11 温度检测及仪表

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《化工仪表及过程控制》

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可再生能源学院

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太阳能中心

授课教师：朱红路

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第三章检测仪表与传感器

温度检测及仪表

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内容提要

?概述

–测温仪表的分类

–温度检测的基本原理

?热电偶温度计

–热电偶

–补偿导线与冷端温度补偿

?热电阻温度计

–测温原理

–常用热电阻

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?温度变送器

–电动温度变送器

–一体化温度变送器

–智能式温度变送器

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一、测温检测方法

温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，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加以间接测量。

分类

按测量方式

接触式与非接触式

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测温方式

种类

优点

缺点

接

触

式

测

温

仪

表

玻璃液体温度计

结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉

容易破损、读数麻烦、一般只能现场指示,不能记录与远传

双金属温度计

结构简单、机械强度大、价格低、能记录、报警与自控

精度低、不能离开测量点测量,量程与使用范围均有限

压力式温度计

结构简单、不怕震动、具有防爆性、价格低廉、能记录、报警与自控

精度低、测量距离较远时,仪表的滞后性较大、一般离开测量点不超过10米

电阻温度计

测量精度高,便于远距离、多点、集中测量和自动控制

结构复杂、不能测量高温,由于体积大,测点温度较困难

热电偶温度计

测温范围广,精度高,便于远距离、多点、集中测量和自动控制

需冷端温度补偿,在低温段测量精度较低

非接

触式

测温

仪表

光学高温计

携带用、可测量高温、测温时不破坏被测物体温度场

测量时,必须经过人工调整,有人为误差

,不能作远距离测量,记录和自控

辐射高温计

测温元件不破坏被测物体温度场,能作远距离测量、报警和自控、测温范围广

只能测高温,低温段测量不准,环境条件会影响测量精度,连续测高温时须作水冷却或气冷却

各种温度计的优缺点及使用范围

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1.膨胀式温度计

利用液体或固体受热时产生热膨胀的原理,可以制成膨胀式温度计。

?液体膨胀式(玻璃管温度计)：

应用液体膨胀测量温度常用的有水银玻璃温度计，其结构简单，使用方便，但结构脆弱易损坏。

?固体膨胀式(双金属温度计)：

应用固体受热膨胀测量温度的方法一般是利用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起，构成双金属温度计。

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水银温度计—液体膨胀式温度计

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双金属片

双金属温度信号器

1—双金属片；2—调节螺钉；3—绝缘子；4—信号灯

双金属温度计

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2.应用压力随温度变化的原理测温

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3.应用热辐射原理测温

任何物体，其温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量。这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的，其中与物体本身温度有关传播热能的那部分辐射，称为热辐射。而把能对被测物体热辐射能量进行检测，进而确定被测物体温度的仪表，通称为辐射式温度计。辐射式温度计的感温元件不需和被测物体或被测介质直接接触，所以其感温元件不需达到被测物体的温度，从而不会受被测物体的高温及介质腐蚀等影响；它可以测量高达摄氏几千度的高温。而感温元件不会破坏被测物体原来的温度场；可以方便地用于测量运动物体的温度是此类仪表的突出优点。

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1.热电偶的组成

ABCC热电偶

测量仪表

导线

感温元件为热电偶

热端

冷端

热端

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(1)热电现象及测温原理

AB1eAB(t0)

21ABB2t0

t0

eAB(t)

取两根不同材料的金属导线A和B,如上图将两端焊在一起，这样就组成了一个闭合回路。将接点1处加热，使其温度t高于接点2处的温度t0，那么在此回路中就有电势产生，如果将金属B断开，在回路中串联一只直流毫伏计，如上图右，就可看到毫伏计中有电势指示，这就是热电现象。

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–不同金属具有不同的电子密度；

–电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡；

–两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生电场—热电现象；

–电场强度仅仅与金属A、B的材料及接触面温度t有关,温度越高，电子运动强度越剧烈，形成的热电势越大。

扩散作用

电场作用

金属A金属B热电势（eAB)金属A金属B++--平衡时

eABClicktoeditMastertitlestyle14华北电力大学

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测量原理

E(t、t0)=eAB(t)-eAB(t0)(3-64)

R1等效电路图

R1----热偶丝A的等效电阻

R2----热偶丝B的等效电阻

eAB(t)---1点的热电势

eAB(t0)---2点的热电势

21eAB(t0)

AB++-

eAB(t)+-+-R2

eAB(t)eAB(t0)ClicktoeditMastertitlestyle15华北电力大学

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(3)常用热电偶的种类

工业上对热电极材料的要求

在测温范围内其热电性质要稳定,不随时间变化;

在测温范围内要有足够物理、化学稳定性,不易被氧化或腐蚀;

电阻温度系数要小,电导率要高,组成热电偶后产生的热电势要大,其值与温度成线性关系或有简单的函数关系;复现性要好,这样便于成批生产,而且在应用上也可保证良好的互换性;材料组织均匀、要有韧性,便于加工成丝。

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热电偶名称

代号

分度号

热电极材料

测温范围/℃

新

旧

正热电极

负热电极

长期使用

短期使用

铂铑30-铂铑6铂铑10-铂

镍铬-镍硅

镍铬-铜镍

铁-铜镍

铜-铜镍

WRRWRPWRNWREWRFWRCBSKEJTLL-2LB-3EU-2--CK铂铑30合金

铂铑10合金

镍铬合金

镍铬合金

铁

铜

铂铑6合金

纯铂

镍硅合金

铜镍合金

铜镍合金

铜镍合金

300～1600-20～1300-50～1000-40～800-40～700-400～300180016001200900750350常用热电偶

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关于分度表：

例1：热电偶分度表的用法？例如：查表求E型E（1023，0）

E（1020，0）=9.816E（1023，0）=？E（1030，0）=9.93210201023103010201030816.9932.910201023816.9)0,1023(E?????E（1023，0）=9.8508mV解:ClicktoeditMastertitlestyle18华北电力大学

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(4)热电偶的构造及结构形式

热电偶的结构

?热电极

?绝缘管

?保护套管

?接线盒

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采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。

它也是由两种不同性质的金属材料制成，在一定温度范围内（0～100℃）与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金属。见左图。

补偿导线接线图

(2)插入第三种导线的问题

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利用热电偶测量温度时，必须要用某些仪表来测量热电势的数值，见下图。

??????00teteteECABCABt???总的热电势

（3-69）

????????????0000000teteteteteteCABCABCABCAB??????能量守恒原理

（3-70）

????0teteEABABt??（3-71）

将式（3-70）代入式（3-65）

热电偶测温系统连接图

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说明：在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。

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????????110ABBCCBBAEetetetet????则上图(a)所示回路的总热电势为

(3-65)????????11110ABBCCBBAEetetetet?????如果假定各接点温度全为t1，代入式(3-65)，则有

第二种分析方法：

????0000()()ABBABCCBetetetet???因为

????0teteEABAB??带入3-65(3-68)ClicktoeditMastertitlestyle23华北电力大学

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在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。

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

铂铑10-铂

镍铬-镍硅

镍铬-铜镍

铜

铜

镍铬

铜镍

铜镍

铜镍

0.64±0.034.10±0.156.95±0.30常用热电偶的补偿导线

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注意

使用补偿导线时,应当注意补偿导线的正、负极必须与热电偶的正、负极各端对应相接。

此外,正、负两极的接点温度t1应保持相同,延伸后的冷端温度

t0应比较恒定且比较低。

其本身材料作补偿导线,将冷端延伸到环境温度较恒定的地方。

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3.冷端温度的补偿

在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为０℃，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。一般采用下述几种方法。

图5-12

热电偶冷端温度保持０℃的方法

（1）热电势的修正方法

在实际生产中，冷端温度往往不是0℃，而是某一温度t0，这就引起测量误差。因此，必须对冷端温度进行修正。

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??????0,0,,00tEtEttEABABAB??实际生产中，其冷端温度为t0，即有

??????0,,0,00tEttEtEABABAB??或

由此可知，热电势的修正方法是把测得的热电势

EAB（t，t0），加上热端为室温t0，冷端为0℃时的热电偶的热电势EAB（t0，0），才能得到实际温度下的热电势EAB（t，0）。

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例2今用一只镍铬-镍硅热电偶,测量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

E(800,30)。(温度是已知的)

解：由附录三可以查得

E(800,0)=33.277(mV)

E(30,0)=1.203(mV)

将上述数据代入式(5-3),即得E(800,30)=E(800,0)-E(30,0)=32.074(mV)ClicktoeditMastertitlestyle28华北电力大学

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例3某支铂铑10-铂热电偶在工作时，自由端温度t0=30℃,测得热电势E(t,t0)=14.195mV，求被测介质的实际温度。

（也就是求E(t,0)，再查表求实际温度）

解:由附录一可以查得

E(30,0)=0.173(mV)代入式(5-3)变换得

E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=0.173+14.195=14.368(mV)再由附录一可以查得14.368mV对应的温度t为1400℃。

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（2）校正仪表零点法

若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不偏低，可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上。

注意：

只能在测温要求不太高的场合下应用。

（3）补偿电桥法

利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。

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由于电桥是在20℃时平衡的，此时对仪表的读书无影响。环境温度高于20℃，热电偶因冷端温度上升，热电势减弱，热敏电阻阻值增大，电桥不平衡电压将会补偿热电势的损失。

注意！

具有补偿电桥的热电偶测温线路

??????0,0,,00tEtEttEABABAB??ClicktoeditMastertitlestyle31华北电力大学

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三、热电阻温度计

????001ttRRt????

对于线性变化的热电阻来说，其电阻值与温度关系如下式

tRRtt???0?

热电阻温度计适用于测量-200～+500℃范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度。

1.测温原理

利用热电阻的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。

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2.工业常用热电阻

作为热电阻的材料一般要求是：

?

电阻温度系数、电阻率要大；

?

热容量要小；

?

在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质和良好的复制性；

?

电阻值随温度的变化关系，最好呈线性；

?

价格便宜。

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(1)铂电阻

金属铂容易提纯,在氧化性介质中具有很高的物理化学稳定性,有良好的复制性。但价格较贵。

要确定Rt～t的关系,首先要确定R0的大小。R0不同,Rt～t的关系也不同。这种Rt～t的关系称为分度表,用分度号来表示。

工业上使用的铂电阻主要有分度号为Pt100,它的R0

=100Ω,其分度表见附录五。

在0～630.7