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1、第3章检测仪表与传感器 节概述节概述 节压力检测及仪表节压力检测及仪表 节流量检测及仪表节流量检测及仪表 节物位检测及仪表节物位检测及仪表 节温度检测及仪表节温度检测及仪表 第五节第五节 温度检测及仪表温度检测及仪表 测温 方式 测温 原理 温度计种类 测温范围 主要特点 接 触 式 膨 胀 式 玻璃液体 50 600 结构简单 使用方便 测量准确 价格低廉 测 量上限和精度受玻璃质量限制 易碎 不能远传 双金属 80 600 结构紧凑 可靠 精度低 量程和使用范围有限 压 力 式 液体 气体 蒸汽 30 600 20 350 0 250 结构简单 耐震 防爆能记录 报警 价格低廉 精度低 测
2、温距离短 滞后大 热电偶 铂铑 铂 镍铬 镍硅 0 1600 50 1000 测温范围广 精度高 便于远距离 多点 集中 检测和自动控制 应用广泛 需冷瑞温度补偿 在低温段测量精度较低 热电阻 铂电阻 铜电阻 200 600 50 150 测量精度高 便于远距离 多点 集中检测和自 动控制 应用广泛 不能测高温 非接 触式 辐射式辐射式 400 2000 不破坏温度场 测温范围大 响应快 可测运动 物体的温度 低温测量不准 易受外界环境的影 响 标定较困难 一 温度检测方法和分类 600 高温计高温计温度计温度计 膨胀式温度计膨胀式温度计 双金属温度信号 报警 器 液体或固体受热后 产生体积膨
3、胀 固体膨胀式温度计 双金属温度计 液体膨胀式温度计 玻璃管温度计 压力式温度计压力式温度计 封闭系统中的液体 气体或低沸点液体的饱和蒸汽 受热后 体积膨胀而产生压力变化 组成部件 温包 传热 容纳膨胀介质 毛细管 传递压力 弹簧管 显示压力 温度 温度 压力 位移 二 热电偶温度计 测温原理 热电效应 热电效应和热电偶热电效应和热电偶 热电效应 两种不同材料的导体A和B 将两端连接在一起 组成闭合 回路 如果将它们的两个接点分别置于温度为 t 和 t0 t t0 的热源中 则该回路内就会产生热电势 A BB A A B eAB t0 eAB t eA t t0 eB t t0 t 端称为工作
4、端 热端 t0 端称为自由瑞 冷端 这两种不同导体的组合称为热电偶 每根单独的导体称为热电极 接触电势温差电势 对于确定的热电偶 A B材料固定 若冷端温度t0 保持不变 则热电势就成 为热端温度t 的单值函数 而与热电偶的 长短 直径无关 因此 只要测出热电 势的大小 就能确定被测温度的高低 这就是热电偶的测温原理 A A为正电极 为正电极 B B为负电极为负电极 几点说明 若A B材料相同 则 EAB t t0 0 若 t t0 则 EAB t t0 0 EAB t t0 ECD t t0 由 n 种金属所组成的具有 n 个接点的闭合回路 若各接点温度相同 则该闭合回路内的总热电势等于零
5、热电偶产生热电势的条件 两热电极材料不同且两接点温度不同 A B C D E F t1t2 t3 t4 t5 t6 中间导体定律和热电势的测量中间导体定律和热电势的测量 t t0 AB C C毫伏计 A 毫伏计 B B C C t t0 为了测量热电偶的毫伏信号 必须引入第三种导体C 以便串接 毫伏 信号检测仪表 而接入第三种导体 必然出现新的接点 是否会产生额外的热电势 对原热电偶的热电势是否会产生影响 答 不会产生影响 t t0 A B t0 C A B B C t t0 t1 t1 中间导体定律 在热电偶回路中 接入第三种 第四种 导体以 后 只要接入导体的两端温度相同 则回路中的热电势
6、均不受影响 根据这一性质 可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线 只要保证 两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出 解二 利用中间导体定律 E eAB 240 eBA 50 eAC 50 eCA 10 10 181 mV 例 求热电热电 偶回路的热电势热电势 已知 eAB 240 9 747mV eAB 50 2 023mV eAC 50 3 048mV eAC l0 0 591mV 解一 E eAB 240 eBC 50 eCA 10 而 eAB 50 eBC 50 eCA 50 0 E eAB 240 eCA 10 eAB 50 eCA 50 10 181 mV 工
7、业常用 标准化 热电偶及其分度号 分度表工业常用 标准化 热电偶及其分度号 分度表 理论上 任何两种不同的导体都可以组成热电偶 用来测量温度 但实际情况并非如此 为了保证在工业现场应用可靠 并具有足够的精度 热电偶的热电极材料应满足 热电性质稳定 物理化学性能稳定 热电势随温度的变化率要大 热电势与温度尽 可能成线性关系 具有足够的机械强度 复制性和互换性好等 目前在国际上被公认的热电极材料只有几种 分度号 国际电工委员会 IEC 对标准热电偶制定的统一标准符号 分度表 热电势与温度之间的关系列成表格 即EAB t t0 t 分度表是以t0 0 为基准进行分度的 同温度下 B型热电偶产生的热电
8、势最小 E型最大 各型号热电偶的热电势与温度之间呈现非线性关系非线性关系 热电偶分度号热电极材料测温范围 oC 正热电极负热电极长期使用短期使用 铂铑30 铂铑6B铂铑30合金铂铑6合金300 16001800 铂铑10 铂S铂铑10合金纯铂 20 13001600 镍铬 镍硅K镍铬合金镍硅合金 50 10001200 镍铬 铜镍E镍铬合金铜镍合金 40 800900 铁 铜镍J铁铜镍合金 40 700750 铜 铜镍T铜铜镍合金 400 300350 等值替代定律和补偿导线等值替代定律和补偿导线 如果热电偶 AB 在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶 CD 在同 一温度范围内所产生的热电势
9、相等 即 EAB t t0 ECD t t0 则这两 支热电偶在该温度范围内具有相同的热电特性 可以相互替换 t0 t AB DC t1 AB t t0 C D t t0 注意 正接正 负接负 某热电偶 热端温度为t 冷端温度为t1 显然冷端温度难以实现恒定 怎么办 D C 补偿导线 t t1 AB 被测设备 冷端的延伸 控制室 t0 毫伏计 恒温环境 A B 可以把热电偶做得很长 一直到控制室 把冷端温度延伸到控制室 变为t0 恒定t0比较容易 此时 测得的热电势为 但热电偶一般为 较 贵重的金属 采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料 不妥 如果选用一组较廉价的金属 C D 且CD在
10、一定温度范围内所产生的热电势与热电偶AB在 同一温度范围内所产生的热电势相等 这样就可以用CD来替代AB的延伸段 CD即为热电偶AB的补偿导线 通常采用较廉价的两种金属材料做成 一般要求 0 100 范围内 补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电特性 在使用补偿导线时 要注意 型号相配 极性不能接错 热电偶与补偿导线连接处的温度一般不能高于100 生产现场 热电偶补偿导线 正极负极 材料颜色材料颜色 铂铑10 铂铜红铜镍绿 镍铬 镍硅铜红铜镍蓝 镍铬 铜镍镍铬红铜镍棕 铜 铜镍铜红铜镍白 冷端温度的补偿冷端温度的补偿 中间导体定律 拆开冷端 串入 毫伏计 可以测量热电势 而 不影响总
11、的热电势 等值替代定律 利用补偿导线来延伸冷端 把热电偶的冷端从温度 较高和不稳定的现场 延伸到温度较低和比较稳定 的操作室内 冰浴法 把热电偶的冷端放入冰水混 合物中 使其保持0 多用于实验室 t t1 热 电 偶 补 偿 导 线 毫 伏 计 0 恒温 装置 由于操作室的温度往往高于0 而且是不恒定的 这时 热电偶产生的热电 势必然偏小 且测量值会随冷端温度的变化而变化 因此 在应用热电偶测 温时 需将冷端温度保持为0 或者进行一定的修正或处理才能得到准确的 测量结果 冷端温度补偿 热电偶的分度表是以t0 0 为基准进行分度的 与热电偶配套的显示仪表是根据分度表进行刻度的 计算修正法 将测得
12、的热电势EAB t t0 加上热端为t0 冷端为0 时 的热电势 EAB t0 0 得到热端温度相对于冷端温度为 0 时的热电势EAB t 0 再查分度表得到热端温度 适用于实验室或临时测温 不能用于连续测温 例 用K型热电偶来测量温度 在冷端温度为t0 25 时 测得热电势为 22 9mV 求被测介质的实际温度 解 根据题意有 由K型热电偶的分度表查出 因此有 反查分度表有 t 576 4 机械调零法 预先将测量仪表的零点调到冷端温度t0处 这样实测温度 就可在刻度盘上直接显示 不适用于冷端温度 室温 变化频繁的场合 中间温度定律 补偿电桥法 利用不平衡电桥产生的电势 来补偿热电偶因冷端温度
13、变化 而引起的热电势变化值 仪表中最常用的冷端温度补偿方法 t Rcu E R1 R2 R3 ab R R1 1 R R 2 2 R R 3 3 均为锰铜电阻均为锰铜电阻 R R CuCu为铜电阻 为铜电阻 与热电偶冷端放在一起 与热电偶冷端放在一起 在冷端温度在冷端温度 t t 0 0 如 如 0 0 时 时 R R 1 1 R R 2 2 R R 3 3 R RCu Cu 电 电 桥平衡 无电压输出 即桥平衡 无电压输出 即U Uab ab 0 0 回路中的输出电势 回路中的输出电势 就是热电偶产生的热电势就是热电偶产生的热电势 E E t t t t 0 0 经过适当设计 使电桥的不平衡
14、电压经过适当设计 使电桥的不平衡电压正好正好等于因冷端温度变化引起的热电势变化 等于因冷端温度变化引起的热电势变化 此时回路中输出的热电势为此时回路中输出的热电势为 于是实现了冷端温度的自动补偿 于是实现了冷端温度的自动补偿 实际的补偿电桥一般是按实际的补偿电桥一般是按 t t 0 0 2020 设计的 即设计的 即 t t 0 0 2020 时 补偿电桥平衡无电压输出 时 补偿电桥平衡无电压输出 因此 显示仪表的机械零点应预先调整到因此 显示仪表的机械零点应预先调整到2020 即 当冷端温度由当冷端温度由 t t 0 0 变化到变化到 时 不妨设时 不妨设 t t 0 0 热电偶输 热电偶输
15、 出的热电势减小 但电桥中出的热电势减小 但电桥中R RCu Cu随温度的上升而增大 随温度的上升而增大 于是电桥两端会产生一个不平衡电压于是电桥两端会产生一个不平衡电压 补偿热电偶法 将测温热电偶 补偿热电偶 显示仪表三者串联在一起 测温热电偶 补偿热电偶的冷端接在同一个接线盒中 补偿热电偶CD的热电极材料可与测温热电偶相同 也可是 测温热电偶的补偿导线 实际生产中常用 节省补偿导线 将多支测温热电偶配用 一台显示仪表 实现多点间歇测量 显示仪表输入 EAB t t0 与 t1 无关 C D 热电偶的结构热电偶的结构 热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量 尤其适用于500 以上较高温 度的测
16、量 普通型热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构 普通型热电偶普通型热电偶 主要由热电极 绝缘管 子 保护套管 和接线盒等部分组成 贵金属热电极的直径一般为0 3 0 65mm 普通金属热电极的直径一般为0 5 3 2mm 热电极的长度由安装条件和插入深度而 定 一般为350 2000mm 绝缘管用于防止两根热电极短路 保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤 材料的选择因工作条件而定材料的选择因工作条件而定 普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式 铠装型热电偶铠装型热电偶 热电极 绝缘材料 金属套管 热电极 绝缘材料 断面结构 由热电极 绝缘材料和金属套管三者经过 复合拉伸成型 然后将端部偶丝焊接成光 滑球状结构 金属套管一般为铜 不锈钢 镍基高温合 金等 金属套管和热电极之间填充绝缘材料粉末 常用的绝缘材料有氧化镁 氧化铝等 可以做得很细 一般为1 8mm 在使用中可以随测量需要任意弯曲 具有动态响应快 机械强度高 抗震性好 可弯曲等优点 可安装在结构较 复杂的装置上 应用十分广泛 三 热电阻温度计 工业应用中 热电偶一般适用于测量500 以上的较高温度 对于50
