第3章 过程测量仪表2(温度)

1§3-2温度测量仪表温度检测方法2温度仪表的选用33概述312测温原理温度是国际单位制(SI)基本物理量之一，反映了物体的冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。温度的定量测量以热平衡现象为基础，两个受热程度不同的物体相接触后，经过一段时间的热交换，达到共同的平衡态后具有相同的温度。温度测量原理:选择合适的物体作为温度敏感元件，其某一物理性质随温度而变化的特性为已知，通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，即可确定被测对象的温度。3.2.1概述3测温仪表的分类:从测量元件与被测介质是否接触的角度来看分为：接触式和非接触式两大类。接触式测温测温原理：在两种不同温度的物体相互接触过程中，由于有温差存在，热量就会从高温物体向低温物体传递。在足够长的时间内两者达到热平衡。特点：优点：接触式测量仪表简单、可靠、测量精度高。缺点：1.由于感温元件在热交换过程中，达到热平衡的时间较长，因而有测量滞后现象。2.可能产生化学反应，不适宜于直接对腐蚀性介质测温。3.受耐高温材料限制，不能用于极高温测量。3.2.1概述4非接触式测温测温原理：利用物体的热辐射（或其它特性），通过对辐射能量的检测实现温度测量的。特点：优点：可从超低温到极高温，测温速度快。缺点：易受粉尘、水气等因素的影响，测量误差大。3.2.1概述5常见温度仪表6热电偶温度计是工业生产过程中应用最广泛的测温仪表。热电偶温度计构成：以热电偶作为测温元件，再配以连接导线和显示仪表或测量仪表构成。1.热电偶测温原理热电偶是由具有不同导电特性的两种材料焊接而成。如图所示。3.2.2温度检测方法一、热电偶温度计7组成热电偶的两根导体称为热电极。一、热电偶温度计冷端热端81.热电偶的测温原理原理：基于热电效应的测温仪表热电效应：如果将两种不同材料的金属导线A和B连成如图所示的闭合回路，并将接点一端放入温度为t的热源中，使其温度高于另一接点处的温度t0，则在该闭合回路中就有电流通过，即有热电势产生，我们把这种现象称为热电效应或塞贝克效应（1821年）。电子密度大电子密度小正极负极一、热电偶温度计9等效原理图我们把在温度t下的接触电势差记作eAB(t)，注脚A表示正极金属，B表示负极金属。同理：把t0温度下的接触电势差记作eAB(t0)。一、热电偶温度计10等效原理图整个闭合回路中总的热电势EAB（t,t0）应为热电偶两接点处热电势的代数和，即：定值一、热电偶温度计11几点结论：（1）热电偶回路总的热电势只与组成热电偶的两种电极材料及两端温度有关，而与热电极的几何形状和尺寸无关；（2）只有当热电偶两端温度不同时，才能产生热电势，而当两端温度相等时，回路热电势等于零；（3）只有用两种不同材料的导体才能构成热电偶，当两个热电极材料相同时，热电偶回路的电势始终等于零。一、热电偶温度计12在实际应用中，为了测量热电偶回路中的热电势，总要在热电偶与测量仪表之间增加连接导线：加入第三种导体后，热电势是否会受影响？CC连接导线CAB热电偶tt0t0一、热电偶温度计13分析：图中共有3个接点，其接触电势分别表示为eAB(t)，eBC(t0)，eCA(t0)，000(,)()()()ABCABBCCAEttetetet00(,()())ABBABAeteEttt00(,)(,)ABCABEttEtt？若无C导线：则回路中总电势为：ABCC连接导线C热电偶tt0t0一、热电偶温度计14000(,)()()()ABCABBCCAEttetetet000()()()0ABBCCAetetet（3-11）由热电偶测温原理知，只要回路中温度相同，则总的热电势为0，则：000()(,)(,())ABAABCABBEttEeetttt将（3-12）代入（3-11），得：000()()()ABBCCAetetet（3-12）00(,()())ABBABAeteEttt一、热电偶温度计15结论：中间导体定则：当在热电偶回路中接入第三种金属导体时，只要保证引入线两端温度相同，则热电偶所产生的热电势保持不变。同理，对于串入多种导线，只要引入两端的温度相同，热电偶的热电势将保持不变。一、热电偶温度计162.常用热电偶的种类根据国际电工委员会的推荐，目前我国已经为8种热电偶制定了标准，这8种热电偶称为标准热电偶。8种标准热电偶如下表3-2。通常表示热电偶所用热电极材料时，前者为正极，后者为负极。一、热电偶温度计1718分度表在冷端T0=0℃条件下，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同热端温度下所产生的热电势值，可以列出对应的分度表。标准热电偶的热电势与温度的对应关系可以从热电偶分度表中查到。附录2给出了几种常见的热电偶分度表。一、热电偶温度计193．热电偶的结构普通工业用热电偶的结构主要包括四个部分：热电偶、绝缘管、保护管和接线盒。一、热电偶温度计204．热电偶补偿导线及冷端温度补偿（1）补偿导线补偿导线是用比两根热电极材料便宜得多的廉价金属材料制作，其在0℃-100℃范围内的热电性质与热电偶的热电性质几乎完全相同。使用补偿导线犹如将热电偶延长，从而把热电偶的冷端延伸到离热源较远且温度较恒定的地方。注意：为了保证热电特性一致，补偿导线要与热电偶配套使用，极性不能接反，热电偶和补偿导线连接处两接点温度必须保持相同，以免引起测量误差。一、热电偶温度计21（2）冷端温度补偿需要补偿的原因：标准热电偶的分度表及与热电偶配套使用的显示仪表都是按热电偶的冷端温度为O℃刻度的。尽管利用补偿导线将热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方延伸至温度较低且较恒定的地方，但冷端温度并不为0℃。这样必然引入测量和指示误差。因此，在实际使用中，必须采取一些冷端温度补偿措施。一、热电偶温度计22a．冰点恒温法23中间温度定则：热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势EAB(T,T0)等于热电偶AB在接点温度为T、TC和TC、T0时的热电势EAB(T,TC)、EAB(TC,T0)的代数和。计算公式：b．计算校正法EAB(T,T0)=EAB(T,TC)+EAB(TC,T0)24式中：EAB（t,0）表示热电偶测量端温度为t℃，冷端温度为0℃时的热电势；EAB（t,t0）表示热电偶测量端温度为t℃，冷端温度为t0℃时的热电势，即实际测得的热电势；EAB（t0,0）表示将冷端当作工作端，0℃作为冷端时的热电势，该值可以直接查分度表求得。其中冷端温度t0可以用另一支温度计（比如水银温度计）测出。根据这一定则，只需列出热电偶在参比端温度为0℃的分度表，就可以求出参比端在其它温度时的热电势值。b．计算校正法EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)25例题：利用铂铑10-铂热电偶测量某一炉温，已知冷端温度t0=20℃，测得的热电势E(t,t0)=9.819mV，求被测炉温的实际值。解：由中间温度定则：EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)E(t,0)=E(t,20)+E(20,0)查热电偶的分度表知：E(20,0)=0.113mVE(t,0)=E(t,20)+E(20,0)=9.819+0.113=9.932mV查表知：t=1030℃b．计算校正法26练习题1用铂铑10-铂(分度号S)的热电偶测温，已知参比端温度为20℃，测得热电势E(t,20)=11.30mV，试求被测温度t？解：查热电偶的分度表知：E(20,0)=0.113mV由中间温度定则：E(t,0)=E(t,20)+E(20,0)=11.30+0.113=11.413mV查表知：t=1155℃b．计算校正法27练习题2用镍镉-镍硅(分度号K)的热电偶测温，已知参比端温度为25℃，检测端温度为506℃，求产生的热电势是多少？解：查热电偶的分度表知：E(506,0)=20.896mVE(25,0)=1.000mV由中间温度定则：E(506,25)=E(506,0)-E(25,0)=20.896-1.000=19.896mVb．计算校正法28c．补偿电桥法补偿电桥法是利用补偿电桥产生的不平衡电压来抵消热电偶回路冷端不为零带来的影响。29二、热电阻温度计原理：热电阻温度计是基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性来测量温度的。热电阻温度计以热电阻为感温元件，并配以相应的显示仪表和连接导线所组成。值得注意的是：为了防止连接导线过长，导线的阻值将随环境温度变化给测量带来附加误差，热电阻连接导线采用三线制接法。3.2.2温度检测方法30工业中常用的热电阻以金属热电阻为主。常见的有铂电阻、铜电阻和半导体电阻等。1．常用热电阻31（1）铂电阻铂电阻的使用范围是-200℃-850℃，铂电阻的电阻值与温度之间的关系可采用下列公式描述：1．常用热电阻32（2）铜电阻铜电阻的电阻温度系数大，容易提纯和加工，价格便宜。铜电阻的使用温度范围为-500C+1500c，其电阻值与温度之间的关系可用下式描述：可近似线性关系式表示：Rt=R0(1+at)式中a―电阻温度系数，a=4.25x10-3／℃。1．常用热电阻33（3）镍电阻镍电阻的电阻率及温度系数比铂和铜大得多，因而具有较高的灵敏度，且体积可以做的较小。一般测温范围：-50~180℃.（4）半导体热敏电阻简称热敏电阻特点：电阻值与温度之间呈严重的非线性关系，而且具有负的温度系数。广泛用作温度补偿元件。1．常用热电阻342.热电阻的结构35热电偶热电阻mvR温度变送器DDZ-Ⅲ4-20mA三、温度变送器温度变送器与热电偶和热电阻配套使用的仪表，主要作用是将温度检测元件的电信号（mv或R)转换成统一的标准信号4-20mA电流信号，作为显示或调节仪表的输入信号。3.2.2温度检测方法36四、智能化温度变送器核心部件：微处理器特点：1、与任一种测温元件都可配套2、功能广泛：零点迁移、量程调整、温度补偿、线性化补偿等。随着工厂自动化水平的提高，智能温度变送器的应用会越来越多。3.2.2温度检测方法37产品特点：一体化温度变送器将温度传感元件（热电阻或热电偶）与信号转换放大单元有机集成在一起，除输出与温度成线性的4~20mA信号之外，同时具有现场显示功能。信号准确、可远传（最大1000米），该系列产品分普通型和隔爆型两种。热电阻测量范围：Pt100-200℃~﹢450℃Cu50-50℃~﹢150℃热电偶测量范围：K0℃~﹢1200℃E0℃~﹢800℃S0℃~﹢1600℃B0℃~﹢1800℃五、数显一体化温度变送器供电电源：24VDC±10%3.2.2温度检测方法38六非接触式测温非接触式测温非接触式测温方法以辐射测温为主。具有一定温度的物体都会向外辐射能量，其辐射强度与物体的温度有关，可以通过测量辐射强度来确定物体的温度。辐射测温时，辐射感温元件不与被测介质相接触，不会破坏被测温度场，可实现遥测；测量元件不必达到与被测对象相同的温度，测量上限可以很高；辐射测温适用于很宽的测量范围，可达-50~6000℃。但是，影响其测量精度的因素较多，应用技术较复杂。3.2.2温度检测方法39辐射测温仪表的组成主要由光学系统、检测元件、转换电路和信号处理等部分组成。光学系统包括瞄准系统、透镜、滤光片等，把物体的辐射能通过透镜聚焦到检测元件；检测元件为光敏或热敏器件；转换电路和信号处理系统将信导转换、放大、进行辐射率修正和标度变换后，输出与被测温度相应的信号。六非接触式测温3.2.2温度检测方法40常用方法光学系统和检测元件对辐射光谱均有选择性，因此，各种辐射测温系统一般只接收波长范围内的辐射能。辐射测温的常用方法有四种：亮度法：按物体的光谱或部分连续波长辐射亮度推算温度全辐射法：按物体全波长范围的辐射亮度推算温度比色法：按物体两个波长的光谱辐射亮度之比推算温度多色法：按物体多个波长的光谱辐射亮度和物体发射率随波长变化的规律来推算温度六非接触式测温3.2.2温