现代检测技术温度测量幻灯片

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1、第11章 温度测量,11.2热电偶,11.3热电阻和热敏电阻,11.4集成温度传感器AD590,11.1概述,第三篇 常见过程参数的测量,过程控制系统至少包括被控对象(或称被控过程)、检测装置(包括传感器和变送器)和控制器(或调节器)以及执行机构四个基本部分。 检测装置将被测参数如温度、压力、流量、液位以及成分量等检测出来,并变换成相应的统一标准信号,系统显示、记录或进行下一步的调整控制作用。检测装置实际上包括两部分内容,首先是将被控参数检测出来,然后变送器将其变换成统一标准信号。,11.1概述,温度是表征物体冷热程度的一种物理量,是工业生产和科学实验中最普遍、最重要的热工参数之一。 温度不能

2、直接进行测量,只能借助于冷热不同的物体之间的热交换,以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性,来进行间接的测量。 根据测温的方式可以分为接触式测温法与非接触式测温法两大类。,11.1概述,11.1.1温度测量方法 接触式测温 接触式温度测量的特点是感温元件直接与被测对象相接触,两者进行充分的热交换,最后达到热平衡,此时温度计的示值就是被测对象的温度。 以接触式方法测温的常用温度计有玻璃温度计、压力温度计、双金属温度计、热电偶以及热电阻等接触式温度测量特别适合 以下,热容大,无腐蚀性对象的连续在线测温。,11.1概述,非接触式测温 非接触式温度测量的特点是感温元件不与被测对象直接接触,而

3、是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换,据此测出被测对象的温度。 非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布,热惯性小,测温上限可设计得很高,便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。 为了保证温度量值的准确并利于传递,需要建立一个衡量温度的统一尺度,即温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。,11.1概述,1.经验温标 根据某些物质的体积膨胀与温度的关系,用实验方法或经验公式所确定的温标称为经验温标。 华氏温标 华氏温标规定在大气压下纯水的冰点为32度,沸点为212度,中间划分为180等份,每一等份为1华氏度. 摄氏温标 摄氏温标将标准大气压下水的冰点定为零度,水的沸点定

4、为100度,在0-100之间划分了100等份,每一等份为1摄氏度,用符号t表示。,11.1.2温度的单位,11.1概述,摄氏温标与华氏温标的关系为 (11-1) 热力学温标 1848年由开尔文提出的以卡诺循环为基础建立的热力学温标,是一种理想而不能真正实现的理论温标,它是国际单位制中七个基本物理单位之一。 它与摄氏温度之间的关系为 (11-2) 单位是开,记为 K 。,11.1概述,3.绝对气体温标 从理想气体状态方程入手,复现的热力学温标称为绝对气体温标,由波义尔定律,有 (11-3) 式中,为P一定质量的气体的压强;为V该气体的体积;为R普适常数;为T热力学温度。 当气体的体积为恒定时,其

5、压强就是温度的单值函数 (11-4) 这种比值关系与开尔文给出的热力学温标的比值关系完全类似。因此若用同一固定点(水的三相点)来作参考点,两种温标在数值上就完全相同。上式就是理想气体的温标方程。,11.1概述,国际温标 根据国际温标规定:热力学温度是基本温度,用符号T表示,单位是开,记为K。它规定水的三相点热力学温度(即固态、液态、气态三相共存时的平衡温度)为273.16K,定义1K(开尔文1度)等于水的三相点热力学温度的1/273.16。通常将比水的三相点温度低0.01K的温度规定为摄氏零度,它与摄氏温度之间的关系为 (11-5) 温度量程的分段与内插方程。摄氏温度与热力学温度之间的关系仍如

6、式(11-5)所示,可记为 (11-6),11.1概述,11.1.3温度测量仪表的分类,表11-1 常用测温仪表,11.2热电偶,在温度测量中虽有许多不同测量方法,但利用热电偶作为测温元件应用最为广泛,其主要优点为: 结构简单,其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的。 具有较高的准确度。 测量范围宽,常用的热电偶,低温可测到 ,高温可测达到 左右,配以特殊材料的热电极,最低可测 ,最高可达 的温度。 具有良好的敏感度。 使用方便。,11.2热电偶,两种不同材料的导体或半导体A、B串接成一个闭合回路,并使结点1和2处于不同的温度 T、 ,那么回路中会存在热电势

7、 ,因而就有电流产生,这一现象称为热电效应。,11.2.1热电效应,图11-1 热电偶回路,11.2热电偶,图11-2 温差电势,一、热电势的产生 热电偶产生的热电势 是由两种导体的接触电势 和单一导体的温差电势组成的。,热电偶的温差电势只与热电极的材料和两结点的温度有关,而与热电极的几何尺寸无关。,11.2热电偶,单一导体的温差电势 在一根匀质的导体中,如果两端温度不同,则在导体的内部也会产生电势,这种电势称为温差电势。,记为,(11-7),A、B 的温差电动势分别为:,11.2热电偶,图11-3 接触电势,接触电势:,两种导体的接触电势,接触电势与接触点温度有关,与材料有关。,11.2热电

8、偶,热电偶回路总热电势 由A、B两种不同导体组成热电偶回路中,如果两个接触点的温度和两个导体的电子密度不同,假如 ,回路中的总电势,(11-8),11.2热电偶,二、热电偶基本定律 均质导体定律,由一种均质导体(或半导体)组合的闭合回路,不论导体(或半导体)的截面和长度如何以及各处的温度如何,都不能产生热电势。由均质导体A组成的闭合回路如下:,图11-4 均质导体回路,11.2热电偶,所以,回路中总热电势,在实际应用中要注意以下几点: 任何热电偶都必须由两种性质不同的导体构成。 如果热电偶由两种均质导体组成,则热电偶的热电势仅与两接点温度有关,而与沿热电极的温度分布无关。,在闭合回路中,由于材

9、料相同,即,两接点,接触电势为零:即 由于导体A两端温度不同,故有温差电势产生,但回路中两支路温差电势大小相等,方向相反,回路中总温差电势为零,即,11.2热电偶,中间导体定律 中间导体定律是指,在热电偶回路中,只要中间导体两端的两端温度相同,那么接入中间导体后,对热电偶回路的总热电势无影响。该叙述可表示为:,(11-9),11.2热电偶,图11-5 有中间导体的热电偶回路,11.2热电偶,所以,因为,以图11-5a为例进行分析,11.2热电偶,在图11-5b中,因为,所以,11.2热电偶,标准电极定律 标准电极定律是指:如果将导体C(热电极,一般为纯铂丝)作为标准电极,并已知标准电极与任意导

10、体配对时的热电势,那么在相同结点温度( 、 )下,任意两导体A、B组成的热电偶,其热电势可由下式求得:,(11-10),结点温度为,结点温度仍为,与标准电极C组成热电偶时产生的热电势。,,由导体A、B组成热电偶时产生的热电势;,11.2热电偶,图11-6 标准电极定律,11.2热电偶,连接导体定律和中间温度定律 连接导体定律指出,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,结点温度分别为,,那么回路的热电势将等于热电偶的热电势 与,连接导线A、B在温度 时的热电势 的代数 和,即,(11-11),连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。,11.2热电偶,当A与A

11、,B与B材料分别相同且结点温度为 时,根据连接导体定律得该回路的热电势,,图11-7 连接导体定律,(11-12),11.2热电偶,表明,热电偶在结点温度为,就等于热电偶在(,),(,)时相应的热电势,与,的代数和,这就是中间温度定律,,称为中间温度。,时,热电势,其中,中间温度定律为热电偶制定分度表提供了理论依据,根据这一定律只要列出参考温度为 时的热电势温度关系,那么参考温度不等于 的热电势就可按上式求出。,11.2热电偶,一、热电偶的材料 对热电偶的电极材料主要要求是: 配制成的热电偶应具有较大的热电势,并希望热电势与温度之间成线性关系或近似线性关系。 能在较宽的温度范围内使用,并且在长

12、期工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定。 电导率要求高,电阻温度系数要小。 易于复制,工艺简单,价格便宜。 二、热电偶的型号 标准化热电偶 国际电工委员会(IEC)推荐的工业标准热电偶为八种,我国均已采用。,11.2.2热电偶的材料、型号及结构,11.2热电偶,工业标准化热电偶,工艺成熟,应用广泛,性能良好稳定,能成批生产,同一型号可以互换,统一分度,并有配套显示仪表。工作端温度高于参考端时,前一导体为热电势的正极,后一种为负极,即前者材料的电子密度大于后者。 铂铑10-铂热电偶(分度号S) 铂铑30- 铂铑6热电偶(分度号B) 铂铑13-铂热电偶(分度号R) 镍铬-镍硅热电偶(分度号K)

13、镍铬-康铜热电偶(分度号E) 镍铬硅-镍硅热电偶(分度号N) 铜-康铜热电偶(分度号T) 铁-康铜热电偶(分度号J),11.2热电偶,非标准化热电偶 除了上述标准热电偶之外,在某些特殊条件下,例如超高温、超低温等,也应用一些特殊热电偶,因目前还没有达到国际标准化程度,非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表。 铱铑40-铱热电偶是当前唯一能在氧化气氛中测到,高温的热电偶,因此成为宇航火箭技术中的重要测温元件,范围内使用。,镍铬-金铁是一种较为理想的低温热电偶,可在,11.2热电偶,此外,利用石墨和难熔化合物这些非金属材料熔点高,在 以上高温条件下性能稳定的特

14、点,作为高温热电偶材料可以解决金属热电偶材料无法解决的问题。目前已研制出碳石墨、石墨-碳化硅、石墨-碳化钼以及硼化碳-碳等非金属热电偶。,三、热电偶的结构: 普通热电偶,工业上常用的普通热电偶的结构由热电极1、绝缘套管2(防止两个热电极在中间位置短路)、保护套管3(使热电极免受化学侵蚀及机械损伤)、接线盒4(连接导线通过接线盒与热电极连接)、接线盒5(防止灰尘、水分及有害气体进入保护套管内)组成。,11.2热电偶,普通热电偶主要用于气体、蒸汽和液体等介质的温度测量,这类热电偶已做成标准形式,可根据测温范围和环境条件选择合适的热电极材料和保护套管。,图11-8 普通热电偶的基本结构,11.2热电

15、偶,铠装热电偶(又称缆式热电偶) 铠装热电偶是将热电极、缘材料连同金属保护套一起拉制成形的,可做得很细、很长,其外径可小到1-3mm,而且可以弯曲,适合于测量狭小的对象上各点的温度。铠装热电偶种类多,可制成单芯、双芯和四芯等。主要特点是测量端热容量小;动态响应快;有良好的柔性,便于弯曲;抗振性能好,强度高。 薄膜热电偶 用真空蒸镀(或真空溅射)的方法,将热电偶材料淀积在绝缘基板上而制成的热电偶称薄膜热电偶。由于热电偶可以做得很薄,测表面温度时不影响被测表面的温度分布,其本身热容量小,动态响应快,故适合于测量微小面积和瞬时变化的温度。,11.2热电偶,图11-9 薄膜热电偶,1-测量端 2-绝缘基板 3、4-热电极 5、6-引出线 7-接头夹具,11.2热电偶,图11-10 铠装热电偶 1-接线盒 2-金属套管 3-固定装置 4-绝缘材料 5-热电极,除此之外,还有用于测量圆弧形固体表面温度的表面热电偶和用于测量液态金属温度的浸入式热电偶等。,11.2热电偶,一、测温原理和方法 理论依据 已知热电偶两个电极的材料确定以后,热电偶的热电动势就只与热电偶两端温度有关,如果使参考端温度恒定不变,则对给定材料的热电偶,其热电动势就只与工作端温度T成单值函数关系,即,(1

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