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1、第二章 温度测量,温度检测的主要方法和分类 热电偶及其测温原理 热电阻及其测温原理 温度变送器简介 其它温度检测仪表简介 温度检测仪表的选用和安装, ,1 温度检测方法和分类,2 热电偶及其测温原理,热电效应和热电偶 热电偶中间导体定律 与 热电势的检测 热电偶的等值替代定律 和 补偿导线 标准化热电偶和分度表 热电偶冷端温度的处理 热电偶的结构型式,闭合回路中所产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成：,下标A表示正电极，B表示负电极，由于温差电势比接触电势小很多，常常把它忽略不计，这样热电偶的电势可表示为：,注意：如果下标次序改为eBA，则热电势e前面的符号也应相应改变，即,式(i)就是
2、热电偶测温的基本公式。当冷端温度t0一定时，对于确定的热电偶来说，eAB(t0)为常数，因此，其总热电势EAB(t,t0)就与温度t成单值函数对应关系，和热电偶的长短、直径无关。只要测量出热电势大小，就能判断被测温度的高低，这就是热电偶的温度测量原理。,重要结论： 1.如果组成热电偶的两种电极材料相同，则无论热电偶冷、热两端的温度如何，闭合回路中的总热电势为零； 2.如果热电偶冷、热两端的温度相同，则无论两电极材料如何，闭合回路中的总热电势也为零 3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有关之外，还与电极材料有关，也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的。,中间导
3、体定律和热电势的测量,热电偶的输出信号是毫伏信号，毫伏信号的大小不仅与冷、热两端的温度有关，还和热电偶的电极材料有关，理论上任何两种不同导体都可以组成热电偶，都会产生热电势。 但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢？ 因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表，那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势，对热电偶回路产生影响呢？ 答：不会产生影响的。,如果断开冷端，接入第三种导体C，并保持A和C、B和C接触处的温度均为t0，则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和:,中间导体定律,当tt0时，有,于是可得,同理还可以证明，在热电偶中接入第四种、第五种导体以后，只要接入导体的两端温
4、度相同，接入的导体对原热电偶回路中的热电势均没有影响。 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。,中间导体定律,例：求热电偶回路的电势。 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,解二：利用中间导体定律
5、E=eAB(240)+eBA(50)+eAC(50)+eCA(10) = eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV 。,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相等，即 ，则这两支热电偶在该温度范围内是可以相互替换的，这就是所谓的热电偶等值替代定律。,例 如左图，设 ， 证明该回路的总热电势为,某热电偶，热端温度为t，冷端温度为tc，显然冷端温度难以实现恒定，怎么办？,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
6、,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材料（C、D），且CD在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，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CD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成，一般在0100范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质。 在选择和使用补偿导线时，要和热电偶的型号相匹配，注意极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度一般不能高于100。,标准化热电偶和分度号,从理论上分析，似乎任何两种不同的导体都可以组成热电偶，用
7、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，热电偶的电极材料在被测温度范围内应满足： 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对应关系、具有足够的机械强度、复制性和互换性好等要求，目前在国际上被公认的热电偶材料只有几种。 ,附录中列出了几种常用的标准热电偶分度表。根据标准规定，热电偶的分度表是以t00为基准进行分度的。 当t0时，所有型号热电偶产生的热电势为0mV； 当t0时，热电势为负值。 在所有标准化热电偶中，相同温度条件下B型热电偶产生的热电势最小，E型最大。如果把各型号热电偶的热电势和温度制成曲线，可以看出二
8、者呈一定的非线性关系。即：,例 用K型热电偶来测量温度，在冷端温度为t025时，测得热电势为22.9mV，求被测介质的实际温度。,解1： 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,热电偶冷端温度的处理,中间导体定律,拆开冷端，串入“毫伏计”，可以测量热电势，而不影响总的热电势,等值替代定律,利用补偿导线来延伸冷端，是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,由于操作室内的温度往往高于0，而且也是不恒定的（即使有空调也是不恒定的），这时，热电偶产生的热电势必然会随冷端温度的变化而变。 因此，在应用热电偶时，只有把冷端温度保持为0，或者进行必要的修
9、正和处理才能得出准确的测量结果，对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿。 目前，热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法：,冰浴法 计算修正法 电桥补偿法,冰浴法把热电偶的冷端放入恒温装置中，保持冷端温度为0，多用于实验室,计算修正法如例3.7。这种方法适用于实验室或者临时测温。,电桥补偿法仪表中常用,电桥补偿法,是仪表中最常用的一种处理方法，它利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶因冷端温度的变化而引起热电势的变化,如图，电桥由R1、R2、R3（均为锰铜电阻）和RCu（热敏铜电阻）组成。,在设计的冷端温度（例如t00）时，满足R1R2，R3RCu，这时电桥平衡，无电压输出，即Uab=0，回路中的输
10、出电势就是热电偶产生的热电势,当冷端温度由t0变化到t0时，不妨设t0 t0，热电偶输出的热电势减小，但电桥中RCu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Uab(t0 ),此时回路中输出的热电势为:,经过设计，可使电桥的不平衡电压等于因冷端温度变化引起的热电势变化，即,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t020设计的，即t020时，补偿电桥平衡无电压输出。,热电偶的结构形式,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、保护套管和
11、接线盒等主要部分组成。,贵重金属热电极的直径一般为0.30.65mm，普通金属热电极的直径一般为0.53.2mm；热电极的长度由安装条件和插入深入而定，一般为3502000mm。,绝缘管用于防止两根电极短路,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,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,铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的,金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等,保护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。,铠装型热电偶可以做得很细，一般为28mm，在使用中可以随测量需要任意弯曲。,铠
12、装热电偶具有动态响应快、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。,3 热电阻及其测温原理,热电阻的测温原理 工业上常用的金属热电阻 热电阻的信号连接方式 热电阻的结构型式,热电阻的测温原理,在工业应用中，热电偶一般适用于测量500以上的较高温度。对于500以下的中、低温度，热电偶输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低的温度区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中、低温度，一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。,热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变
13、化的特性。因此，只要测出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出被测温度。 目前，主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。,金属热电阻：金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：,式中， 为温度t时对应的电阻值 为温度t0(通常t00)时对应的电阻值 为温度系数。,半导体热敏电阻：半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为：,式中， 为温度t时对应的电阻值 A、B是取决于半导体材料和结构的常数,金属热电阻和半导体热敏电阻的比较：,热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有50300左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。 金属热电阻一
14、般适用于测量200500范围内的温度测量，其特点测量准确、稳定性好、性能可靠，在过程控制领域中的应用极其广泛。,工业上常用的金属热电阻,从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这种性质，但并不是都能用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求： 尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大、在使用的温度范围内具有稳定的化学和物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有单值函数关系（最好呈线性关系）。,我国最常用的铂热电阻有R010、R0100和R01000等几种， 它们的分度号分别为Pt10、 Pt100 和 Pt1000； 铜热电阻有R050和R0100两种， 分度号分别为Cu50和 Cu10
15、0 其中 Pt100 和 Cu50 的应用更为广泛,热电阻的信号连接方式,热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上。常用的引线方式有三种：,二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号。这种引线方式最简单,但由于连接导线必然存在引线电阻r，r的大小与导线的材质和长度等因素有关,很明显，图中的,因此，这种引线方式只适用于测量精度要求较低的场合。,三线制：在热电阻根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制 这种方式通常与电桥配套使用，可以较好地消除引线电阻的影响，是工业过程中最常用的引线方式。,事实上电桥上
16、R1R2Rt、R3，经过设计可以使两个桥臂上的电流相等，均为I，且I几乎不受Rt的影响,三线制的连接，每根线上同样也存在导线电阻r,此时，UiUAC？,可以起到调零的作用,四线制：在热电阻根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流Is，把Rt转换为电压信号Ui，再通过另两根引线把Ui引至二次仪表。可见这种引线方式可以完全消除引线电阻的影响，主要用于高精度的温度检测。,4 温度变送器简介,DDZ-III型温度变送器 一体化温度变送器 智能式温度变送器,DDZIII型温度变送器,分为热电偶温度变送器和热电阻温度变送器两种,热电偶温度变送器：把mV信号转换为标准电流输出,热电阻温度变送器：把信号转换为标准电流输出,最终要求：变送器输出电流Io应与被测温度t成线性对应关系,热电偶温度变送器应主要要解决：冷端温度补偿和线性化处理两个内容,热电偶温度变送器输入热电势毫伏信号，输入回路即是冷端温度自动补偿桥路，其产生的补偿电势与热电势相加后作为测量电势，因此补偿电桥上的参数与热电偶
