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第一節(jié)溫度測(cè)量的基本概念 一 溫度測(cè)量的基本概念溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度 溫度越高 表示物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈 模擬圖 在一個(gè)密閉的空間里 氣體分子在高溫時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度比低溫時(shí)快 低溫 高溫 二 溫標(biāo) 1 溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo) 它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點(diǎn) 即零點(diǎn) 以及溫度的單位 各類溫度計(jì)的刻度均由溫標(biāo)確定 2 國(guó)際上規(guī)定的溫標(biāo)有 攝氏溫標(biāo) 華氏溫標(biāo) 熱力學(xué)溫標(biāo)等 課本P213定義 第一節(jié)溫度測(cè)量的基本概念 幾種溫標(biāo)的對(duì)比 正常體溫為37 C 相當(dāng)于華氏溫度多少度 二 溫標(biāo) 第一節(jié)溫度測(cè)量的基本概念 熱力學(xué)溫標(biāo) K 熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的最科學(xué)的溫標(biāo) 是由開爾文 Kelvin 根據(jù)熱力學(xué)定律提出來的 因此又稱開氏溫標(biāo) 它的符號(hào)是T 單位是開爾文 K 威廉 湯姆遜 開爾文勛爵像 二 溫標(biāo) 第一節(jié)溫度測(cè)量的基本概念 1990國(guó)際溫標(biāo) ITS 90 從1990年1月1日開始在全世界范圍內(nèi)采用1990年國(guó)際溫標(biāo) 簡(jiǎn)稱ITS 90 它定義了一系列溫度的固定點(diǎn) 測(cè)量和重現(xiàn)這些固定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器以及計(jì)算公式 例如水的三相點(diǎn)為273 16K 0 01 C 等 二 溫標(biāo) 第一節(jié)溫度測(cè)量的基本概念 按照用途可分為基準(zhǔn)溫度計(jì)和工業(yè)溫度計(jì) 按照測(cè)量方法又可分為接觸式和非接觸式 按工作原理又可分為膨脹式 電阻式 熱電式 輻射式等等 按輸出方式分 有自發(fā)電型 非電測(cè)型等 三 溫度測(cè)量及傳感器分類 第一節(jié)溫度測(cè)量的基本概念 介紹幾種溫度測(cè)量方法 示溫涂料 變色涂料 裝滿熱水后圖案變得清晰可辨 三 溫度測(cè)量及傳感器分類 第一節(jié)溫度測(cè)量的基本概念 變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用 CPU散熱風(fēng)扇 低溫時(shí)顯示藍(lán)色 溫度升高后變?yōu)榧t色 三 溫度測(cè)量及傳感器分類 第一節(jié)溫度測(cè)量的基本概念 不需要電源 耐用 但感溫部件體積較大 氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比 介紹幾種溫度測(cè)量方法 體積熱膨脹式 三 溫度測(cè)量及傳感器分類 第一節(jié)溫度測(cè)量的基本概念 介紹幾種溫度測(cè)量方法 紅外溫度計(jì) 三 溫度測(cè)量及傳感器分類 第一節(jié)溫度測(cè)量的基本概念 熱電偶測(cè)溫的主要優(yōu)點(diǎn) 1 它屬于自發(fā)電型傳感器 測(cè)量時(shí)可以不需外加電源 可直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈式儀表 2 測(cè)溫范圍廣 下限可達(dá) 270 C 上限可達(dá)1800 C以上 3 各溫區(qū)中的熱電勢(shì)均符合國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn) 三 溫度測(cè)量及傳感器分類 第一節(jié)溫度測(cè)量的基本概念 熱電極A 右端稱為 自由端 參考端 冷端 第二節(jié)熱電偶的工作原理 左端稱為 測(cè)量端 工作端 熱端 熱電極B 熱電勢(shì) A B 先看一個(gè)實(shí)驗(yàn) 熱電偶工作原理演示 結(jié)論 當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí) 回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) 一 熱電效應(yīng) 1821年 德國(guó)物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路 并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸點(diǎn) 稱為結(jié)點(diǎn) 發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn) 說明什么 如果用兩盞酒精燈對(duì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱 指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小 又說明什么 顯然 指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生并有電流在回路中流動(dòng) 電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān) 從實(shí)驗(yàn)到理論 熱電效應(yīng) 第二節(jié)熱電偶的工作原理 一 熱電效應(yīng) 自由電子 A B eAB T T 結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生熱電勢(shì)的微觀解釋及圖形符號(hào) 兩種不同的金屬互相接觸時(shí) 由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同 在兩金屬A和B的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象 自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B 使A失去電子帶正電 B得到電子帶負(fù)電 從而產(chǎn)生熱電勢(shì) 從實(shí)驗(yàn)到理論 熱電效應(yīng) 第二節(jié)熱電偶的工作原理 一 熱電效應(yīng) 熱電效應(yīng)的定義 將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路 當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí) 在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì) 形成電流 此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng) 第二節(jié)熱電偶的工作原理 一 熱電效應(yīng) k 玻耳茲曼常數(shù) e 電子電荷量 T 接觸處的溫度 NA NB 分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度 接觸電動(dòng)勢(shì) 不同材料之間 節(jié)點(diǎn)處電子的擴(kuò)散所致 第二節(jié)熱電偶的工作原理 二 熱電勢(shì) 接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì) 溫差電動(dòng)勢(shì) A B 湯姆遜溫度系數(shù) 同種材料 兩端溫度不同 電子運(yùn)動(dòng)速度不同 回路中總電動(dòng)勢(shì) 第二節(jié)熱電偶的工作原理 二 熱電勢(shì) 接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì) 2 中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體 只要其兩端的溫度相等 該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì) 1 均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路 不論導(dǎo)體的橫截面積 長(zhǎng)度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì) 第二節(jié)熱電偶的工作原理 三 熱電偶測(cè)溫基本定律 3 參考電極定律兩種導(dǎo)體A B分別與參考電極C組成熱電偶 如果他們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知 A和B兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)可用下式求得 4 中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t tn和tn t0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和 中間溫度定律可以用下式表示 中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù) 第二節(jié)熱電偶的工作原理 三 熱電偶測(cè)溫基本定律 根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)原理 任意兩種不同材料的導(dǎo)體都可以作為熱電極組成熱電偶 在實(shí)際應(yīng)用中 用作熱電極的材料應(yīng)具備如下幾方面的條件 1 溫度測(cè)量范圍廣 2 性能穩(wěn)定 3 物理化學(xué)性能好 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 1 熱電偶的材料 1 普通工業(yè)裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu) 熱電偶通常由熱電極 絕緣管 保護(hù)套管和接線盒等幾個(gè)主要部分組成 2 熱電偶的結(jié)構(gòu) 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 2 鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu) 2 熱電偶的結(jié)構(gòu) 鎧裝熱電偶的制造工藝 把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護(hù)管中 運(yùn)用同比例壓縮延伸工藝 將這三者合為一體 制成各種直徑 規(guī)格的鎧裝偶體 再截取適當(dāng)長(zhǎng)度 將工作端焊接密封 配置接線盒即成為柔軟 細(xì)長(zhǎng)的鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶特點(diǎn) 內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕 有著良好的抗高溫氧化 抗低溫水蒸氣冷凝 抗機(jī)械外力沖擊的特性 鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì) 能解決微小 狹窄場(chǎng)合的測(cè)溫問題 且具有抗震 可彎曲 超長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn) 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu) 鎧裝型熱電偶外形 法蘭 鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米 薄壁金屬保護(hù)套管 鎧體 鎧裝型熱電偶橫截面 2 熱電偶的結(jié)構(gòu) 3 隔爆型熱電偶 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計(jì)時(shí)采用防爆的特殊結(jié)構(gòu) 它的接線盒是經(jīng)過壓鑄而成的 有一定的厚度 隔爆空間 機(jī)構(gòu)強(qiáng)度較高 采用螺紋隔爆接合面 并采用密封圈進(jìn)行密封 因此 當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放弧時(shí) 不會(huì)與外界環(huán)境的危險(xiǎn)氣體傳爆 能達(dá)到預(yù)期的防爆 隔爆效果 使用場(chǎng)合 工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中 由于在化工生產(chǎn)廠 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常伴有各種易燃 易爆等化學(xué)氣體或蒸汽 如果用普通熱電偶則非常不安全 很容易引起環(huán)境氣體爆炸 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 隔爆型熱電偶外形 厚壁保護(hù)管 壓鑄的接線盒 電纜線 其他熱電偶外形 小形K型熱電偶 1 標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶 2 非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶包括鉑銠系 銥銠系及鎢錸系熱電偶等 主要有 鉑銠30 鉑銠6熱電偶 分度號(hào) B 鉑銠10 鉑熱電偶 分度號(hào) S 鎳鉻 鎳硅熱電偶 分度號(hào) K 鎳鉻 康銅熱電偶 分度號(hào) E 鐵 康銅熱電偶 分度號(hào) J 銅 康銅熱電偶 分度號(hào) T 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 3 熱電偶的種類 K熱電偶的分度表 比較查出的3個(gè)熱電勢(shì) 可以看出熱電勢(shì)是否線性 設(shè)冷端為0 C 根據(jù)以下電路中的毫伏表的示值及K熱電偶的分度表 查出熱端的溫度tx 如何由熱電偶的熱電勢(shì)查熱端溫度值 4 型號(hào)表示 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 5 冷端補(bǔ)償 由于熱電偶產(chǎn)生的電勢(shì)與兩端溫度有關(guān) 只有將冷端溫度保持恒定才能使熱電勢(shì)正確反映熱端的被測(cè)溫度 由于很難保證冷端溫度在恒定0 故常采取一些冷端補(bǔ)償措施 主要有 冷端恒溫法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 計(jì)算修正法 橋補(bǔ)償法等幾種 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 5 冷端補(bǔ)償 冷端恒溫法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 計(jì)算修正法和電橋補(bǔ)償法 冷端恒溫法0 恒溫器將熱電偶的冷端置于溫度為0 的恒溫器內(nèi) 用于實(shí)驗(yàn)室或精密的溫度測(cè)量 冰浴法 其他恒溫器將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi) 使之保持溫度恒定 避免由于環(huán)境溫度的波動(dòng)而引入誤差 這類恒溫器的溫度不為0 需對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度修正 冰浴法接線圖 1 被測(cè)流體管道2 熱電偶3 接線盒4 補(bǔ)償導(dǎo)線5 銅質(zhì)導(dǎo)線6 毫伏表7 冰瓶8 冰水混合物9 試管10 新的冷端 補(bǔ)償導(dǎo)線法由于受到材料價(jià)格的限制不可能做很長(zhǎng) 而要使其冷端不受測(cè)溫對(duì)象的溫度影響 必須使冷端遠(yuǎn)離溫度對(duì)象 采用補(bǔ)償導(dǎo)線可以做到這一點(diǎn) 所謂補(bǔ)償導(dǎo)線 實(shí)際上是一對(duì)材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線 在0 150 溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性 但價(jià)格相對(duì)要便宜 補(bǔ)償導(dǎo)線在0 150 C范圍內(nèi)的熱電勢(shì)與配套的熱電偶的熱電勢(shì)相等 所以不影響測(cè)量精度 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 5 冷端補(bǔ)償 冷端恒溫法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 計(jì)算修正法和電橋補(bǔ)償法 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 5 冷端補(bǔ)償 冷端恒溫法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 計(jì)算修正法和電橋補(bǔ)償法 補(bǔ)償導(dǎo)線法實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng) 根據(jù)中間溫度定律 只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二個(gè)接點(diǎn)溫度一致 是不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)輸出的 下面以爐溫測(cè)量為例說明補(bǔ)償導(dǎo)線的作用 如采用鎳鉻 鎳硅熱電偶測(cè)爐溫 熱端為800 冷端為50 儀表室為20 先分別查表得 E 800 0 33 277mV E 50 0 2 022mV E 20 0 0 798mV 則不補(bǔ)償時(shí)輸入儀表的熱電勢(shì)為 E 800 50 33 277 2 022 31 255mV 相當(dāng)于751 采用補(bǔ)償導(dǎo)線后則為 E 800 20 33 277 0 798 32 479mV 相當(dāng)于781 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 5 冷端補(bǔ)償 冷端恒溫法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 計(jì)算修正法和電橋補(bǔ)償法 計(jì)算修正法測(cè)量值再加上冷端溫度到0 的熱電勢(shì) 現(xiàn)可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償 例用 型熱電偶測(cè)溫度 冷端為40 測(cè)得的熱電勢(shì)為29 188 mV 求被測(cè)溫度T 解 已知e t 40 29 188 mV 查E 40 0 1 611 mV 故E t 0 29 188 1 611 30 799 mV 查K型分度表得 T 740 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 5 冷端補(bǔ)償 冷端恒溫法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 計(jì)算修正法和電橋補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償法熱電偶的電勢(shì)與溫度為非線性關(guān)系 而電阻與溫度的關(guān)系是線性的 故是近似關(guān)系 補(bǔ)償原理見下圖 圖中R1與R2阻值遠(yuǎn)大于其它電阻 使橋路具有恒流性質(zhì) 并使I1 I2 0 5mA 因此 其輸出電壓 U e URCM UR5利用e與URCM的相反變化來補(bǔ)償熱電偶冷端溫度的改變 自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臈l件為 e I1RCM t 電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值 可購買與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 5 冷端補(bǔ)償 冷端恒溫法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 計(jì)算修正法和電橋補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償法 XT WBC熱電偶冷端補(bǔ)償器 第四節(jié)熱電偶的應(yīng)用及配套儀表 由于我國(guó)生產(chǎn)的熱電偶均符合ITS 90國(guó)際溫標(biāo)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn) 其一致性非常好 所以國(guó)家又規(guī)定了與每一種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶配套的儀表 它們的顯示值為溫度 而且均已線性化 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)圈式顯示儀表命名為XC系列 有指示型 XCZ 和指示調(diào)節(jié)型 XCT 等系列品種 與K型熱電偶配套的動(dòng)圈儀表型號(hào)為XCZ 101或XCT 101等 數(shù)字式儀表也有指示型 XMZ 和指示調(diào)節(jié)型 XMT 等幾種系列品種 XCZ系列指針式顯示儀表 XC系列動(dòng)圈式儀表測(cè)量機(jī)構(gòu)的核心部件是一個(gè)磁電式毫伏計(jì) 動(dòng)圈式儀表與熱電偶配套測(cè)溫時(shí) 熱電偶 連接導(dǎo)線 補(bǔ)償導(dǎo)線 調(diào)整電阻和顯示儀表組成了一個(gè)閉合回路 1 熱電偶2 補(bǔ)償導(dǎo)線3 冷端補(bǔ)償器4 外接調(diào)整電阻5 銅導(dǎo)線6 動(dòng)圈7 張絲8 磁鋼 極靴 9 指針10 刻度面板 XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表 特點(diǎn) 1 帶冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償 2 單片機(jī)智能化設(shè)計(jì) 儀表零點(diǎn) 量程等全部參數(shù)可按鍵設(shè)定 3 具有軟件校驗(yàn)功能 可通過按鍵對(duì)儀表進(jìn)行校準(zhǔn) 4 具有超量程指示 斷線指示等故障自診斷功能 5 采用開關(guān)電源 電壓適應(yīng)范圍寬 儀表體積小 重量輕 6 220VAC或24VDC供電電源 XMT系列熱電偶智能數(shù)字顯示控制儀表的特點(diǎn) 帶冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償 具有超量程指示 斷線指示等故障自診斷功能 雙屏顯示 副屏顯示內(nèi)容可設(shè)定 最多可帶4路報(bào)警控制繼電器輸出 每個(gè)報(bào)警控制點(diǎn)的回差可設(shè)定 每個(gè)報(bào)警控制點(diǎn)的報(bào)警方式 上限報(bào)警或下限報(bào)警 可分別設(shè)定 DDZ 型電動(dòng)單元組合儀表中的變送單元之一 軌裝式溫度變送器 它能將熱電偶 或熱電阻 的輸入信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成與溫度成比例的電流 電壓 信號(hào) 供給顯示 控制儀表及計(jì)算機(jī)集散系統(tǒng) 廣泛用于冶金 石油化工 熱電站 紡織 造紙等行業(yè)的測(cè)溫控制系統(tǒng)中 請(qǐng)將右圖各有關(guān)設(shè)備正確地連接起來 組成熱電偶測(cè)溫 控溫電路 黃 綠 紅 L1 L2 L3 接大地銅排 接零 熱電偶輸出端 電爐 如何根據(jù)常用電路設(shè)備的要求接線 380V線圈的交流接觸器連接過程 當(dāng)溫度控制器測(cè)得的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí) 5 6兩端開路 交流接觸器失電 電爐回路被切斷 接大地銅排 電爐 接零 3 端接何處 熱電偶 220V線圈的交流接觸器連接過程 當(dāng)溫度控制器測(cè)得的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí) 5 6兩端開路 交流接觸器失電 電爐回路被切斷 接零 注意 圖中還有一根線漏接 請(qǐng)指正 小結(jié) 本次課主要復(fù)習(xí)了熱電偶的原理 種類及其使用中的基本定律 重點(diǎn)介紹了熱電偶在使用中的冷端端補(bǔ)償方法以及在溫度檢測(cè)中的具體應(yīng)用電路 基本要求 掌握熱電偶在實(shí)際測(cè)溫中的應(yīng)用 會(huì)正確選用熱電偶并按要求組成一定的測(cè)溫電路 作業(yè) 上網(wǎng)查找5家以上生產(chǎn)熱電偶的企業(yè) 列出它們所生產(chǎn)的熱電偶型號(hào)規(guī)格 了解其特性和適用范圍 應(yīng)用實(shí)例 補(bǔ)充 鹽浴爐溫度控制系統(tǒng)用S型熱電偶檢測(cè)溫度信號(hào) 有冷端補(bǔ)償 溫度信號(hào)通過放大 采樣保持 模數(shù)轉(zhuǎn)換再送單片機(jī)保存 采用分段查表法獲取各點(diǎn)溫度 選用可控硅過零觸發(fā)自動(dòng)控制鹽浴爐溫度 控制周期為2s 可按預(yù)設(shè)溫度曲線進(jìn)行加熱 并可實(shí)時(shí)顯示加溫曲線 1 系統(tǒng)總體方案本系統(tǒng)采用晶閘管調(diào)功實(shí)現(xiàn)鹽浴爐的溫度控制 即通過控制晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷的周波數(shù)比率 從而達(dá)到調(diào)功的目的 晶閘管的觸發(fā)由單片機(jī)控制 通過單片機(jī)編程可方便地實(shí)現(xiàn)按預(yù)定溫度曲線進(jìn)行加熱 鹽浴爐爐溫由熱