过程测量仪表2温度

1 3-2 温 度 测 量 仪 表温度检测方法2温度仪表的选用3概述31 2 o 测 温 原 理 温 度 是 国 际 单 位 制 (SI)基 本 物 理 量 之 一 ， 反 映 了 物 体的 冷 热 程 度 ， 是 物 体 分 子 运 动 平 均 动 能 大 小 的 标 志 。 温 度 的 定 量 测 量 以 热 平 衡 现 象 为 基 础 ， 两 个 受 热 程 度不 同 的 物 体 相 接 触 后 ， 经 过 一 段 时 间 的 热 交 换 ， 达 到共 同 的 平 衡 态 后 具 有 相 同 的 温 度 。 温 度 测 量 原 理 : 选 择 合 适 的 物 体 作 为 温 度 敏 感 元 件 ，其 某 一 物 理 性 质 随 温 度 而 变 化 的 特 性 为 已 知 ， 通 过 温度 敏 感 元 件 与 被 测 对 象 的 热 交 换 ， 测 量 相 关 的 物 理 量 ，即 可 确 定 被 测 对 象 的 温 度 。3.2.1 概 述 3 p 测 温 仪 表 的 分 类 :从 测 量 元 件 与 被 测 介 质 是 否 接 触 的 角 度来 看 分 为 ： 接 触 式 和 非 接 触 式 两 大 类 。 接 触 式 测 温 测 温 原 理 ： 在 两 种 不 同 温 度 的 物 体 相 互 接 触 过 程 中 ， 由 于 有 温 差 存 在 ， 热量 就 会 从 高 温 物 体 向 低 温 物 体 传 递 。 在 足 够 长 的 时 间 内 两 者 达到 热 平 衡 。 特 点 ： 优 点 ： 接 触 式 测 量 仪 表 简 单 、 可 靠 、 测 量 精 度 高 。 缺 点 ： 1.由 于 感 温 元 件 在 热 交 换 过 程 中 ， 达 到 热 平 衡 的 时 间 较长 ， 因 而 有 测 量 滞 后 现 象 。 2.可 能 产 生 化 学 反 应 ， 不 适 宜 于 直接 对 腐 蚀 性 介 质 测 温 。 3.受 耐 高 温 材 料 限 制 ， 不 能 用 于 极 高 温测 量 。3.2.1 概 述 4 非 接 触 式 测 温测 温 原 理 ： 利 用 物 体 的 热 辐 射 （ 或 其 它 特 性 ） ， 通 过 对 辐 射能 量 的 检 测 实 现 温 度 测 量 的 。特 点 ：优 点 ： 可 从 超 低 温 到 极 高 温 ， 测 温 速 度 快 。缺 点 ： 易 受 粉 尘 、 水 气 等 因 素 的 影 响 ， 测 量 误 差 大 。3.2.1 概 述 5 常 见 温 度 仪 表 6 热 电 偶 温 度 计 是 工 业 生 产 过 程 中 应 用 最 广 泛 的 测 温仪 表 。 热 电 偶 温 度 计 构 成 ： 以 热 电 偶 作 为 测 温 元 件 ， 再 配以 连 接 导 线 和 显 示 仪 表 或 测 量 仪 表 构 成 。1. 热 电 偶 测 温 原 理 热 电 偶 是 由 具 有 不 同 导 电 特 性 的 两 种 材 料 焊 接 而成 。 如 图 所 示 。3.2.2 温 度 检 测 方 法一 、 热 电 偶 温 度 计 7组 成 热 电 偶 的 两 根 导 体 称 为 热 电 极 。 一 、 热 电 偶 温 度 计 冷 端热 端 8 n原 理 ： 以 热 电 效 应 为 基 础 的 测温 仪 表n热 电 效 应 ： 如 果 将 两 种 不 同 材 料 的 金 属导 线 A 和 B 连 成 如 图 所 示 的 闭合 回 路 ， 并 将 接 点 一 端 放 入 温度 为 t 的 热 源 中 ， 使 其 温 度 高 于另 一 接 点 处 的 温 度 t0， 则 在 该闭 合 回 路 中 就 有 电 流 通 过 ， 即有 热 电 势 产 生 ， 我 们 把 这 种 现象 称 为 热 电 效 应 或 塞 贝 克 效 应（ 1821年 ） 。一 、 热 电 偶 温 度 计 电 子 密度 大正 极 电 子 密度 小负 极 9等 效 原 理 图 我 们 把 在 温 度 t 下 的 接 触 电 势 差 记 作 eAB(t) ， 注 脚 A 表 示 正 极 金 属 ， B 表 示 负 极 金 属 。 同 理 ： 把 t0温 度 下 的 接触 电 势 差 记 作 eAB(t0) 。一 、 热 电 偶 温 度 计 10等 效 原 理 图 整 个 闭 合 回 路 中 总 的 热 电 势 E （ t , t0） 应 为 热 电 偶两 接 点 处 热 电 势 的 代 数 和 ， 即 ： 定 值 一 、 热 电 偶 温 度 计 11 几 点 结 论 ：（ 1） 热 电 偶 回 路 总 的 热 电 势 只 与 组 成 热 电 偶 的 两 种电 极 材 料 及 两 端 温 度 有 关 ， 而 与 热 电 极 的 几 何 形 状和 尺 寸 无 关 ；（ 2） 只 有 当 热 电 偶 两 端 温 度 不 同 时 ， 才 能 产 生 热 电势 ， 而 当 两 端 温 度 相 等 时 ， 回 路 热 电 势 等 于 零 ；（ 3） 只 有 用 两 种 不 同 材 料 的 导 体 才 能 构 成 热 电 偶 ， 当两 个 热 电 极 材 料 相 同 时 ， 热 电 偶 回 路 的 电 势 始 终 等于 零 。 一 、 热 电 偶 温 度 计 12 o 在 实 际 应 用 中 ， 为 了 测量 热 电 偶 回 路 中 的 热 电势 ， 总 要 在 热 电 偶 与 测量 仪 表 之 间 增 加 连 接 导线 ：加 入 第 三 种 导 体后 ， 热 电 势 是 否会 受 影 响 ？一 、 热 电 偶 温 度 计 13 分 析 ： o 在 图 3-5中 共 有 3个 接 点 ， 其 接 触 电 势 分 别 表 示 为eAB(t)， eBC(t0)， eCA(t0)， 则 回 路 中 总 电 势 为 ：0 0 0( , ) ( ) ( ) ( )ABC AB BC CAE t t e t e t e t （ 3-11）p由 热 电 偶 测 温 原 理 知 ， 只 要 回 路 中 温 度 相 同 ， 则 总的 热 电 势 为 0， 则 ： 0 0 0( ) ( ) ( ) 0AB BC CAe t e t e t 0 0 0( ) ( ) ( )AB BC CAe t e t e t （ 3-12） 0 0 0( )( , ) ( ,( )AB AABC AB BE t t Ee e t t tt p将 （ 3-12） 代 入 （ 3-11） ， 得 ： 一 、 热 电 偶 温 度 计 14 结 论 ：中 间 导 体 定 则 ： 当 在 热 电 偶 回 路 中 接 入 第 三 种 金 属导 体 时 ， 只 要 保 证 引 入 线 两 端 温 度 相 同 ， 则 热 电 偶所 产 生 的 热 电 势 保 持 不 变 。同 理 ， 对 于 串 入 多 种 导 线 ， 只 要 引 入 两 端 的 温 度相 同 ， 热 电 偶 的 热 电 势 将 保 持 不 变 。一 、 热 电 偶 温 度 计 15 2.常 用 热 电 偶 的 种 类p根 据 国 际 电 工 委 员 会 的 推 荐 ， 目 前 我 国 已 经 为 8种热 电 偶 制 定 了 标 准 ， 这 8种 热 电 偶 称 为 标 准 热 电 偶 。p8种 标 准 热 电 偶 如 下 表 3-2。p通 常 表 示 热 电 偶 所 用 热 电 极 材 料 时 ， 前 者 为 正 极 ，后 者 为 负 极 。一 、 热 电 偶 温 度 计 16 17 分 度 表p 在 冷 端 T0=0 条 件 下 ， 用 实 验 的 方 法 测 出 各 种不 同 热 电 极 组 合 的 热 电 偶 在 不 同 热 端 温 度 下 所 产生 的 热 电 势 值 ， 可 以 列 出 对 应 的 分 度 表 。p 标 准 热 电 偶 的 热 电 势 与 温 度 的 对 应 关 系 可 以 从 热电 偶 分 度 表 中 查 到 。p 附 录 2给 出 了 几 种 常 见 的 热 电 偶 分 度 表 。一 、 热 电 偶 温 度 计 18 3 热 电 偶 的 结 构普 通 工 业 用 热 电 偶 的 结 构 主 要 包 括 四 个 部 分 ： 热 电 偶 、 绝 缘管 、 保 护 管 和 接 线 盒 。一 、 热 电 偶 温 度 计 19 4 热 电 偶 补 偿 导 线 及 冷 端 温 度 补 偿 （ 1） 补 偿 导 线 补 偿 导 线 是 用 比 两 根 热 电 极 材 料 便 宜 得 多 的 廉 价 金 属材 料 制 作 ， 其 在 0 - 100 范 围 内 的 热 电 性 质 与 热 电 偶的 热 电 性 质 几 乎 完 全 相 同 。 使 用 补 偿 导 线 犹 如 将 热 电 偶 延长 ， 从 而 把 热 电 偶 的 冷 端 延 伸 到 离 热 源 较 远 且 温 度 较 恒 定的 地 方 。注 意 ： 为 了 保 证 热 电 特 性 一 致 ， 补 偿 导 线 要 与 热 电 偶 配套 使 用 ， 极 性 不 能 接 反 ， 热 电 偶 和 补 偿 导 线 连 接 处 两 接 点温 度 必 须 保 持 相 同 ， 以 免 引 起 测 量 误 差 。一 、 热 电 偶 温 度 计 20 （ 2） 冷 端 温 度 补 偿 需 要 补 偿 的 原 因 ： 标 准 热 电 偶 的 分 度 表 及 与 热 电偶 配 套 使 用 的 显 示 仪 表 都 是 按 热 电 偶 的 冷 端 温 度 为 O 刻 度 的 。 尽 管 利 用 补 偿 导 线 将 热 电 偶 的 冷 端 从温 度 较 高 和 不 稳 定 的 地 方 延 伸 至 温 度 较 低 且 较 恒 定的 地 方 ， 但 冷 端 温 度 并 不 为 0 。 这 样 必 然 引 入 测量 和 指 示 误 差 。 因 此 ， 在 实 际 使 用 中 ， 必 须 采 取 一些 冷 端 温 度 补 偿 措 施 。一 、 热 电 偶 温 度 计 21 a 冰 点 恒 温 法 22 中 间 温 度 定 则 ：n 热 电 偶 AB在 接 点 温 度 为 T、 T0时 的 热 电 势EAB(T,T0)等 于 热 电 偶 AB在 接 点 温 度 为 T、 TC和 TC 、 T0时 的 热 电 势 EAB(T,TC)、 EAB(TC,T0)的 代 数 和 。n 计 算 公 式 ：b 计 算 校 正 法E AB(T,T0)= EAB(T,TC)+EAB(TC,T0) 23 式 中 ： EAB（ t , 0 ） 表 示 热 电 偶 测 量 端 温 度 为 t ， 冷 端 温度 为 0 时 的 热 电 势 ； EAB（ t , t0） 表 示 热 电 偶 测 量 端 温 度 为 t ， 冷 端 温 度为 t 0 时 的 热 电 势 ， 即 实 际 测 得 的 热 电 势 ； EAB（ t0 , 0 ） 表 示 将 冷 端 当 作 工 作 端 ， 0 作 为 冷 端时 的 热 电 势 ， 该 值 可 以 直 接 查 分 度 表 求 得 。 其 中 冷 端 温 度 t 0可 以 用 另 一 支 温 度 计 （ 比 如 水 银 温 度 计 ） 测 出 。 n根 据 这 一 定 则 ， 只 需 列 出 热 电 偶 在 参 比 端 温 度 为0 的 分 度 表 ， 就 可 以 求 出 参 比 端 在 其 它 温 度 时 的热 电 势 值 。b 计 算 校 正 法EAB(t,0)= EAB(t,t0)+EAB(t0,0) 24 例 题 ： 利 用 铂 铑 10-铂 热 电 偶 测 量 某 一 炉 温 ， 已 知 冷端 温 度 t0=20 ， 测 得 的 热 电 势 E(t,t0)=9.819mV，求 被 测 炉 温 的 实 际 值 。解 ：由 中 间 温 度 定 则 ：EAB(t,0)= EAB(t,t0)+EAB(t0,0)E(t,0)=E(t,20)+E(20,0)查 热 电 偶 的 分 度 表 知 ： E(20,0)=0.113mVE(t,0)=E(t,20)+E(20,0)=9.819+0.113=9.932mV 查 表 知 ： t=1030b 计 算 校 正 法 25 练 习 题 1o 用 铂 铑 10-铂 (分 度 号 S)的 热 电 偶 测 温 ， 已 知参 比 端 温 度 为 20 ， 测 得 热 电 势E(t,20)=11.30mV， 试 求 被 测 温 度 t？解 ： 查 热 电 偶 的 分 度 表 知 ：E(20,0)=0.113mV由 中 间 温 度 定 则 ：E(t,0)=E(t,20)+E(20,0)=11.30+0.113=11.413mV 查 表 知 ： t=1155b 计 算 校 正 法 26 练 习 题 2o 用 镍 镉 -镍 硅 (分 度 号 K)的 热 电 偶 测 温 ， 已 知参 比 端 温 度 为 25 ， 检 测 端 温 度 为 506 ，求 产 生 的 热 电 势 是 多 少 ？解 ： 查 热 电 偶 的 分 度 表 知 ：E(506,0)=20.896mVE(25,0)=1.000mV由 中 间 温 度 定 则 ： E(506,25)=E(506,0)-E(25,0)=20.896-1.000=19.896mVb 计 算 校 正 法 27 c 补 偿 电 桥 法 补 偿 电 桥 法 是 利 用 补 偿 电 桥 产 生 的 不 平 衡 电 压来 抵 消 热 电 偶 回 路 冷 端 不 为 零 带 来 的 影 响 。 28 二 、 热 电 阻 温 度 计 原 理 ： 热 电 阻 温 度 计 是 基 于 导 体 或 半 导 体 的 电 阻 值随 温 度 而 变 化 的 特 性 来 测 量 温 度 的 。热 电 阻 温 度 计 以 热 电 阻 为 感 温 元 件 ， 并 配 以 相 应 的显 示 仪 表 和 连 接 导 线 所 组 成 。值 得 注 意 的 是 ： 为 了 防 止 连 接 导 线 过 长 ， 导 线 的 阻值 将 随 环 境 温 度 变 化 给 测 量 带 来 附 加 误 差 ， 热 电 阻 连接 导 线 采 用 三 线 制 接 法 。3.2.2 温 度 检 测 方 法 29 p 工 业 中 常 用 的 热 电 阻 以 金 属 热 电 阻 为 主 。 常见 的 有 铂 电 阻 、 铜 电 阻 和 半 导 体 电 阻 等 。1 常 用 热 电 阻 30 （ 1） 铂 电 阻 铂 电 阻 的 使 用 范 围 是 -200 - 850 ， 铂 电 阻 的电 阻 值 与 温 度 之 间 的 关 系 可 采 用 下 列 公 式 描 述 ：1 常 用 热 电 阻 31 （ 2 ） 铜 电 阻 铜 电 阻 的 电 阻 温 度 系 数 大 ， 容 易 提 纯 和 加 工 ， 价 格 便宜 。 铜 电 阻 的 使 用 温 度 范 围 为 -50 0C + 150 0c ， 其 电 阻值 与 温 度 之 间 的 关 系 可 用 下 式 描 述 ： 可 近 似 线 性 关 系 式 表 示 ： R t= R0(1 + at ) 式 中 a 电 阻 温 度 系 数 ， a = 4.25 x10-3 。 1 常 用 热 电 阻 32 （ 3 ） 镍 电 阻镍 电 阻 的 电 阻 率 及 温 度 系 数 比 铂 和 铜 大 得 多 ， 因 而 具 有较 高 的 灵 敏 度 ， 且 体 积 可 以 做 的 较 小 。一 般 测 温 范 围 ： -50180 .（ 4） 半 导 体 热 敏 电 阻简 称 热 敏 电 阻特 点 ： 电 阻 值 与 温 度 之 间 呈 严 重 的 非 线 性 关 系 ， 而 且 具有 负 的 温 度 系 数 。 广 泛 用 作 温 度 补 偿 元 件 。1 常 用 热 电 阻 33 2. 热 电 阻 的 结 构 34热 电 偶热 电 阻 mvR 温 度 变 送 器 DDZ- 4-20mA 三 、 温 度 变 送 器 温 度 变 送 器 与 热 电 偶 和 热 电 阻 配 套 使 用 的 仪 表 ，主 要 作 用 是 将 温 度 检 测 元 件 的 电 信 号 （ mv或 R)转 换成 统 一 的 标 准 信 号 4-20mA电 流 信 号 ， 作 为 显 示 或 调节 仪 表 的 输 入 信 号 。3.2.2温 度 检 测 方 法 35 四 、 智 能 化 温 度 变 送 器 核 心 部 件 ： 微 处 理 器 特 点 ： 1、 与 任 一 种 测 温 元 件 都 可 配 套 2、 功 能 广 泛 ： 零 点 迁 移 、 量 程 调 整 、 温 度补 偿 、 线 性 化 补 偿 等 。 随 着 工 厂 自 动 化 水 平 的 提 高 ， 智 能 温 度 变 送 器 的 应用 会 越 来 越 多 。3.2.2温 度 检 测 方 法 36 o 产 品 特 点 ： 一 体 化 温 度 变 送 器 将温 度 传 感 元 件 （ 热 电 阻 或 热 电 偶 ）与 信 号 转 换 放 大 单 元 有 机 集 成 在一 起 ， 除 输 出 与 温 度 成 线 性 的420mA信 号 之 外 ， 同 时 具 有 现场 显 示 功 能 。 信 号 准 确 、 可 远 传（ 最 大 1000米 ） ， 该 系 列 产 品 分普 通 型 和 隔 爆 型 两 种 。o 热 电 阻 测 量 范 围 ： -200 450-50 150p 热 电 偶 测 量 范 围 ： 0 1200 0 8000 1600 0 1800五 、 数 显 一 体 化 温 度变 送 器 p供 电 电 源 ： 24VDC 10%3.2.2温 度 检 测 方 法 37 六 非 接 触 式 测 温o 非 接 触 式 测 温n 非 接 触 式 测 温 方 法 以 辐 射 测 温 为 主 。 具 有 一 定温 度 的 物 体 都 会 向 外 辐 射 能 量 ， 其 辐 射 强 度 与物 体 的 温 度 有 关 ， 可 以 通 过 测 量 辐 射 强 度 来 确定 物 体 的 温 度 。n 辐 射 测 温 时 ， 辐 射 感 温 元 件 不 与 被 测 介 质 相 接触 ， 不 会 破 坏 被 测 温 度 场 ， 可 实 现 遥 测 ； 测 量元 件 不 必 达 到 与 被 测 对 象 相 同 的 温 度 ， 测 量 上限 可 以 很 高 ； 辐 射 测 温 适 用 于 很 宽 的 测 量 范 围 ，可 达 -506000 。 但 是 ， 影 响 其 测 量 精 度 的因 素 较 多 ， 应 用 技 术 较 复 杂 。3.2.2温 度 检 测 方 法 38 o 辐 射 测 温 仪 表 的 组 成n 主 要 由 光 学 系 统 、 检 测 元 件 、 转 换 电 路 和 信 号 处 理 等 部分 组 成 。o 光 学 系 统 包 括 瞄 准 系 统 、 透 镜 、 滤 光 片 等 ， 把 物 体 的 辐射 能 通 过 透 镜 聚 焦 到 检 测 元 件 ；o 检 测 元 件 为 光 敏 或 热 敏 器 件 ；o 转 换 电 路 和 信 号 处 理 系 统 将 信 导 转 换 、 放 大 、 进 行 辐 射率 修 正 和 标 度 变 换 后 ， 输 出 与 被 测 温 度 相 应 的 信 号 。六 非 接 触 式 测 温3.2.2温 度 检 测 方 法 39 o 常 用 方 法n 光 学 系 统 和 检 测 元 件 对 辐 射 光 谱 均 有 选 择 性 ， 因 此 ，各 种 辐 射 测 温 系 统 一 般 只 接 收 波 长 范 围 内 的 辐 射 能 。n 辐 射 测 温 的 常 用 方 法 有 四 种 ：o 亮 度 法 ： 按 物 体 的 光 谱 或 部 分 连 续 波 长 辐 射 亮 度 推 算 温 度o 全 辐 射 法 ： 按 物 体 全 波 长 范 围 的 辐 射 亮 度 推 算 温 度o 比 色 法 ： 按 物 体 两 个 波 长 的 光 谱 辐 射 亮 度 之 比 推 算 温 度o 多 色 法 ： 按 物 体 多 个 波 长 的 光 谱 辐 射 亮 度 和 物 体 发 射 率 随波 长 变 化 的 规 律 来 推 算 温 度六 非 接 触 式 测 温3.2.2温 度 检 测 方 法 40 o 辐 射 温 度 计4002000o 比 色 温 度 计5503200六 非 接 触 式 测 温3.2.2温 度 检 测 方 法 41 3.2.3 温 度 测 量 仪 表 的 选 用p 正 确 选 型 由 现 场 工 作 条 件 确 定 选 择 接 触 式 还 是 非 接 触式 温 度 计 。 接 触 式 ： 根 据 温 度 测 量 范 围 和 精 度 要 求 合 理的 选 择 感 温 元 件 。 高 温 :热 电 偶 低 温 :热 电 阻 42 课 程 小 结o 了 解 温 度 的 主 要 测 量 方 法 。o 了 解 常 用 温 度 仪 表 的 基 本 工 作 原 理 、 特 点 、 使 用 场 合 、选 用 原 则 和 要 求 等 。o 重 点 掌 握 热 电 偶 及 热 电 阻 的 测 温 原 理 。o 重 点 掌 握 热 电 偶 的 冷 端 温 度 补 偿 问 题 。 43 电 信 学 院 自 动 化 系 先 进 控 制 技 术 研 究 所