第0005章.ppt

测温方式 测温仪表 测温范围 主要特点 接触式 膨胀式 玻璃液体 100600 结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传 双金属 80600 结构紧凑、可靠；测量精度低、量程和使用范围有限 热电效应 热电偶 2001800 测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；需自由瑞温度补偿，在低温段测量精度较低 热阻效应 铂电阻 200600 测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温 铜电阻 50150 半导体热敏电阻 50150 灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制 非接触式 非接触式 辐射式 03500 不破坏温度场，测温范围大，响应块，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难 热电效应热电效应（热电偶测温的基本原理）：任何两种不同的导体或半导体组成的闭（热电偶测温的基本原理）：任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为 t 及及 t0 的热源中，则在该回路内的热源中，则在该回路内就会产生热电势。就会产生热电势。ABBA图图3-37 热电偶示意图A BeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)图图3-38 热电现象热电偶的输出信号是毫伏信号，毫伏信号的大小不仅与冷、热电偶的输出信号是毫伏信号，毫伏信号的大小不仅与冷、热两端的温度有关，还和热电偶的电极材料有关，理论上热两端的温度有关，还和热电偶的电极材料有关，理论上任何两种不同导体都可以组成热电偶，都会产生热电势。任何两种不同导体都可以组成热电偶，都会产生热电势。但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢？但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢？因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表，的检测仪表，那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势，那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势，对热电偶回路产生影响呢？对热电偶回路产生影响呢？答：不会产生影响的。答：不会产生影响的。tt0ABCC毫伏计如果热电偶如果热电偶ABAB在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶CDCD在同一温度范围内所在同一温度范围内所产生的热电势相等，即产生的热电势相等，即 ，则这两支热电偶在该温度范，则这两支热电偶在该温度范围内是可以相互替换的，这就是所谓的热电偶等值替代定律。围内是可以相互替换的，这就是所谓的热电偶等值替代定律。00(,)(,)ABCDEt tEt tt0tAAABBBDCtt0tctc例例 如左图，设如左图，设 ，证明该回路的总热电势为证明该回路的总热电势为 00(,)(,)ABcCDcEt tEt t0(,)ABEt t某热电偶，热端温度为某热电偶，热端温度为t t，冷端温度为，冷端温度为t tc c，显然冷端温度难以实现恒定，怎么办？，显然冷端温度难以实现恒定，怎么办？DC补偿导线冷端的延伸ttcAB热电偶被测设备被测设备生产现场生产现场t0毫伏计恒温环境恒温环境AB可以把热电偶做得很长，一直到控制室。可以把热电偶做得很长，一直到控制室。把冷端温度延伸到控制室，变为把冷端温度延伸到控制室，变为t t0 0，恒定，恒定t t0 0比较容易比较容易此时，测得的热电势为此时，测得的热电势为00(,)(,)(,)ABcABcABEt tEt tEt t但热电偶一般为（较）贵重的金属，采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料，不妥。但热电偶一般为（较）贵重的金属，采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料，不妥。如果选用一组较廉价的材料（如果选用一组较廉价的材料（C C、D D），且），且CDCD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶ABAB在同在同一温度范围内所产生的热电势相等，就可以用一温度范围内所产生的热电势相等，就可以用CDCD来替代来替代ABAB的延伸段。的延伸段。00(,)(,)(,)ABcCDcABEt tEt tEt tCDCD即为热电偶即为热电偶ABAB的补偿导线，通常的补偿导线，通常CDCD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成，一采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成，一般在般在0 0100100范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质。范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质。在选择和使用补偿导线时，要和热电偶的型号相匹配，注意极性不能接错，热电偶与补偿导在选择和使用补偿导线时，要和热电偶的型号相匹配，注意极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度一般不能高于线连接处的温度一般不能高于100100。从理论上分析，似乎任何两种不同的导体都可以组成热电偶，用来测量温度。从理论上分析，似乎任何两种不同的导体都可以组成热电偶，用来测量温度。但实际情况并非如此，为了保证在工业现场应用可靠，并具有足够的精度，热电但实际情况并非如此，为了保证在工业现场应用可靠，并具有足够的精度，热电偶的电极材料在被测温度范围内应满足：偶的电极材料在被测温度范围内应满足：热电性质稳定、物理化学性能稳定、热电势随温度的变化率要大、热电热电性质稳定、物理化学性能稳定、热电势随温度的变化率要大、热电势与温度尽可能成线性对应关系、具有足够的机械强度、复制性和互换性好等要势与温度尽可能成线性对应关系、具有足够的机械强度、复制性和互换性好等要求，目前在国际上被公认的热电偶材料只有几种。求，目前在国际上被公认的热电偶材料只有几种。附录中列出了几种常用的标准热电偶分度表。根据标准规定，热电偶的分度表是以附录中列出了几种常用的标准热电偶分度表。根据标准规定，热电偶的分度表是以t t0 000为基准进行分度的。为基准进行分度的。当当t t00时，所有型号热电偶产生的热电势为时，所有型号热电偶产生的热电势为0mV0mV；当当t0t0时，热电势为负值。时，热电势为负值。在所有标准化热电偶中，相同温度条件下在所有标准化热电偶中，相同温度条件下B B型热电偶产生的热电势最小，型热电偶产生的热电势最小，E E型最大。如果型最大。如果把各型号热电偶的热电势和温度制成曲线，可以看出二者呈一定的把各型号热电偶的热电势和温度制成曲线，可以看出二者呈一定的。即：。即：00(,)()ABEt tK tt中间导体定律中间导体定律拆开冷端，串入拆开冷端，串入“毫伏计毫伏计”，可以测量热电势，而不，可以测量热电势，而不影响总的热电势影响总的热电势等值替代定律等值替代定律利用补偿导线来延伸冷端，是把热电偶的冷端从温度较高利用补偿导线来延伸冷端，是把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的现场延伸到温度较低和比较稳定的操作室内和不稳定的现场延伸到温度较低和比较稳定的操作室内由于操作室内的温度往往高于由于操作室内的温度往往高于00，而且也是不恒定的（即使有空调也是不恒定的），这时，而且也是不恒定的（即使有空调也是不恒定的），这时，热电偶产生的热电势必然会随冷端温度的变化而变。热电偶产生的热电势必然会随冷端温度的变化而变。因此，在应用热电偶时，只有把冷端温度保持为因此，在应用热电偶时，只有把冷端温度保持为00，或者进行必要的修正和处理才能得出，或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果，对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿。准确的测量结果，对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿。目前，热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法：目前，热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法：冰浴法冰浴法计算修正法计算修正法ttc热电偶补偿导线毫伏计0恒温装置t+RcuER1R2R3+ab 00tt0(,)E t t0(,)E t t+图344 电桥补偿法热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于500500以上较高温度的测量，普通型以上较高温度的测量，普通型热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构。热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构。接线盒保护套管绝缘管热电偶安装法兰引线口普通型热电偶主要由热电极、绝缘管、保护普通型热电偶主要由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。套管和接线盒等主要部分组成。贵重金属热电极的直径一般为贵重金属热电极的直径一般为0.30.30.65mm0.65mm，普通金属热电极的直径一般为，普通金属热电极的直径一般为0.50.53.2mm3.2mm；热电极的长度由安装条件和插入深入而定，一般为热电极的长度由安装条件和插入深入而定，一般为3503502000mm2000mm。绝缘管用于防止两根电极短路绝缘管用于防止两根电极短路保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式热电极 绝缘材料 金属套管热电极绝缘材料铠装型热电偶断面结构铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的套管三者经过拉伸加工成型的金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。铠装型热电偶可以做得很细，一般为铠装型热电偶可以做得很细，一般为2 28mm8mm，在使用中可以随测量需要任意弯曲。，在使用中可以随测量需要任意弯曲。铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。结构较复杂的装置上，应用十分广泛。在工业应用中，热电偶一般适用于测量在工业应用中，热电偶一般适用于测量500500以上的较高温度。对于以上的较高温度。对于500500以下的中、以下的中、低温度，热电偶输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就低温度，热电偶输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低的温度区域，冷端温度的变化所引起的很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低的温度区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中、低温度，一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。相对误差也非常突出。所以测量中、低温度，一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。：金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：001()ttRRtt式中，式中，为温度为温度t t时对应的电阻值时对应的电阻值 为温度为温度t t0 0(通常通常t t0 00 0)时对应的电阻值时对应的电阻值 为温度系数。为温度系数。tR0tR：半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为：半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为：式中，式中，为温度为温度t t时对应的电阻值时对应的电阻值 A A、B B是取决于半导体材料和结构的常数是取决于半导体材料和结构的常数 tRB ttRAe：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，测温范围只有上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有5050300300左右，左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。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金属热电阻一般适用于测量200200500500范围内的温度测量，其特范围内的温度测量，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。广泛。ER1R2R3iUtRtRsI*ist