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1、热工温度仪器仪表,原理结构简介及应用,温度概述 温度是衡量物体冷热程度的物理量。测量温度不能用简单直观方法，只能借助于某种物质随温度变化的特性。例如：用体积受热膨胀，用金属受热延长，或是用导体、半导体受热电阻变化等来测量温度。因而就有了各种各样的温度计。但这些温度计只能在某一温区范围内测量温度。如工业用水银温度计的量限为(-50600)，工业热电阻温度计由(-200850)。 热力学温度按热力学原理所确定的温度由热力学第二定律和卡诺定理推论，可以定义一个与测温物质性质无关的温度标尺。,开尔文开尔文是热力学温度单位，定义为水三相点热力学温度的 1/273.16。符号为K 摄氏温度 摄氏温度t与热
2、力学温度T之间的数值关系为：摄氏度摄氏度是摄氏温度的单位，符号为。它的大小等于开尔文。,热力学温度、摄氏温度及华氏温度的关系式 摄氏温度与热力学温度的关系式为：在一个标准大气压，冰的融点与水沸点是两个点，摄氏温度在冰的融点为0，华氏温度为32。在水沸点摄氏温度为100，华氏温度为212。所以华氏温度与摄氏温度的关系式为：,温度的概念及单位温度是表示物体冷热程度的一个物理量。为了表示温度的数值，需要建立温标，也就是衡量温度的标尺。早年出现的经验温标，如：华氏温标、摄氏温标、列氏温标等，因不符合统一温度标准，已陆续不被人们所采用。 当前，采用的1990国际温标（ITS-90）。该温标中规定了热力学
3、温度是基本温度，符号是T；其单位是开尔文，符号为K。开尔文等于水三相点热力学温度的1/273.16。同时还可以使用摄氏温度，以符号t表示（t90）。,摄氏温度的单位为摄氏度，用表示。摄氏温度的分度值与开氏温度的分度值相同，即1=1K（与原始摄氏温标定义下的摄氏度不同）。 国际实用温标刻度的划分以水三相点的热力学温度（T=273.16K=0.01）为定义固定点（起始点），也就是把从绝对零度到水三相点之间的温度等分为273.16份，每一份叫做1K（以绝对零度为起点）。,例：试计算50等于多少开尔文？ 所以T=323.15K 例：试计算983.15K等于多少摄氏度？,温标 为了保证温度量值的统一和准
4、确而建立一个用来衡量温度的标准尺度，简称温标。而把温度计、固定点和内插方程叫做温度标的三要素。如图是表示固定点和内插方程之间的函数关系曲线。,现在我们使用的温标是1990年国际温标（ITS-90）。它是以定义固定点温度指定值以及在这些固定点上分度过的标准仪器来实现热力学温标的，各固定点间的温度是依据内插公式使标准仪器的示值与国际温标的温度值相联系。 注：固定点是物质不同相之间可复现的平衡温度；定义固定点是指国际实用温标中所规定的可复现的平衡温度。 下表为ITS-90定义固定点,热电偶 （一）原理和结构 热电偶结构如图所示，把两根不同材料的匀质金属丝（通常称为热电极）的一端接在一起，称为测量端，
5、在热电极上套以由氧化铝管制成的绝缘瓷管。热电极的另一端用接线柱固定在端子板上，称为参考端，如果使参考端保持恒定温度（例如0或40），并接入一个毫伏表，热电偶的外部套以金属或陶瓷制成的保护套管，安装到温度测点处（例如过热蒸汽管道或锅炉烟道中），即可测量出其中介质的温度。,对于两种金属导体A、B组成的热电偶回路（如图），当接点温度分别为t和t0时（tt0），其总热电动势的数学表达式如下：式中EAB(t,t0) 热电偶回路的总热电动势(mV) eAB(t) 热电偶测量端的电动势(mV) eAB(t0) 热电偶参考端的电动势(mV) t 热电偶测量端温度() t0 热电偶参考端温度(),为了准确测量温
6、度，还要掌握热电偶的测量规律。以下介绍热电偶在实际测温时应用的四个基本定律。 均质导体定律。由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体截面、长度以及各处温度分布如何，均不会产生热电动势。 中间导体定律。在热电偶回路中，串接入第三种导体，只要该导体两端温度相同，则热电偶回路的总热电动势与所串接的中间导体（即第三种导体）无关。,中间温度定律。热电偶在接点温度为t ，t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t，tn 和tn, t0时相应的热电动势的代数和（如图）。,根据中间温度定律，只要有了热电偶参考端为0时的热电势和温度的关系（即热电偶分度表），热电偶就可以在任意参考端温度下使用。 例：用K型（镍铬-
7、镍硅）热电偶测量某处温度时 (1) 已知参考端温度tn=30，测得热电偶的热电动势E(t,tn)为21.356mV，求测量端实际温度t。 由K型热电偶分度表查得： E(tn, 0)= E(30, 0)=1.203mV E(t, 0)= E(t,tn)+ E(tn, 0)= 21.356+1.203=22.559 mV 再查K型热电偶分度表得知t=545,(2) 已知测量端实际温度t=550，参考端温度tn=20，求用直流电位差计测量热电偶的热电动势时，其示值应该是多少？ E(t, 0)= E(550, 0)=22.772 mV E(tn, 0)= E(20, 0)=0.798 mV E(t,t
8、n)= E(t, 0)- E(tn, 0)=22.772-.798=21.974 mV 经计算得直流电位差计的指示值为21.974 mV,连接导体定律。在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线A、B相连接，接点温度分别为t、tn、t0（如图），则回路的热电动势将等于热电偶的热电动势EAB (t,tn)与连接导线A、B在温度为tn、t0时热电动势EAB (tn,t0)的代数和。即：EAB BA (t,tn, t0)= EAB (t,tn)+ EAB (tn,t0),根据连接导体定律，在现场实际测温时，于热电偶回路中引入与热电偶具有相同热电性质的补偿导线，相当于把热电偶延长而又不影响热电偶的
9、热电动势。从而使热电偶的参考端远离热源并引到环境温度较低且稳定的地方。 （三）热电偶的种类: R型：铂铑13-铂热电偶 S型：铂铑10-铂热电偶 B型：铂铑30-铂铑6热电偶 K型：镍铬-镍硅（镍铝）热电 T型：铜-康铜热电偶 J型：铁-康铜热电偶 E型：镍铬-康铜热电偶我国现已规定今后国产热电偶按上述标准化分度表生产。,（三）热电偶的补偿导线和参考端温度补偿器 热电偶的补偿导线的作用是把热电偶的参考端延长到距热电偶较远且温度较稳定的地方，这样可以减小因热电偶参考端温度不稳定带来的测量误差。为此要求补偿导线在一定范围内（0100）其热电特性和热电偶相同。对于较精确的测量，只用补偿导线延长热电偶
10、参考端的方法还不能使热电偶参考端温度达到稳定。可使用参考端温度补偿装置对参考端温度进行补正。 热电偶的补偿导线和参考端温度补偿装置都应和热电偶配套使用。无论选错或接反，都会带来测量误差。,例：如图所示，热电偶为K型，AB为对应补偿导线，CC为铜导线，G为显示仪表，t0=20为补偿器处温度，t=400为被测温度，tn=50为热电偶与补偿导线连接处温度，若补偿导线极性接错，显示仪表示值多大？ 解：K型热电偶配用的补偿导线是 铜-康铜线，若补偿导线极性接错，则：换算为温度t表=341.8 ,即为仪表示值。比被测温度低58.2 ,（四）热电偶的检定JJG351-1996工作用廉金属热电偶 标准器：一等
11、、二等标准铂铑10-铂热电偶各一支。测量范围（-30300）的二等标准水银温度计一组，也可选用二等标准铂电阻温度计。电测设备可选用准确度不低于0.02级的低电势直流电位差计一套（或具有同等准确度的其它设备）。 检定方法：双极比较法,（五）热电偶检定计算 300以下热电动势误差et用下式计算：其中： 300以上热电动势误差e用下式计算：检定时，如参考端温度未处于0，可用下式计算参考端温度为0时的热电动势。,实例计算 例1：在1000附近测得二等标准铂铑10-铂、被检级镍铬-镍硅热电偶的热电动势平均值，分别是为 9.445mV、 为40.486mV，水银温度计测得的参考端温度t1为20，标准热电偶
12、证书中1000的热电动势为9.581mV，求被检热电偶在1000时的误差。 解：先从S型（铂铑10-铂）、K型（镍铬-镍硅）热电偶分度表中查得20时热电动势E标（20,0）为0.113mV、E被（20,0）为0.798mV,则：E标（t,0）=9.445+0.113=9.558mVE被（t,0）=40.486+0.798=41.284mV 从热电偶微分热电动势表中查得1000时，标准与被检热电偶的微分热电动势为:0.012mV/、 :0.039mV/ 从K型（镍铬-镍硅）热电偶分度表中查得1000时热电动势为41.269mV 则有：,换算为温度：2.3。则该热电偶在1000时的示值误差为2.3
13、，其修正值为-2.3。,例2：用K型（镍铬-镍硅）热电偶测量主蒸汽温度，已知热电偶参考端温度、tn=30，查该热电偶分度表得E（30,0）=1.203mV，测得的热电势为21.903mV，求主蒸汽实际温度。 解：参考端温度不为0时，计算如下： E（t,0）=E(t, tn)+ E(tn,0)= E(t,30)+ E(30,0)=21.930+1.203=23.130mV 从K型(镍铬-镍硅)热电偶分度表中查得E（t,0）=23.130mV所对应的温度为558.4。所以主蒸汽实际温度为558.4。,热电阻 （一）原理和结构 热电阻是利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质来测量温度的。实验证
14、明：大多数金属的电阻值随着温度的升高而增加，而半导体的电阻值则随着温度的升高而减小。所以说导体和半导体的电阻值是温度的函数。只在知道了这种函数关系，就可用电测仪表通过电阻值的测量，达到测量温度的目的。 在工业上常用的金属热电阻材料有铂、铜、铁、镍。我国通常用的是铂和铜热电阻。 热电阻的结构一般由电阻丝、骨架、引线和保护套管组成。,（二）检定JJG229-1998工业铂、铜热电阻 电阻与温度关系 适合规程的铂热电阻的电阻-温度关系如下： 对于-2000的温度范围对于0850的温度范围式中：R(t)-在温度为t时的铂热电阻的阻值t-温度，R(0)-在温度为0时铂热电阻的阻值A-常数，其值为3.90
15、8310-3-1B-常数，其值为-5.77510-7-2C-常数，其值为-4.18310-12-4,适合规程的铜热电阻的电阻-温度关系如下：对于-50150的温度范围式中：-电阻温度系数，其值为4.28010-3-1 -常数，其值为-9.3110-8-2 -常数，其值为1.2310-9-3,主要技术要求热电阻实际电阻值对分度表标称电阻值以温度表示的允许偏差Ei如下表：,电阻温度系数与标称值的偏差应符合下表规定。主要检定设备标准器：二等标准铂电阻温度计。检定铜电阻，也可采用二等标准水银温度计。主要电测设备为成套工作的0.02级测温电桥或其它同等准确度等级的电测设备。 检定方法：比较法,热电阻的检
16、定计算（R(0)、 R(100)、的计算） 计算R(0)，先由标准铂电阻温度计的证书值和测试值计算冰点槽的温度ti其中： 得：,计算R(100)，先由标准铂电阻温度计的证书值和测试值计算的油槽相对100的温度误差t:其中：得： 的计算：,以上公式中，dR/dt是相应的温度计在相应温度点的电阻变化率。 0时，标准电阻：对铂热电阻： 对铜热电阻：100时，标准电阻： 对铂热电阻： 对铜热电阻：,检定计算实例 例：一支二等标准铂电阻温度计的检定证书值为： Rtp=25.1345 W(100) =1.39275 Wzn =2.56880 WGa=1.11813 a8=-5.010-5 b8=-1.610-6 今用它检定一支B级，分度号这Pt100的工业铂电阻，检定数据见表，试完成计算并填好此表格，判断其是否合格。,
