化工测量仪表课件(温度)

第一章概述第二章膨胀式温度计

第三章热电偶温度计第四章热电阻温度计第五章

接触式温度计的安装

本篇小结10/5/20231第一章概述常用:

玻璃温度计、压力温度计、双金属温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等。返回下一页一、温度测量方法1.接触式测温

任意两个冷热程度不同的物体相接触，必然要发生热交换现象，热量将由温度高的物体传向温度低的物体，直到两物体完全达到热平衡状态为止。要求:

测温物体的物理性质必须是连续、单值地随温度变化，并且复现性好。需满足条件：感温部件与被测介质充分接触；保证热交换时间。10/5/202322.非接触式测温返回测温元件的任何部位均不与被测物体相接触。目前多以辐射式为主，通过被测物体与感温元件之间的热辐射作用实现测温。特点：不会破坏被测对象的温度场，可测移动或转动物体的温度，可通过扫描的方法测得物体表面的温度。反映速度较快，测温范围很广，原理上不受温度上限的限制。受物体发射率、对象与仪表间距、烟尘和蒸汽等介质的影响，准确性不高，通常用来测量1000℃以上的移动、旋转或反应迅速的高温物体温度。下一页上一页10/5/20233按测量方式：接触式和非接触两类。返回二、温标1.

摄氏温标（用t表示，单位记为℃。）2.国际温标热力学温度是基本温度，用T表示，单位开尔文，记为Ｋ。三、温度测量仪表的分类按工作原理：膨胀式、热电阻、热电偶及辐射式等。规定:

水的三相点热力学温度为273.16Ｋ；定义1K=1／273.16。0℃=273.15Kt＝T-273.15各常用测温仪表的测温原理、基本特性见表4-1-1。上一页10/5/20234第二章膨胀式温度计返回第一节玻璃管液体温度计第二节压力式温度计第三节

双金属温度计10/5/20235第一节玻璃管液体温度计测温原理结构与分类

返回10/5/20236一、测温原理液体受热后体积膨胀和温度的关系可用下式表示：Vt—液体在t℃时的体积;Vt0

—液体在t0℃时的体积;α—液体的体积膨胀系数;α′—盛液容器的体积膨胀系数。返回Vt＝Vt0(α－α′)(t－t0)α

与α′差别越大，灵敏度越高。(4－2-1)

10/5/20237二、结构与分类1.按结构分为棒状温度计内标尺式温度计外标尺式温度计：毛细管固定在标尺板上，多用来测室温。2.按用途分为标准温度计：有棒状、内标尺式的，分一等和二等，分度值为0.05～0.1℃。工业用温度计实验室用温度计：形式与标准的相仿，精度较高。返回一般为内标尺式。10/5/20238返回10/5/20239第二节压力式温度计结构

测温原理

返回10/5/202310一、结构温包内充填的感温介质有气体、液体及蒸发液体等。

毛细管容积<<温包容积，通常为铜或不锈钢冷拉无缝管，内径0.4mm左右，长度<50m。返回10/5/202311二、测温原理返回液体压力温度计若忽略温包、毛细管和弹性元件组成的密封系统容积变化，对一定质量的液体，压力与温度的关系可表示为：Pt—工作液在t时的压力;

Pt0—工作液在t0时的压力;α—工作液的体积膨胀系数;

β—工作液的可压缩系数。多以有机液（甲苯、酒精、戊烷等）或水银作感温介质。即：下一页10/5/202312第三节双金属温度计测温原理双金属温度计的结构

返回10/5/202313一、测温原理

x—双金属片自由端的位移；

l—双金属片的长度；

d—双金属片的厚度；Δt—双金属片的温度变化量；

G—弯曲率返回两种膨胀系数不同的金属组成固体膨胀式温度计。测量范围-80～600℃，精度1、1.5、2.5级。10/5/202314二、双金属温度计的结构返回下一页10/5/202315返回上一页10/5/202316第三章热电偶温度计返回第一节测温原理

第二节热电偶材料与结构第三节热电偶冷端温度的处理方法第四节

热电偶测温线路及误差分析10/5/202317第一节测温原理概述温差电势接触电势热电偶的基本定律

返回10/5/202318概述返回

两种不同导体或半导体连接成闭合回路，若两个接点的温度不同，在该回路内就会产生热电动势，此现象称热电效应。10/5/202319一、温差电势同一导体中，因其两端温度不同而产生的热电势。

返回（4-3-1）σA—导体的汤姆逊系数。表示温差1℃(或1K)所产生的电动势，与材料性质及两端温度有关。

温差电势只与导体材料性质和两端温度有关，与导体长度、截面及沿导体长度上的温度分布无关。10/5/202320二、接触电势两种电子密度不同的导体接触时产生的热电势。

k—波尔兹曼常数；

e—单位电荷；

NA、NB—温度为t时，A、B导体的电子密度；

t—接触点的温度。返回下一页（4-3-2）只与两种导体的性质和接触点温度有关。

若两导体材料一定，仅与其接点温度有关。t↑→eAB(t)↑

10/5/202321热电偶回路总电势EAB(t,t0)＝eAB(t)+eB(t,t0)-eAB(t0)-eA(t,t0)

eAB(t)＝-eBA(t)EAB(t,t0)＝-EBA(t,t0)＝-EAB(t0,t)

温差电势<<接触电势，则回路总电势EAB(t,t0)的方向取决于eAB(t)的方向。脚标AB的顺序表示热电势的方向，若顺序改变，则热电势符号也随之改变。即：返回(4-3-3)A、B导体材料确定，t0不变，总电势为t的单值函数。

不同热电极制成的热电偶，在相同温度下产生的热电势不同，见各热电偶分度表。上一页10/5/202322三、热电偶的基本定律eC(t1,t1)＝0

eBC(t1)＝-eCB(t1)eBA(t0)＝-eAB(t0)eA(t0,t)＝-eA(t,t0)eB(t,t1)+eB(t1,t0)＝eB(t,t0)上一页下一页返回（一）中间导体定律EABC(t,t1,t0)＝eAB(t)+eB(t,t1)+eBC(t1)+eC(t1,t1)+eCB(t1)+eB(t1,t0)+eBA(t0)+eA(t0,t)

据温差和接触电势定义，可得则上式可整理为

EABC(t,t1,t0)＝eAB(t)+eB(t,t0)-eAB(t0)-eA(t,t0)

＝EAB(t,t0)10/5/202323上一页下一页返回同理：可证图(b)，回路中2、3接点温度均为t0

，回路中总热电势仍为EAB(t,t0)。中间导体定律：回路中引入第三种导体C时，只要保持导体C两端温度相同，则对总电势无影响。10/5/202324由一种均质导体组成的闭合回路，无论导体截面、长度以及各处温度分布如何，均不产生热电势。(二)均质导体定律上一页下一页返回定律说明：若两热电极分别由两种均质导体组成，则热电势仅与两接点温度有关，与沿热电极的温度分布无关。用于衡量热电极材料的均匀性。10/5/202325EABBˊAˊ(t,tn,t0)=EAB(t,tn)+EAˊBˊ(tn,t0)

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

（三）中间温度定律返回（四）

标准电极定律若连接点温度为tn，连接导体Aˊ或Bˊ的热电特性与A、B相同，则总热电势等于热电偶与连接导体的热电势的代数和。即

导体A、B分别与导体C组成热电偶，测量端温度均为t，参考端均为t0

，则10/5/202326第二节热电偶材料与结构返回热电偶材料及特性热电偶的结构10/5/202327下一页（一）标准化热电偶一、热电偶材料及特性1．铂铑10—铂热电偶（分度号：S）2．铂铑13—铂热电偶（分度号：R）3．铂铑30—铂铑6热电偶（分度号：B）贵金属，用于精密温度测量及作为基准热电偶。0～1400℃，短期1600℃。误差可为±1℃。热电势比S热电偶大15%左右，其它性能几乎相同。测温范围：同S，误差±(1±0.25%t）℃。高温热电偶。热电势小，冷端温度在40℃以下使用时，一般不需进行冷端温度补偿。价格高。0～1600℃，短期1800℃。误差±0.25%t℃～±4℃。返回10/5/2023284．镍铬—镍硅热电偶（分度号：K）5．镍铬—康铜热电偶（分度号：E）6．铜—康铜热电偶（分度号：T）返回下一页上一页热电特性近似线性，热电势比S热电偶高3～4倍，复制性好，价格便宜。-200～1000℃，短期1300℃。误差±1.5～2.5℃。灵敏度最高。价廉，湿度较大时较其它热偶耐腐蚀。-200～750℃，短期870℃。误差±1.5～2.5℃。在廉价金属热电偶中精确度最高，稳定性好，低温测量灵敏度高。-200～300℃，短期350℃。误差±0.5～1℃。10/5/202329下一页返回上一页

8．镍铬硅—镍硅热电偶（分度号：N）

1300℃以下，高温抗氧化能力强，稳定性及复现性好，耐核辐射及耐低温性能好。有取代廉价金属热电偶与部分替代S热电偶的趋势。-200～1200℃，短期1300℃。误差±1.5～2.5℃。9．钨铼系列热电偶钨铼5—钨铼26热电偶分度号：WRe5-WRe26。钨铼3—钨铼25热电偶分度号：WRe3-WRe25。用于1600℃以上高温。上限达2800℃，最好2000℃以下使用。误差±1%t℃。热电特性曲线7．铁—康铜热电偶（分度号：J）700℃以下线性非常好，具有较高的灵敏度。-40～700℃，短期750℃，误差±1.5～2.5℃。10/5/202330(二)非标准化热电偶

上一页返回1．镍铬—金铁热电偶用于0～273K低温，误差±0.5℃,是较理想的低温测量热电偶。2．非金属热电偶热电势远大于金属热电偶；熔点高,复现性差，机械强度较低。(1)石墨—碳化钛热电偶（C—TiC)

含碳气氛、中性气氛中可测2000℃高温。(2)WSi2—MoSi2热电偶

含碳气氛、中性和还原性气氛中,可达2500℃。(3)碳化硼—石墨热电偶（B4C—C）

600～2000℃范围内线性好，热电势大，为钨铼热电偶的19倍，最适宜作控制信号。10/5/202331返回标准化热电偶的热电特性曲线10/5/202332二、热电偶的结构下一页返回1.普通型热电偶热电极:

贵金属D=0.3～0.65mm，普通金属D=0.5～3.2mm。长度由安装条件及插入深度而定，一般350～2000mm。绝缘子:

材料有聚四氟乙烯、石英、陶瓷管等，结构有单孔、双孔和四孔之分。保护套管：有金属、非金属和金属陶瓷三类。接线盒：用于导线与热电极连接。常用连接方式：螺纹或法兰连接10/5/202333返回上一页下一页固定螺纹锥形保护管连接

高强度结构，用于P<30MPa、流速<80m/s的测量。

螺纹连接或法兰连接用于P<10MPa的测量。

10/5/202334上一页2.铠装热电偶将热电极与绝缘材料及金属套管经整体复合拉伸工艺加工而成的可弯曲坚实组合体。

标准铠装型:

外径0.5～8mm，热电极直径0.1～1.3mm，套管壁厚为0.075～1mm，长度≤500m。

动态特性好，铠装型τ≤10s，普通型τ=10～240s，适用于温度变化频繁及热容量较小、结构复杂的对象。使用温度低、寿命短。返回下一页非标准化极细型：铠装热电偶的外径0.25～0.34mm。铠装热电偶10/5/202335返回上一页下一页10/5/2023363．高性能实体热电偶保护管壁厚是普通热电偶的1.1～1.3倍；即相当于厚壁粗偶丝的大铠装热电偶。特点：耐高温、寿命长、响应速度快。兼有铠装热电偶与普通热电偶的优点。新型热电偶（Solidpak）返回上一页下一页高温下热电极不易氧化，且导热性能大大提高，响应速度比普通型快6～10倍。

10/5/2023374．其它类型热电偶（1）薄膜热电偶

τ≤0.01S，用于-200～300℃快速变化的物体表面温度测量。（2）热套式热电偶（图4-3-15）（3）高温耐磨热电偶

返回上一页由两种金属薄膜在绝缘基板上连接而成的一种特殊结构的热电偶。用于高速流体测量，防止冲刷折断弯曲。采用耐磨合金电焊、等离子喷涂或热喷涂合金法制备保护管。提高保护管耐热冲击及耐磨损性能。

10/5/202338第三节热电偶冷端温度

处理方法补偿导线延伸法冰点法计算修正法仪表零点校正法

补偿电桥法

返回10/5/202339一、补偿导线延伸法返回补偿导线：两种不同导体材料制成，在一定温度(100℃以下)范围与所连接的热电偶热电特牲相同或十分相近，材料廉价。注意：与热电偶分度号相匹配，且极性不能接错。补偿型(C)：A≠Aˊ,B≠Bˊ，用于贵金属热电偶；延伸型(X)：A=Aˊ,B=Bˊ，用于廉价金属热电偶。补偿型必须保持热电偶与导线连接处的温度<100℃。

注意：补偿导线本身并无冷端温度补偿作用，仅起到了冷端延伸作用。10/5/202340二、冰点法返回E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)=

E(t,0)保持t0=0

℃一般在实验室精密测量中使用。则E(t0,0)=E(0

,0)=0由中间温度定律：即参考端（冷端）温度为0

℃，测量端温度为t℃的热电偶回路电势。

查相应热电偶分度表，则可得被测温度。10/5/202341三、计算修正法返回当t0≠0℃，测得的回路热电势为E(t,t0)，则E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)E(t,0)—冷端为0℃，测量端t℃时的热电势;

E(t,t0)—冷端为t0℃，测量端t℃时的热电势;E(t0,0)—冷端为0℃，测量端t0℃时的热电势，即冷端温度校正值（由分度表查得）。适用于实验室或临时性测温。10/5/202342四、仪表零点校正法若冷端温度t0

恒定，所配用的显示仪表无冷端温度补偿功能，而且零点调整较方便，则可用此法。将显示仪表零点调至t0

处，相当于事先输入了电势E(t0,0)，使显示仪表的输入电势为E(t,t0)+E(t0,0)=E(t,0)

t0变化时需重新调整仪表零点，调零时，应断开热电偶回路。返回10/5/202343五、补偿电桥法返回

R1、R2和R3

锰铜丝绕制,RCu铜丝绕制。t0=0℃：R1=R2=R3=RCu=1Ω桥路无输出，Uab=0选择桥路电流，使得

Uab

+E(t,t0)≈E(t,0)t0>0℃，E(t,t0)↓RCu↑→Ua>

Ub→Uab↑因补偿是一种近似补偿，通常电桥取在20℃时平衡。显示仪表的零位应调到20℃处。即Uab=E(t0,0)10/5/202344二、热电偶测量误差分析返回上一页（一）热电偶本身的误差（二）热交换引起的误差

热辐射损失和导热损失所致。（四）显示仪表的误差（三）补偿导线引入的误差

2．热电特性变化引起的误差:产生“蜕变”误差或“漂移”。1．分度误差:校验时的误差。对热电偶进行定期检查和校验可消除。10/5/202345第四章热电阻温度计返回第一节测温原理第二节

材料与结构10/5/202346第一节热电阻的测温原理测温原理材料与温度的关系

返回10/5/202347一、测温原理返回基于金属导体或半导体电阻值与温度呈一定函数关系的原理。金属导体电阻Rt＝Rt0[1＋α(t-t0)]

Rt

一温度为t℃的电阻值;Rt0一温度为t0℃的电阻值;α一电阻温度系数。半导体电阻RT

＝AeB/TRT一温度为T的电阻值;T一绝对温度，Ｋ；

e一自然对数的底，2.71828;A、B一常数，与材料有关。温度每上升1℃:导体电阻增大0.36～0.68%；半导体电阻下降3～6%。10/5/202348二、热电阻材料与温度的关系电阻温度系数：温度变化1℃时电阻值的相对变化量。

Rt、Rt0—在t或t0时的电阻值。

一般导体电阻与温度为非线性，对任意温度下α代表相对灵敏度，以材料纯度衡量，用电阻比表示Wt=Rt

/Rt0

令t0=0℃，t=100℃，则W100=R100/R0

返回（4-4-3）W100

↑→材料纯度↑→α↑。国际温标规定：标准铂热电阻温度计，W100≥1.39250。基本参数（4-4-4）10/5/202349第二节热电阻材料与结构金属热电阻半导体热电阻返回10/5/202350一、金属热电阻（1)电阻温度系数大，即灵敏度高；（2)物理化学性能稳定，能长期适应较恶劣的测温环境，互换性好；

(3)电阻率要大，以减小电阻体积，减小热惯性；

(4)电阻与温度近似为线性关系，测温范围广；

(5)价格低廉，复制性强，加工方便。

返回下一页（一）热电阻材料要求10/5/2023511.铂热电阻测温范围-200～850℃。分度号:Pt10

、Pt100。返回下一页上一页-200℃～0℃范围内，电阻与温度关系为：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3](4－4-7)0～850℃范围内Rt=R0(1＋At＋Bt2）(4－4-8)R0—0℃时的阻值；分别为R0=10Ω和R0=100Ω。A＝3.90802×10-31/℃;B＝-5.80195×10-71/℃2;C＝-4.27350×10-121/℃4。平均温度系数为α＝3.85×10-31/℃。Rt≈R0(1+αt)

Pt10热电阻电阻丝较粗，主要用于600℃以上的测量。特点：精度高、性能可靠、抗氧化性好、物理化学性能稳定。10/5/2023523、镍热电阻

2、铜热电阻上一页返回下一页测温范围-50～150℃。分度号：Cu50、Cu100。特点：电阻温度系数大，且材料易提纯，价格便宜，电阻率低。Rt＝R0(1+At+Bt2+Ct3)（4-4-9）A＝4.28899×10-31/℃；B＝-2.133×10-71/℃2；C＝1.233×10-91/℃3。R0分别为50Ω和100Ω。Rt≈R0(1+αt)

电阻温度系数α＝4.28×10-31/℃。-60～300℃。分度号：Ni100、Ni300和Ni500Rt=100+0.548t+0.665×10-3t2+2.805×10-9t4α比铂电阻大1.5倍，因不易提纯，互换性差。10/5/202353（二）热电阻结构1、普通型热电阻电阻体：直径0.01～0.07mm电阻丝，在绝缘骨架上绕制而成。采用双线无感绕制方法，消除因测量电流变化或外界交变磁场而产生的感应电势。内引线：铂电阻高温用镍丝，中、低温用银丝；铜、镍电阻均采用其本身材料。直径

工业用1mm，标准或实验室用0.3～0.5mm。保护管：同热电偶保护管，材质有金属或非金属等。导线连接方式：为减少或避免导线电阻对测量的影响，采用三线制或四线制连接方式。返回下一页上一页结构图10/5/202354（1）三线制连接返回下一页上一页与桥路配合使用。桥路平衡时：

R2（Rt+r）=R1（R3+r）桥路设计时，若满足R1=R2

，则r可完全消去。只有Rt=R3电桥平衡时才是如此，否则不可能完全消除导线电阻的影响，但会使影响大大减少。10/5/202355（2）四线制连接

用于电压或电势输入的自动平衡式仪表。电位差计测得U，可得

Rt=U/I导线电阻对测量均无影响。只要恒流源电流I稳定，此方法不受任何条件的限制，可消除连接导线电阻对测量的影响。无论三线制或四线制，若需准确测量，则返回下一页上一页导线均须由电阻体根部引出。10/5/2023562、铠装热电阻返回上一页结构及特点与铠装热电偶相似。外径为2～8mm，个别可制成1mm。优点:

外型尺寸小，响应速度快；抗震、可挠，适于结构复杂部位的测量。10/5/202357二、半导体热电阻返回半导体热电阻温度系数为：B—热敏指数。描述材料物理特性的常数，取决材料组成及烧结工艺，B↑→RT↑→S↑大多数半导体热电阻：T↑→α↓↓，此种电阻称负温度系数的NTC型热敏电阻。常用结构正温度系数的PTC型热敏电阻。还可制成临界型CTR型热敏电阻，负温度系数类型，在某温度范围内阻值急剧下降，灵敏度极高。PTC型和CTR型适用于位式温度传感器；NTC型适作连续测量。温度特性10/5/202358普通型热电阻返回10/5/202359常用结构及特性返回10/5/202360第五章接触式温度计的安装返回第一节测温元件的安装第二节连接导线的安装10/5/202361第一节测温元件的安装返回一、正确选择测温点

有利于热交换，不应装于死角区域。二、测温元件应与被测介质充分接触1．保证足够的插入深度水银温度计应使水银球中心置于管中心线上；双金属温度计插入长度必须大于敏感元件的长度；压力式温度计的温包中心应与管中心线重合；热电偶温度计保护管末端应过管中心线5～10mm；热电阻温度计的插入深度应为(d保护管直径):

电阻体长度+15～20d金属电阻(非金属10～15d)无论多粗管道，插入深度=300mm已足够。下一页10/5/2023622．保证充分的热交换返回选择测温元件插入深度l时，还应考虑安装连接头长度H。下一页上一页安装图测温元件应迎着流向插入，至少与流向成正交,不得顺流安装。管径较细时（D<80mm）可加扩大管或装在弯头处。

10/5/202363返回三、避免热辐射、减少热损失必要时测温点加装防辐射罩或保温层。四、安装应确保正确、安全可靠

上一页高温下测量的热电偶，尽可能垂直安装。有压设备上安装必须保证其密封性。10/5/202364测温元件管路安装返回10/5/202365第二节连接导线的安装返回一、按照规定的测温元件型号配用相应导线热电偶补偿导线注意与相应分度号配用，且正、负极性连接正确；热电阻采用三线制或四线制连接，线路电阻符合显示仪表的要求。二、导线应有良好的绝缘屏蔽三、防止外界机械损伤最好采用架空敷设，也可地下敷设。四、保证环境使用