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1、1,第五节 温度测量及变送,一、膨胀式温度计 二、热电偶温度计 三、热电阻温度计,2,第一节 概述,温度测量仪表的分类：分为两大类。,接触式测温仪表,非接触式测温仪表,3,一、膨胀式温度计,1、压力式温度计,由温包、毛细管和弹簧管构成封闭系统。,利用液体的蒸发 或气体的膨胀而 引起的压力变化 进行测量。,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）。,4,对于一定质量的液体或气体，如果V一定，则,气、液体的体积膨胀系数； 气体的压缩系数。,蒸汽（低沸点丙酮、乙醚）,气体（氮气、氢气）,感温介质： 液体（水银或有机液体）,5,6,2、双金属温度计,由两种膨胀系数不同
2、的金属薄片叠焊在一起制成。,一端固定，另一端自由。受热后由于两种金属片 的膨胀系数不同而产生弯曲变形。,弯曲程度与温度成比例。,7,膨胀式温度计,8,膨胀式温度计,9,二、热电偶温度计,热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。 由三部分组成：热电偶、连接导线、和显示仪表。,1）热电现象及测温原理,热电效应(热电现象）： 由两种不同成份的均质导体组成闭合回路,当两端存在温差时,回路中有电流通过,即两端存在热电势。,1、热电偶,t,10,热端,冷端,热电势包括温差电势和接触电势。,11,（1）温差电势,在同一导体材料的两端因其温度不同而产生的电势。,温差电势的大小eA(t,t0)与eB(t,t0
3、)只与导体的材料 和导体两端温度t、t0有关。与导体长度、截面大小及 沿长度上的温度分布情况无关。,eA(t,t0),eB(t,t0),12,（2）接触电势,由两种电子密度不同的导体相互接触所产生的电势。,eAB(t)、eAB(t)的大小取决于两导体材料及接触点 温度。当材料一定时，只与接触点温度有关。,13,则回路中总电势可表示为：,因温差电势接触电势，可略，则回路总电势可表示为：,由图表示,14,15,（3）第三导体定律,16,我们以图(b)为例分析加入第三导体是否对测量有影响：,在图中2.3接点的温度相同均为t0 ,故总电势为：,EABC（t，t0）=eAB（t）+eBC（t0）+eCA
4、（t0）,在回路中如果各接点的温度相同，则回路总电势为零。,EABC（t，t0）=eAB（t0）+eBC（t0）+eCA（t0）=0,则：- eAB（t0）= eBC（t0）+eCA（t0）,代入上式得,EABC（t，t0）=eAB（t）- eAB（t0）,17,热电偶回路接入第三种导体,只要与第三种导体 相接的两接点温度相同,则对热电偶回路中电势 无影响。,EABC（t，t0）=eAB（t）- C,18,结论：,1.热电偶必须采用两种不同的导体组成；,2.必须有温差；,3.热电偶产生的热电势只与不同的导体有关， 与两端温差有关。与导体的长度、粗细无关。,4.加入第三导体，对测量无影响。,19
5、,（3）常用热电偶,对材料的要求：,a.物理稳定性要高,即热电性能稳定,不随时间变化。,b.化学稳定性要高,即在高温下不被氧化和腐蚀。,c.电阻温度系数小,导电率要高,即温度升高,导体 的阻值不要变化太大。,d.热电势与温度成线性关系,产生热电势要大。,e.复制性要好。,20,常用热电偶,铂铑30 铂铑6 分度号: B,测温范围3001600，短期可达1800；精度高； 热电势小。 测量100时，产生热电势E（100，0)= 0.034mV,铂铑10 铂,分度号: S,测温范围-501300，短期1600；精度高，可用于精密测量，价格高；热电势较小，测量100时，产生热电势，E（100，0）=
6、 0.6434mV。,21,镍铬镍硅,分度号: K,测温范围-501000，短期1200；价格便宜； 热电势较大，近似为线性。 测量100时，产生热电势E（100，0）= 4.1 mV。,镍铬考铜,分度号: XK,测温范围-50600，短期800；价格便宜； 热电势大。 测量100 时，产生热电势 E（100，0）=6.95mV；,22,23,长度由插入深度决定。,（4）热电偶的结构,普通型热电偶,24,59,25,26,铠装热电偶,经特殊整体拉伸工艺做成坚实的组合体。,27,铠 装 热 电 偶 结 构 示 意 图,28,2、补偿导线的选用,在生产现场要维持冷端温度t0不变是不可能的，采用补偿
7、导线解决。,回路中电动势的大小为,若将接触点t0作为冷端,并维持温度不变，则热电势的大小只与热端t的温度有关。即: E = f（t）,29,如图A，B为普通导线C，则仪表指示的电动势为 E = EAB(t, t0)。,t0为现场环境温度，不稳定。,补偿导线： 两种不同廉价导体材料制成的导线。在一定温度范围 内（100以下）与热电偶热电特性相同或十分相近。 将热电偶的冷端延伸出来一种专用导线。,30,EAB(t,t0),补偿型(C)：补偿导线与热电偶材料完全不同,常用 于贵金属，如B、S等。,延伸型(X): 补偿导线基本采用与热电偶相同的材料, 常用于廉价金属,如K、E、J、T等。,31,1.不
8、同热电偶的补偿导线不同，使用时要注意型 号匹配、正负极对应。严格配套，绝不能错用。,2.仅起到冷端延伸作用，并未对冷端进行补偿。 起到稳定冷端的作用。,3.一般补偿导线与热电偶的连接处的温度不应超过 100。更不能代替热电偶。,注意：,EAB（t，t0）=eAB（t）- C,32,3、冷端温度的补偿,热电偶分度表是在t00情况下得到的，只有得到E(t, 0)才能通过查分度表得到实测温度t,但一般热电偶测得的是E(t,t0)，则需要将将 称为冷端温度补偿。,常用分度表见本章附录二,33,1）冷端温度保持为0的方法,将冷端延伸到冰水混合物0中,则得到EAB(t, 0)，直接查表求得t。,补偿精度高
9、；使用比较麻烦，一般用于实验室的温度精密 测量，在工业测量中不采用。,34,2）冷端温度修正法,当热电偶冷端温度t00时，测得的热电偶回路 中的热电势为E(t, t0 ),E(t, 0) 冷端为O，热端为t时的热电势; E(t, t0 ) 冷端为t0，热端为t时的热电势; E(t0, 0) 冷端为0，热端为t0时的热电。,E(t,0)E(t,t0)E(t0,0),这时可采用下式进行修正，即,35,例：用镍铬镍硅热电偶测量温度，测量时冷端温度 t0=30，测得的热电势 =39.17mV，求实 际温度？,解,36,3）校正仪表零点法,仪表未工作前，将仪表的零点调在室温数值上。,4）补偿电桥法,用不
10、平衡电桥随温度变化产生的电压，补偿热偶冷端温度变化所导致的热电势变化。,37,当电桥取在0平衡时：R1R2R3Rcu 桥路无输出。 Uab0,38,当冷端温度t0 0时： t0 RcuUab 热电偶回路中热电势： t0 E (t, t0) 适当选择桥路电流可使Uab = E(t0 ,0)相等，起到 自动补偿作用。,39,注意：,1.桥路如果是在零度时设计平衡的，仪表的零点也 应调在零点。,2.桥路如果是在20时设计平衡的，仪表的零点 应调在20 。,3.显示仪表应与热电偶的分度号匹配。,40,5、热电偶测温系统组成,热电偶:测温元件,导线:补偿导线,显示仪表（冷端补偿）:电位差计、数字式显示
11、仪表、计算机 。,1）温度显示型,41,2）热电偶变送器-显示或控制仪表,热电偶:测温元件,导线:补偿导线,温度变送器（输入mV信号，冷端补偿）,显示仪表（输入4-20mA信号）:数字式显示仪表、 计算机,42,显示仪表（输入4-20mA信号）:数字式显示仪表、 计算机。,3）一体化热电偶温度变送器-显示或控制仪表,一体化温度变送器（热电偶与变送器一体化）,43,三、热电阻温度计,1、测温原理,热电阻是利用物质自身电阻随温度发生变化的特性来测量温度的。,连接导线采用的是三线制连接。,44,半导体电阻,RT 温度为T 的电阻值; T 绝对温度，； E 自然对数的底，2.71828; A、B 常数
12、，与材料有关。,温度每上升1,半导体电阻下降36%。,温度每上升1,导体电阻增大0.360.68%；,金属导体电阻,Rt 温度为t的电阻值; Rt0 温度为t0的电阻值; 电阻温度系数。,45,2、工业常用热电阻,对金属材料的要求：,1）物理稳定性要高,即热电性能稳定,不随时间变化。,2）化学稳定性要高,即在高温下不被氧化和腐蚀。,3）电阻温度系数大。（灵敏度高）,4）电阻率要大。（电阻值大，而体积小）,5）电阻值随温度变化成线性,复制性好。,46,（1）铂热电阻,测温范围：-200650,-2000范围：,0650范围：,特点：精度高、性能稳定可靠、抗氧化性好。,常用热电阻,分度号:,47,
13、R0 0时的阻值; A3.9080210-3 1/; B-5.8019510-7 1/2 ; C-4.2735010-12 1/4 。,由于B、C 很小所以：,平均电阻温度系数为3.8510-3 1/。,Pt10电阻丝较粗，主要用于高一点温度的测量。,0650范围：,48,（2）铜热电阻,测温范围：-50150。分度号：Cu50、Cu100。,特点：电阻温度系数大，且材料易提纯，价格便 宜，电阻率低。,A4.2889910-3 1/； B-2.13310-7 1/2 ； C1.23310-9 1/3 。,平均电阻温度系数4.2810-3 1/。,由于B、C 很小所以：,49,3、热电阻结构,热
14、电阻元件一般是用细金属丝均匀地双线绕制在绝缘材料制成的骨架上。当被测介质中有温度梯度存在时，则测量的温度是感温元件所在范围内介质的平均温度。,50,（1）普通型热电阻,51,（2）铠装热电阻,（3）薄膜热电阻,52,5、热电阻测温系统组成,（1）热电阻：测温元件,（2）导线：3根普通导线(三线制),（3）显示仪表：电桥、数字显仪表、计算机。,1）热电阻显示仪表型,53,R0 固定电阻， I 恒流源。,改进前，采用二线制有导线电阻影响。,54,Uab不仅与被测温度有关，而且与导线电阻有关，即与导线长度、环境温度等因素有关，会产生测量误差。,55,改进后，采用三线制克服导线电阻影响：,56,2）热
15、电阻变送器-显示仪表,（1）热电阻：测温元件,（2）导线：3根普通导线(三线制),（3）温度变送器（输入电阻信号）,（4）显示仪表（输入420mA）,57,（2）显示仪表:数字式显示仪表、计算机。,3）一体化热电阻温度变送器-显示仪表,（1）一体化温度变送器（热电阻与变送器一体化）,58,59,四、电动温度变送器,作用：将被测温度转换成统一信号并远传的仪表。,分类：热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。,安装位置：分为现场安装和室内按装。,60,61,66,输入电路、放大电路、反馈电路,1、热电偶温度变送器,DDZ型电动温度变送器,62,输入电路, 冷端温度补偿 调零及调量程,63, 线性化原理
16、,64,输出信号与温度的函数关系：,分为有线性化功能和无线性化功能。,有线性化功能：输出的4-20mA电流与温度成线性关系。 无线性化功能：输出的4-20mA电流与热电偶或热电阻 桥路的电压成线性关系。,65,四、测温元件的安装,1、测量元件的安装要求,1）选择测温点正确,测量管道温度时，保证测温元件与流体充分接触。 因此，安装时测温元件应迎着被测介质流向插入。 或成90插入。切勿与介质形成顺流。如图：,测温点不应在死角区域，尽量避开电磁干扰源的 场合。,66, 测量元件应处管道中心流速最大处。保护管的 末端分别越过管中心线：,热电偶越过管中心线 510mm； 铜电阻越过管中心线 2530mm； 铂电阻越过管中心线 5070mm；,工艺管道过细（小于80mm）可插入弯头处或加装扩大管。, 在设备上按装时插入深度应使感温部分处于具有 代表性区域。,2）合理确定测温元件的插入深度,67,3）测温元件的安装应确保安全可靠, 应承受
