中国石油大学化工检测仪表第六章 温度测量

第六章温度测量及变送概述膨胀式温度计热电偶温度计热电阻温度计非接触式温度计小结温度是重要的热工参数,如:①原油外输：加热炉的温度控制；②常减压装置，出口温度控制等。温度定义：②微观：组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，即对其分子平均动能大小的一种量度。第一节概述①宏观：表征物体冷热程度的物理量。热力学第零定律：任意两个冷热程度不同的物体相互接触，热量要从温度高的物体传向温度低的物体，直到两物体之间的温度完全一致时，这种热传递现象才能停止。这也就是所描述的，系统温度相等是建立热平衡的充要条件。七个基本物理单位之一一、温标它规定了：①温度的起点；②测量温度的基本单位；③各种温度计的分度值。温标：为了保证温度量值的准确和利于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，这种用来量度物体温度高低的标尺叫温度标尺，简称温标。各种温度计的刻度数值均由温标确定。例如：长度单位，1983年10月第十七届国际计量大会通过了米的新定义：“1米是光在真空中1／299792458秒的时间间隔内所经路程的长度”。新的米定义有重大科学意义。从此光速c成了一个精确数值。通常采用具有所定标物理量固定不变的东西作为基准。例如：时间单位，在1967年召开的第13届国际度量衡大会对秒的定义是：铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。温度定标：在标准大气压下，单组分物质具有固定的三相点、沸点、融点等。1华氏温标（宏观）1724年，德国玻璃工华伦海特在荷兰首次创立温标-华氏温标。32℉：标准大气压下纯水的冰的融点；212℉：标准大气压下纯水的沸点。1℉：在32~212℉之间划分180等份，每一等份为华氏1度（1℉）。单位：华氏度，符号℉常用F表示。2摄氏温标（宏观）1750年，瑞典物理学家、天学家摄尔修斯提出摄氏温标。0℃：标准大气压下纯水的冰的融点；100℃：标准大气压下纯水的沸点。1℃：在0~100℃之间划分100等份，每一等份为摄氏1度（1℃）。单位：摄氏度，符号℃常用t表示。3热力学温标（绝对温标、国际温标）（微观）热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一，国际温标。1848年，由英国物理学家开尔文提出热力学温标。0K：分子运动停止时的温度为绝对零度。273.16K：水在标准大气压下的三相点温度。1K：水的三相点热力学温度的1/273.16。单位：开尔文，符号K三相点：单组分（一种纯物质）中有固、液、气平衡共存。三相点特点：只出现在固定的压强和温度下。水三相点0.01℃常用T表示。国际单位制中七个基本物理单位之一4各温标关系)32(95Ft15.273Tt常用:玻璃温度计、压力温度计、双金属温度计、热电偶温度计、热电阻温度计。二、温度测量方法1.接触式测温当两个两个冷热程度不同物体接触后，均会发生热交换，经过足够长的时间达到热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。要求:测温物体的物理性质必须连续、单值地随温度变化，且复现性好。需满足条件：感温部件与被测介质充分接触；保证热交换时间。接触式测温2.非接触式测温测温元件任何部位均不与被测物体相接触。多以辐射式为主，经被测物体与感温元件之间的热辐射作用实现测温。特点：不破坏被测的温度场，可测移动或转动物体及物体表面温度。反映速度较快，测温范围广。受物体发射率、对象与仪表间距、烟尘和蒸汽等影响，精度不高，常用于测量1000℃以上移动、旋转或反应迅速的高温物体温度。例如：红外辐射式。非接触式测温红外温度计非典钢水接触式与非接触式测温特点比较方式接触式非接触式测量条件感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上测量范围特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于l300℃以上的温度测量较困难原理上测量范围可以从超低温到极高温，但1000℃以下，测量误差大，能测运动物体和热容小的物体温度精度工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级通常为1.0、1.5、2.5级响应速度慢，通常为几十秒到几分钟快，通常为2～3秒钟其它特点整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被测物体实际温度；可方便地组成多路集中测量与控制系统整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度(需进一步转换)；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置第二节膨胀式温度计原理：物体受热体积膨胀。分为气体、液体、固体膨胀式。一般膨胀式温度测量大都在-5℃0～550℃范围内，用于温度就地指示，不需远传的场合。玻璃管液体温度计压力式温度计双金属温度计6.2.1玻璃管液体温度计体温计、工业水银温度计。结构：感温包、玻璃毛细管和刻度标尺。感温液体：酒精、水银等刻度标尺示值感温液体被测介质Vt00(')()ttVVtt--感温液体的体积膨胀系数--盛液容器的体积膨胀系数'α与α′差别越大，灵敏度越高。上部真空，压力不变一、结构二.按用途分类标准温度计：精度高有棒状、内标尺式的，分一等和二等，分度值为0.05～0.1℃。工业用温度计:精度较低实验室用温度计：形式与标准的相仿，精度较高。优点：结构简单，精度较高0.1~2.5，价格便宜。常用于实验室。适用范围：-200～600℃。缺点:(1)玻璃易碎；(2)用于就地指示，不能远传;(3)属于接触式测量，需要充分传热，使温包与被测液体达到热平衡，需要几分钟。三.特点6.2.2压力式温度计由温包、毛细管和弹簧管构成封闭系统。感温介质：液体（水银或有机液体）气体（氮气、氢气）蒸汽（低沸点丙酮、乙醚）毛细管容积温包容积内径约0.4mm，长度50m。一、结构有动画二、测量原理一定质量液体或气体，体积V一定，则00()ttPPPttα—液体的体积膨胀系数；刻度标尺示值弹性元件变形感温物质被测介质Pt利用密闭容积内工作介质随温度升高而压力升高的性质，通过对工作介质的压力测量来测量温度值的一种机械式仪表。1．液体压力温度计则封闭系统中气体的质量为：P0、To—封闭系统内初始压力、温度；VA—温包容积；VB—封闭系统其余部分的容积；ρ0—系统内工作气体密度。2．气体压力温度计因气体膨胀系数封闭系统材料的膨胀系数，可忽略系统容积变化的影响，系统视为定容系统。m=(VA+VB)ρ0=(VA+VB)P0M/RT0若温包内气体密度为ρ1，质量为m1；其余部分毛细管、弹簧管中气体密度为ρ2，质量为m2；则ρ1=PM/RTρ2=PM/RT0m1=VAρ1=VAPM/RTm2=VBρ2=VBPM/RT0000TVTVVVTppBABA因m=m1+m2，可得：压力与温度为非线性。VAVB时，可近似为：TVVTppAB)1(00多以氮气或氢气为感温介质。（4-2-4）线性cbTTTaPlg75.1lgP—液体的饱和蒸汽压；T—温包内自由液面的温度；a、b、c—与液体性质有关的常数。TqTnmPlnlnm、n、q—与液体有关的常数，由实验确定。3．蒸汽压力温度计各种液体饱和蒸汽压与温度的关系可表示为：液体饱和蒸汽压只与温度有关，利用低沸点液体饱和蒸汽压随温度变化的性质来测量温度。实用中，大多采用经验公式：多以低沸点液体（丙酮、乙醚等）为感温介质。三特点优点:(1)结构简单，具有强度大、不易破损，价格便宜；(2)可较远距离传送（50米）；(3)不需电源，防爆，用于狭小位置的温度就地指示。缺点：环境温度影响大。精度较低：1~2.5,不能远传。适用于-100~+600℃，一般0~+300℃。常用于汽车、拖拉机、内燃机、汽轮机的油、水系统的温度测量。6.2.3双金属温度计（固体膨胀）两种线膨胀系数不同的金属片叠焊，一端固定，一端自由。受热后产生弯曲变形。弯曲程度与温度成比例。tdlGx2x—双金属片自由端位移；l—双金属片长度；d—双金属片厚度；Δt—温度变化量；G—弯曲率，取决于头金属片的材质，通常为(5～14)×10-6／K。t温度膨胀系数大的伸长较多向膨胀系数小的一面弯曲变形一、测量原理二、双金属温度计的结构返回节日彩灯1—双金属片；2—调节螺钉；3—绝缘子；4—彩灯电熨斗、吹风机、彩灯双金属温度计不仅可用于测量温度，而且还可方便地用作简单温度控制装置，两位式控制。三、双金属温度计的两位式温度控制四特点优点:(1)结构简单，具有强度大、不易破损，价格便宜；(2)不需电源，防爆，用于工业的温度就地指示。缺点：精度较低：1、1.5、2.5级，不能远传。适用于-80~+600℃。前面介绍的膨胀式温度计：主要用于温度的就地指示。下面我们介绍两种用于温度信号远传的温度计：热电偶：热电阻：tE温度电动势（热电势）tR温度电阻（热电阻）第四节热电阻温度计金属导体电阻半导体电阻6.4.1热电阻温度计测温原理利用金属导体或半导体自身电阻随温度发生变化的特性。金属导体或半导体电阻值与温度呈一定函数关系。金属导体电阻：电子全部以自由电子存在电阻定义：UR=IUIR一定，UAB从微观的角度：电流I表示单位时间内流过导体某一截面的电子数量。半导体电阻：多数电子以束缚电子存在，只有少量自由电子TR热电阻电信号金属导体电阻：电子全部以自由电子存在UR=I半导体电阻：多数电子以束缚电子存在，只有少量自由电子IRT电子无规则运动加剧T自由电子无规则运动加剧部分束缚能量挣脱束缚成为自由电子数量数量少，碰撞几率小，可忽略IR一般温度每上升1℃:导体电阻增大0.36～0.68%；半导体电阻下降3～6%。金属导体电阻：半导体电阻：RTRT一、金属热电阻（1）电阻温度系数大，即灵敏度高；（2）物理化学性能稳定，能长期适应较恶劣的测温环境，互换性好；（3）电阻率要大，以减小电阻体积，减小热惯性；（4）电阻与温度近似为线性关系，测温范围广；（5）价格低廉，复制性强，加工方便。热电阻材料要求6.3.2常用热电阻的材料6.3.2常用热电阻的材料1.铂热电阻测温范围：-200～850℃。-200℃～0℃范围：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]0～850℃范围：Rt=R0(1＋At＋Bt2）R0—0℃阻值；A=3.90802×10-31/℃;B=-5.80195×10-71/℃2;C=-4.27350×10-121/℃4。Pt10电阻丝较粗（贵、不易断），主要用于600℃以上温度测量。特点：性能稳定可靠、抗氧化性好，精度高；测量范围宽，适合中低温；轻微非线性；价格贵；还原介质中易被沾污而变脆。。Rt≈R0(1+αt)分度号:Pt10、Pt100、Pt1000。在测量精度要求低时：α=3.85×10-31/℃。Pt100最常用。国标ITS一90规定，在-259．34～630．74℃温度范围内，以铂电阻温度计作为基准温度仪器。铂电阻分度表2.铜热电阻测温范围：-50～150℃。特点：（1）材料易提纯，易氧化，价格便宜；（2）基本线性。R0—0℃阻值。Rt≈R0(1+αt)α=4.28×10-31/℃。（4）精度低。分度号：Cu50、Cu100。（3）测温范围小，适合低温，常用于热电偶冷端补偿。3、镍热电阻-60～300℃。分度号：Ni100、Ni300和Ni500Rt=100+0.548t+0.665×10-3t2+2.805×10-9t4α比铂电阻大1.5倍，因不易提纯，互换性差。二半导体热电阻通常用铁、锰、铜、钛、钼等金属氧化物或碳酸盐、硝酸盐、氯化物等材料制作。TBAeRT/特点：①输出信号大（灵敏度高），比金属电阻大10-100倍；②体积小，0.1～0.2mm，结构简单；③热容小，响