化工仪表第3章5温度检测课件

化工仪表及自动化第五节温度检测及仪表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 一、概述一、测温仪表的分类反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。温度概念的建立及测量：以热平衡为基础的；温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。分类按测量方式

接触式与非接触式

一、概述测温方式温度计种类优点缺点使用范围／℃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-100～100（150）有机液体0～350（-30～650）水银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

-80～600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-30～600液体型0～250蒸汽型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

-200～600铂电阻-50～150铜电阻-50～150（180）镍电阻-100～200（300）热敏电阻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

0～1300（1600）铂铑10-铂-50～1000（1200）镍铬-镍硅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700～3200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0～2000）表3-3各种温度计的优缺点及使用范围4接触式测温温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。常用的接触式测温仪表： (1)膨胀式温度计。 (2)热电阻温度计。 (3)热电偶温度计。 (4)其他原理的温度计。非接触测温

温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。

常用的非接触式测温仪表： (1)辐射式温度计：基于普朗克定理 光电高温计，辐射传感器，比色温度计。 (2)光纤式温度计：光纤的温度特性、传光介质。 光纤温度传感器，光纤辐射温度计。优点：不与被测物体接触，不破坏原有的温度场，在被测物体为运动物体时尤为适用。缺点：精度一般不高。红外热像仪一、概述1.应用热膨胀原理测温图3-52双金属片

图3-53

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。一、概述2.应用压力随温度变化的原理测温3.应用热阻效应测温

4.应用热电效应测温

5.应用热辐射原理测温

二、热电偶温度计热电偶热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。图3-55热电偶温度计测温系统示意图1—热电偶；2—导线；3—测量仪表热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。图3-56热电偶示意图图3-57热电现象热电偶：两种不同的金属A和B构成闭合回路， 当两个接触端T﹥T0时，回路中会产生热电势。热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定（1）接触电势不同金属材料内部的自由电子密度不同，当A和B材料接触是，自由电子要从密度大的地方扩散到密度小的地方，从而产生自由电子扩散现象。自由电子从A扩散到B，扩散平衡时，A失去电子带正电荷，B得到电子带负电荷，因此在A、B接触处形成一定电位差，即接触电势（帕尔帖电势）。接触电势帕尔帖电势大小为：k——玻耳兹曼常数；K＝1.38×10-23

T——接触面的绝对温度；e——单位电荷量；e=1.6×10-19CNA——金属电极A的自由电子密度NB——金属电极B的自由电子密度汤姆逊电势大小为：δ——汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。

（3）热电偶回路的总热电势结论：

热电势存在必须具备两个条件：两种不同的金属材料组成热电偶它的两端存在温差。二、热电偶温度计注意

由于热电极的材料不同,所产生的接触热电势亦不同,因此不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的。同时温差电势远小于接触电势，常常忽略不计。热电偶一般都是在自由端温度为0℃时进行分度的,因此,若自由端温度不为0℃而为t0时,则热电势与温度之间的关系可用下式进行计算。

EAB(t,t0)=EAB(t,0)-EAB(t0,0)

二、热电偶温度计举例例1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)。解：由附录四可以查得

E(800,0)=33.277(mV)

E(30,0)=1.203(mV)将上述数据代入,即得E(800,30)=E(800,0)-E(30,0)=32.074(mV)二、热电偶温度计2.插入第三种导线的问题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。

总的热电势能量守恒原理（3-70）（3-71）将式（3-70）代入式（3-69）可得图3-60热电偶测温系统连接图（3-69）二、热电偶温度计说明：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。中间导体定律-此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须接入仪表(第三种材料)，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致(T0)，根据中间导体定律，仪表的接入就不会影响热电势。二、热电偶温度计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。二、热电偶温度计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表常用热电偶（1）铂铑30-铂铑6（B型）为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为0.5mm， 正极（BP）和负极（BN）的名义化学成分均为铂铑合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。 长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在0～40℃范围内热电势小于3µV。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵。（2）铂铑10-铂热电偶（S型）贵金属热电偶。电极线径规定为0.5mm， 正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金 负极（SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。 长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。优点：准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。（3）镍铬-镍硅热电偶（K型）使用量最大的廉金属热电偶，用量为其他热电偶的总和 正极（KP）的名义化学成分为：Ni:Cr=90:10， 负极（KN）的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3。 其使用温度为-50～1000℃。优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。K型热电偶不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。（4）镍铬-铜镍热电偶（E型）称为镍铬-康铜热电偶，也是一种廉价金属热电偶。 其正极（EP）为镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为55%的铜、45%的镍以及少量的钴、锰、铁等元素。该热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶之最，宜制成热电偶堆来测量微小温度变化。E型热电偶可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，抗氧化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、还原性气氛中。二、热电偶温度计4.热电偶的构造及结构形式

图3-61热电偶的结构热电极绝缘管保护套管接线盒普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰普通装配型热电偶的结构放大图

接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

柔性安装型铠装结构它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。测量端的热容量小，响应速度快，绕性好，可弯曲；可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合，耐压、耐振、耐冲击铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）

BA绝缘材料铠装型热电偶横截面表面热电偶：适用于表面温度瞬间测量微细铠装热电偶小形K型热电偶隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线隔爆型热电偶结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封;当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。二、热电偶温度计补偿导线与冷端温度补偿

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。1.补偿导线图3-62补偿导线接线图二、热电偶温度计假设将镍铬记为A、镍硅记为B、铜记为C、铜镍记为D,并考虑到引入铜导线对回路的总热电势没有影响(因其两端温度均为t0)，则图3-60所示回路的总热电势为如果假定各接点温度全为t1，代入上式，则有

或由于t1一般是在100℃以下,在此温度范围内,根据补偿导线的性质,有二、热电偶温度计将此式代入式便有因为故二、热电偶温度计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表3-7常用热电偶的补偿导线二、热电偶温度计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。对于镍铬-铜镍等一类用廉价金属制成的热电偶,则可用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。二、热电偶温度计2.冷端温度的变化对测量的影响及消除方法

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3-63

热电偶冷端温度保持０℃的方法（1）冷端温度保持为0℃的方法

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。二、热电偶温度计实际生产中，其冷端温度为t0，即有或

由此可知，冷端温度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）。（2）冷端温度修正法二、热电偶温度计举例例用铂铑10-铂热电偶进行温度检测,热电偶的冷端温度t0=30℃，显示仪表的温度读数(假定此仪表是不带冷端温度自动补偿且是以温度刻度的)为979℃，试求被测温度的实际值。解：由分度号为S的铂铑10-铂热电偶分度表(附录二)查出979℃时的热电势值为9.343mV。也就是E(t,t0)=9.343mV,又从分度表中查得E(t0,0)=E(30,0)=0.173mV。将此两个数值代入式EAB(t,t0)=EAB(t,0)-EAB(t0,0)，得

E(t,0)=9.343mV+0.173mV=9.516(mV)再查分度表可知,对应于9.516mV的温度t=994℃,这就是该支铂铑10-铂热电偶所测得的温度实际值。二、热电偶温度计（3）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。（4）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。

利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值二、热电偶温度计由于电桥是在20℃时平衡的，所以采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到20℃处。如果补偿电桥是在0℃时平衡设计的（DDZ-Ⅱ型温度变送器中的补偿电桥），则仪表零位应调在0℃处。注意！图3-64具有补偿电桥的热电偶测温线路二、热电偶温度计（5）补偿热电偶法

在实际生产中，为了节省补偿导线和投资费用，常用多支热电偶而配用一台测温仪表。图3-65补偿热电偶连接线路三、热电阻温度计在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温度的测量较为适宜。

热电阻温度计是由热电阻，显示仪表以及连接导线所组成。三、热电阻温度计利用导体或半导体材料的电阻率随温度变化的特性制成的传感器叫做热电阻式传感器。应用：对温度和与温度有关的参量进行检测。测温范围：中、低温区域（-200℃-650℃）低温方面也应用于1K-3K的温度测量，高温也有用于1000℃-1300℃测温元件可分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。三、热电阻温度计对于线性变化的热电阻来说，其电阻值与温度关系如下式

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。

三、热电阻温度计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，以提高热电阻的灵敏度；电阻率要大，以便减小电阻体尺寸；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；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；应有良好的可加工性，价格便宜。

实践证明，纯金属、铂、铜、铁和镍是比较适合的材料，其中主要应用的是铂和铜。

铂是一种贵重金属，其物理和化学性能非常稳定，是制造热电阻的最好材料，主要作标准电阻温度计。

铜可用来制造-50～150℃范围内工业用电阻温度外，特点是价格低廉，缺点是电阻率低，且容易氧化，一般用在较低温度和没有水分和浸蚀性的介质之中。三、热电阻温度计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。当温度t在0℃≤t≤650℃时：铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定。铂电阻的输出-输入特性接近线性，且测量精度高，所以它能用作工业测温元件和作为温度标准。按国际温标IPTS-68规定，在-259.34℃-630.73℃温域内，以铂电阻温度计作基准器。三、热电阻温度计2.铜电阻

应用：测量精度要求不高且温度较低的场合

测量范围：-50～150℃优点： 温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。缺点： 易于氧化，一般只用于150℃以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。 与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。热惯性较大，稳定性较差，在100℃以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。在-50～+150℃的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的。即

工业上常用的铂电阻有两种，一种是R0＝50Ω，对应的分度号为Cu50。另一种是R0＝100Ω，对应的分度号为Cu100。TSP系列铂电阻温度传感器铂金电阻温度传感器铂金电阻温度传感器Pt100核级电阻温度传感器

半导体热敏电阻：半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为：

式中，为温度t时对应的电阻值A、B是取决于半导体材料和结构的常数金属热电阻和半导体热敏电阻的比较：热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有－50～300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于测量－200～500℃范围内的温度测量，其特点测量准确、稳定性好、性能可靠，在过程控制领域中的应用极其广泛。√四、温度变送器

DDZ-III型温度(温差)变送器是电动单元组合仪表中的一个变送单元。

根据输入信号的不同，DDZ-III型温度变送器主要有热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器三种类型。电动温度变送器是工业生产过程中应用最广泛的一种模拟式温度变送器,它能与常用的各种热电偶和热电阻配合使用,将某点的温度或某两点的温差转换成相应的标准直流电流信号输出。——DDZ－III型温度变送器

主要有热电偶温度变送器和热电阻温度变送器两种:热电偶温度变送器：把mV信号转换为标准电流输出热电阻温度变送器：把Ω信号转换为标准电流输出最终要求：变送器输出电流Io应与被测温度t成线性对应关系热电偶温度变送器应主要要解决：冷端温度补偿和线性化处理两个内容热电阻温度变送器应主要要解决：克服引线电阻的影响和线性化处理两个内容四、温度变送器

DDZ-III型热电偶温度变送器和热电阻温度变送器的结构大体上可以分为温度检测元件、输入电路、放大电路和反馈电路,其原理框图如图所示。温度检测元件输入电路放大电路反馈电路被测温度输出电流I0图温度变送器原理框图四、温度变送器2、一体化温度变送器

它是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器。变送器模块和测温元件形成一个整体，可直接安装在被测设备上，输出为统一标准信号4～20mA。图3-73一体化温度变送器结构框图结构测温元件和变送器模块常用的变送器芯片：AD693、XTR101、XTR103、IXR100等变送器模块的正常工作温度-20～+80℃一体化热电偶温度变送器简图AD693的输入信号Ui为热电偶所产生的热电势Et与电桥的输出信号UBD之代数和

如果设AD693的转换系数为K，可得变送器输出与输入之间的关系为

一体化热电偶温度变送器结论：①变送器的输出电流I0与热电偶的热电势Et成正比关系。②RCu阻值随温度而变，合理选择RCu的数值可使RCu随温度变化而引起的I1RCu变化量近似等于热电偶因冷端温度变化所引起的热电势Et

的变化值，两者互相抵消。③W1的作用是调零，W2的作用是调满（量程）四、温度变送器3、智能式温度变送器以SMART公司的TT302温度变送器为例。优点

可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度；具有量程范围宽、精度高；环境温度和振动影响小、抗干扰能力强；质量轻；安装维护方便。四、温度变送器输入板主电路板液晶显示器信号输入信号输出图TT302温度变送器基本构成框图结构由硬件部分和软件部分两部分构成。输入板包括多路转换器、信号调理电路、A／D转换器和隔离部分，作用是将输入信号转换为二进制的数字信号，传送给CPU，实现输入板与主电路板的隔离。

用于热电偶的冷端温度补偿

核心采样、计算(控制)、输出

产生并输出满足FF标准的数字信号

显示

温度检测仪表的选用

工业上常见的温度检测仪表主要有:双金属温度计热电偶热电阻辐射式温度计等就地指示精度不高在线检测适用于测量500～1800℃范围的中高温度适用于测量500℃以下的中低温度一般用于2000℃以上的高温测量选择使用热电阻、热电偶时还应该根据相应的要求确定合适的分度号。例题分析举例1.用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度,在没有采取冷端温度补偿的情况下,显示仪表指示值为500℃,而这时冷端温度为60℃,试问实际温度应为多少?如果热端温度不变,设法使冷端温度保持在20℃,此时显示仪表的指示值应为多少?

解：显示仪表指示值为500℃时,由附录四可以查得这时显示仪表的实际输入电势为20.64mV,由于这个电势是由热电偶产生的,即

E(t,t0)=20.64(mV)由附录四同样可以查得

E(t0,0)=E(60,0)=2.436(mV)

例题分析由式可以得到

E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=20.64+2.436=23.076(mV)由23.076mV,查附录四,可得t≈557℃即被测实际温度为557℃。当热端为557℃,冷端为20℃时,由于E(20,0)=0.798mV,故有E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)=23.076-0.798=22.278(mV)由此电势,查附录四,可得显示仪表指示值约为538.4℃。由此可见,当冷端温度降低时,显示仪表的指示值更接近于被测温度实际值。例题分析2.如果用两支铂铑10-铂热电偶串联来测量炉温,连接方式分别如图（a)、(b)、(c)所示。已知炉内温度均匀,最高温度为1000℃,试分别计算测量仪表的测量范围(以最大毫伏数表示)。

图炉子温度测量例题分析解:(a)由于这时热电偶的冷端均为0℃,每支热电偶对应于1000℃时的热电势可以由附录二查得E(1000,0℃)=9.585(mV)两支热电偶串联,测量仪表所测信号的最大值为Emax=2×9.585=19.17(mV)根据这个数值可以确定仪表的测量范围。(b)由于这时不仅要考虑