接触式温度测量仪表及测量技术

接触式温度测量仪表及测量技术温度测量概述

温度是表征物体冷热程度的物理参数。如果温度不同的两物体相互接触，由于存在温度差，热量就会从高温物体向低温物体传递，假设这两物体与外界没有能量交换，则经过一段时间后两者就会达到热平衡状态，即两者温度相等。接触式测温法就是基于这一原理。温标就是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的一套规则和方法，并明确了温度的测量单位。温标有以下几种：1）经验温标：借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标称作经验温标。它主要有摄氏温标和华式温标两种华式（℉）温标是在标准大气压下，将水的冰点和沸点之间的温度差分为180等份，每一等分为一华式度。并规定冰点的温度数值为32℉，沸点为212℉。摄氏（℃）温标是在标准大气压下，将水的冰点和沸点之间的温度差分为100等份，每一等分为一摄氏度。并规定冰点的温度数值为0℃，沸点为100℃。温度测量概述2）热力学温标（又称开尔文温标）以热力学第二定律为基础的，规定分子运动停止（即没有热存在）时的温度为绝对零度或最低理论温度。是一种纯理论的理想温标，无法直接实现。在热力学中从理论上证明，热力学温标和理想气体温标完全一致。通常借助于气体温度计来复现热力学温标。3）国际温标气体温度计虽然能复现热力学温标，但它的装置系统复杂，不适于实际应用。为了实用方便，国际上协商决定，建立一种既实用方便，又具有一定科学技术水平的温标，这就是国际温标。温标的基本内容为：尽可能接近热力学温度；复现精度高，各国均能以很高的准确度复现同样的温标，确保温度量值的同一；用于复现温标的标准温度计使用方便，性能稳定。从1990年1月1日开始，各国陆续采用1990年国际温标。热力学温度（符号为T）是基本物理量，单位为开尔文，它规定水的三相点热力学温度为273.16K。温度测量仪表的分类温度不能直接测量，而是借助于物质的某些物理特性是温度的函数，通过对某些物理特性变化量的测量间接的获得温度值。根据测量方法不同，温度测量仪表可划分为接触式测温仪表和非接触式测温仪表。接触式测温仪表：感温元件直接与被测介质接触，感受被测介质的温度变化。因此这种测量方法比较直观可靠，但在有些情况下，它将影响被测温度场的分布，带来测量洪差；另外在某些介质中，如高温或具有腐蚀性时，对测温元件的寿命要有很大的影响。如膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计非接触式测温仪表：利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系，对物体的温度进行非接触测量的仪表，如光学温度计、比色温度计和辐射温度计。热电偶温度计的原理两种不同材料的导体A和B连接在一起，形成一个闭合回路，当两端接点温度不同（分别是T，T0）时，在回路中就会产生一个电动势。这种物理现象称为热电效应，这一电动势称为热电势。热电偶就是利用这个原理来测温的。图中所示的闭合回路称之为热电偶，导体A、B称之为热电偶的热电极或热偶丝。两个接点中，一个称为热端（T），又称测量端或工作端，此接点置于被测对象中。另一接点（T0）称为冷端或参考端、自由端。T测量端T0参考端AB热电偶温度计的原理T0AB显示仪表连接导线TT0热电偶热端（工作端）冷端（自由端）热电偶测温系统热电偶回路中产生的热电势，是由接触热电势和温差热电势两部分组成。接触热电势：各种导体中都存在着大量的自由电子，不同导体自由电子的密度也不相同。两种不同材料导体相接触时，电子密度大的导体失去电子而带正电，相反，电子密度小的导体因得到电子而带负电。当电子的扩散作用和静电场阻碍电子扩散作用达到动态平衡时，A、B接触面处具有一定的、稳定的电位差，成为接触电势热电偶温度计的原理T0AB显示仪表连接导线TT0热电偶热端（工作端）冷端（自由端）热电偶测温系统温差电势：对同一导体，在两端温度不同时，自由电子具有不同的动能，温度高时动能大。这样，从T端跑到T0端的电子数比从T0端跑到T端的电子数要多，结果T端因失去电子而带正电荷，T0端因得到电子而带负电荷。此时在导体A的两端将产生一定大小的、稳定的电位差，这就是温差电势。热电偶回路的热电势：两种导体A、B构成的热电偶回路，回路的热电势应为两接点T、T0的接触电势及两导体本身温差电势的和热电偶温度计的原理当热电偶材料一定时，其热电势Eab(T,T0)只取决于热端温度T和冷端温度T0的函数差

Eab(T,T0)=f(T)-f(T0)结论：1）热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的导体材料及两端温度有关，而与热电极的几何形状（长短、粗细和截面形状）无关；2）如果热电偶两热电极材料相同为A和B,则无论热电偶两端温度如何，热电偶回路热电势总为零；3）如果热电偶两端温度相同为T或T0，则尽管两电极材料不同，热电偶回路的热电势总为零；4）如果参考端（T0）温度恒定，即f(T0)=C（常数），则热电偶回路热电势仅为工作端温度T的单值函数。只要测出热电势Eab(T,T0)的大小，就间接知道了工作端温度T了，这就是热电偶测温度的基本原理；5）热电偶热电极的极性由导体材料的电子密度大小确定，电子密度大的导体为正极，而电子密度小的导体为负极。热电偶回路中，接触电势远大于温差电势；热电偶的基本定律在使用热电偶测温时，必然在热电偶回路中接入电势测量仪表以及相应的连接导线，为了不影响热电势数值，保证热电偶测温的准确性。介绍应用热电偶的基本定律：1）均质导体定律：有一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面、长度及各处的温度分布如何，都不产生热电势。此定律说明，热电势只与热电极材料和两接点温度有关。2）中间导体定律：在热电偶回路中接入第三、第四种或更多导体，只要接入导体的两端温度相等，且导体是均质的，则无论接入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶的热电势的大小；3）中间温度定律：在热电偶回路中，热电偶两接点温度T、T0时的热电势，等于该热电偶在接点温度T、Tn和Tn、T0时热电势的代数和。Eab(T,0)=Eab(T,Tn)+Eab(Tn,0)标准热电偶分度表中，热电偶的热电势值在参考端温度为0℃时给的。只要测出在参考端温度为Tn时的热电势Eab(T,Tn)，查出Eab(Tn,0)，则根据公式即可求出Eab(T,0)。热电偶的种类及特性对热电极材料的要求：1）热电势要足够大，并且与温度的关系最好成线性或接近线性；2）在使用温度范围内，物理、化学性能稳定；3）热电性能稳定，易于复现，同类热电偶互换性好；4）电导率高，电阻温度系数要小；5）加工方便，价格便宜；标准热电偶1）铂铑10-铂热电偶（分度号S）：属贵金属热电偶，热电极直径通常为0.5mm。长期使用温度为1400℃，短期使用温度为1600℃，它的热电性能稳定，抗氧化性强，宜在氧化性和惰性气氛中连续使用，在真空中可短期使用。不宜直接在金属蒸汽、金属化合物、二氧化碳、氢气等还原性介质中使用；2）铂铑13-铂热电偶（分度号R）：属贵金属热电偶，它的性能与铂铑10-铂热电偶基本相同，只是它的温度灵敏度稍高些。热电偶的种类及特性3）铂铑30-铂热电偶（分度号B）：属贵金属热电偶，其长期使用最高温度可达1600℃，短期使用温度可达1800℃，宜在氧化性和中性气氛中使用，在真空中可短期使用。不能直接在还原性气氛及含有金属或非金属蒸汽的气氛中使用。主要缺点是灵敏度低，热电势小。冷端温度在40℃以下时，可不必进行冷端补偿；4）镍铬-镍硅（铝）热电偶（分度号K）：属贱金属热电偶，长期使用温度可达900℃，短期可达1200℃，热偶丝直径一般为1.2~2.5mm。用于测量500℃以下温度时，可用于氧化、还原及中性气氛中；测量温度高于500℃时只能用于氧化及中性气氛中。温度与热电势之间关系近似于线性；5）镍铬-康铜热电偶（分度号E）：属贱金属热电偶，它适宜在-250~870℃范围内的氧化或惰性气氛中使用，尤其适宜在0℃以下使用；6）镍铬硅-镍硅热电偶（分度号N）：属贱金属热电偶，使用温度范围是-200~1300℃，长期使用温度为1200℃。实验表明，N型热电偶的高温稳定性及使用寿命较K型有成倍的提高，与S型热电偶接近，其价格仅为S型的1/10。热电偶的结构1）热电极：热电极的直径由材料价格、机械强度、导电率以及热电偶的用途和测量范围决定。贵金属热电偶的热电极大多采用直径为0.3~0.65mm的细丝，普通金属热电偶电极的直径一般为0.5~3.2mm。插入深度有工艺决定。2）绝缘套管：作用是防止热电偶正、负电极之间以及热电极与保护套管之间形成短路。其材料视被测温度高低而定。3）保护套管：作用是为使热电极免受化学和机械作用，以得到较长的使用寿命和测温准确性。保护套管的选用一般是根据测温范围、加热区长度、环境气氛以及测温时间常数等条件决定4）接线盒：供连接热电偶和补偿导线用，一般由铝合金制成。热电偶的维护1）根据测量的范围与对象，合理选择适当的热电偶的型号、规格和保护套管的材料。2）选择合适的“冷端温度补偿”方法和所需的器材，包括补偿导线、冷端温度补偿器等。3）热电偶的安装地点，应避免在炉旁或加热设备距离过近之处。接线盒的温度不应超过100℃，并尽量保持稳定不变。4）热电偶插入炉内的深度，可按实际需要决定，但工作端与发热体接触的距离不得小于100mm，它的接线盒不可碰到炉壁。5）带瓷保护套管的热电偶，应尽可能避免忽冷忽热，以防瓷管破裂。6）除不带保护套管的热电偶和表面热电偶外，不允许把热电偶从保护套管中抽出，直接与被测介质接触。7）使用中经常检查热电偶保护套管的状况，如壁厚小于1.5mm或发现焊接处有浸蚀情况，应更换新的保护套管。8）要保护补偿导线，避免受到机械损伤和外磁场的干扰，并把补偿导线套入接地的钢管内，不得有迂回的地方。热电偶常见故障及处理方法故障可能原因处理方法热电势比实际值小显示仪表指示值偏低1、热电极短路2、热电偶的接线柱处积灰，造成短路3、补偿导线间短路4、热电偶热电极变质5、补偿导线与热电偶极性接反6、补偿导线与热电偶不配套7、热电偶安装位置不当或插入深度不符合要求8、热电偶冷端温度补偿不符合要求9、热电偶和显示仪表不配套1、找出短路原因：如因潮湿所致，则需进行干燥；如因绝缘子损坏所致，则需更换绝缘子2、清扫积灰3、找出短路点，加强绝缘或更换补偿导线4、在长度允许的情况下剪去变质段重新焊接，更换热电偶5、更换相匹配的补偿导线6、重新接正确7、重新按规定安装8、调整冷端补偿器9、更换热电偶或显示仪表使之相匹配热电偶常见故障及处理方法故障可能原因处理方法热电势比实际大，显示仪表指示偏高1、热电偶和显示仪表不匹配2、补偿导线与热电偶不相配3、有直流干扰信号进入1、更换热电偶或显示仪表匹配2、更换补偿导线使之相匹配3、排除直流干扰热电势输出不稳定1、热电偶接线柱与热电极接触不良2、热电偶测量线路绝缘破损，引起断续短路或接地3、热电偶安装不牢或外部振动4、热电极将断未断5、外界干扰（交流漏电、电磁场感应等）1、将接线柱螺丝拧紧2、找出故障点，修复绝缘3、紧固热电偶，消除振动或采取减振措施4、修复或更换热电偶5、查出干扰源，采取屏蔽措施热电偶热电势误差大1、热电极变质2、热电偶安装位置不当3、保护管表面积灰1、更换热电极2、改变安装位置3、消除积灰热电阻温度计的原理热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度本身呈一定函数关系的原理实现温度测量的。实验证明，大多数金属热电阻当温度上升1℃时，其电阻值增大0.4%~0.6%；而半导体电阻当温度上升1℃时，其电阻值下降3%~6%。金属导体电阻与温度的关系一般可表示为：

Rt=Rt0〔1+α(t-t0)]式中Rt-温度为t时的电阻值；Rt0-温度为t0时的电阻值；α-电阻温度系数，即温度升高1℃时的电阻相对变化量。由于一般金属材料的电阻与温度关系并非线性，故α值也随温度而变化，并非常数。金属或半导体的电阻-温度函数关系确定之后，就可以通过测量置于测温对象之中并与测温对象达到热平衡的热电阻的阻值而求得对象的温度。

热电阻温度计由热电阻（感温元件）、连接导线及电阻测量仪表（显示仪表）组成。它的测量精度高，由于热电阻输出的是电阻信号，便于远距离显示或传送信号。冶金企业中，500℃以下温度测点，一般采用热电阻温度计。热电阻温度计的原理热电阻金属丝材料要求：1）电阻温度系数大，即灵敏度高；2）物理化学性质稳定，能长时期适应较恶劣的测温环境；3）电阻率要大，以使电阻体积较小，减小测温的热惯性；4）电阻-温度关系近于线性关系；5）价格低廉，便于复制；根据感温元件的材质，热电阻可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，金属热电阻目前在工业上广泛应用的是铂电阻和铜电阻，半导体热电阻有锗和热敏电阻等。铂热电阻：铂热电阻由纯铂电阻丝绕制而成，使用温度范围为-200~850℃。其电阻与温度变化关系近似线性，并具有较高的测量精度，目前应用较多的三种铂热电阻，其分度号分别为Pt50、Pt100、Pt300，相应0℃时的电阻值分别为R0=50Ω、R0=100Ω、R0=300Ω。铜热电阻：一般用于-50~150℃的测量范围，其电阻温度系数大，电阻值与温度基本呈线性关系，价格便宜。缺点是易于氧化。目前应用较多的两种铜热电阻分度号分别是Cu100、Cu50，其R0值分别为100Ω和50Ω。热电阻温度计的原理RRR(c)(b)(a)热电阻引线优两线制、三线制和四线制三种，如上图所示。两线制：在热电阻的感温元件的两端各连一根导线的引线形式为两线制。这种两线制热电阻配线简单、费用低，但要带入引线电阻的附加误差。三线制：在热电阻感温元件的一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线形式为三线制。它可以消除引线电阻的影响，测量精度高于两线制，所以应用最广。特别是在测温范围窄、导线长、架设铜导线途中发生变化的情况下，必须采用三线制热电阻。四线制：在热电阻感温元件的两端各连两根引线称为四线制。在高精度测量时，这种引线可以消除引线电阻的影响，而且在连接导线阻值相同时，可消除连接导线电阻的影响。热电阻温度计的结构金属热电阻感温元件一般由电阻体、引线、绝缘子、保护套管及接线盒等组成，其外形与热电偶感温元件相似。电阻体：电阻体是用热电阻丝绕制在绝缘骨架上制成的，一般工业用热电阻丝，铂丝多为¢0.07mm裸线；铜丝多为¢0.1mm漆包线或丝包线。为消除绕制电感，通常采用双线并绕（亦称无感绕制）。电阻丝绕完之后应经退火处理，消除内应力的影响。引线：作用是将热电阻体线端引至接线盒，阴线的直径较粗，一般约为1mm，以减小附加测量误差。工业铂热电阻一般用银线作引线，铜电阻用镀银铜丝作引线。绝缘子：套在引线上，以防止引线之间及引线与保护套管之间短路保护套管：防止电阻体遭受化学腐蚀和机械损伤。接线盒：固定接线座和外部导线相连接的装置。热电阻故障处理热电阻常见故障是热电阻断路和短路。其中以断路为多，这是由于电阻较细所致。下面介绍断路和短路的鉴别方法1）热电阻体断路：可用万用表在电阻体的接线端子处测量阻值，电表指示为最大。但是在进行检查时，热电阻与显示仪表的连接导线应预先拆除，否则测得的阻值含有显示仪表的内阻。2）连接导线断路：将电阻体端子上的连接导线不拆除，而将两个接线端子短路，显示仪表的示值仍为无限大。3）电阻体短路：显示仪表断电后，将连接导线在电阻体的端子处拆掉，再用万用表测量电阻体的阻值是否等于实际数值，如少于实际阻值，则该电阻体短路。4）连接导线短路：可将连接导线从电阻体的端子处拆下一个线头，看显示仪表示值是否无限大。如仍有示值或指向负端，则说明连接导线短路。无论检查热电阻的短路还是断路，每次变动线路的连接导线时，都应将仪表断电，否则易将仪表损坏。最好在检查时不用指示温度的显示仪表，另用万用表或测量电阻仪表即可。热电阻故障处理故障现象可能原因处理方法显示仪表指示值比实际值低或示值不稳定保护馆内有金属屑、灰尘、接线柱间积灰以及热电阻短路除去金属屑，清扫灰尘，找出短路点，加好绝缘显示仪表指示无穷大热电阻或引线断路更换热电阻或焊接断线处显示仪表指示负值显示仪表与热电阻接线有错误或热电阻短路改正接线，找出短路点，加好绝缘阻值与温度关系有变化热电阻丝材料受蚀变质更换热电阻接触式温度计的安装1）正确选择测温点：测温应具有代表性不应把感温元件插到被测介质的死角区域；测温点应避开强电磁场干扰源，避不开时，应采取抗干扰措施；2）合理确定测温元件的插入深度：3）在管道上测温元件应与被测介质形成逆流（至少与被测介质流束方向成90℃），切勿顺着被测介质的流动方向安装；4）将接线盒朝上，避免液体、尘埃渗入接线盒内；5）测温元件安装于负压管道时，应保证其密封性，以免外界冷空气袭入；6）测量炉膛温度时，应避免测温元件与火焰直接接触，造成测量值偏高；7）凡承受压力的测温元件，都必须保证其密封性；8）高温下工作的热电偶，一般应垂直安装，若必须水平安装则不宜过长，并用支架保护，以免在高温下弯曲；9）测温元件的安装应便于仪表工作人员的维修和校验；非接触式测温仪表1）传感器和被测对象不接触，不会破坏被测对象的温度场，可测量运动