温度检测技术与仪表

2温度检测技术及仪表《过程参数检测技术及仪表》《过程参数检测技术及仪表》2.1概述2.2膨胀式温度计2.3热电阻温度计2.4热电偶温度计2.5辐射式温度计2.6光纤温度计2.7集成温度传感器2.8温度检测仪表的选用内容安排：2.1概述温度是表征物体冷热程度的物理量，是物体内部分子热运动平均动能的标志。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。2.1.2温标2.1.1温度的基本概念为了保证温度量值的统一和准确而建立起来的温度标尺简称为温标，是衡量温度高低、表示温度数值的一套规则。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。温标三要素：①固定的温度点；②测温仪器；③温标方程。温度检测的意义标准大气压下，氯化氨和冰的混合物为0华氏度，水的冰点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，在沸点和冰点两固定点中间等分180份，每份为1华氏度，单位符号记为˚F。2.1.2.1华氏温标2.1.2.2摄氏温标标准大气压下，水的冰点为0摄氏度，水的沸点为100摄氏度，中间划分100等份，每份为1摄氏度，用符号t表示，单位符号记为℃。2.1.2.3热力学温标以水的三相点(固、液、气三相并存)作为273.16，将1/273.16定义为1K。热力学温度的起点为绝对零度，所以它不可能为负值，且冰点为273.15K，沸点为373.15K。注意水的冰点和三相点是不一样的，两者相差0.01K。2.1.2.4国际实用温标国际温标规定以开尔文表示热力学温度，以K为单位，1K等于水三相点热力学温度的1/273.16。ITS-90的定义如下：①0.65K~5.00K之间，T90由He3和He4的蒸气压力与温度的关系式来定义。②3.0K~24.5661K(氖三相点)之间，T90用氦气体温度计来定义。③13.8033K(平衡氢三相点)~961.78℃(银凝固点)之间，T90是由铂电阻温度计来定义的，它使用一组规定的定义固定点及利用规定的内插法来分度。④961.78℃(银凝固点)以上，T90按普朗克辐射定律来定义，复现仪器为光学高温计。2.1.3温度检测仪表分类温度检测方法一般可以分为两大类，即接触测量法和非接触测量法。常用测温仪表的分类及性能2.2膨胀式温度计基于物质的热胀冷缩现象，通过测量物质的膨胀或收缩量来反映被测温度的温度计，统称为膨胀式温度计。2.2.1玻璃管液体温度计玻璃管液体温度计由装有液体的玻璃温包、毛细管和刻度标尺三部分组成。它是依据液体受热后体积发生膨胀的原理而制成的，根据液体在玻璃毛细管中的位置来读取温度示值。液体受热后体积的变化量公式))('(12102ttVVVttt除了水银温度计以外，还有有机液体温度计，它们主要用于测量低温。实验室用玻璃管液体温度计适用于科研单位使用，具有较高的精度和灵敏度。工业用水银温度计的尾部有直的、90°弯角的和135°弯角的三种。2.2.2双金属温度计用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起制成的，将其一端固定，另一端（称为自由端）通过传动机构与指针相连。双金属片工业上广泛采用的指示式双金属温度计螺旋形感温元件是用双金属片制成的，它的一端固定，另一端(自由端)连接在芯轴上，外部加一金属套管。可以直接测量各种生产过程中的-80℃～+500℃范围内液体、蒸汽和气体介质温度。用双金属片制成的温度计通常还被用作温度继电控制器、极值温度信号器或某一仪表的温度补偿器双金属温度信号器2.2.3压力式温度计基于物质受热膨胀的原理来进行温度测量的，但它不是靠物质受热膨胀后体积变化来指示温度，而是靠在密闭容器中液体、气体或蒸汽受热后压力的变化来测温的。主要由温包、毛细管和弹簧管组成。内装工作物质。气体式一般充氮气；液体式一般充二甲苯或甲醇；蒸汽式一般充有丙酮、氯甲烷、乙醚等，2.3热电阻温度计利用金属导体或半导体材料的电阻率随温度而变化的特性进行温度测量的2.3.1金属热电阻温度计金属热电阻由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成。热电阻温度传感器材料的选择标准虽然大多数金属和半导体的电阻与温度之间都存在着一定的关系，但并不是所有的金属或半导体都能做成电阻温度计。用于测温的热电阻（或热敏电阻）应满足以下要求：（1）电阻温度系数要大，以得到高敏感度；（2）在测温范围内化学与物理性能要稳定；（3）复现性要好；（4）电阻率要大，以得到小体积的元件，进而保证热容量和热惯性小，使得对温度变化的响应比较快；（5）电阻温度特性尽可能接近线性，以便于分度和读数；（6）价格相对低廉。2.3.1.1常用热电阻⑴铂热电阻特点：精度高，稳定性好，性能可靠。在氧化性的气氛中，甚至在高温下的物理化学性质都非常稳定。它易于提纯，复现性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。与其他热电阻材料相比，有较高的电阻率。缺点：电阻温度系数较小，在还原性气氛中，特别是在高温下易被沾污变脆，价格较贵。在－200℃~0℃范围内，铂的电阻温度关系为Rt=R0[1+At+Bt2+C(t－100)t3]在0~650℃范围内，其关系为Rt=R0(1+At+Bt2)式中，A、B、C——分度常数。目前，工业铂电阻的R0值有10Ω和100Ω两种，对应的分度号分别为Pt10和Pt100，其分度表（给出阻值和温度的关系）见附录二。⑵铜热电阻在－50～150℃的温度范围内，铜热电阻与温度之间的关系为)1(320CtBtAtRRt目前，国内工业用铜热电阻的R0值有50Ω和100Ω两种，对应的分度号分别为Cu50和Cu100，相应的分度表见附录二。2.3.1.2热电阻的结构普通工业用热电阻的结构1—热电阻丝；2—电阻体支架；3—引线；4—绝缘瓷管；5—保护套管；6—连接法兰；7—接线盒；8—引线孔。铜热电阻结构示意图铂热电阻结构示意图铠装热电阻的结构1—不锈钢管；2—感温元件；3—内引线；4—氧化镁绝缘材料2.3.2半导体热敏电阻温度计优点：①热敏电阻的温度系数比金属大，约大4～9倍；②电阻率大，因此可以制成极小的电阻元件，体积小；③结构简单、机械性能好。热敏电阻可分为正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)和临界温度系数(CTR)三种类型。⑴热敏电阻的主要特性①温度特性②伏安特性⑵热敏电阻的结构⑶热敏电阻的主要参数①标称电阻值RH②耗散系数H③热容量C④能量灵敏度G⑤时间常数τ⑥额定功率PE⑷热敏电阻的线性化NTC的几种组合电路及其热电特性曲线2.3.3热电阻温度传感器的应用热电阻测温电桥的三线制接法热电阻测温电桥的四线制接法在使用热电阻测温时，应注意如下问题：①应根据测温范围及被测温度场气氛等因素选择热电阻的类型和规格参数；②安装地点应避开加热源和炉门；③热电阻最好垂直安装；④热电阻的插入深度应大于其保护套管外径的8～10倍；⑤使用中应保持电阻丝与保护套管之间具有良好的绝缘。2.4.1热电偶的测温原理2.4热电偶温度计热电偶是一种将温度变化转换为热电势变化的温度检测元件。热电偶测温是基于热电效应。热电偶温度计的组成•感温元件-热电偶•连接导线-补偿导线+铜导线•测量仪表-显示仪表或热电偶温度变送器⑴接触电势BAABNNekTTeln)(⑵温差电势TTAdTTTe0),(0⑶热电偶回路的热电势dTTNTNekTTNTNekTTTeTTeTeTeTTEBTTABABABAABABAB)()()(ln)()(ln)],(),([)]()([),(00000000)()(),(00TeTeTTEABABAB)()()()(),(00TcTfTfTeTTEABAB在同一金属导体内，温差电势极小，可以忽略。因此常数）()()(00cTfTeAB这样则有2.4.2热电偶的基本定律2.4.2.1均质导体定律由一种均质导体所组成的闭合回路，无论导体的截面积和长度如何，以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。2.4.2.2中间导体定律在由导体A、B组成的热电偶回路中接入第三种均质导体C，如果导体C的两端温度相同，则第三种导体的接入不会改变热电偶的总电势EAB（T，T0）的大小。（a）热电偶测温电路（b）等效电路2.4.2.3标准电极定律如果A、B对标准电极C的热电势已知，则A、B构成热电偶时的热电势为它们分别对C构成热电偶时产生的热电势的代数和。000(,)(,)(,)ABACCBETTETTETT2.4.2.4连接导体定律在热电偶回路中，如果导体A、B分别与导线A＇、B＇相接，接点温度分别为T、Tn、T0，则回路总电动势等于热电偶热电动势和连接导线热电动势的代数和''0''0(,,,)(,)(,)ABBAnnABnABnETTTTETTETT2.4.2.5中间温度定律热电极为Ａ、Ｂ的热电偶在接点温度Ｔ、Ｔ0时的热电势EAB（T，T0），等于同一热电偶在接点温度为Ｔ、Ｔn和Ｔn、Ｔ0时的热电势EAB（T，Ｔn）和EAB（Ｔn，T0）的代数和。00(,,)(,)(,)ABnABnABnETTTETTETT2.4.3热电偶的种类与结构2.4.3.1标准化热电偶标准化热电偶热电势与温度之间的关系曲线•其它标准热电偶J铁-铜镍（康铜）-210-1200℃N镍铬硅-镍硅-270-1300℃R铂铑13-铂-50-1768℃根据热电偶的分度表，可以得出结论：B352.4.3.2非标准化热电偶(1)贵金属热电偶(2)贵-廉金属混合式热电偶(3)难熔金属热电偶(4)非金属热电偶(1)普通装配式热电偶2.4.3.3热电偶的结构(a)：l—接线柱；2—接线座；3—绝缘套管；4—热电极(b)：1—测量端；2—热电极；3—绝缘套管；4—保护管；5—接线盒(2)铠装型热电偶(3)高性能实体热电偶(4)其他热电偶①薄膜热电偶。②热套式热电偶。③高温耐磨热电偶。④快速微型消耗式热电偶。2.4.4热电偶的冷端温度补偿在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为０℃，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。2.4.4.1补偿导线热电偶的补偿导线通常由补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层组成。在100℃（或200℃）以下的温度范围内，补偿导线具有与所匹配的热电偶的热电势标称值相同的特性。使用补偿导线时必须注意以下问题：①补偿导线只能用在规定的温度范围内（普通型小于100℃，耐热型小于200℃）；②补偿导线与热电偶的两个接点温度必须相同；③不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；④补偿导线的正、负极分别与热电偶的正、负极相连；⑤补偿导线的作用是将冷端迁移到温度恒定的地方。2.4.4.2冰点法2.4.4.3恒温迁移法根据补偿导线末端所处环境温度估计值的大小，人为将显示或记录仪表的零点调到该值。2.4.4.4计算修正法基于中间温度定律00(,0)(,)(,0)ABABABETETTET2.4.4.5电桥补偿法2.4.4.6二极管补偿法2.4.4.7集成温度传感器补偿法2.4.4.8软件补偿法利用高性能半导体温度传感器实现测温和补偿2.4.5热电偶的选用2.4.5.1热电偶的选型⑴热电偶分度号的选择主要针对常用工作温度、最高工作温度、使用气氛（氧化、还原、中性）等使用条件。⑵热电偶结构形式的选择⑶插入深度选择⑷热电偶测量端形式的选择⑸接线盒的选用⑹连接方式的选择⑺特殊场合所用的热电偶的选择2.4.5.2热电偶的安装与使用⑴安装位置选择从生产工艺角度出发，测温点一定要具有典型性和代表性，必须能准确反映该工艺参数实际值的大小，否则将失去测量与控制的意义。⑵安装方式选择热电偶安装方式有水平、垂直和倾斜三种。⑶电极绝缘问题⑷与补偿导线的连接⑸热阻抗的影响⑹热电特性变化的影响⑺热电偶的线性化2.5辐射式温度计物体处于绝对零度以上时，其内部带电粒子的热运动会以电磁波的形式向外辐射能量，这就是热辐射。通过测量该辐射能量的大小便可间接求出被测物体的温度。2.5.1辐射测温的物理基础辐射温度探测器所能接收的热辐射波段约为0.3～40μm，所以辐射温度探测器大部分工作在可见光和红外光的某波段或波长下。2.5.1.1热辐射的基本概