自动检测技术温度-1,2讲解

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1、第二篇 过程参数检测技术 4. 温度检测 5. 压力检测 6. 物位检测 7. 流量检测 8. 机械量检测 9. 成分检测 4.1 概述 4.2 接触式测温 4.3 非接触式测温 4. 温度检测 4.1 概述 4.1.1温度及其测量原理 4.1.2温标及其表示方法 4.1.3测温方式及其原理 4.1 概述 4.1.1温度及其测量原理 温度是表征物体冷、热程度的物理量， 反映了物体内部 分子平均动能的大小,是工业生产过程中的主要参数 之一。 测温原理温度不能直接测量，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。 4.1.2温标及其表示方

2、法 温标衡量温度高低的标尺，规定温度的起点及其基本 单位。 1.经验温标用实验方法或经验公式所确定的温标。 （1）摄氏温标在标准大气压下，把水的冰点规 定为0度，水的沸点规定为100度；两 点间作100等分，每一份称为1摄氏度， 记作1。所用标准仪器水银温度计 （2）华氏温标在标准大气压下，把水的冰点规 定为32度，水的沸点规定为212度；两 点间作180等分，每一份称为1华氏度， 记作1。 摄氏温度和华氏温度的关系为 T（）=9/5 t（）+32 式中 T华氏温度值; t摄氏温度值。 2.热力学温标建立在热力学基础上，是一种理想而不能真正 实现的理论温标。是把理想气体压力为零时对应的温度绝对

3、零 度与水的三相点（固液气共存点）温度分为27316份，每一份称 为1开尔文（Kelvin），记作1K。,热力学温标(又称开氏温标)从绝 对零度起算,水的冰点为273.15K，沸点为373.15K。（注意：水的冰 点和三相点是不一样的，两者相差0.01K。） 3.国际实用温标国际上协商规定，一种既符合热力学温标，又复 现性好且使用方便，简称ITS一90 （International Temperature Scale of 1990 ）。 温度单位：热力学温度是其基本物理量，国际实用温度用符号 T90表示，单位仍为开尔文（K），K的大小定义为水的三相点热力 学温度的1/273.16。同时使用的

4、国际摄氏温度的符号为 t90 ，单位是 摄氏度，符号为。每一个摄氏度和每一个开尔文的量值相同。国 际实用温度T90 （K）与国际摄氏温度t90（）的关系如同热力学温 度和摄氏温度一样，即 把整个温标分成4个温区，使用相应的标准仪器。 4.1.3 测温方式及其原理 接触式：与被测物接触，通过热交换进行测量；非接触式：不与被测物直接接 触，通过接受被测物体的热辐射能实现热交换。 4.2 接触式测温 4.2.1玻璃温度计 4.2.2双金属温度计 4.2.3压力式温度计 4.2.4热电偶测温 4.2.5热电阻测温 4.2.1玻璃温度计 1.工作原理液体受热后体积随温度膨胀 2.特点结构简单，制作容易，

5、价格 低廉，测温范围较广，安装使用方便 ，现场直接读数，一般无需能源，易 破损，测温值无法自动远传记录等。 4.2.2双金属温度计 1.工作原理基于固体受热膨胀。 2.构成两片线膨胀系数差异很大的金属片叠焊在一起，一段固定 ，一端带指针； 3.特点测温范围大致为-80600； 精度等级通常为12.5级左右；抗振性 好，读数方便，精度不高，做一般的工 业用仪表，测温信号难以远传。 4.2.3压力式温度计 1.工作原理根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条 件下其压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能 2.结构感温包、传递压力元件(毛细管)及压力敏感元件、齿轮或 杠杆传动机构、指针和读

6、数盘组成； 3.特点强度大、不易破损、读数方 便，但准确度较低、耐腐蚀性较差； 响应慢（毛细管细长），测温信号难 以远传。 压力式温度计结构原理图 1传动机构；2刻度盘； 3指针 ；4弹簧管；5连杆；6接头；7 毛细管；8温包；9工作物质 4.2.4热电偶测温 1.热电效应及测温原理 2.标准化热电偶与分度表 3.热电偶结构型式 4.热电偶的冷端温度补偿 4.2.4热电偶测温 1.热电效应及测温原理 热电偶测温是以热电效应为基础的。 热电效应任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，当两 个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势。闭合回路中总 的热电势(由温差电势、接触电势组成)为 t0冷端、

7、参比端、自由端 t 热端、工作端 EAB(t,t0)= eAB(t)eAB(t0) 或EAB(t,t0)= eAB(t) + eBA(t0) eAB接触电势形成的过程 热电效应 4.2.4热电偶测温 1.热电效应及测温原理 热电偶测温是以热电效应为基础的。 (1)热电效应 两种不同材料的金属A和B构成一个闭合回路，当两个 接触端温度不同时（设T T0），回路中会产生热电势EAB（ T，T0）。这种把热能转换成电能的物理现象称为热电效应 。 其中，这两种不同材料的导体组成的回路称为热电偶， 导体A、B称为热电极，置于测温场感受被测温度的T端称为 热端（工作端或测量端），另一个T0端称为冷端（自由

8、端或 参比端）。 热电偶产生的总的 热电势EAB（T，T0）是 由接触电势和温差电势 两部分组成。 (2) 接触电势 将两种不同的金属A和B相互接触时,在其接触处会发生 自由电子的扩散现象，如图所示。自由电子会从密度 大的金属A扩散到密度小的金属B中,使A失去电子带正 电为正电极,B得到电子带负电为负电极,直至在接触处 形成强大的正负电场,并阻止电子的继续扩散,从而达到 动态平衡为止。其接触处就形成一定的电位差，此即 接触电势（也叫帕尔帖电势）。其大小可表示为 金属电极A和B在 温度为T时的接触电势； k波尔兹曼常数； T接触处的热力学温度； 热电偶的接触电势 e单位电荷量； NA，NB金属电

9、极A和B的自由电子密度。 (3) 温差电势 同一种金属材料如A，当其两端的温度不同即T T0时 ，两端的电子能量就不同。温度高的一端电子能量大 ，则电子从高温端向低温端扩散的多而返回的少，最 后达到平衡。这样在A的两端形成一定的电位差，即温 差电势（也叫汤姆逊电势），如图所示。其大小可表 示为 材料A在两端 温度T、T0时的温差电势； 汤姆逊系数，表示 温差为1时所产生的电势值， 大小与材料的性质有关。 图 热电偶的温差电势 (4)总热电势 在导体A和B组成的热电偶回路中，两接触端的温度分别为T 和 T0，且T T0，则回路的总热电势由两个接触电势 和两个温差电势 组成，图中的箭头表示电势方

10、向（由负指向正）。 取 的方向为正方向,写出总热电势的方程为 若电极A和B为同一种材料， 若热电偶两端处于同一温度下，。 因此，热电势存在必须具备两个条件：一是由两种不同 的金属材料组成热电偶，二是其两端接触点存在温差， 而且温差越大，热电势越大。也就是说，热电偶热电势 的大小，只与导体A、B的材质有关，与冷、热端的温 度有关，而与导体的粗细、长短及两导体接触面积无关 。 实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是两个接触处 的接触电势，而两个电极温差电势的差值很小而忽略不 计的话，则有更简洁的工程表达式 该式清楚地说明，如果热电偶冷端温度T0保持恒定时， 热电偶的热电势就只与被测温度T成单值函数

11、关系。根 据国际温标规定，T0 =0时，用实验方法测出各种热 电偶在不同工作温度下所产生热电势的值列成的表格， 称为分度表（见附录A）。 EAB(t,t0)= eAB(t)eAB(t0) 或EAB(t,t0)= eAB(t) + eBA(t0) (5)中间导体定则 中间导体定则-在热电偶回路中， 冷端处断开接入与A，B电极不同 的另一种导体C时，只要这个中间 导体C的两端温度相同，热电偶回 路的总热电势值不会受中间导体接入的影响。 图所示为热电偶接入中间导体C的情况。此时热电偶 回路的总热电势为 当回路中各接点温度相等且都为T0时，总热电势为零，即 故可以得到 同理，还可以加入第四种、第五种导

12、体，只要加入导体的两端接 点温度相等，回路的总热电势就与原回路的电势值相等。正是根 据中间导体定则，才可以在热电偶测温回路中接入各种仪表、连 接导线和接插件等。 热电偶特点：测温范围广，精度高，性 能稳定，结构简单，动态响应好，信号 远传。 2.标准化热电偶与分度表 （1）标准化热电偶 电极材料应具备的性能： 优良的热电特性 即热电势率(灵敏度)要大，热电关系接近线性，物理、化学 性能稳定，不易氧化或腐蚀 ； 优良的机械性能 机械强度高有韧性，材料组织均匀易于加工成丝； 制造成本低，价值比较便宜。 （2）热电偶分度表 根据国际温标规定， 时，用实验方法测出各种热电 偶在不同的工作温度下所产生的

13、热电势值，列成一张表格，称 为分度表。 根据分度表，有以下结论： 不同型号热电偶的热电势有较大差别 ，B型热电势小，E型 热电势最大； 热电势是温度的升值函数；其关系为非线性； 当 当冷端温度 时，先 补偿电势，再查表获得温度， 即： 例1 ：用K型热电偶测炉温时，测得参比端温度t038 ；测得测量端和参比端间的热电动势E(t,38 )29.90 mV，试求实际炉温。 解由K型分度表查得E(38，0)1.529 mV，由上式可 得到： E(t，0)E(t,t0 ) + E(t0, 0 ) 29.90 +1.529= 31.429 mV 再查K型分度表，由31.429 mV查得到实际炉温755

14、。 按热电动势E(t,38 )29.90 mV查K型分度表得对应的 炉温718，与实际炉温755相差37，由此产生的相 对误差约为5%。（再加上t038为756 ，很接近 755 ） （注：由于热电偶所产生的热电势与温度之间的关系都是非线性 的，因此在自由端的温度不为零时，将所测得热电势对应的温度 值加上自由端的温度，并不等于实际的被测温度。） 3.热电偶结构型式 (1)普通（装配）型热电偶 主要由四部分组成 ： 热电极、绝缘管、保护管和接线盒。 (2)铠装型热电偶 是将热电偶丝和绝缘材料一起紧压在金属保护管中制成的热电 偶。 特点： 响应速度快(0.01S), 气密性好、不怕振、耐高压, 使用寿命长, 柔软性好便于安装， 适用于复杂结构（如狭小弯曲管道內） （4）表面型热电偶 专门用来测量固体表面温度的一种特殊热电偶。 反应速度极快、热惯性极小。 （5）快速型热电偶 测量钢水等高温熔融物体的一种专用热电偶。 热电偶的结构型式可根据它的用途和安装位置来确定。在热电 偶选型时，要注意三个方面：热电极的材料；保护套管的结构 ，材料及耐压强度；保护套管的插入深度。 （3）薄膜型热电偶 把两种不同的热电极材料蒸镀在很薄的绝缘基板上。 适用于测量微小面积上的瞬变温度。 4.热电偶的冷端温度补偿 目的：热电偶的温度与热电势关系的分度表是在冷端温度为 0时