温度测量仪表教学

温度测量仪表温度测量仪表概述热电偶热电阻动圈式仪表数字显示仪表电子自动平衡式仪表温度变送器其他智能仪表热电偶的结构特点及测温原理热电偶的特点热电偶是工业上应用得最广泛的感温元件之一,它将温度信号转换成热电势信号,配以显示仪表或变送器,可以实现温度的测量或信号显示。热电偶热电偶热电偶的结构热电偶是两种不同的导体（或半导体）A电极和B电极构成的。将A、B电极的一端焊接在一起，称为测量端（或工作端），另一端称为参考端（或自由端）。使用时，将热电偶A、B两电极套上既绝缘又耐热的套管，将测量端置于被测介质中，参考端接至电测仪器上。热电偶热电偶的测温原理热电偶的工作原理是基于物质的热电效应，若两种不同的导体组成闭合回路，由于两种导体内的电子密度不同，热电偶两端温度不同，在回路中产生电动势，形成热电流。接在回路中的电测仪器就会显示出热电偶的热电势值EAB（t,t0)。EAB（t,t0)=fab(t)-fAB(t0))()(),(00ttttffEABabABTT0ABEB(T,T0)EA(T,T0)EAB(T)EAB(T0)EAB（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）-[EA（T，T0）-EB（T，T0）]=fAB（T）-fAB（T0）EAB（T，T0）若热电偶的参考端温度t0恒定或等于0℃，则热电偶的热电势值EAB（t,t0)。仅是测量端温度t的函数。即EAB（t,t0)=еAB+常数=f(t)由此说明，当热电偶的参考端温度t0恒定时，热电偶所产生的热电势仅随测量端温度t的变化而变化。一定的热电势对应着相应的温度值，通过测量热电势即能达到测量温度的目的。热电偶⑴必须有两种性质不同且符合一定要求的导体或半导体材料组成。热电偶产生热电势的条件⑵热电偶的热端和冷端之间必须有温差。热电偶热电偶EAB（t,t0)=EAB（t,0)-EAB（t0，0)热电偶的热电势可用下式计算：热电偶均质导体定律热电偶基本定律中间导体定律中间温度定律热电偶参考电极定律均质导体定律当单根均质材料做成闭合回路时，无论导体上温度如何分布以及导体的粗细或长短怎样，闭合回路的热电动势总是为零。热电偶应用:利用均质导体定律可以检查单支热电极是否均质。热电偶中间导体定律在热电偶回路中接入第三、第四种均质导体，只要中间接入的导体两端具有相同的温度，就不会影响热电偶的热电动势。热电偶应用:⑴为测量仪表接入热电偶回路测量热电动势提供了理论基础;⑵采用不同形式的热电偶测量温度提供了理论基础;热电偶证明：中间导体定律热电偶CC=tt0ABAABBttt0t0=中间温度定律热电偶在接点温度为t，t0时的热电势等于该热电偶在接点温度分别为t，tn和tn，t0时相应的热电势的代数和，即热电偶EAB（t,t0)=EAB（t,tn)+EAB（tn，t0)应用:⑴为使用热电偶分度表奠定了理论基础;⑵为热电偶测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。热电偶证明：中间温度定律热电偶EAB（T1，T2）+=T1BBBAAT2T2T2T3T1T3AEAB（T2，T3）EAB（T1，T3）+=热电偶参考电极定律如要求任意热电极A、B的热电动势，可在A、B两热电极之间接入C热电极，利用A、C热电极的热电动势和B、C热电极的热电动势相减即可得到热电极A、B的热电动势，即热电偶EAB（t,t0)=EAC（t,t0)-EBC（t，t0)应用:为工业应用中在选配热电极对时提供了理论依据。热电偶习题讲解应用热电偶定律，试求如下图所示的三种热电极组成回路的总热电势值，并指出其电流方向？ABC100℃300℃镍硅镍铬康铜80℃解法1：80℃∑e∑e=EK（100，80）-EE（300，80）=（4.095-3.266）-（21.033-4.983）假设热电偶冷端温度补偿根据热电偶测温原理，冷端温度t0恒定使热电偶产生的热电势仅与温度有关。但在实际测温中热电偶冷端的环境温度不可能稳定，影响实际测温的准确性。因此，对于冷端温度要进行处理，以使测量结果准确。热电偶热电偶冷端温度处理方法热电势修正法热电偶补偿导线法冷端恒温法仪表机械零点调整法冷端温度补偿器辅助热电偶法1、热电势修正法热电偶各种热电偶的分度值是在冷端温度为0℃获得的，当冷端温度不是0℃而是t0时，则可应用中间温度定律校正，即EAB（t,0)=EAB（t,t0)+EAB（t0，0)热电偶2、补偿导线法在一定的温度范围内，与配用的热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的导线称为补偿导线。用补偿导线将热电偶的冷端延伸到远离热源或环境温度比较恒定的场所。补偿导线补偿导线通常由补偿导线线芯、绝缘层及护套等组成。各种补偿导线的正极均为红色，只要记住负极的颜色，就可按绝缘着色区分各种补偿导线的类型和极性。补偿导线的线芯型式有单股和多股两种。热电偶补偿导线在测量回路中的连接示意t0tnBA'B'tnt0AEAB（t，t0）=EAB（t，tn）+EA’B’（tn，t0）=EAB（t，tn）+EAB（tn，t0）热电偶使用补偿导线时的注意事项⑴各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用。⑵补偿导线与热电偶、仪表连接时，正负极性不能接错；两个连接点的温度必须相同，而且不能超过规定的使用温度范围。热电偶⑶要根据所配仪表的不同来选用补偿导线的线径。⑷补偿导线与热电偶的连接点温度，不得超过规定的使用温度范围，通常连接点温度在100℃以下，耐高温补偿导线可达200℃。3、冷端恒温法此法是将热电偶冷端置于恒温器中，使冷端温度恒定。（0℃、0~50℃）热电偶4.辅助热电偶法⑴辅助热电偶测量端恒温法辅助热电偶测量端恒温补偿线路E热电偶E∑=E（t，t1）-E（t0，t1）=E（t，t1）+E（t1，t0）=EAB（t，t0）将主、辅热电偶的冷端都放在t1处，辅助热电偶的热端放在恒温箱内。主、辅热电偶的热电性质相同，反向串接。此时显示仪表接受的电势E∑为主、辅热电势之差，即热电偶证明：热电偶参考电极定律热电偶ACCBTTT0T0EAC（T，T0）ECB（T，T0）EABC（t,t0)=EAC（t,t0)＋EBC（t，t0)＝EAC（t,t0)－ECB（t，t0)⑵辅助热电偶冷端恒温法辅助热电偶冷端恒温补偿线路热电偶E∑=E（t，t1）+E（t1，t0）=EAB（t，t0）测量热电偶称为主热电偶，其冷端与辅热电偶的测量端都放在t1处，辅助热电偶的冷端放在恒温箱内。主、辅热电偶的热电性质相同，正向串接。此时显示仪表接受的电势E∑为主、辅热电势之和，即热电偶为什么热电偶输入回路要具有冷端温度补偿的作用？因为当用热电偶测量温度时，总希望冷端温度不变，但这在工业生产中是很难做到的。因此,就要求变送器的输入回路具有”冷端温度补偿器”的功能.这就是说,当热电偶的输出随冷端温度的变化而变化时,桥路的输出也应随着变化，并且使两者的变化量大小相等,方向相反。这样，就可以自动补偿冷端温度变化所引起的测量误差。利用辅助热电偶进行冷端温度补偿时，显示仪表的机械零点要调整到恒温箱所恒定的温度上。通常多支热电偶经切换开关共用一只显示仪表时，用这种辅助热电偶法进行冷端温度补偿。对于同类型的多只热电偶，只要一只辅助热电偶即可。5、仪表机械零点调整法当热电偶与带有温度刻度的毫伏型或毫安型指示表相配，且无调零电动势机构时，如热电偶的冷端温度变化又较之恒定，则可采用仪表机械零位调整法来实现热电偶的冷端温度的补偿。6、冷端温度补偿器当热电偶的冷端温度经常变化时，采用冷端温度补偿器可以自动地补偿热电偶冷端温度的变化。（直流不平衡电桥，输出电势uab=E（t0，20）或uab=E（t0，0），用以补偿热电偶冷端变化而产生的附加热电势。E入=EAB+Ucd=fAB（t）-fAB（t0）+IRcu–IR1习题讲解已知由铂（Pt）（C）、银（Ag）（A）、钨（W）（B）组成热电偶的热电势为：EAg-Pt（100，0）=0.72mV，EW-Pt（100，0）=0.79mV。试求EAg-W（100，0）热电势为多少？解：EAg-W（100，0）=EAg-Pt（100，0）-EW-Pt（100，0）=0.72mV-0.79Mv=-0.07mV习题讲解已知某热电偶热电势为E（1000，0）=41.27mV，E（20，0）=0.8mV，E（30，20）=0.4mV。试求该热电偶的热电势E（30，0）、E（1000，20）和E（30，1000）？解：E（30，0）=E（30，20）+E（20，0）E（1000，20）=E（1000，0）-E（20，0）E（30，1000）=-E（1000，30）=-[E（1000，0）-E（30，0）]习题讲解分度号为K的热电偶误配用N型的补偿导线，接配在K型的电子电位差计上，如图D-15所示。电子电位差计的读数为650℃,问所测实际温度为多少？EK(650,20)=EK(t，40）＋EN(40,20)EK(t，0）=EK(t，40）+EK(40，0）=[EK(650,20)-EN(40,20)]+EK(40，0）习题讲解现有S分度热电偶和动圈仪表组成的测温系统如图D-18所示。被测温度已知为1000℃，仪表所处环境温度为30℃。现有二种方法产生指示温度，即：①将仪表机械零位调至30℃，然后通上热电势产生指示；②先通上热电势产生温度指示，然后读温度加上30℃。试求哪种方法正确，相对误差是多少？S分度方法①ES（t，0）=ES（1000，30）+ES（30，0）=ES（1000，0）t=1000℃方法②ES（tI，0）=ES（1000，30）tI=984.9℃t=（984.9+30）=1014.9℃相对误差为％。％＝＋－49.1100100010009.1014习题讲解现有E分度的热电偶、动圈表，它们之间由相应的EX型补偿导线相连接，如图D-19所示。已知热点温度t=800℃，t1=50℃；仪表环境温度tn=30℃，仪表机械零位tm=30℃。如将EPX，ENX补偿导线都换成铜导线，仪表指示为多少？如将EPX，ENX补偿导线的位置对换，仪表指示又为多少？解：⑴EE（tI，0）（tI=784.1℃）=EE（800，50）+EE（30，0）⑵EE（tI，0）（tI=768.3℃）=EE（800，50）-EE（50，30）+EE（30，0）习题讲解有S分度的热电偶测温系统如图D-20所示。试问此动圈仪表的机械零位应调在多少度上？当冷端补偿盒的电源开路（失电）时，仪表指示为多少？电源极性接反时，仪表指示又为多少？解：⑴Es（t1，tm）=Es（1000，40）+Es（40，20）t1=1000℃，tm=20℃⑵Es（t1，tm）=Es（1000，40）+Es（20，0）t1=991℃⑶Es（t1，tm）=Es（1000，40）-Es（40，20）=Es（1000，20）t1=982.3℃热电偶热电偶的检定(检验)检验用的标准仪器仪表及设备⑵电测仪器仪表⒈标准仪器仪表⑴标准热电偶热电偶⑵恒温油槽⒉检验设备⑶恒温水槽⑴管式检定炉热电偶热电偶的检定点温度在300℃以上时，在管式检定炉中与二等标准铂铑10—铂热电偶进行比较检验。⑴管式检定炉检定方法⑵恒温油槽工作介质(油)通过加热丝加热,由搅拌器搅拌,经过导流筒导流后,得到温度均匀的恒温区.对温场要求是,水平温差和300mm内的垂直温差均应不超过0.2℃；温度的稳定性每分钟变化不超过0.2℃，油槽的温度由控温铂电阻进行检测。热电偶热电偶热电偶在检定前为什么要清洗和退火？热电偶在检定之前进行清洗是为了消除热电偶表面的污染，改善热电性能和延长使用寿命。退火是为了消除热电偶内应力，改善金相组织和提高热电偶的稳定性。清洗分为酸洗和硼砂洗。酸洗可消除热电极表面的有机物和一般金属杂质及氧化物。硼砂清洗是利用硼砂的还原性，消除电极表面难溶于酸的金属杂质及氧化物。热电偶退火分为空气退火和炉内退火，空气退火是为了热电偶纵向受热均匀，电极表面上附着的低熔点金属和杂质得到了挥发。空气退火的缺点就是热电极径向受热温度不均匀，降温时冷却速度太快，不易得到均匀组织，结果产生内应力；热电偶炉内退火可弥补热电