第3章 检测仪表及传感器(温度检测)

1、第三章 检测仪表及传感器温度检测及仪表Instrumentation and sensor 教学内容温度测量方法及仪表热电偶及热电偶冷端温度补偿热电阻温度计测温元件的安装3.5温度检测及仪表温度是普遍而重要的操作参数所有的过程都是在一定温度下进行温度决定一些反应能否进行和反应方向温度决定一些反应的进行程度温度显示反应的能量变化表征物体冷热程度的物理量温度测量：温度：通过冷热程度不同的物体之间的热交换，热量传递到敏感元件后，其物理性质随温度而变化。一.温度检测方法温度计的分类1.按使用的测量范围分 600以上 高温计 600以下 温度计2. 按用途分 标准仪表 实用仪表（1）接触式：物体接触热交

2、换，物体的某些物理性质随温度而变化。3.按测量方式分如（2）非接触式：通过接受辐射或对流来的热量而测量温度。膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计如光学高温计、比色高温计、辐射高温计接触式仪表测温精度高非接触式仪表测高温10002000， 测温范围广、快，不破坏测温现场，能测运动的物体。优点缺点反应慢；易破坏现场的温度分布，造成测量误差；不能测量移动的或太小的物体。优点精度较低，测量结果受物体发射率、中间介质、测量距离等影响。缺点4.按工作原理分 （1）膨胀式温度计t = t0t t0根据液体或固体热胀冷缩原理。 （-80500）液体温度计：水银和酒精固体温度计：双金属片温度双金属片变形自由

3、端产生角位移传动机构放大指针偏转双金属片温度计测量中低温度的现场仪表就地指示，直观方便安全可靠，使用寿命长多种结构形式，可满足不同要求特点双金属温度计双金属温度信号器炉膛热源温度补偿 封闭体积内的气体或液体的压力随温度变化。温包：传热、容纳膨胀介质毛细管：传递压力弹簧管：显示压力（温度）刻度盘毛细管工作物质接头传动机构弹簧管指针连杆（2）压力式温度计膨胀式及压力式温度计精度低，信号不易远传，一般不用于控制系统中（3）热电阻温度计利用金属导体的电阻随温度变化的性质测温范围-200500，精度高，便于远传和自动控制。有铂电阻、铜电阻、镍铬电阻、半导体电阻等。（4）热电偶温度计利用金属的热电现象有铂

4、铑铂镍铬镍硅镍铬考铜铂铑30铂铑6等（5）辐射高温计：物体辐射能随温度而变化。（6）比色高温计：物体发光的颜色随温度而变化。 （7）光学高温计：物体发光的亮度随温度而变化。 非接触式温度计灵敏度高，响应速度快，测量误差较大一般用于极高温度的测量或便携式的机动测量二.热电偶温度计以热电效应为基础 适于测500以上的温度温度信号毫伏电势热电偶显示仪表变送器统一标准电流组成 热电偶导线测量仪表热电偶（感温元件）测量仪表；连接导线（补偿导线及铜线）热电偶热电偶特点 结构简单、体积小、易加工动态性能好，精确度较高将温度信号直接转换成直流电势信号，便于信号传递和显示测温范围宽主要内容 热电偶测温原理热电偶

5、冷端温度的补偿热电偶的种类与结构热电偶的选择、使用和安装高温贵金属热电偶铂铑-铂热电偶 适用于高温场合，例如：陶瓷炉、砌砖、瓷器制造和玻璃制造等温度高达1600的场合铠装热电偶 根据介质的腐蚀特性选择不同的耐腐材料防腐热电偶 1.热电偶 工作端自由端AB（1）热电效应及测温原理 两根不同导体组成闭合回路，当两端处于不同温度时，在回路中就会产生热电势，引起热电流流动。tt0热电效应（现象）热电势组成：温差电势、接触电势温差电势当一个导体两端温度不同时，在导体内要产生一个电势温差电势 e（t，t0）。 +-扩散作用电场作用Estt0e（t，t0）大小与导体的性质、两端温度有关，温差越大， e（t，

6、t0）越大。接触电势两种不同导体接触时，在接触面上产生电势差接触电势 eAB（t）+-扩散作用电场作用金属A金属BEeAB （t）大小取决于两种不同导体性质和接点温度，t越高， eAB （t）越大 。 eAB （t）= -eBA （t）工作原理 eAB（t）eAB（t0）eB（t，t0）eA（t，t0）+- -E（t，t0）为两接点热电势的代数和ABtt0eAB(t)R2eAB(t0)R1+-E（t，t0）只与材质和温度有关当 A、B 材料固定，t0 不变，则 E（t，t0）为t单值函数。当两导体材料相同时，回路中不产生E。若两接点温度相同时，回路内E=0。不同热电极材料制成的热电偶，在相同t

7、下产生的E是不同的。一般情况下，t0选取0作为刻度标准。注意例题1用镍铬铜镍热电偶测量某加热炉的温度，测得的热电势E(t,t1)=66982V，而自由端的温度t1=30，求被测的实际温度。例题2今用一只镍铬镍硅热电偶，测定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。分度表在冷端温度t0=0时，各种类型热电偶的热电势与工作端温度t之间的关系已由国家标准规定了统一的表格形式，称为分度表。 （修正公式）热电势与温度之间的关系是非线性在t00 时，E（t，t0）对应的温度+ t0真实温度注意（2）关于插入第三种导线的问题ABBCCtt0t1t1

8、第一种情况：第二种情况：接点温度相同，则Et只与t有关ABCCtt0t0回路中接入第三种导线，只要保证引入导线的两端温度相同，则对原热电势数值无影响。回路中串入更多种导线，只要引入导线两端温度相同，也不影响热电势数值。结论可测熔融金属或金属壁面的温度AB开路热电偶（3）常用热电偶种类单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性关系；热电性质稳定；化学稳定性好；具有较好的延展性；复现性、互换性好。热电偶的材质要求：常用的热电极材料分为四类贵金属材料普通金属材料非金属材料如铂、铑、铱及其合金难容金属材料如镍、铬、铜及其合金如钨、钼、铼及其合金如碳、石墨、氧化镁等及其混合物热电偶种类标准化热电偶非标准热电

9、偶工艺成熟，成批生产、性能优良，并符合专业或国家标准的热电偶，具有统一的分度表，可互换使用。为适应更高或更低的温度及特殊的介质气氛的测量，没有统一的国家标准和分度号。工业用热电偶种类铂铑30铂铑6代号：WRR；新分度号：B；旧：LL-2铂铑10铂代号：WRP：新分度号S；旧：LB-3精度高，适于氧化性和中性介质，热电势小。测温范围稍低些，精度高、稳定，适于氧化性和中性介质。镍铬镍硅代号：WRN；新分度号：K；旧：EU-2镍铬考铜代号：WREA；新分度号：XK；旧：EA-2适于氧化性和中性介质，热电势大于S的45倍，价格适中。适于还原性和中性介质，热电势大，价格便宜，测低温效果较好。不同材质的热

10、电偶有不同特性，应根据实际需要选择：测量范围、放大系数、测量精度、抗腐蚀能力、价格等。种类优点缺点贵金属准确度高，稳定性好，抗氧化、耐腐蚀，可用于1000以上，电阻小，损坏后可回收再利用灵敏度低，热电势与温度为非线性，不适用于还原性介质，价格贵廉金属灵敏度高，线性好，可用于还原气氛，价格便宜抗氧化、耐腐蚀性差，稳定性差，寿命短，用于1300以下，电阻率高热电偶的结构热电极：贵金属，直径0.30.65，普通金属一般0.53.2，长度3502000 绝缘子保护套管接线盒：铝合金普通型铠装型将热电极、绝缘材料一起紧压在金属保护套管中，三者经组合加工成可弯曲的坚实组合体。热电极绝缘材料保护套管反应速度

11、快、使用方便、可弯曲（可用于结构复杂的对象）、不怕振、耐高压等微小铠装热电偶表面型热电偶（薄膜型） 绝缘基板铁膜镍膜采用真空镀膜或化学涂层工艺适于快速测量和物体表面温度的测量快速型热电偶 测量高温熔融物体的一种专用热电偶热电偶的结构形式可根据它的用途和安装位置来确定。在热电偶选型时，要注意三个方面：热电极的材料；保护套管的结构，材料及耐压强度；保护套管的插入深度。2.补偿导线热电偶冷端通常靠近设备，冷端温度会受环境温度或设备内物料温度影响而变化。补偿导线：用于延伸热电偶冷端使t0稳定的专用导线。 t1在100以内，铜铜镍与镍铬镍硅相似+-补偿导线测量电路热电偶tt1t1t0t0回路中总热电势B

12、ADC回路中总热电势与t，t0有关，故补偿导线将冷端t1延伸至t0处，不影响最终结果。当t00时，E(t,t0) 并不是实际的热电势。作用延伸热电偶的冷端降低仪表线路成本结论补偿导线正、负极要与热电偶正、负极对应相接。两接点温度t1应相同。t0要恒定。注意在一定温度范围内（0100），热电性质与热电偶相同或相接近的廉价金属。作为补偿导线的材料常用热电偶的补偿导线热电偶名称补偿导线工作端为100，冷端为0时的标准热电势/mV正极负极材料颜色材料颜色铂铑10铂镍铬镍硅（镍铝）镍铬铜镍铜铜镍铜铜镍铬铜红红红红铜镍康铜铜镍铜镍绿蓝棕白0.6450.0374.0950.1056.3170.1704.27

13、70.0473.冷端温度补偿 将冷端温度保持为0 ，或者进行一定的修正，才能得出准确的测量结果的做法。补偿方法（1）冰点槽法+-补偿导线冰水混合物t硅油铜导线精度很高、麻烦，可用于实验室。（2）用热电势修正当 t00（3）校正仪表零点方法（工业上）工业上常用，有一定误差t0必须恒定，只适于实验室或临时测温（4）冷端温度补偿器（补偿电桥法）利用不平衡电桥产生的电势自动补偿冷端温度变化而引起的热电势变化R1R2R3Rtt+-ab具有补偿电桥的热电偶测温线路设计在0时，R1=R2=R3= Rt（0）= R0（0），电桥平衡，Uab=0当t00时，Rt随温度升高而增大，桥路输出Uab与E（t，t0）相

14、叠加，送入测量仪表。适当选择桥臂电阻和电流数值，可使Uab=Et，仪表即可指出正确的温度数值。若电桥的平衡温度为20，需将仪表起始点调到20处。（5）补偿热电偶法仪表tBAt1t1t1t0t1等效原理图将补偿热电偶的工作端插入23m深的地下或放在其他恒温器中， t0恒定，E（t，t0）不受t1影响。优点可同时对多只工作热电偶进行冷端温度补偿，适于工业应用测温线路并联 测温线路串联 四.热电阻温度计500以下的中低温区温度信号电压信号热电阻显示仪表变送器统一标准电流测量电路电阻变化组成热电阻（感温元件）显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）连接导线（采用三线制接法）1热电阻测温原理利用金属导体的电阻值

15、随温度变化的特性a- 电阻温度系数；t- 温度变化量; Rt电阻值变化量 Rt- t 时的电阻值; Rt0- t0 时的电阻值;其电阻值与温度的关系： 金属导体半导体作为热电阻的材料有两类2. 常用的两种导体材料电阻温度系数和电阻率要大，即灵敏度要高热容量要小。 物理和化学性能应稳定。电阻值随温度变化最好是线性关系。易提纯、加工和复制。要求对材料、R0值，R100/R0及R t之间的关系、允许误差都有严格要求标准化金属热电阻国产标准化热电阻主要有铂电阻铜电阻镍电阻（1）铂电阻（旧型号WZB ；新WZP）A=3.95010-3/ B=-5.85010-7/ （）2 在0-650 范围内C=-4.

16、2210-22/ （）3 测量各种生产过程中的-200 500内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。热电阻WZPT铂电阻温度传感器 温度电阻的关系接近于线性关系铠装热电阻 具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等优点。作为温度变送器，亦可作为装配式热电偶的感温元件。可测0800内的液体、蒸汽和气体介质、固体表面的温度。普通热电阻 铠装防爆热电阻 优点易提纯；测温精度高、范围广，化学稳定性高，能耐较高温度。 缺点在高温下，特别是还原性气氛中易沾污使铂丝变脆Rtt的关系分度表，用分度号表示，与R0有关。原来： R0=46 分度号 BA1 R0=100 BA2新标准：R0=10 分度号 Pt1

17、0 R0=100 Pt100仪表的灵敏度取决于的大小，越大，阻值变化越大，仪表越灵敏。实践证明：金属的纯度越高，R100/R0与越大，所以金属的纯度用R100/R0表示铂电阻标准温度计 1.3925 工业上=1.391（2）铜电阻 在-50150内 Rt=R01+（t-t0） 新型号：WZC（旧WZG）旧： R0=53，分度号为G（被淘汰）现工业上： R0=50 分度号为 Cu50 R0=100 Cu100纯度用=1.428易加工提纯，价格便宜。很大，Rtt呈线性关系。适用-50150，测温范围不广。电阻率小，电阻体积较大，机械强度降低。特点4.热电阻的构造电阻体、保护套管、接线盒等 热电阻的

18、双线无感绕制芯柱保护膜引线端电阻丝平板形圆柱形螺旋形结构：普通型，铠装型，薄膜型支架：平板状（铂）、圆柱形（铜）、螺旋形（标准或实验室用的铂电阻，直径为0.050.01），双线无感绕制。电阻体热电阻的支架形状(已绕电阻丝)四.电动温度变送器作用：与热电偶或热电阻配合使用，将某点温度（或温差）转换成420mA和15V的统一标准信号。和毫安表配合，显示出温度或温差，和控制器等配合对温度自动控制。DDZ型和DDZ型的温度变送器的比较：（1）采用安全火花型防爆措施，可实现对危险场合中的温度或毫伏信号测量。（2）采用了线性化机构，使变送器的输出信号与被测温度呈线性关系。（3）使用了集成电路，使变送器具有

19、良好的可靠性、稳定性等各种技术性能。温度变送器有三种类型： 热电偶温度变送器 热电阻温度变送器 直流毫伏变送器（一）热电偶温度变送器（常用）1.作用：将温度转换成420mA或15V的统一标准信号2.结构：输入电路将温度信号转换成直流毫伏信号反馈电路放大电路热电偶输入电桥放大电路反馈电路被测温度Et+-I0输出电流t热电偶温度变送器的结构方框图+-EtRCuR1R4R2I1I2+-输入电桥1）输入电路Rcu热电偶冷端温度补偿电阻 R1、R2高值电阻 R4 零点迁移电阻作用：冷端温度补偿；调整零点，输出与温度相对应的毫伏电压2）反馈电路：对热电偶的Et非线性进行修正，使变送器的输出信号与t呈线性关系，以便于显示、控制和计算机连用。放大电路反馈电路-I0输出电流+VtVfEttI0VftI0组成：集成运算放大器输