3温度检测剖析

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1、51 温度与温标,5 温度检测,511 温度的概念,温度是表征物体冷热程度的物理量。从微观学来说，温度反映了系统内分子作无规则热运动时平均动能的大小。因为系统内的分子是处于不断运动的，分子的平均动能越大，其温度越高；分子的平均动能越小，其温度也就越低。也就是说，一个系统所具有的平均动能多少，决定了它的温度高低。,温度的定义本身并没有提供判断温度高低的数值标准。人们可以通过自身的感觉用烫、热、温、凉、冷、冰冷等词来形容冷热的程度，但是这只能凭主观感觉来判断温度的大小，这种方法既不科学，也无法定量说明温度的高低，而且容易出现差错。,例如，处于同一环境的铁块和棉布的温度一样吗？ 实际上，铁块和棉布的

2、温度是完全相同的，仅仅是由于铁比棉布传热快，所以造成了这种错觉。为此，物体的温度通常是用专门的仪器进行测量的。,温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。,5.1.2温标,3,用来量度物体温度高低的标尺叫做温度标尺，简称“温标”,目前国际上用得较多的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际实用温标。,温标,1摄氏温标 摄氏温标是根据液体（水银）受热后体积膨胀的性质建立起来的。摄氏温标规定在标准大气压下纯水的冰融点为0度，水沸点为100度，在0到100度之间分成一百等份，每一等份为1摄氏度，单位符号为t。温度变量记作t

3、。 2华氏温标 华氏温标也是根据液体（水银）受热后体积膨胀的性质建立起来的。华氏温标规定在标准大气压下纯水的冰融点为32度，水沸点为212度，中间180等分，每一等份为1华氏度，单位符号为。温度变量记作tF。,温标,说明：按受热后体积膨胀的性质建立起来的温标，与所选择物体的物理性质（如水银的纯度）及玻璃管材料等因素有关，因此不能严格保证世界各国所采用的基本测温单位完全一致 。 3热力学温标 热力学温标又称开氏温标，是以热力学第二定律为理论基础的温标，与物体任何物理性质无关，国际标度大会采纳为国际统一的基本温标。单位符号为K，温度变量记作T。,热力学温标有一个绝对0度，它规定分子运动停止时的温度

4、为绝对零度，因此它又称为绝对温标。,卡诺循环,卡诺假设工作物质只与两个恒温热源交换热量，没有散热、漏气、擦等损耗。,卡诺循环：由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程，即： 1.等温膨胀，在这个过程中系统从环境中吸收热量； 2.绝热膨胀，在这个过程中系统对环境中作功； 3.等温压缩，在这个过程中系统向环境中放出热量； 4.绝热压缩，系统恢复原来状态，在这个过程中系统对环境作负功。,如果在温度为T1的热源与温度为T2的冷源之间实现了卡诺循环，则存在,若指定一个定点作参考点，就可由热量比例求取未知温度。1954年国际标度会议选定了水的三相点为参考点，且定义该点温度为273.16K，相应的换热量为

5、Q参，则式改为：,于是，可由QQ参求取被测温度T。这种方法建立起来的温标避免了分度的“随意性”，但理想的卡诺循环无法实现，热力学温标不能付诸实用。,借助于理想气体温度计可以实现热力学温标，但气体温度计结构复杂，使用不便。所以，为了实用建立一种能紧密接近热力学温标的简便温标，即国际实用温标。,4国际实用温标,温度单位,热力学温度是基本的物理量，其单位为开尔文（K），温标单位大小定义为水三相点的热力学温度的1273.16。,虽然水三相点的热力学温度为273.16K，T90和t90之间关系保留以前的温标定义中使用的用与273.15K差值表示温度，即,t90/= T90/k273.15。 T90的单位

6、为开尔文（K），而t90的单位为摄氏度（）。,513 温度检测的主要方法,温度测量范围很广，有的处于接近绝对零度的低温，有的在几千度的高温。这样宽的范围需用各种不同的温度检测方法和测温仪表来测量。 在工业生产和科学实验中，主要的测温方法可归纳为下列几种。,1利用物质热膨胀与温度关系测温（如双金属温度计、压力式温度计和玻璃液体温度计）,2利用热电效应测温（热电偶温度计 ）,3利用导体或半导体的电阻与温度关系测温（热电阻温度计）,4利用热辐射原理测温（如单色辐射高温计、光学高温计和比色高温计等）,应用热膨胀原理测温双金属温度计,图5-1 双金属片,5,利用液体或固体受热时产生热膨胀的原理,可以制成

7、膨胀式温度计。,应用热膨胀原理测温双金属温度计,双金属式温度开关,双金属式温度计结构,1指针；2表壳；3金属保护管；4指针轴； 5双金属感温元件；6固定端；7刻度盘,液体膨胀式温度计,酒精式 水银式,双金属温度计,双金属温度计,A,B,A,B,t0,t t0,双金属温度计,液体膨胀式温度计的工作液,工作介质,膨胀系数C-1,测温范围0C,水银,0.00018,-30 550,二甲苯,0.00108,-40 400,乙醇,0.00105,-46 150,甘油,0.0005,20 175,水银电接点温度计,水银体温表,红外体温计,压力式温度计的结构,压力表 毛细管 温包、膨胀液,各种压力式温度计,

8、在温度测量系统中，感受温度变化的元件称感温元件；将温度转换成其它物理量（如电压、电阻等）输出的仪表称温度传感器（或温度变送器）。 习惯上，按测温范围不同，将600以上的测温仪表称为高温计，把测量600以下测温仪表称为温度计。 根据感温元件与被测物质是否接触，将温度检测仪表分为接触式和非接触式两大类。,表5-1 各种温度计的优缺点及使用范围,4,第二节 热电偶温度计,一、热电偶,7,热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。,热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。,图5-4 热电偶示意图,第二节 热电偶温度计,8,1.热电现象及测温原理,图5-5 热电现象,图5

9、-7 热电偶原理,热电现象及测温原理,热电现象及测温原理,通常，温差电势比接触电势小很多可忽略不计。,热电现象及测温原理,如果使冷端温度T0固定，则对一定材料的热电偶，其总电势就只与温度T成单值函数关系 ：,EAB（T，T0）f（T）C（T）,式中 C固定温度T0决定的常数,2热电偶基本定律,（1）均质导体定律 由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论其截面、长度如何以及各处的温度如何分布，都不会产生热电势。即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。,（2）中间温度定律 在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电势，等于该热电偶在接点温度为T、Ta和Ta、T0时热电势的代数和，即 EAB（T，

10、T0）EAB（T，Ta）EAB（Ta，T0）,13,（3）插入第三种导线的问题,利用热电偶测量温度时，必须要用某些仪表来测量热电势的数值，见下图。,图3-58 热电偶测温系统连接图,第二节 热电偶温度计,14,16,工业上对热电极材料的要求,在测温范围内其热电性质要稳定,不随时间变化; 在测温范围内要有足够物理、化学稳定性,不易被氧化或腐蚀; 电阻温度系数要小,电导率要高,组成热电偶后产生的热电势要大,其值与温度成线性关系或有简单的函数关系; 复现性要好,这样便于成批生产,而且在应用上也可保证良好的互换性; 材料组织均匀、要有韧性,便于加工成丝。,5.2.2热偶的材质和分度表,标准化热电偶,标

11、准化热电偶： 标准化热电偶是指目前在国际上被公认的比较好的热电材料组成的热电偶，它们已列入工业标准化文件，具有统一的分度表。标准化文件还对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，因此同一型号的热电偶有良好的互换性。,分度号、分度表,分度号：热电偶的型号,分度表：标准热电偶在参比端温度为0时，热端在不同温度下对应的热电势做成的表格，为该标准热电偶的分度表。,9,热偶的材质和分度表,常用热电偶的种类（看书后按下面表格进行整理）,P94,第二节 热电偶温度计,17,表5-2 常用热电偶,各种热电偶,高 温 热 电 偶 分度号S 高温 陶瓷 保护管,工业常用热电偶

12、,18,图5-10 热电偶的结构,523热电偶的结构形式,热电偶温度传感器广泛应用于工业生产过程的温度测量，具有多种结构形式。按用途可分为普通型热电偶、铠装热电偶和薄膜热电偶。,1普通型热电偶,普通型热电偶主要用于测量气体、蒸汽、液体等介质的温度。由于使用的条件基本相似，这类热电偶已做成标准型。通常都是由热电极、绝缘材料、保护套管和接线盒等主要部分组成。,（1）热电极 热电偶常以热电极材料种类来命名，其直径大小是由价格、机械强度、导电率以及热电偶的用途和测量范围等因素来决定的。 贵金属热电极直径大多是0.130.65 mm； 普通金属热电极直径为0.53.2mm。 热电极长度由使用、安装条件，

13、特别是工作端在被测介质中插入深度来决定，通常为3502000 mm，常用的长度为350 mm。,(2)绝缘管 又称绝缘子，用来防止两根热电极短路，其材料的选用根据使用温度范围和对绝缘性能要求而定。 常用的是氧化铝和耐火陶瓷。 它一般制成圆形，中间有孔，长度为20 mm，使用时根据热电极的长度，可多个串起来使用。,(3)保护套管 为使热电极与被测介质隔离，免受化学侵蚀或机械损伤，热电极套上绝缘管后再装入套管内。 对保护套管的要求一方面要经久耐用，能耐温度急剧变化，耐腐蚀，不分解出对电极有害的气体，有良好的气密性及足够的机械强度；另一方面是传热良好； 常用的材料有金属和非金属两类，应根据热电偶类型

14、、测温范围和使用条件等因素来选择保护套管材料。,(4)接线盒 接线盒供热电偶与补偿导线连接用。 接线盒固定在热电偶保护套管上，一般用铝合金制成，分普通式和防溅式（密封式）两类。 为防止灰尘、水份及有害气体侵入保护套管内，接线盒出线孔和盖子均用垫片和垫圈加以密封，接线端子上注明热电极的正、负极性。,2铠装热电偶,铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管经拉伸加工而成的组合体，其断面结构如图5.8所示，分单芯和双芯两种。它可以做得长、很细，在使用中可以随测量需要进行弯曲。,铠装热电偶的主要特点是，测量端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，耐高压、耐强烈震动和耐冲击，可安装在结构复杂的装置上,

15、1一套管；2一绝缘材料；3一热电极 图5. 8 铠装热电偶断面结构,3薄膜热电偶,薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶。 它的测量端既小又薄，热容量很小，可用于微小面积上温度测量；动态响应快，可测量快速变化的表面温度。 我国研制的片状薄膜热电偶如图5.9所示，它采用真空蒸镀法将两种电极材料蒸镀到绝缘基板上，上面再蒸镀一层二氯化硅薄膜作为绝缘和保护层。,由于使用温度受粘胶剂和衬垫材料限制，目前只能用于200300范围。,第二节 热电偶温度计,19,二、补偿导线与冷端温度补偿,采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。,它也是由两种不同

16、性质的金属材料制成，在一定温度范围内（0100）与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金属。见左图。,1.补偿导线,图5-11 补偿导线接线图,热电偶使用补偿导线图,接线,表5.3 常用热电偶的补偿导线,表中补偿导线型号的头一个字母与配用热电偶的型号相对应；第二个字母“X”表示延伸型补偿导线；字母“C”表示补偿型导线。,第二节 热电偶温度计,在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。,表5-3 常用热电偶的补偿导线,22,补偿导线,例1 分度号为K的热电偶现误用EX补偿导线，极性连接正确，示值如何变化？,解：若连接正确，根据中间温度定律，回路总电势为,EEK（t，30）EK（30，20）,现误用EX补偿导线，回路总电势为,EEK（t，30）EE（30，20）,回路总电势误差为,EEE EE（30，20）EK（30，20） EE（30，0）EE（20，0）EK（3