第2章温度检测与仪表

刘玉长第二章温度检测与仪表第一节温标及测温方法第二节热电偶温度计第三节电阻温度计第四节辐射温度计第五节测温仪表的选择及安装第六节新型温度传感器第七节工业特殊测温技术刘玉长第一节温标及测温方法一、温标温度的数值表示称为温标。它利用一些物质的“相平衡温度”作为固定点刻在“标尺”上，而固定点中间的温度值则是利用一种函数关系(内插函数或称为内插方程)来描述。各类温度计的刻度均由温标确定。温标三要素：温度计、固定点和内插方程。温标不是温度标准(TemperatureStandard)，而是温度标尺(TemperatureScale)的简称。国际上规定的温标有很多种，最常用的是华氏温标(美国)、摄氏温标、热力学温标等。刘玉长温标名称有关规定华氏温标（℉）1714年，Fahrenheit把标准大气压下纯水的沸点和冰点这两个恒定温度作固定点(212℉和32℉)，这两个温度点之间用水银温度计分成180等份，每等份定为1华氏度(℉)。遗憾：把冰点定为32度而不是0度。列氏温标(oR’)1731年Réaumur提出：水的冰点被定为列氏0度，而沸点则为列氏80度。因为标准浓度的酒精在水的冰点和沸点之间体积从1000单位膨胀到1080单位。摄氏温标(℃)1742年Celsius提出：最初定义“水的冰点定为一百摄氏度，沸点定为零摄氏度，其间分成一百等分，一等分为一摄氏度”。第二年将刻度颠倒过来使用，即当今用法。当前应用最广，ITS-90有专门定义。开氏温标(K)1854年Kelvin提出：把绝对零度(0K)到水的三相点温度(273.16K)等分为273.16份，每份就是1开氏度。其分度间隔和摄氏温标间隔一致，Δt(1℃)=ΔT(1K)。兰氏温标(oR)Rankine温标是美国工程界使用的一种温标。起点也为绝对零度，水的冰点和沸点分别为491.67和671.67兰氏度(oR)，中间分成180等分，每一等分为1oR。刘玉长几种温标间的换算关系摄氏度=5(华氏度-32)/9摄氏度=开氏度-273.15摄氏度=5兰氏度/9-273.15摄氏度=1.25列氏度====================华氏度=1.8摄氏度+32华氏度=1.8开氏度-459.67华氏度=兰氏度-459.67华氏度=2.25列氏度+32====================开氏度=摄氏度+273.15开氏度=1.25列氏度+273.15开氏度=5(华氏度-32)/9+273.15开氏度=5兰氏度/9刘玉长热力学温标/开氏温标/绝对温标(K)热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文(Kelvin)根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标，其起点为绝对零度，故又称绝对温标。它的符号是T，单位是开尔文(K)。威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像刘玉长国际实用温标(IPTS-90/ITS-90)国际实用温标(internationalpracticaltemperaturescale)也称国际温标，是一种国际协议性温标，它与热力学温标接近，且复现精度高，使用方便。国际计量委员会第18界国际计量大会(CGPM)第七号决议，授权予1989年会议通过“1990国际温标ITS-90”，并从1990年1月1日开始在全世界范围内采用【我国1994.1.1开始全面实施】。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K(0.01C)等。刘玉长二、测温方法及分类测温方法很多种，可分为：按测量方法可分为接触式和非接触式；按工作原理可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等；按用途分，有基准温度计和工业温度计。刘玉长应用热膨胀原理测温测量原理物体受热时产生膨胀液体膨胀式温度计固体膨胀式温度计玻璃管温度计双金属温度计刘玉长体积热膨胀式不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。气体的体积与热力学温度成正比刘玉长接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。优点：结构简单、可靠，测温精度较高。缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。不适于直接对腐蚀性介质测量。刘玉长非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。刘玉长第二节热电偶温度计热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小等特点，输出信号为电信号便于远传或信号转换。热电偶可用来测量流体、固体以及固体壁面的温度，微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。刘玉长赛贝克实验与赛贝克效应(热电效应)1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点，发现放在回路中的指南针发生偏转，如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。【结论】指南针的偏转说明：不同金属组成闭合回路时，回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。刘玉长一、热电偶测温原理热电偶温度计是根据热电效应工作的。当两种不同的导体或半导体材料A和B组成闭合回路(如下图)，如果两个结合点处的温度不相等，则回路中就会有电流产生。也就是回路中会有电动势存在，这种现象叫做热电效应，该效应首先由赛贝克发现，故也称赛贝克效应。回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。热电偶原理图TT0AB冷端热端自由端工作端刘玉长热电偶有关术语两种不同的导体或半导体材料A和B组成闭合回路，如果两个结合点处的温度不相等，则该回路中就会有电动势产生，称该现象为热电效应。回路中所产生的电动势称为热电势。称导体A,B为热电极。其中一个接点通常是焊接在一起被置于测温场感受被测温度，称为测量端、热端或工作端；而另一个接点远离测量端，且要求温度恒定，称为自由端、冷端或参比端。刘玉长(一)接触电势电子密度不同的导体或半导体材料相互接触时，在其接点处产生电势，该电势主要取决于两种材料的性质和接触面温度的高低：AABB()ln()NTKTeTeNT式中NA(T)和NB(T)—材料A和B在温度T时的电子密度；e—单位电荷，4.802×10-10绝对静电单位；K—波尔兹曼常数，1.38×10-23J/℃；T—材料温度，K。NANB刘玉长(二)温差电势由于两端温度不同，在导体或半导体材料两端产生电势，温差电势的方向是由低温端指向高温端，其大小与材料两端温度和材料性质有关：001(,)d()TTKNtETTeN式中N—材料的电子密度，是温度的函数；T,T0—材料两端的温度；t—沿材料长度方向的温度分布。E(T,T0)刘玉长(三)热电偶闭合回路的总热电动势闭合回路总热电动势应为接触电势和温差电势的代数和，即：0AB0ABB0AB0A0AB(,)()(,)()(,)lndTTETTETETTETETTKNtNe结论：(1)只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，且两端温度必须不同；(2)热电势的大小，只与组成热电偶的材料和材料两端连接点处的温度有关，与热电偶丝的大小尺寸及沿程温度分布无关。刘玉长二、热电偶的基本定律(性质)(一)均质材料定律由一种均质材料组成的闭合回路，不论沿材料长度方向各处温度如何分布，回路中均不产生热电势。它要求组成热电偶的两种材料A和B必须各自都是均质的，否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加热电势，引入不均匀性误差。因此在进行精密测量时要尽可能对电极材料进行均匀性检查和退火处理。该定律是同名极法检定热电偶的理论根据。刘玉长(二)中间导体定律在热电偶测温回路中插入第三种(或多种)导体(如图中导体C)，只要其两端温度相同，则热电偶回路的总热电势与串联的中间导体无关【证明请参考教材2.2.2.2节】。应用：金属熔体温度与金属表面温度测量。刘玉长(三)中间温度定律在热电偶测温回路中，测量端的温度为T，连接导线各端点的温度分别为Tn和T0(见图)，如A与A’，B与B’的热电性质相同，则总的热电动势等于热电偶的热电动势EAB(T,Tn)与连接导线的热电动势EA’B’(Tn,T0)的代数和，其中Tn为中间温度，即EABB’A’(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA’B’(Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)中间导体定律和中间温度定律是工业热电偶测温中应用补偿导线的理论依据。刘玉长(四)参考电极定律两种导体A，B分别与参考电极C(标准电极)组成热电偶(如图)，如果它们所产生的热电动势为已知，那么，A与B两热电极配对后的热电动势可按下式求得：EAB(t,t0)=EAC(t,t0)+ECB(t,t0)人们多采用高纯铂丝作为参考电极，这样可大大简化热电偶的选配工作。刘玉长三、热电偶结构典型工业用热电偶结构如图所示。它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。刘玉长热电极：一般金属φ0.5~3.2mm，昂贵金属φ0.3~0.6mm，长度与被测物有关，一般在300~2000mm，通常在350mm左右。绝缘管：隔离热电偶与被测物，一般在室温下要5MΩ以上。保护套管：避免受被测介质的化学腐蚀或机械损伤。接线盒：固定接线座，连接补偿导线。刘玉长热电极材料要求(1)应输出较大的热电势，以得到较高的灵敏度，且要求热电势E(t)和温度t之间尽可能地呈线性函数关系；(2)能应用于较宽的温度范围，物理化学性能、热电特性都较稳定。即要求有较好的耐热性、抗氧性、抗还原、抗腐蚀等性能；(3)要求热电偶材料有较高的导电率和较低的电阻温度系数；(4)具有较好的工艺性能，便于成批生产。具有满意的复现性，便于采用统一的分度表。刘玉长普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰刘玉长普通装配型热电偶结构接线盒引出线套管固定螺纹(出厂时用塑料包裹)热电偶工作端(热端)不锈钢保护管刘玉长四、热电偶的分类(一)标准热电偶国际电工委员会(IEC)推荐的工业用标准热电偶为八种(目前我国的国家标准与国际标准统一)：B、R、S、K、N、E、J、T。S、R、B三种热电偶均由铂和铂铑合金制成，称贵金属热电偶。K、N、T、E、J五种热电偶，是由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属的合金制成，称为廉价金属热电偶。工业用标准热电偶基本性能见表2-1。刘玉长表2-1工业用热电偶测温范围名称分度号测量范围/℃适用气氛稳定性铂铑30—铂铑6B200～1800氧化、中性1500℃，优；1500℃，良铂铑13—铂R-40～1600氧化、中性1400℃，优；1400℃，良铂铑10—铂S镍铬—镍硅(铝)K-270～1300氧化、中性中等镍铬硅—镍硅N-270～1260氧化、中性、还原良镍铬—康铜E-270～1000氧化、中性中等铁—康铜J-40～760氧化、中性、还原、真空500℃，良；500℃，差铜—康铜T-270～350氧化、中性、还原、真空-170～200℃，优钨铼3—钨铼25WRe3-WRe250～2300中性、还原、真空中等钨铼5—钨铼26WRe5-WRe26刘玉长(二)非标准化(特殊)热电偶1、铠装热电偶结构：将热电偶丝用无机物绝缘及金属套管封装，压实成可挠的坚实组合体(如图)。特性：惯性小；挠性、机械强度及耐压性能好。适用场合：可用于快速测温或热容量很小的物体的测温部位，结构坚实可耐强烈的振动和冲击，还可用于高压设备上测温。1-金属套管；2-绝缘材料；3-热电极刘玉长铠装型热电偶外形法兰铠装型热电