热电阻及其测温原理温度变送器简介其它温度检测仪表简介温度检测仪表的选用和安装测温方式测温仪表测温范围℃主要特点接触式膨胀式玻璃液体－100～600结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传双金属－80～600结构紧凑、可靠；测量精度低、量程和使用范围有限热电效应热电偶－200～1800测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；需自由瑞温度补偿，在低温段测量精度较低热阻效应铂电阻－200～600测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温铜电阻－50～150半导体热敏电阻－50～150灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制非接触式非接触式辐射式0～3500不破坏温度场，测温范围大，响应块，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难1温度常用的检测方法和分类2热电偶及其测温原理热电效应和热电偶热电偶中间导体定律与热电势的检测热电偶的等值替代定律和补偿导线标准化热电偶和分度表热电偶冷端温度的处理热电偶的结构型式——热电效应和热电偶热电效应（热电偶测温的基本原理）：任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为t及t0的热源中，则在该回路内就会产生热电势。ABBA图3-37热电偶示意图ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)图3-38热电现象t端称为工作端(假定该端置于热源中)，又称测量端或热端t0端称为自由瑞，又称参考端或冷端这两种不同导体或半导体的组合称为热电偶每根单独的导体或半导体称为热电极ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)闭合回路中所产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成：0000(,)()()(,)(,)ABABABBAEttetetettett接触电势温差电势下标A表示正电极，B表示负电极，由于温差电势比接触电势小很多，常常把它忽略不计，这样热电偶的电势可表示为：00(,)()()(i)ABABABEttetet注意：如果下标次序改为eBA，则热电势e前面的符号也应相应改变，即()()ABBAetet式(i)就是热电偶测温的基本公式。当冷端温度t0一定时，对于确定的热电偶来说，eAB(t0)为常数，因此，其总热电势EAB(t,t0)就与温度t成单值函数对应关系，和热电偶的长短、直径无关。只要测量出热电势大小，就能判断被测温度的高低，这就是热电偶的温度测量原理。重要结论：1.如果组成热电偶的两种电极材料相同，则无论热电偶冷、热两端的温度如何，闭合回路中的总热电势为零；2.如果热电偶冷、热两端的温度相同，则无论两电极材料如何，闭合回路中的总热电势也为零3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有关之外，还与电极材料有关，也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的。——中间导体定律和热电势的测量热电偶的输出信号是毫伏信号，毫伏信号的大小不仅与冷、热两端的温度有关，还和热电偶的电极材料有关，理论上任何两种不同导体都可以组成热电偶，都会产生热电势。但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢？因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表，那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势，对热电偶回路产生影响呢？答：不会产生影响的。tt0ABCC毫伏计如果断开冷端，接入第三种导体C，并保持A和C、B和C接触处的温度均为t0，则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和:中间导体定律tABCt0t0ABtt0000(,)()()()ABCABBCCAEttetetet当t＝t0时，有00000(,)()()()0ABCABBCCAEttetetet于是可得000(,)()()(,)ABCABABABEttetetEtt同理还可以证明，在热电偶中接入第四种、第五种……导体以后，只要接入导体的两端温度相同，接入的导体对原热电偶回路中的热电势均没有影响。根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出。tt0ABCC毫伏计——等值替代定律和补偿导线如果热电偶AB在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶CD在同一温度范围内所产生的热电势相等，即，则这两支热电偶在该温度范围内是可以相互替换的，这就是所谓的热电偶等值替代定律。00(,)(,)ABCDEttEttt0tAAABBBDCtt0tctc例如左图，设，证明该回路的总热电势为00(,)(,)ABcCDcEttEtt0(,)ABEtt某热电偶，热端温度为t，冷端温度为tc，显然冷端温度难以实现恒定，怎么办？冷端的延伸ttcAB热电偶被测设备生产现场t0毫伏计恒温环境AB可以把热电偶做得很长，一直到控制室。把冷端温度延伸到控制室，变为t0，恒定t0比较容易此时，测得的热电势为00(,)(,)(,)ABcABcABEttEttEtt但热电偶一般为（较）贵重的金属，采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料，不妥。如果选用一组较廉价的材料（C、D），且CD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶AB在同一温度范围内所产生的热电势相等，就可以用CD来替代AB的延伸段。00(,)(,)(,)ABcCDcABEttEttEtt冷端的延伸ttcAB热电偶被测设备生产现场t0毫伏计恒温环境CDCD即为热电偶AB的补偿导线，通常CD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成，一般在0～100℃范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质。在选择和使用补偿导线时，要和热电偶的型号相匹配，注意极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度一般不能高于100℃。——标准化热电偶和分度号从理论上分析，似乎任何两种不同的导体都可以组成热电偶，用来测量温度。但实际情况并非如此，为了保证在工业现场应用可靠，并具有足够的精度，热电偶的电极材料在被测温度范围内应满足：热电性质稳定、物理化学性能稳定、热电势随温度的变化率要大、热电势与温度尽可能成线性对应关系、具有足够的机械强度、复制性和互换性好等要求，目前在国际上被公认的热电偶材料只有几种。…………附录中列出了几种常用的标准热电偶分度表。根据标准规定，热电偶的分度表是以t0＝0℃为基准进行分度的。当t＝0℃时，所有型号热电偶产生的热电势为0mV；当t0℃时，热电势为负值。在所有标准化热电偶中，相同温度条件下B型热电偶产生的热电势最小，E型最大。如果把各型号热电偶的热电势和温度制成曲线，可以看出二者呈一定的非线性关系。即：00(,)()ABEttKtt例用K型热电偶来测量温度，在冷端温度为t0＝25℃时，测得热电势为22.9mV，求被测介质的实际温度。解1：根据题意有(,25)22.9KEtmV由K型热电偶的分度表查出(25,0)1.000KEmV因此有(,0)(,25)(25,0)22.91.00023.9KKKEtEtEmVmVmV反查分度表有23.923.629570*10576.424.05523.629tC解2：根据题意有(,25)22.9KEtmV直接查分度表有22.922.776550*10552.923.20322.776tC因此再加上冷端温度，有25577.9ttC哪种计算结果正确，为什么？——热电偶冷端温度的处理中间导体定律拆开冷端，串入“毫伏计”，可以测量热电势，而不影响总的热电势等值替代定律利用补偿导线来延伸冷端，是把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的现场延伸到温度较低和比较稳定的操作室内由于操作室内的温度往往高于0℃，而且也是不恒定的（即使有空调也是不恒定的），这时，热电偶产生的热电势必然会随冷端温度的变化而变。因此，在应用热电偶时，只有把冷端温度保持为0℃，或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果，对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿。目前，热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法：冰浴法计算修正法电桥补偿法冰浴法——把热电偶的冷端放入恒温装置中，保持冷端温度为0℃，多用于实验室ttc热电偶补偿导线毫伏计0℃恒温装置计算修正法——如例3.7。这种方法适用于实验室或者临时测温。电桥补偿法——仪表中常用电桥补偿法t+－RcuER1R2R3+ab－00tt0(,)Ett0(,)Ett+－是仪表中最常用的一种处理方法，它利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶因冷端温度的变化而引起热电势的变化如图，电桥由R1、R2、R3（均为锰铜电阻）和RCu（热敏铜电阻）组成。在设计的冷端温度（例如t0＝0℃）时，满足R1＝R2，R3＝RCu，这时电桥平衡，无电压输出，即Uab=0，回路中的输出电势就是热电偶产生的热电势当冷端温度由t0变化到t’0时，不妨设t’0t0，热电偶输出的热电势减小，但电桥中RCu随温度的上升而增大，于是电桥两端会产生一个不平衡电压Uab(t’0)此时回路中输出的热电势为:经过设计，可使电桥的不平衡电压等于因冷端温度变化引起的热电势变化，即00(,)()abEttUt于是实现了冷端温度的自动补偿。实际的补偿电桥一般是按t0＝20℃设计的，即t0＝20℃时，补偿电桥平衡无电压输出。000(,)()(,)abEttUtEtt1R1RCuR2R0(,)Ett0(,)EttIIab00(,)(,)abEttEttU2()abCuUIRR00000()()[1()]CuCutRtRttt20()CuRRt如果满足：00000()()()abCutUtIRttt则：00(,)(,)EttEtt事实上和的差值可以近似为：0000(,)(,)()EttEtttt+＝000000()()()CutRtttItt如果使：＝00()CutRtI即：可以满足冷端温度补偿00()CutRtI补偿电阻的阻值取决于：、、——热电偶的结构形式热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于500℃以上较高温度的测量，普通型热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构。接线盒保护套管绝缘管热电偶安装法兰引线口普通型热电偶普通型热电偶主要由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。贵重金属热电极的直径一般为0.3～0.65mm，普通金属热电极的直径一般为0.5～3.2mm；热电极的长度由安装条件和插入深入而定，一般为350～2000mm。绝缘管用于防止两根电极短路保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤材料的选择因工作条件而定普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式铠装型热电偶热电极绝缘材料金属套管热电极绝缘材料铠装型热电偶断面结构铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。铠装型热电偶可以做得很细，一般为2～8mm，在使用中可以随测量需要任意弯曲。铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。热电阻热电阻的特性和测量原理热电阻的特点和结构常用的热电阻热电阻的安装热电阻的温度特性电阻温度系数α：热电阻阻值随温度的变化大小α=(RT-RTO)/[RTO(T-TO)]RT、RTO分别为温度为T、TO时热电阻的电阻值一般选取TO为0度、T为100度。α实际上是指温度每变化1度时热电阻阻值的相对变化量对于金属热电阻，α〉0，即电阻随温度升高而增加；对于半导体热敏电阻：NTC型热敏电阻α〈0PTC型热敏电阻α〉0•热电阻的纯度•定义：用电阻比W表示，W=R100/R0•W越大，电阻温度系数越大•W越小，电阻温度系数越小•热电阻测温原理•利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量