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1、1化工仪表及自动化教案课 题第五章温度检测（1）授课教师授课日期授课班级课时2 学时课程类型新课教学方法教学设备仪表实训室知识与技能1了解温度概念和测温仪表的分类2掌握热电偶测温原理、常用热电偶、补偿导线作用、冷端温度补偿方法3掌握热电偶基本计算过程与方法实训讲解多媒体展示教学目标情感与态度创设问题情境，激发学生探索，求知欲望，使学生积极观察、分析，主动参与，强化学生主体地位。教学重点电偶测温原理、常用热电偶、补偿导线作用、冷端温度补偿方法、热电偶基本计算教学难点补偿导线作用、冷端温度补偿方法、热电偶基本计算重、难点解决措施2教 学 过 程教学内容教学步骤教师活动学生活动时间分配温度测量教学活
2、动一 观摩设备一、热电偶温度测量1熟悉热电偶测温系统组成2进行热电偶温度测量二、热电阻的温度测量1熟悉热电阻测温系统组成2进行热电阻温度测量观摩操作20分种3理论教学（讲解）教学活动二 理论教学第一节 概述一、温度的基本概念1温度：表征物体冷热程度的物理量。是物体内部分子热运动平均动能的标志。 温度的测量方法：只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。 2温标温标：为了保证温度量值的统一和准确而建立起来的温度标尺。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。 （1）华氏温标标准大气压下，氯化氨和冰的混合物为 0 华氏度，水的冰点为 32 华氏度，水的沸点为 212 华氏度，在沸点和冰
3、点两固定点中间等分 180 份，每份为 1 华氏度，单位符号记为F。 （2）摄氏温标标准大气压下，水的冰点为 0 摄氏度，水的沸点为 100 摄氏度，中间划分 100 等份，每份为 1 摄氏度，用符号 t 表示，单位符号记为。 （3）热力学温标（绝对温标）以水的三相点(固、液、气三相并存)作为 273.16，将1/273.16 定义为 1K。热力学温度的起点为绝对零度，所以它不可能为负值，且冰点为 273.15K，沸点为 373.15K。注意水的冰点和听课听课55分钟)()(),(00TeTeTTEABABAB4三相点是不一样的，两者相差 0.01K。 （4）国际实用温标国际温标规定以开尔文表
4、示热力学温度，以 K 为单位，1K 等于水三相点热力学温度的 1/273.16。 二、测温仪表的分类温度不能直接测量，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。 分类：按测量方式、接触式与非接触式 二、温度检测的基本原理1应用热膨胀原理测温利用液体或固体受热时产生热膨胀的原理,可以制成膨胀式温度计。（1）玻璃管液体温度计组成：玻璃温包、毛细管和刻度标尺。（2）双金属温度计用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起制成的，将其一端5重点：热电偶的原理固定，另一端（称为自由端）通过传动机构与指针相连。 图 5-1 双金属片 图 5-2 双金属温
5、度信号器（3）应用压力随温度变化的原理测温基于物质受热膨胀的原理测量温度。它不是靠物质受热膨胀后体积变化来指示温度，而是靠在密闭容器中液体、气体或蒸气受热后压力的变化来测温的。 6重点：热电势的计算3应用热阻效应测温 4应用热电效应测温 5应用热辐射原理测温 第二节 热电偶温度计一、热电偶热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。1热电偶；2导线；3测量仪表图 5-3 热电偶温度计测温系统示意图 图 5-4 热电偶示意图1热电现象及测温原理（1）实验热电偶工作原理演示 取两根不同材料的金属导线 A 和 B，将其焊接而成，焊
6、接的一7重点：第三种导体使用条件端插入被测介质中，感受被温度，称为工作端（热端） ，另一端与导线相连，称为自由端（冷端）图 5-5 热电现象结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 左图闭合回路中总的热电势（2）热电势产生原因接触电势8图 5-7 热电偶原理温差电势热电偶回路的热电势在同一金属导体内，温差电势极小，可以忽略。因此 注意：由于热电极的材料不同,所产生的接触热电势亦不同,因此不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的。热电偶一般都是在自由端温度为 0时进行分度的,因此,若自由端温度不为 0而为 t0时,则热电势与温度之间的关系可用下式进行)()(),(00
7、TeTeTTEABABAB9重点：常用热电偶分度号及分度表的查法计算。EAB(t,t0) = EAB(t,0) -EAB(t0,0) 举例：例 5-1 今用一只镍铬-镍硅热电偶,测量小氮肥厂中转化炉的温度,已知热电偶工作端温度为 800,自由端(冷端)温度为 30,求热电偶产生的热电势 E(800,30)。 解：由附录三可以查得 E(800,0)=33.277(mV)E(30,0)=1.203(mV)将上述数据代入式(5-3),即得 E(800,30)=E(800,0) -E(30,0)=32.074 ( mV)例 5-2 某支铂铑 10-铂热电偶在工作时，自由端温度 t0= 30,测得热电势
8、 E(t,t0) =14.195mV，求被测介质的实际温度。解:由附录一可以查得 E(30,0)=0.173(mV)代入式(5-3)变换得E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=0.173+14.195=14.368(mV再由附录一可以查得 14.368mV 对应的温度t为 1400。注意：由于热电偶所产生的热电势与温度的关系都是非线性的 (当然各种热电偶的非线性程度不同),因此在自由端温度不为零时,将所测热电势对应的温度值加上自由端温度,并不等于实际的被测温度。102.插入第三种导线的问题利用热电偶测量温度时，必须要用某些仪表来测量热电势的数值，见下图。图 3-58 热电偶测温系统连接
9、图总的热电势（5-4） 00teteteECABCABt能量守恒原理（5-5） 0000000teteteteteteCABCABCABCAB 将式（5-5）5 代入式（5-4）（5-6） 0teteEABABt说明：在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。 图 5-9 开路热电偶的应用11重点：补 偿导线的使用3常用热电偶的种类（1）工业上对热电极材料的要求在测温范围内其热电性质要稳定,不随时间变化; 在测温范围内要有足够物理、化学稳定性,不易被氧化或腐蚀; 电阻温度系数要小,电导率要高,组成热电偶后产生的热电势要大,其值与温度
10、成线性关系或有简单的函数关系;复现性要好,这样便于成批生产,而且在应用上也可保证良好的互换性;材料组织均匀、要有韧性,便于加工成丝。（2）分度表各种热电偶热电热与温度的对应表可以从标准表中查到，该表称为热电偶分度表。与之相对应的热电偶用分度号来表示。注意：分度表中温度与热电势的对应关系是在冷端温度为 0下测得的。如冷端温度不为零，测量温度值在进行补偿。12重点：热电势的修正计算方法表 5-2 常用热电偶4热电偶的构造及结构形式 (1) 普通装配式热电偶热电极、绝缘、保护套管、接线盒13(2) 铠装型热电偶14重点：采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到 20处15图 5-10 热电偶的结
11、构二、补偿导线与冷端温度补偿在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。1补偿导线采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。（1） 补偿导线它也是由两种不同性质的金属材料制成，在一定温度范围内（0100）与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金属。见图。图 5-11 补偿导线接线图（假设将镍铬记为 A、镍硅记为 B、铜记为 C、铜镍记为 D,并考虑到引入铜导线对回路的总热电势没有影响 (因其两端温度均为t0)，则图 5-11 所示回路的总热电势为 (5-7) 10
12、1teteteteECADCBDAB如果假定各接点温度全为t1，代入式(5-7)，则有 (5-8) 01111teteteteECADCBDAB16或 (5-9) 1111teteteteCABDDCAB由于t1 一般是在 100以下,在此温度范围内,根据补偿导线的性质,有 (5-10) 111teteteDCCDAB将此式代入式(5-9) (5-11) 011teteCABD将式(5-11)代入式(5-7),便有 (5-12) 00teteteteECDABDCAB因为 00teteCDAB故 (5-13)） 0teteEABAB（2）补偿导线外型（3）常用的补偿导线在使用热电偶补偿导线时，
13、要注意型号相配。表 5-3 常用热电偶的补偿导线17注意使用补偿导线时,应当注意补偿导线的正、负极必须与热电偶的正、负极各端对应相接。此外,正、负两极的接点温度t1 应保持相同,延伸后的冷端温度 t0 应比较恒定且比较低。对于镍铬-铜镍等一类用廉价金属制成的热电偶,则可用其本身材料作补偿导线,将冷端延伸到环境温度较恒定的地方。 2冷端温度的变化对测量的影响及消除方法在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。一般采用下述几种方法。（1）冰沐法图 5-12 热电偶冷端温度保持的方法（2）热电势的修正方法在实际生产中，冷
14、端温度往往不是 0，而是某一温度 t0，这18就引起测量误差。因此，必须对冷端温度进行修正。 实际生产中，其冷端温度为t0，即有 0 ,0 ,00tEtEttEABABAB或 0 ,0 ,00tEttEtEABABAB由此可知，热电势的修正方法是把测得的热电势 EAB（t，t0） ，加上热端为室温 t0，冷端为 0时的热电偶的热电势 EAB（t0，0） ，才能得到实际温度下的热电势 EAB（t，0） 。 举例例 5-3 用铂铑 10-铂热电偶进行温度检测,热电偶的冷端温度t0=30，显示仪表的温度读数 (假定此仪表是不带冷端温度自动补偿且是以温度刻度的)为 985，试求被测温度的实际值。 解：
15、由分度号为 S 的铂铑 10-铂热电偶分度表 (附录一)查出985时的热电势值为 9.412mV。也就是 E(t,t0)=9.412mV,又从分度表中查得 E(t0 ,0) = E(30 ,0) = 0.173mV。将此两个数值代入式 (5-14),得E(t,0)=9.412mV+0.173mV=9.585(mV)再查分度表可知,对应于 9.585mV 的温度 t=1000,这就是该支铂铑 10-铂热电偶所测得的温度实际值。（2）校正仪表零点法 若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不偏低，可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上。 注意：只能在测温要求不太高的场合下应用。19（3）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变化而引起的热电势变化值。 注意！由于电桥是在 20时平衡的，所以采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到 20处。如果补偿电桥是在 0时平衡设计的（DDZ-型温度变送器中的补偿电桥） ，则仪表零位应调在 0处。图 5-13 具有补偿电桥的热电偶测温线路（4）补偿热电偶法 在实际生产中，为了节省补偿导线和投资费用，常用多支热电偶而配用一台测温仪表。 20图 5-14 补偿热电偶连接线路在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温度
