检测仪表-温度检测（化工仪表及自动化课件）

温度检测——测温仪表的分类三、测温仪表的分类温度不能直接测量，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。按测量方式接触式与非接触式按用途

基准温度计和工业温度计

按工作原理

膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等

按输出方式

自发电型、非电测型等

分类三、测温仪表的分类接触式测温仪表：比较简单、可靠、测量精度较高。但需要进行充分的热交换，存在测温的延迟现象，受耐高温材料的限制，不适于高温测量。非接触式仪表：测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快。但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。接触式与非接触式三、测温仪表的分类（1)应用热膨胀原理测温。利用液体或固体受热时产生热膨胀的原理，如玻璃液体温度计、双金属温度计等。（2)应用压力随温度变化的原理测温。利用封闭在固定体积中的气体、液体或某种液体的饱和蒸汽受热时，其压力会随着温度而变化的性质，制成压力式温度计。常用的工业用测温方法

不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。气体的体积与热力学温度成正比三、测温仪表的分类双金属片是由两种膨胀系数不同的金属薄片叠焊在一起制成的测温元件。利用两种膨胀系数不同的金属元件的膨胀差异测量温度。双金属片受热后由于两种金属片的膨胀系数不同而使自由端产生弯曲变形，弯曲的程度与温度的高低成正比。双金属温度计双金属片图5-2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；G——弯曲率，取决于双金属片的材料。三、测温仪表的分类双金属片常被用作温度继电控制器、温度开关或仪表的温度补偿器。双金属温度计：螺旋形双金属片的一端固定在测量管的下部，另一端为自由端，与指针轴焊接在一起。当被测温度发生变化时，双金属片自由端发生位移，使指针轴转动，由指针指示出被测温度值。特点：双金属温度计结构简单、耐振动、耐冲击、使用方便、维护容易、价格低廉，适于振动较大场合的温度测量。目前国产双金属温度计的使用温度范围为-80～600℃，精度等级为1～2.5级。双金属温度计双金属温度计1-表玻璃；2-指针；3-刻度盘；4-表壳；5-安装压帽；6-金属保护管；7-指针轴；8-双金属螺旋；9-固定端三、测温仪表的分类（3)应用热阻效应测温。利用导体或半导体的电阻随温度变化的性质，如铂热电阻、铜热电阻和半导体热敏电阻温度计等。（4)应用热电效应测温。两种不同的导体形成的热电偶，其回路输出电势与两接点处温度有关。利用热电效应制成的热电偶温度计。（5)应用热辐射原理测温。利用物体辐射能随温度变化的性质可以制成辐射温度计。常用的工业用测温方法三、测温仪表的分类红外温度计三、测温仪表的分类三、测温仪表的分类温度测量方法示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨三、测温仪表的分类变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色温度检测——常用热电偶的种类和结构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。热电偶的种类及结构1.常用热电偶的种类分度号

名称

测量温度范围

1000

C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～18204.834R铂铑13—铂-50～176810.506S铂铑10—铂-50～17689.587K镍铬－镍铬

(铝)-270～137041.276E镍铬－铜镍(康铜)-270～1300——J铁—铜镍-270～800——T铜—铜镍-210～760——工业上对热电极材料的要求热电偶的种类及结构名称代号分度号测温范围/℃100℃时的热电势/mV1000℃时的热电势/mV特点铂铑30-铂铑6WRRB50～18200.0334.834熔点高，测温上限高，性能稳定，准确度高，100℃以下热电势极小，所以可不必考虑冷端温度补偿；价昂，热电势小，线性差；只适用于高温域的测量铂铑13-铂

R-50～17680.64710.506使用上限较高，准确度高，性能稳定，复现性好；但热电势较小，不能在金属蒸气和还原性气氛中使用，在高温下连续使用时特性会逐渐变坏，价昂；多用于精密测量铂铑10-铂WRPS-50～17680.6469.587优点同上；但性能不如R型热电偶；长期以来曾经作为国际温标的法定标准热电偶镍铬-镍硅WRNK-270～13704.09641.276热电势大，线性好，稳定性好，价廉；但材质较硬，在1000℃以上长期使用会引起热电势漂移；多用于工业测量镍铬硅-镍硅

N-270～13002.74436.256是一种新型热电偶，各项性能均比K型热电偶好，适宜于工业测量镍铬-铜镍（锰白铜）WREE-270～8006.319－热电势比K型热电偶大50%左右，线性好，耐高湿度，价廉；但不能用于还原性气氛；多用于工业测量铁-铜镍（锰白铜）WRFJ-210～7605.269－价格低廉，在还原性气体中较稳定；但纯铁易被腐蚀和氧化；多用于工业测量铜-铜镍（锰白铜）WRCT-270～4004.279－价廉，加工性能好，离散性小，性能稳定，线性好，准确度高；铜在高温时易被氧化，测温上限低；多用于低温域测量。可作-200～0℃温域的计量标准八种国际通用热电偶特性表热电偶的种类及结构K热电偶的分度表比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？结论：哪几种热电偶的测温上限较高？哪一种热电偶的灵敏度较高？哪一种热电偶的灵敏度较低？哪几种热电偶的线性较差？几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析热电偶的种类及结构为什么所有的曲线均过原点（零度点）？热电偶的结构形式：普通型热电偶、铠装型热电偶、薄膜热电偶等。①热电极感温元件，热端焊接，冷端连接在接线盒内接线柱上，与外部接线连接。②绝缘管套在热电极上防止热电极短路。③保护套管使热电极与被测介质隔离，免受化学侵蚀和机械损伤。④接线盒普通防溅型、防水型、防爆型等。二、热电偶的结构形式1.普通型热电偶结构

热电偶的结构图直形无固定装置热电偶，用于无压力、无须固定的测温场合。直形螺纹连接头固定热电偶锥形螺纹连接头固定热电偶。它们一般适用于无腐蚀介质的管道安装，锥形螺纹连接头固定热电偶适用于高压、高流速冲击的场合。直形法兰固定热电偶，适合于在设备上以及高温、腐蚀性介质中、低压管道上安装。二、热电偶的结构形式1.普通型热电偶结构普通热电偶结构图1—出线孔密封圈；2-出线孔压紧螺母；3-防掉链；4-接线盒盖；5—接线柱；6-密封圈；7-接线盒座；8-接线绝缘座；9-保护套管；10—绝缘管；11-热电极二、热电偶的结构形式二、热电偶的结构形式安装螺纹普通装配型热电偶的外形铠装式热电偶:将保护套管、绝缘材料粉末与热电极三者组合成一体，经多次拉伸制成的细长形像铁丝样的热电偶。二、热电偶的结构形式2.铠装式热电偶二、热电偶的结构形式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二、热电偶的结构形式铠装式热电偶在设备中的安装薄膜型热电偶:用真空蒸镀的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘基板上而制成。特点：测量端厚度约为几个微米左右，热容量小，响应速度快，便于敷贴。适用于测量微小面积上的瞬变温度。二、热电偶的结构形式3.薄膜型热电偶薄膜热电偶1—工作端；2—薄膜热电极；3—绝缘基板；4—引脚接头；5—引出线（相同材料的热电极）温度检测——热电偶的基本定律热电偶的基本定律1.均质导体定律2.中间导体定律3.中间温度定律4.标准电极定律热电偶的基本定律热电偶的基本定律1.均质导体定律

两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。中间导体定律若在热电偶回路中插入中间导体（第三种导体），只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路的总热电势无影响。如图，在回路中插入第三种导体C，C两端温度均为T0，则不影响回路总电势。在此基础上插入第四种导体D，只要保障D两端温度相同，则不会影响回路总电势。2.中间导体定律热电偶的基本定律热电偶测温系统连接图热电偶的基本定律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，见上图。总的热电势（1）根据能量守恒原理（2）将式（2）代入式（1），得：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。中间导体定律应用热电偶的基本定律中间导体定律应用——开路热电偶的应用3.中间温度定律热电偶的基本定律在温度T，T0之间选取一个温度点Tn，则存在了两段温度区间，T、Tn及Tn、T0。根据这一定律，只要给出自由端为0℃的“热电势-温度”的关系，就可以求出冷端为任意温度T0时热电偶的热电势。热电偶的基本定律例：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?由于显示仪表没有采取冷端温度补偿，22.278(mV)信号送入仪表后，仪表认为该热电势为冷端为0℃时获取的热电势，即，E(t,0)=22.278(mV)，根据仪表设置，显示仪表指示值约为538.4℃。热电偶的基本定律解：（1）显示仪表指示值为500℃时,由K型热电偶分度表可以查得，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)同样，可以查得E(t0,0)=E(60,0)=2.436(mV)；由中间温度定律可以得到；E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=20.64+2.436=23.076(mV)；由23.076mV,查附录,可得t≈557℃；即被测实际温度为557℃。（2）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)4.标准电极定律热电偶的基本定律由3种材料成分不同的热电极A、B、C分别组成3对热电偶（AB、AC、BC），,如图所示。在相同结点温度（T,T0）下，如果热电极A和B分别与热电极C(称为标准电极）组成的热电偶所产生的热电势已知，则由热电极A和B组成的热电偶的热电势可按下式求出解：设铬合金为A，铝合金为B，铂为CEAC(100,，0)=3.13mVEBC(100，0)=-1.02mV则，热电偶的基本定律例:当T为100℃,T0为0℃时，铬合金－铂热电偶E(100,0)=3.13mV,铝合金－铂热电偶的E(100,0)=-1.02mV,求:铬合金－铝合金组成热电偶的热电动势E（100,0)?温度检测——热电偶冷端温度补偿什么要进行冷端温度补偿？如何进行冷端温度补偿？冷端温度的变化对测量的影响及消除方法有哪些？热电偶温度计——热电偶冷端温度补偿由于热电偶长度有限，自由端温度将直接受到被测物温度和周围环境温度的影响。例如，热电偶安装在电炉壁上，而自由端放在接线盒内，电炉壁周围温度不稳定，波及接线盒内的自由端，造成测量误差。这样T0不为0℃，而且也会不断变化，因此将产生误差。E(Tx，T0)=E(Tx，0)-E(T0，0)一、什么要进行热电偶冷端温度补偿？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。见右图。二、如何进行冷端温度补偿？1.补偿导线补偿导线接线图在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。热电偶温度计——热电偶冷端温度补偿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（S）镍铬-镍硅（K）镍铬-铜镍（E）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使用补偿导线必须注意五个问题。两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点必须对应相接且具有相同温度；各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用；必须在规定的温度范围内使用；极性切勿接反；对于镍铬-铜镍等用廉价金属制成的热电偶,可用其本身材料作补偿导线。第二节热电偶温度计（1）冷端恒温法（冰浴法）三、冷端温度的变化对测量的影响及消除方法将冷端放在冰水混合物的恒温容器中，使冷端保持在0℃不变。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。一般采用下述四种方法。热电偶冷端温度保持０℃的方法1—被测流体管道2—热电偶3—接线盒4—补偿导线5—铜质导线6—毫伏表7—冰瓶8—冰水混合物9—试管10—新的冷端实际生产中，其冷端温度为t0，即有三、冷端温度的变化对测量的影响及消除方法（2）计算修正方法由此可知，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）。或三、冷端温度的变化对测量的影响及消除方法例: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985℃，试求被测温度的实际值。解：由分度号为S的铂铑10-铂S型热电偶分度表，查出985℃时的热电势值为9.412mV。也就是E(t,t0)=9.412mV,又从分度表中查得E(t0,0)=E(30,0)=0.173mV。将此两个数值代入公式EAB（t，0℃）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）,得E(t,0)=9.412mV+0.173mV=9.585(mV)再查分度表可知,对应于9.585mV的温度t=1000℃,这就是该支铂铑10-铂热电偶所测得的温度实际值。（3）校正仪表零点法三、冷端温度的变化对测量的影响及消除方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。指针被预调到室温（40

C）可补偿冷端损失（4）补偿电桥法三、冷端温度的变化对测量的影响及消除方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。若电桥是在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。具有补偿电桥的热电偶测温线路温度检测——热电偶测温几种常用的热电偶在不同温度下所产生的热电势可以从热电偶分度表中查到。分度表是在参考端温度为0℃时，通过实验建立的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。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。热电偶测温EAB(t,t0)=EAB(t,0)-EAB(t0,0)

热电偶温度计例：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：由附录三可以查得E(800,0)=33.275(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)=32.072(mV)热电偶温度计解: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)再由附录可以查得14.368mV对应的温度t为1400℃。热电偶温度计例: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。温度检测——热电效应热电偶测温原理热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。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。热电偶的组成1—热电偶；2—导线；3—测量仪表

热电偶示意图热电偶温度计1.热电效应当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应。

热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）左端称为：测量端（工作端、热端）1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。热电偶温度计热电偶温度计热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt的函数：EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）通过以上演示得出结论热电势大致与两个结点的温差Δt成正比e——单位电荷，e=1.6×10-19C；K——波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K；NAt——为导体A在温度t时的电子密度。δ为汤姆逊系数，表示温度为1摄氏度所产生的的电动势。热电偶温度计热电偶产生热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。(1)温差电动势导体两端温度不同、电子能量不同，造成导体内自由电子从高温端向低温端扩散，电子扩散造成高、低温端电荷的积累，形成静电场Es。当电场对电子的作用力与扩散力平衡时，电场Es产生一个稳定的温差电动势。由上式可见，温差电势与材料性质和导体两端温度有关，如果两接点温度相同，温差电势为零。热电偶温度计两种不同导体接触时，由于电子密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象，自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，电子扩散造成接触点处电荷的积累，形成静电场Em。当电场对电子的作用力与扩散力平衡时，产生一个稳定的接触电动势。（2）接触电势接触电势形成的过程（2）接触电势热电偶温度计T——A、B导体接触处的温度；NAT、NBT——分别为导体A、B在温度T时的电子密度。由上式可知，接触电势的大小与温度、材料的电子密度有关。温度越高，接触电势越大，两金属电子密度比值越大，接触电势越大。(3)热电偶回路总电势对于导体A和B组成的热电偶回路，当接点温度T＞T0，NA>NB时，回路中总热电势为：化简得：热电偶温度计在总电动势中，由于温差电动势比接触电动势小很多，可以忽略不计，又由于T>T0，NA>NB，热端处接触电势EAB(T)占主导地位，A为正极，B为负极。对于已选定的热电偶，材料AB的电子密度为已知函数，所以得到当参考端的温度T0恒定时，为常数，则

当冷端保持温度不变，则热电偶回路总电势只随热端的温度变化而变化。在实际应用中，热电势与温度之间的关系是在参考端温度为0℃时，通过实验建立的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。温度检测——热电阻温度计热电阻温度计在中、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。WZ系列装配式热电阻PLC采用三线制接入热电阻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。一、测温原理

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。Rt为温度时的阻值；R0为温度为0度时的阻值；α电阻温度系数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。二、工业常用热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。热电阻温度计1.铂电阻工业上常用的铂电阻主要有分度号为Pt100,它在0℃时R0=100Ω。金属铜易加工提纯，价格便宜；它的电阻温度系数很大，且电阻与温度呈线性关系；在测温范围为-50～+150℃内，具有很好的稳定性。在-50～+150℃的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的。热电阻温度计2.铜电阻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。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4-20mA标准直流电流信号输出。三、温度变送器使用PT100热电阻测温时，采用三线制方式，接入温度变送器abc，变送器采用24V供电，变送器（传感器）输出电流4-20mA送入PLC、DCS或其他仪表中。在实际应用中，根据测温区间不同，可灵活选用热电阻和热电偶传感器。一般，PT100热电阻采用三线制（a、b、c），常温下ab、ac间电阻约为110Ω，bc间短路。热电偶一般采用两线制。实际应用中，传感器必须和温度变送器或仪表匹配。三、温度变送器在实际应用中，出现了一体化一体化