第二章 温度检测

1、第二节第二节 温度检测仪表温度检测仪表 主要内容主要内容 温度仪表综述温度仪表综述 热电偶温度计热电偶温度计 电阻式温度计电阻式温度计 膨胀式温度计膨胀式温度计 压力式温度计压力式温度计 选型与安装选型与安装一、概述一、概述 定义：定义：温度是描述系统不同自由度之间能量分布状况的基本物理量。 温度检测意义温度检测意义二、温度检测仪表的分类二、温度检测仪表的分类 根据敏感元件与被测介质接触与否根据敏感元件与被测介质接触与否 接触式接触式传感器和被测对象直接接触，进行充分的热交换，达到热传感器和被测对象直接接触，进行充分的热交换，达到热平衡后，敏感元件与被测对象具有相同温度，传感器的输平衡后，敏感

2、元件与被测对象具有相同温度，传感器的输出即反映了被测温度的高低。出即反映了被测温度的高低。 传导换热传导换热 非接触式非接触式利用被测对象的热辐射能量随温度的变化而变化的原理，利用被测对象的热辐射能量随温度的变化而变化的原理，通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定被测对象的温度。被测对象的温度。辐射换热辐射换热方式方式接触式接触式非接触式非接触式测量条件测量条件感温元件要与被测对感温元件要与被测对象良好接触；感温元件象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超的温度；被测温度不超过感温元件能承过感温元

3、件能承 受的上受的上限温度；被测对象不对限温度；被测对象不对感温元件产生腐蚀感温元件产生腐蚀需准确知道被测对象表面需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上充分照射到检测元件上测量范围测量范围特别适合以下，热容特别适合以下，热容大，无腐蚀性对象的连大，无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于续在线测温，对高于1300度以上的温度测量度以上的温度测量较困难较困难 原理上测量范围可以从超原理上测量范围可以从超低温到极高温，低温到极高温，l000度以下，度以下，测量误差大；能测运动物体测量误差大；能测运动物体和热容小的物体温度和热容小的物体温度精度精度工业用

4、表通常为工业用表通常为1.0、0.5、0.2及及0.1级，实验室级，实验室用表可达用表可达0.01级级通常为通常为1.0、1.5、2.5级级响应速度响应速度 慢，通常为几十秒到几慢，通常为几十秒到几分分 快，通常为快，通常为23s表表2-3 两类测温方法的主要特点两类测温方法的主要特点测温方式测量种类原理典型仪表测温范围/特点接触式膨胀式利用液体气体的热膨胀或两种金属的热膨胀差测温 玻璃液体-100600结构简单、使用方便、测量精度较高、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量限制，易碎，不能远传。 双金属-80600结构紧凑、牢固、可靠；测量精度较低、量程和使用范围有限。压力式利用物质的蒸汽压变化

5、液体-40200耐震、坚固、防爆、价格低廉；工业用压力式温度计精度较低、测量距离短、滞后大。气体-100500热电阻固体材料的电阻随温度而变化铂电阻-260850测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制；不能测高温，须注意环境温度的影响。铜电阻-50150热敏电阻-50300灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制。表表2-4 主要温度检测方法及特点主要温度检测方法及特点测温方式测量种类原理典型仪表测温范围/特点接触式热电类利用热电效应热电偶-200800测量范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制；需要冷端补偿，低温段测量精度较低。其他电学

6、类半导体器件的温度效应集成温度传感器-50150使用简单、互换性好，非线性误差较小。晶体的固有频率随温度而变化石英晶体温度计-50120测量精度高、稳定性好、抗强冲击性能差。光纤类利用光纤的温度特性或作为传光介质光纤温度传感器-50400用于强电磁场、易燃易爆生产过程和高温介质的温度测量。非接触式光纤辐射温度计2004000续表续表2-4 主要温度检测方法及特点主要温度检测方法及特点测温方式测量种类原理典型仪表测温范围/特点非接触式辐射类利用普朗克定律光电高温计8003200灵敏度高、精确度高，便于自动测量与控制。辐射传感器4002000不破坏温度场，测温范围大，可测运动物体的温度；易受外界环

7、境的影响，标定较困难比色温度计5003200续表续表2-4 主要温度检测方法及特点主要温度检测方法及特点 按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中温、高温按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中温、高温和超高温温度测量。和超高温温度测量。 超低温一般是指超低温一般是指010K 低温指低温指10800K 中温指中温指8001900K 高温指高温指19002800K的温度的温度 2800K以上被认为是超高温以上被认为是超高温三、热电偶及测温原理三、热电偶及测温原理 热电效应及热电偶热电效应及热电偶两种不同导体（或半导体）连接成闭合回路时，若两个结点温度两种不同导体（或半导体）连接成闭合回路时，若两

8、个结点温度不同，则回路中将产生热电势。这种把热能转换成电能的现象称不同，则回路中将产生热电势。这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。为热电效应。当热电偶两个结点的温差小的时候，电动势较小；两个结点当热电偶两个结点的温差小的时候，电动势较小；两个结点的温差越大，电动势就越大；当热端的温度低于冷端时，毫的温差越大，电动势就越大；当热端的温度低于冷端时，毫伏数为负值。伏数为负值。 冷端参比端热端测量端 温差电势比接触电势小的多温差电势比接触电势小的多 闭合回路的总热电势为闭合回路的总热电势为 只与两种导体材料只与两种导体材料A、B及两端温度及两端温度t，t0有关，与热电极的形状、大小、长短无关有关

9、，与热电极的形状、大小、长短无关 000,tetetetettEABABBAABAB0,ttEAB热电势主要由两部分组成：接触电势和温差电势热电势主要由两部分组成：接触电势和温差电势0,ttEAB 热电偶基本定律热电偶基本定律均质导体定律均质导体定律 同一种材料组成热电偶，不会产生热电势同一种材料组成热电偶，不会产生热电势 等值替代定律等值替代定律 EAB(t,t0)= ECD(t,t0)如果断开冷端，接入第三种导体如果断开冷端，接入第三种导体C C，并保持，并保持A A和和C C、B B和和C C接触处的温接触处的温度均为度均为t t0 0，则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和，则回

10、路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和: : 中间导体定律中间导体定律tABCt0t0ABtt0000( , )( )( )( )ABCABBCCAEt tetetet当当t tt t0 0时，有时，有00000( , )( )( )( )0ABCABBCCAEt tetetet于是可得于是可得 000( ,)( )( )( ,)ABCABABABEt tetetEt t同理还可以证明，在热电偶中接入第四种、第五种同理还可以证明，在热电偶中接入第四种、第五种导导体以后，只要接入导体的两端温度相同，接入的导体对原体以后，只要接入导体的两端温度相同，接入的导体对原热电偶回路中的热电势均没有影响。

11、热电偶回路中的热电势均没有影响。根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行导线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出。测量而不影响热电偶的输出。 tt0ABCC毫伏计例：求热电偶回路的电势。例：求热电偶回路的电势。 已知：已知：e eABAB(240)=9.747mV(240)=9.747mV，e eABAB(50)=2.023mV(50)=2.023mV，e eACAC(50)=3.048mV(50)=3.048mV，e eACAC（l0l0）=0.59

12、1mV=0.591mV。 解一：解一：E=eE=eABAB(240)+e(240)+eBCBC(50)+e(50)+eCACA(10)(10)， 而而 e eABAB(50)+e(50)+eBCBC(50)+e(50)+eCACA(50)=0(50)=0 E= e E= eABAB(240) +e(240) +eCACA(10)- e(10)- eABAB(50)-e(50)-eCACA(50)=10.181 mV(50)=10.181 mV解二：利用中间导体定律解二：利用中间导体定律 E=eE=eABAB(240)+e(240)+eBABA(50)+e(50)+eACAC(50)+e(50)

13、+eCACA(10)(10) = e = eABAB(240) +e(240) +eCACA(10)- e(10)- eABAB(50)-e(50)-eCACA(50)=10.181 mV (50)=10.181 mV 。 图 中间温度定律 A B T T0 Tm 中间温度定律中间温度定律EAB(t,t0)= EAB(t,tm) +EAB(tm,t0)中间温度定律中间温度定律 如图所示，热电偶如图所示，热电偶AB在接点温度为在接点温度为 ， 时的热电势等于该时的热电势等于该热电偶在接点温度为热电偶在接点温度为 ， 和和 ， 时相应的热电势的代数和，即时相应的热电势的代数和，即 （1-1）若若

14、，则有，则有 （1-2） 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。实际中利用热电该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。实际中利用热电偶测温时，参考端温度常常不为偶测温时，参考端温度常常不为 ，可以利用热电偶的此定律进，可以利用热电偶的此定律进行热电势修正。行热电势修正。T0TmTTmT0T),(),(),(00TTETTETTEmABmABAB00T)0 ,(),()0 ,(mABmABABTETTETECO0 标准化热电偶与分度表标准化热电偶与分度表 任何两种导体都可组成热电偶，但作为测温的热电任何两种导体都可组成热电偶，但作为测温的热电偶需满足：偶需满足： 电势值大，随温度单调上升，最电

15、势值大，随温度单调上升，最 好线性好线性 材料易获得，复制性好，价格低材料易获得，复制性好，价格低 物理、化学性稳定物理、化学性稳定 电极的电阻小，温度系数小电极的电阻小，温度系数小热电偶丝热电偶丝 - 常用标准化热电偶常用标准化热电偶 补偿导线法补偿导线法 由于热电偶多数是贵金属做成，价格比较昂贵。根据等由于热电偶多数是贵金属做成，价格比较昂贵。根据等值替代定理，可用一种价格比较便宜，而热电势与热电值替代定理，可用一种价格比较便宜，而热电势与热电偶的电势相近的特殊导线来代替。这种导线为偶的电势相近的特殊导线来代替。这种导线为“补偿导补偿导线线”。 使用补偿导线时必须注意以下问题：使用补偿导线

16、时必须注意以下问题： 补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0100）与热电偶的热电势相等或相近；）与热电偶的热电势相等或相近； 不同型号的热电偶有不同的补偿导线；不同型号的热电偶有不同的补偿导线； 热电偶和补偿导线的二个接点要保持热电偶和补偿导线的二个接点要保持 同温；同温； 补偿导线有正负极，分别与热电偶的补偿导线有正负极，分别与热电偶的 正负极相连正负极相连热电偶自由端温度的处理方法热电偶自由端温度的处理方法 计算修正法计算修正法 当用补偿导线把热电偶的自由端延长到当用补偿导线把热电偶的自由端延长到to处处(通常是通常是 环境温度环境温度)，只要知道

17、该温度值，并测出热电偶回，只要知道该温度值，并测出热电偶回 路的电势值，通过查路的电势值，通过查表计算的方法，就可以求得被测实际温度表计算的方法，就可以求得被测实际温度00，0例例 用用K K型热电偶来测量温度，在冷端温度为型热电偶来测量温度，在冷端温度为t t0 02525时，测得热电势为时，测得热电势为22.9mV22.9mV，求被测介质的实际温度。，求被测介质的实际温度。 解解1 1： 根据题意有根据题意有 ( ,25)22.9KEtmV由由K K型热电偶的分度表查出型热电偶的分度表查出 (25,0)1.000KEmV因此有因此有( ,0)( ,25)(25,0)22.91.00023.

18、9KKKEtEtEmVmVmV反查分度表有反查分度表有23.923.629570*10576.424.05523.629tC解解2 2： 根据题意有根据题意有 ( ,25)22.9KEtmV直接查分度表有直接查分度表有 22.922.776550*10552.923.20322.776tC 因此再加上冷端温度，有因此再加上冷端温度，有 25577.9ttC哪种计算结果正确，为什么？哪种计算结果正确，为什么？ 温度检测温度检测VE18010 ,30例例 用镍铬用镍铬- -铜镍热电偶测量某加热炉的温度。测铜镍热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势得的热电势E（t，t1）66982V，而自由端的，而

19、自由端的温度温度t130，求被测的实际温度。求被测的实际温度。 解解由附录1-3可以查得 VEtEtE687831801669820 ,3030,0 ,则再查附录可以查得68783V对应的温度为900。 自由端恒温法自由端恒温法 在工业应用时，一般把补偿导线的末端在工业应用时，一般把补偿导线的末端(即热电偶的自由端即热电偶的自由端)引至电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。通常引至电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。通常一个恒温器可供多支热电偶同时使用。一个恒温器可供多支热电偶同时使用。 冰浴法：把自由端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放冰浴法：把自由端放在盛有绝缘油的试管中，

20、然后再将其放入装满冰水混合物的容器中，以使自由端温度保持为入装满冰水混合物的容器中，以使自由端温度保持为0。自动补偿法自动补偿法t+RcuER1R2R3+ ab 00tt0( , )E t t0( , )E t t+00( , )( )abE t tUt000( , )( )( , )abE t tUtE t t热电偶热电偶 热电偶的结构热电偶的结构普通型热电偶普通型热电偶 热电偶的结构热电极热电极绝缘管绝缘管保护套管保护套管接线盒接线盒热电偶热电偶材 料工作温度/橡皮、绝缘漆珐琅（又称佛郎、法蓝 ） 玻璃管石英管瓷管纯氧化铝管 80 150 500120014001700表表 常用绝缘子材料

21、常用绝缘子材料热电偶热电偶表表3-6 3-6 常用保护套管常用保护套管材 料工作温度/无缝钢管不锈钢管石英管瓷管Al2O3陶瓷管 600100012001400 1900以上温度检测温度检测 铠装热电偶铠装热电偶 由金属套管、绝缘材料（氧化镁粉）、热电偶丝一起由金属套管、绝缘材料（氧化镁粉）、热电偶丝一起经过复合拉伸成型。经过复合拉伸成型。 优点优点反应速度快、使用方便、可弯曲、气密性好、不怕振、耐高压等。 接线盒 固定装置 金属套管 绝缘材料 热电极 B B B B A A 放大 图 5.10 铠装型热电偶结构图 四、热电阻温度计四、热电阻温度计 热电阻测温原理：基于导体或半导体的电阻随温度

22、变化热电阻测温原理：基于导体或半导体的电阻随温度变化的性质的性质 金属热电阻的分度号与分度表金属热电阻的分度号与分度表 一般的金属的电阻值都随温度的升高而升高。但作一般的金属的电阻值都随温度的升高而升高。但作为测温的导体，应具有一定的条件，同时也要标准为测温的导体，应具有一定的条件，同时也要标准化。目前常用的金属热电阻有铂、铜化。目前常用的金属热电阻有铂、铜 热电阻的结构型式热电阻的结构型式 工业热电阻工业热电阻 铠装热电阻铠装热电阻 四、热电阻温度计四、热电阻温度计 热电阻温度检测系统热电阻温度检测系统 为了减小引线电阻的影响，引线可采用三根，其中两根为了减小引线电阻的影响，引线可采用三根，

23、其中两根引线来自热电阻的一个引出端。另一根引线接至热电引线来自热电阻的一个引出端。另一根引线接至热电阻的另一个引出端。三根引线分别接到变送器或显示阻的另一个引出端。三根引线分别接到变送器或显示仪表输入电路的电桥的电源和两个桥臂。这种引线方仪表输入电路的电桥的电源和两个桥臂。这种引线方式称为三线制式称为三线制 液体膨胀式液体膨胀式固体膨胀式固体膨胀式膨胀式温度计膨胀式温度计第二节温度检测第二节温度检测玻璃管液体温度计玻璃管液体温度计 在玻璃温度计中，为什在玻璃温度计中，为什 么常用水银作工作液呢？么常用水银作工作液呢？思考思考 虽然水银的膨胀系数并不大，但它不易虽然水银的膨胀系数并不大，但它不易

24、氧化，不沾玻璃，易获得高纯度，融点和氧化，不沾玻璃，易获得高纯度，融点和沸点间间隔大，能在很大温度范围内保持沸点间间隔大，能在很大温度范围内保持液态。特点是液态。特点是200摄氏度以下，它的体积摄氏度以下，它的体积膨胀系数的线性度较好。膨胀系数的线性度较好。ABABt0t t0双金属温度计工作原理双金属温度计工作原理第二节温度检测第二节温度检测1-指针；指针；2-表壳；表壳；3-金属保护管；金属保护管；4-指针轴；指针轴； 5-双金属感温元件；双金属感温元件；6-固定端；固定端；7-刻度盘刻度盘双金属温度计结构双金属温度计结构1-双金属片；双金属片；2-调节螺钉调节螺钉3-绝缘子；绝缘子； 4

25、-信号灯信号灯双金属温度信号器双金属温度信号器第二节温度检测第二节温度检测双金属温度计双金属温度计第二节温度检测第二节温度检测双金属温度计双金属温度计第二节温度检测第二节温度检测21 是根据在封闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制成的。图3-52 压力式温度计结构原理图 1传动机构；2刻度盘； 3指针；4弹簧管；5连杆；6接头；7毛细管；8温包；9工作物质压力式温度计压力式温度计第二节温度检测第二节温度检测各种压力式温度计各种压力式温度计六、六、 测温器件选择测温器件选择温度检测常选用接触式温度仪表。温度仪表正常使用温度应为量程的5070，最高测量值不

26、应超过量程的90。多个测量元件共用一台常规显示表时，正常使用温度应为量程的2090，个别点可低到量程的10。六、六、 测温器件选择测温器件选择(1) 工业生产过程中就地温度仪表的选择工业生产过程中就地温度仪表的选择就地式仪表的选择应根据工艺要求的测温范围、精确度等级；检测点的环境、工作压力等因素选用。 、就地温度仪表一般宜选用带外保护套管双金属温度计;、在精确度要求较高、振动较小、观察方便的场合，可选用玻璃液体温度计;、被测温度在-100500范围内，在无法近距离读数、有振动、低温且精确度要求不高的场合，可选用压力式温度计。(2)工业生产过程中工业生产过程中集中检测温度仪表集中检测温度仪表的选择的选择热电偶适