Lesson03-04-温度检测仪表

检测仪表概述温度检测仪表压力检测仪表流量检测仪表物位检测仪表成分分析仪表2检测仪表《过程控制系统及自动化仪表》温度测量仪表目的检测连续生产过程中参数，如温度、压力、液位、流量、成分等组成2.1过程检测仪表概述

输出装置传感器(敏感元件)变送装置显示记录装置参数检测的自然定律守恒定律能量、动量、电荷量守恒场的定律动力场、电磁场、光的电磁场等物质定律物质本身内在的性质参数；功能材料等统计法则有待深入！2.1检测仪表概述敏感元件的基础效应敏感元件按照一定原理把测量信息转换成另一种可进一步处理或表示的信息。该过程一般利用诸多基础效应(如物理效应、化学效应和生物效应等)和物理现象。2.1检测仪表概述敏感元件的基础效应(续)2.1检测仪表概述检测仪表概述温度检测仪表压力检测仪表流量检测仪表液位检测仪表成分分析仪表2检测仪表温度检测概述热电偶测温原理热电阻测温原理新型温度传感器接触测温元件的安装原则测温元件的选型原则温度的显示与记录温度变送器原理

2.2温度检测仪表

2.2.1温度检测概述

温度：表征物体冷热程度的一个物理量。温标：将温度数值化的一套规则和方法，

温标有起点、单位和方向。温标有华氏、摄氏及开氏温标（热力学温标）。温标换算公式

温度检测方法

类型形式原理范围，℃准确度，℃特点常用种类接触式膨胀式膨胀-200~6500.1~5结构简单，适于就地测量水银式双金属压力式压力-200~6000.5~5可防爆，适于远传，精度低液体式蒸汽式热电阻热阻-200~8500.01~5响应快，精度高，可远传铂、铜、热敏式热电偶热电-200~18002~10响应快，精度高，线性度差N、K、E、J、T、B非接触辐射式热辐射100~30001~20响应快，精度不稳定辐射、光电、红外非接触式测温

通过热辐射来测温，不会破坏被测介质的温度场，误差小，反应速度快；测温上限原则上不受限制；易受被测物体热辐射率及环境因素(物体与仪表间的距离、烟尘和水汽等)的影响。由于各物体辐射能力不同，需根据其吸收系数对读数进行修正，且一般误差较大。对1800℃以上高温，辐射温度计是唯一可用的测温仪表。

红外线测温技术使非接触测温下限向常温扩展。红外线测温计光学高温计1、辐射式温度计通过测量物体热辐射功率来测量温度。2、红外式温度计通过测量物体红外波段热辐射功率来测量温度。接触式测温接触测量，简单、可靠、精度高；测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学反应；因受到耐高温材料的限制，测温上限有界。主要类型：非电参数温度传感器：膨胀式和压力式等。电参数温度传感器：热电偶、热电阻、半导体热敏元件等。玻璃管温度计接触式非电参数测温仪表1、膨胀式温度计膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。液体膨胀式温度计：利用液体（水银、酒精）受热时体积膨胀的特性测温。固体膨胀式温度计用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊接在一起制成双金属片。受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲。

双金属片常用来做温度报警或控制随着温度上升，双金属片逐渐弯曲，当其触点接触到固定触点时，报警灯和继电器回路被接通。调节螺钉用来调整固定触点的位置，以调整报警温度。双金属片调节螺钉绝缘柱

如图是一双金属温控器。继电器原理:封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽，受热后体积膨胀，压力增大。2、压力式温度计利用封闭容器中的介质压力随温度变化的现象来测温。1、热电偶温度计利用物体的热电性质测温。2、热电阻温度计利用金属电阻值或半导体电阻值随温度变化的性质测温。3、半导体温度计利用半导体PN结的结电压随温度变化的特性，通过测量感温器元件（结）电压变化来测量温度。接触式电参数测温仪表：2.2.2热电偶测温原理（1）热电偶的测温原理：热电效应两种不同导体接触并构成回路，若两个接点温度不同，则回路中出现毫伏级热电势，并产生电流。当一端温度固定，则该热电势与温度有准确的单值对应关系特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。一般用于测量500～1600℃之间的温度。1、接触电势当不同导体A、B接触时，两边的自由电子密度不同，在交界面上产生电子的相互扩散，致使在接触处产生接触电势。

其大小取决于两种材料的种类和接触点的温度。t热端A

Bt0冷端eAB(t)=KtelnNA(t)

NB(t)

NA(t)、NB(t)

—自由电子密度；

e—单位电荷2、温差电势对于同一金属A（或B），其两端温度不同，自由电子所具有的动能不同，也会产生相应的电势，称为温差电势。热电势由两部分组成：

接触电势和温差电势。

但温差电势值远小于接触电势，常忽略不计。tA

Bt0

3、回路总电势热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加而成，称为热电势EAB

。因由于温差电势很小，热电势基本由接触电势eAB

构成：

EAB

(t，t0)=eAB

(t)-eAB

(t0)计算式中，有的常数很难确定，无法实用。

实际中用实测标定。但从上述公式可以得出基本结论：对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。

当冷端温度固定时，E(t，t0)是热端温度t的单值函数。热电偶三大定律

均质导体定律：由一种均匀介质导体组成的闭合回路，不论导体的

截面、长度以及各处温度分布，均不产生热电势。

(如果导体不均质，会产生附加电势，引起测量误差)中间导体定律：由导体A、B组成热电偶回路，当引入第三种导体

C时，主要保持导体C两端温度相同，则引入导体

C对回路总热电动势无影响。

(保证导线两端温度相同，可方便连接各种仪表、导线)中间温度定律：总热电动势等于热电偶与连接导体的热电动势代数和。

(连接导电特性相同的导体起到延长热电极作用)标准电极定律

标准电极定律：

如果导体A、B分别与第三导体C组成热电偶，测量端温度均为t，参考端温度均为t0，产生的热电动势分别为EAC(t,t0)和EBC(t,t0)，则由导体A、B组成的热电偶产生的热电动势为：

EAB(t,t0)=EAC(t,t0)-EBC(t,t0)=EAC(t,t0)+

ECB(t,t0)

称第三导体C为标准电极，一般选择纯铂。

(只要知道材料与标准电极的热电动势，就可以求出任意两种材料组成热电偶的热电动势)热电偶特点

热电动势与温度在小范围内基本上呈单值、

线性关系；稳定性和复现性较好；响应时间较快；测温范围宽，高温热电偶测温上限可达2800℃,

低温热电偶可达4K；测温精度高；使用范围广。几点结论若两种导体相同则无论两端点温度如何，

回路中热电势为零。若两端点温度相同，而A、B材料不同，

回路中热电势为零。热电势与材料的中间温度无关，

只与两接点温度有关。热电势的大小取决于两种导体的材质

和接触点的温度。热电偶的构造热电偶是用两种不同材料的偶丝或薄膜一端焊接而成。其构造分普通型、铠装型、薄膜型等。普通型铠装型薄膜型热电偶分度号理论上任何两种导体或半导体都可以组成热电偶，但考虑有良好的应用性能，必须对热电偶材料加以选择。选取原则

在测温范围内具有稳定的化学及物理性质，热电势要大，且与温度接近线性关系。

IEC国际标准国际电工委员会（简称IEC）规定了热电偶材料的取材标准。用分度号命名不同取材的热电偶，并给出了标准的热电势分度表：S,B,E,K,R,J,T七种标准.

几种常用的标准型热电偶简介热电偶名称分度号测温范围/℃平均灵敏度特点铂铑30—铂铑6B0～180010μV/℃稳定性好,精度高,可在氧化气氛使用铂铑l0—铂S0～160010μV/℃同上，线性度优于B镍铬—镍硅K0～100040μV/℃价廉,，可在氧化及中性气氛中使用镍铬—康铜E-200～90080μV/℃灵敏,价廉,可在氧化及弱还原气氛中使用铜—康铜T-200～40050μV/℃价廉,但铜易氧化,常用于150℃以下温度测量镍铬—镍硅热电偶分度表（简表）分度号Kt0=0℃，E/mVt/℃0010203040506070809000.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.63213.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.897100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.05948.462120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.398铂及其合金（B、S）属于贵重金属，价格很贵，但其热电势非常稳定，主要用做标准热电偶及测量1100℃以上的高温。镍铬－镍硅（K）

线性度最好镍铬－康铜（E）

灵敏度最高铜－康铜（T）

价格最便宜不同材质的热电偶，其热电势与热端温度的特性关系不同。热电偶温度补偿

只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。热电偶的温度补偿(也称冷端处理)：把热电偶延伸到环境中以便测量和稳定冷端温度。补偿导线计算校正冰浴补偿电桥1.

补偿导线

使冷端延伸到恒温或温度波动较小的地方。

对贵重金属不经济。选配廉价的补偿导线与冷端连接，且在0~100℃内

应与所连接材料具有相同的热电性能。热电偶配套的补偿导线（绝缘层着色）分度热电偶材料测温范围/℃型号正极材料负极材料长期短期S铂铑10－铂0～13001600SC铜（红）铜镍（绿）B铂铑30－铂铑6

0～16001800BC铜（红）铜（灰）K镍铬－镍硅-50～10001300KX镍铬（红）镍硅（黑）T铜－康铜-200～300350TX铜（红）康铜（白）补偿导线示例

2.

计算校正

如果冷端温度不为0℃，而是温度的t0>0℃，则

应按下式进行修正：

E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)[例2-1]热电偶分度号为E，冷端为30℃时测得热电

动势为55.498mV，求被测介质的实际温度。3.冰浴法把热电偶的冷端插入盛有绝缘油的试管中，然后将试管放入装有冰水混合物的容器中，保持冷端为0℃。这种方法多数实验室中对热电偶的检定。4.补偿电桥利用不平衡电桥产生的电动势，补偿热电偶因冷端温度变化引起的热电动势的变化值，通常按t0=20℃设计。AB+—热电偶补偿导线铜导线t0rrRcuER'RpuabI'IAB+—热电偶补偿导线铜导线t0rrRcuER'RpuabI'I补偿电桥法基本原理2.2.3

热电阻测温原理

在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高；热电阻有金属热电阻和半导体热敏电阻两类；热电阻特点性能稳定、测量精度高，一般可在-270～900℃范围内使用（推荐在150℃以下时选用）。热电阻的材料要求一般要求工业热电阻的材料应具有：电阻温度系数大；电阻率大；热容量小；在测温范围内具有稳定的物理和化学性能；良好的复制性；电阻随温度的变化呈线性关系等。常用金属热电阻材料目前世界上用作热电阻的材料主要有铂、铜及镍，也有铟电阻、锰电阻及碳电阻；我国镍储量较少，故只采用铂、铜两种金属热电阻。电阻温度关系：

Rt=R0

[1+At+Bt2+C(t-100)t3]

(-200~0℃)Rt=R0

(1+At+Bt2)

(

0~850℃)铂电阻有两种分度号：Pt10,Pt1001.铂电阻

铂材料容易提纯，其化学、物理性能稳定；测温复现性好、精度高。被国际电工委员会规定为-259~+630℃间的基准器，但线性度稍差，常用于-200~+600℃温度测量。2.铜电阻铜电阻价格便宜，线性度好，但温度稍高易氧化，常用于-50~+100℃温度测量。铜电阻有两种分度号：Cu50，Cu100。电阻温度关系：

Rt=R0

(1+αt)

(-50~150℃)

热电阻的结构型式常见结构型式：普通型热电阻铠装热电阻以云母片或石英玻璃柱作骨架，将金属丝用双线法绕在骨架上，以消除电感。薄膜型热电阻热电阻结构普通型铠装型薄膜型热电阻的三线制接法电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，必须用三线接法。热电阻一端接两根导线(一根为电源)，另一端接一根导线，分别将两端引线接入两个桥臂，能较好的消除电阻影响。注意：引线必须从感温体根部接出，不能从热电阻接线端子引出。测量仪表Rt三线制接法二线制接法vs.三线制接法此时电桥平衡条件：此时电桥平衡：RtR1rrrR3R4abR2RtR1rrR3R4R2

热敏电阻半导体材料的电阻值具有负温度系数，可作为温度传感元件。称为NTC型热敏电阻。主要特点：负温度系数热敏电阻特性

电阻率大—电阻体积小，

响应快，0.5~3s；温度系数大—灵敏度高；非线性严重—影响精度。温度特性分散—互换性差

T(℃)1081061041021001601208040RT(Ω)

热敏电阻对金属材料，温度变化1℃其阻值变化为0.4%~0.6%；对半导体材料，其热敏电阻变化可达2%~6%；灵敏度比金属电阻高一个数量级。因此，测量和放大电路更为简单。目前，热敏电阻的温度范围为：-50℃~300℃

2.2.4

新型温度传感器1.集成温度传感器：利用PN结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种固态传感器。将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成，相当于一个测温器件。特点：体积小，价格低；热惯性小、反应快；测温精度高；测温范围为-50~150℃；稳定性好，线性度好。分电压型、电流型、数字型，电压型温度系数约10mV/℃

，电流型温度系数约1μA/℃

。

2.2.4

新型温度传感器2.光纤温度传感器：利用光纤作为敏感元件或能量传输介质构成新型测温仪表。特点：灵敏度高、电绝缘性好，

适于强电磁、强辐射等场合；体积小、重量轻、可弯曲；可实现不带电全光型探头等。有接触式和非接触式等多种型式。液晶/荧光/半导体光纤温度传感器光纤辐射温度计2.2.4

新型温度传感器3.石英晶体温度传感器：利用石英晶体固有频率随温度变化而变化的特性来测温。适于中低温测量。特点：高分辨力：0.001~0.0001℃高精度：-50~120℃内误差±0.05℃

(普通温度计误差±0.1℃)高线性度：0.002%高稳定度：年变化0.02℃抗冲击性能差。2.2.5接触测温元件的安装与选型原则

安装原则：测量流动介质（管道内）温度时，应保证传感器与介质充分接触，与被测介质成逆流状态（至少呈正交式）安装。

感温点应处于管道中流速最大的地方。

尽可能增大传感器的插入深度，温度计应斜插或在管道弯头处插入。当测温管道过细（直径小于80mm）时，安装测温元件需加装扩充管。

安装原则（续）热电偶及热电阻在安装时，应使其接线盒的面盖向下，以免雨水或其他污物渗漏。

安装在负压管道上的温度计，必须要保证良好的密封性，以防外界冷空气进入。

用热电偶测量炉膛温度时，应避免与火焰直接接触；避免把热电偶安装在炉门旁或与热物体距离过近之处。接线盒不应碰到被测介质的器壁，以免热电偶冷端温度过高。

选型原则

仪表的精度等级应根据生产工艺对参数允许偏差的大小确定。仪表选型应力求操作方便、运行可靠、经济、合理等。在同一工程中，应尽量减小仪表的品种和规格。一般取实测最高温度为仪表上限值的90%，而30%以下的刻度原则上最好不用。选型原则（续）热电偶测温反应速度快、适于远距离传送、便于与计算机联用、价廉，故只在测量范围低于150℃时才选用热电阻。热电偶、补偿导线及显示仪表的分度号要一致。保护套管的耐压等级应不低于所在管线或设备的耐压等级。材料应根据最高使用温度及被测介质的特性来选择。

就地温度仪表选型一般宜选用带保护套管的双金属温度计(-80~500℃)；在精度要求较高、振动较小、观察方便的场合，可选玻璃液体温度计；被测温度在-200~50℃或-80~500℃内，或有振动且精度要求不高时，可选压力式温度计。

集中温度仪表选型热电偶适于一般场合，

热电阻适于精度要求较高、无振动场合，

热敏电阻适于测量反应速度快的场合；当测量物热容较小，要求测温元件有快速响应，或为节省特殊保护管材料时，应选择铠装热电阻或热电偶。注意：保护套管会增大温度检测的时间。2.2.6测温示例采用接触式方法，测温元件直接插入流体。注意合理的选择测点位置，使测温元件与流体

充分接触。测点位置为代表性地点，避免电磁干扰有一定的插入深度，感温点应处于管道中心

流速最大处高温管道在引出处加绝热材料以保温。1.管道内流体温度的测量测温元件需保证一定的插入深度因烟道直径较大，应注意减少套管的导热误差和热辐射误差，一般选择接触式测温元件。测量辅助措施：在测温元外围加热屏蔽罩采用抽气方法加大流速，增强对流换热，

减少热辐射2.烟气温度的测量烟气温度测量示意为减少测量误差，提高测量准确性的措施：合理选择测量距离：

L/d的要求减小发射率影响：

改善表面粗糙度，涂覆高发射率涂料，表面适度氧化减少光路传输损失：

选择特定工作波长，加装吹净装置或窥视管等减低背景辐射影响：加遮光罩、窥视管或选择特定工作波长3.非接触式测量物体表面温度2.2.7温度显示与记录1.动圈式指示仪表可直接与热电偶、热电阻配套显示温度，是最简单的模拟指示仪表。热电偶、热电阻等传感元件的测温信号，必须经后级仪表处理，将温度显示出来或记录保存。动圈式仪表实质上是测量电流的仪表，其指示机构的核心部件是一个磁电式毫安表。利用通电线圈在磁场中受到力矩的作用产生偏转的原理，带动装在动圈上的指针移动，从而指示出被测参数。2.数字式指示仪表数字式指示仪表是以数字电压表为主体而构成的测量仪表。其原理框图如下：

检测变送寄存器模/数转换脉冲计数脉冲信号数字译码器显示器配热电偶的数字式测温仪表标准热电势滤波放大线性化标度变换3.自动记录仪表自动记录仪能实时记录被测参数。

记录的方式有纸记录和无纸记录两类。数字式记录仪表形式多样，内装CPU，无纸记录被测参数。可实时显示，也可随时调出历史曲线。可多通道记录。检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将不标准的检测信号，如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号输出。模拟控制系统的信号标准是：DDZI、II型：0~10mA、0～10VDDZIII、S型：4～20mA、1～5V2.2.8温度变送器原理模拟式温度变送器模拟式温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但结构基本相同。-+电量传感元件被测温度输入电路放大电路反馈电路输出电流温度变送器原理框图E1以DDZ-III型热电偶温度变送器为例:Et反馈反馈放大电路

电源输入电路输出电路1、输入电路热电偶温度变送器的输入电路主要是在热电偶回路中串接一个电桥电路。电桥的功能是实现热电偶的冷端补偿和零点迁移。Ei

=Et+VRcu

-VR4冷端补偿设计：∆VRcut0

=E(t0

,0)Ei零点调整温度补偿零点迁移的作用：有些工艺的参数变化范围很小。例如，某设备的温度总在500～1000℃之间变化。如果仪表测量范围在0～1800℃之间，则500℃以下、1000℃以上的测量区域属于浪费。因为变送器的输出范围是一定的。可通过零点迁移，配合量程调整，使仪表的测量范围在500～1000℃之间，可提高测量精度。180050018000变送器输出Io/mA温度T/℃50010000变送器输出Io/mA温度T/℃50010000变送器输出Io/mA温度T/℃204442020

a.未迁移

b.零点正向迁移

c.零点正向迁移且缩小量程温度变送器的零点迁移和量程调整RP1为零点迁移电位器，RP2为量程迁移电位