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文档简介
1,Lesson2.4TemperatureMeasurement,Topicscoveredinthisunitareasfollows:Theprinciplesoftemperaturemeasurement(温度测量)Theprincipleofthermocouple(热电偶)Thewidevariety(种类)oftemperaturemeasuringdevices,1,2,1.Principlesoftemperaturemeasurement,Temperaturemeasurementisveryimportantinspheresoflifeandespeciallysointheprocessindustries.However,itposesparticularproblems,sincetemperaturemeasurementcannotberelatedtoafundamentalstandardoftemperatureinthesamewaythatthemeasurementofotherquantitiescanberelatedtotheprimarystandardsofmass,lengthandtime.,2,3,1.Principlesoftemperaturemeasurement,Thisisarootcauseofthefundamentaldifficultiesthatexistinestablishinganabsolutestandardfortemperatureintheformofarelationshipbetweenitandothermeasurablequantitiesforwhichaprimarystandardunitexists.Intheabsenceofsucharelationship,itisnecessarytoestablishfixed,reproduciblereferencepointsfortemperatureintheformoffreezingandboilingpointsofsubstances,wherethetransitionbetweensolid,liquidandgaseousstatesissharplydefined.,3,建立起温度的绝对标准,使其与其它可测的标准单位量联系起来,这是温度测量的基本困难之一。,由于缺乏这种关系,有必要以物质冰点和沸点形式建立固定的、可复制的参考点,物质状态特指在固体、液体和气态状态之间变化的瞬间。,4,1.Principlesoftemperaturemeasurement,TheInternationalPracticalTemperatureScale(IPTS)usesthisphilosophyanddesignessixprimaryfixedpointsforreferencetemperaturesintermsof:Thetriplepointofequilibriumhydrogen-259.34CTheboilingpointofoxygen-182.962CTheboilingpointofwater100.0CThefreezingpointofzinc419.58CThefreezingpointofsilver961.93CThefreezingpointofgold1064.43C,4,国际实用温标使用这种思想并设计六个主要固定点作为参考温度:平衡氢的三态点:-259.34C,氧的沸点:-182.962C水的沸点:100.0C,锌的冰点:419.58C银的冰点:961.93C,金的冰点:1064.43C。,5,1.Principlesoftemperaturemeasurement,Thefreezingpointsofcertainothermetalsarealsousedassecondaryfixedpointstoprovideadditionalreferencepointsduringcalibrationprocedures.Instrumentstomeasuretemperaturecanbedividedintoseparateclassesaccordingtothephysicalprincipleonwhichtheyoperate.Themainprinciplesusedare:,5,某种其它金属的冰点也可以用作第二个固定点,从而在标定过程中提供额外的参考点。,根据温度测量装置操作的物理原理,它们可以被分为不同的类型。使用的主要原理是:,6,1.Principlesoftemperaturemeasurement,ThethermoelectriceffectResistancechangeSensitivityofsemiconductordeviceRadiativeheatemissionThermographyThermalexpansionResonantfrequencychangeSensitivityoffiberopticdevicesAcousticthermometryColourchangeChangeofstateofmaterial,6,热电势效应电阻变化半导体装置的灵敏度辐射散热热像仪热膨胀(系数)谐振频率变换光纤器件的灵敏度声测温技术颜色变化材料状态变化,7,2.Thermocouples,Thermoelectriceffectsensorsrelyonthephysicalprinciplethat,whenanytwodifferentmetalsareconnectedtogether,ane.m.f.,whichisafunctionofthetemperature,isgeneratedatthejunctionbetweenthemetals.Thegeneralformofthisrelationshipis:e=a1T+a2T2+a3T3+anTnWhereeisthee.m.f.generatedandTistheabsolutetemperature.,7,热电势效应传感器基于的物理原理是,当任意两个不同的金属连接在一起时,将在金属的接头处产生感应电动势,该电动势是温度的函数。,这个关系的一般形式是:e=a1T+a2T2+a3T3+anTn其中,e是感应电动势,T是绝对温度。,8,2.Thermocouples,Thisisclearlynon-linear,whichisinconvenientformeasurementapplications.Fortunately,forcertainpairsofmaterials,thetermsinvolvingsquaredandhigherpowersofT(a2T2,a3T3,etc.)areapproximatelyzeroandthee.m.f.-temperaturerelationshipisapproximatelylinearaccordingto:ea1T,8,它很明显是非线性的,对于测量应用是不方便的。,幸运地是,对于一些材料,T的平方和更高次幂近似等于零,电动势-温度的关系近似为线性,如下所示:ea1T,9,2.Thermocouples,Wiresofsuchpairsofmaterialsareconnectedtogetheratoneend,andinthisformareknownasthermocouples.Thermocouplesareaveryimportantclassofdeviceastheyprovidethemostcommonlyusedmethodofmeasuringtemperaturesinindustry.,9,这对材料的线一头连接起来,这种形式被认为是热电偶。,热电偶是一种很重要的装置,因为它们为工业温度测量提供了最为普遍的方法。,10,2.Thermocouples,Atypicalthermocouple,madefromonechromelwireandoneconstantanwire,isshowninFigure2.4.1(a).Foranalysispurposes,itisusefultorepresentthethermocouplebyitsequivalentelectricalcircuit,showninFigure2.4.1(b).,10,典型的热电偶由镍铬合金和康铜线制成,如图2.4.1(a)所示。,出于分析的目的,使用等效电路代替热电偶,如图2.4.1(b)所示。,11,2.Thermocouples,Thee.m.f.generatedatthepointwherethedifferentwiresareconnectedtogetherisrepresentedbyavoltagesource,E1,andthepointisknownasthehotjunction.ThetemperatureofthehotjunctioniscustomarilyshownasThonthediagram.Thee.m.f.generatedatthehotjunctionismeasuredattheopenendsofthethermocouple,whichisknownasthereferencejunction.,11,相连接处不同的导线所产生的感应电动势可以用电压源E1表示,该点为热结点。,热结点的温度在图中习惯性的表示为Th。,12,2.Thermocouples,Thermocouplewiresaremanufacturedtoclosetolerancesandtendtobeexpensive.Theiruseisthuslimitedtotheprobeitself.Thermocoupleextensionwires,compatiblewithT/Cwires,areusedasthelinkbetweentheT/Candthemeasuringdeviceortransducer.,12,热电偶导线的制造具有高精度公差,并且昂贵。因此,它们的使用仅限于电极。,热电偶延伸导线,和热电偶导线兼容,用于热电偶和测量装置或变送器之间的连接。,13,2.Thermocouples,TheevolutionofmodernelectronicshascreatedtransducersmallenoughtofitinsidetheT/Cbox(orhead).Themajoradvantageofthisarrangementistheavoidanceoflong-distancetransmissionofaverylowT/Cvoltagesignal.Suchalowvoltagesignalispronetoelectricalnoise(asopposedtothe420mAsignal).,13,现代电子技术的发展已经能够制造足够小的变送器,可以将其安装在热电偶盒子(接头)内部。,这种配置的主要优势是可以避免热电偶低压信号的长距离传输。,这种低压信号倾向于是电噪声(相对于420mA的信号)。,14,2.Thermocouples,ApplicationNotesThethreebasictypesofT/Cconstructionare:Ceramicbeaded,Insulated(plastic,glass,orceramicfiber);theyaregenerallyextruded(Figure2.4.2),14,现代T/C的三种基本结构形式:陶瓷珠状(热电偶)绝缘热电偶(塑料、玻璃、陶瓷纤维);它们通常可以被挤压(图2.4.2),15,2.Thermocouples,Metal-sheathedmineral-insulated(MSMI);thesheathisgenerallystainlesssteelorInconel,andmineralinsulationisgenerallymagnesiumoxideoraluminumoxide.SheathedmaterialcangivetheT/Cexcellentprotectionfromoutsidechemicalandmechanicaleffect.However,sheathedT/Cs,sincetheyareaone-piececonstruction,aremoredifficulttostripandterminatethanothertypes.Thejunctionshouldbeweldedandinsulated.,15,带有金属护套与矿物质绝缘热电偶;护套通常是不锈钢的或铬镍铁合金的,矿物质绝缘体通常是氧化镁或者是氧化铝。,护套材料可以保护热电偶,防止外部带来的化学(腐蚀)和机械(损坏)。,然而,由于护套材料是一种片状结构,这种结构形式使它们比其他类型更加难以解除并终止。接触端应被焊接并绝缘。,16,2.Thermocouples,Thermocouplescanbeconstructedtobeprotectedorexposed.Ifprotected,theycanbegroundedorungrounded.Whengroundedtheygiveafasterresponse(sincegoodtemperaturetransferisobtained);however,theyaresusceptibletoelectricalnoise(duetostrayelectricalsignalpickup).,16,热电偶可以被设计成被保护或易接触的结构。,如果被保护的,它们可以接地或者不接地。,当接地时,它们可以得到快速响应(因为可以实现良好的温度传递);,然而,它们对电噪声是敏感的(由于离散的电信号拾取器)。,17,2.Thermocouples,WhenT/Csareungrounded,theyareslowertorespondbutareelctricallyisolated.Inaddition,aT/Cmaybespring-loadedinthethermowellsothatthetipandwellsurfaceremainincontacttoensuregoodheattransfer.Ifexposed,thefastestresponse
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