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1、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: 原油外输：加热炉的温度控制； 常减压装置，出口温度控制等。,温度定义：,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,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： 温度的起点； 测量温度的基
2、本单位； 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1299792458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
3、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32212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0100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
4、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,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
5、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
6、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,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-50550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,- 感温液体的体积膨胀系数,- 盛液容器的体积膨胀系数, 与差别越大，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：
7、精度高 有棒状、内标尺式的，分一等和二等， 分度值为0.050.1。,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0.12.5，价格便宜。,常用于实验室。 适用范围：-200600。,缺点: 玻璃易碎； 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
8、原理,一定质量液体或气体，体积V一定，则,液体的体积膨胀系数；,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； 0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) 0 =(VA+VB)P0M/RT0,若温包内气体密度为1 ，质量为m1 ；其余部分毛细管、弹簧管中气体密度为2 ，质量为m2 ；则,1 = PM/R
9、T 2 = PM/RT0 m1 = VA1= VAPM/RT m2 =VB2=VBPM/RT0,因m = m1 + m2 ，可得：,压力与温度为非线性。VA VB 时，可近似为：,多以氮气或氢气为感温介质。,（4-2-4）,线性,P 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。,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
10、)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：12.5, 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。,x 双金属片自由端位移； l 双金属片长度； d 双金属片厚度； t 温度变化量； G 弯曲率，取决于头金属片的材质，通常为(514)10-6K 。,一、测量原理,二、双金
11、属温度计的结构,返 回,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：,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
12、。,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：,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,电信号,金属导体电阻：电子全部以自由电子存在,半导体电阻：多数电子以束缚电子存在，只有少量自由电子,数量少，碰撞几率小，可忽略,一般温度每上升1: 导体电阻增大0.360.68%；半导体电阻下降36%。,金属导体电阻：,半导体电阻：,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
13、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：-200850。,-2000范围：,Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3,0850范围： Rt=R0(1AtBt2）,R00阻值； A=3.9080210-3 1/; B=-5.8019510-7 1/2 ; C=-4.2735010-12 1/4 。,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；
14、 轻微非线性；价格贵；还原介质中易被沾污而变脆。 。,RtR0(1+t),分度号: Pt10 、Pt100 、Pt1000 。,在测量精度要求低时：,=3.8510-3 1/。,Pt100最常用。,国标ITS一90规定，在-2593463074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：-50150。,特点： （1）材料易提纯，易氧化，价格便宜； （2）基本线性。,R00阻值。,RtR0(1+t),=4.2810-3 1/。,（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,-60300。
15、分度号：Ni100、Ni300和Ni500,Rt=100+0.548t+0.66510-3t2+2.80510-9t4,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。,特点：, 输出信号大（灵敏度高），比金属电阻大10-100倍；, 体积小， 0.10.2 mm，结构简单；, 热容小，响应快，, 常用于热电偶冷端补偿；, 精度低；元件易老化，稳定性较差；元件一致性差；, 非线性很严重。,对于在低温段-50350左右的范围、测温要求不高的场合，采用半导体热敏元件作温度传感器。大量用于各种温度测量、温度补偿及家电、汽车等要求不高的温度测量与控制。,5.3.3.热电阻结构,一、 普通型热电阻,电阻体： 0.010.07mm电阻丝双线无感绕制而成。,消除电流变化或外界交变磁场产生的感应电势。,若有温度梯度存在，检测值为感温元件所在范围内介质的平均温度。,返回,内引线：工业用 1mm，标准或实验室用 0.30.5mm。,保护管：同热电偶保护管，材质有金属或非金属等。,二、 铠装热电阻,结构及特点与铠装热电偶相似。,外径为28mm，个别可制成1mm。,优点: 外型尺寸小，响应速度快； 抗震、可挠；适于结构复杂 部位测量。,三、 半导体电阻结构形式,常用的引线方式有： 二线制、三线制和四线制三种。,6
