第五章溫度測量及變送

1、第五章 溫度測量與變送第一節(jié) 引言概念：溫標：國際實用溫標International Practical Temperature Scale of 1968(簡稱IPTS-68)，又稱國 際溫標。 1954年，國際計量會議為273.16，并以它的1/273.16定為一度，熱力學(xué)溫標完全確定。攝氏溫標：是在標準大氣壓(即101325Pa)下將水的冰點與沸點中間劃分一百個等份，每一等份稱為攝氏一度(攝氏度，)，一般用小寫字母t表示。與熱力學(xué)溫標單位開爾文并用。 攝氏溫標與國際實用溫標溫度之間的關(guān)系如下：t=T-273.15 注意：攝氏溫度的分度值與開氏溫度分度值相同，即溫度間隔1K=1。T0是在標

2、準大氣壓下冰的融化溫度， T0 = 273.15 K。水的三相點溫度比冰點高出0.01 K。華氏溫度：在標準大氣壓下冰的融點為32華氏度，水的沸點為212華氏度，中間等分為180份， 每一等份稱為華氏一度，符號用 ，它和攝氏溫度的關(guān)系如下：m=1.8n+32 測溫儀表分類：原理：膨脹、熱電阻、熱電偶、輻射測量方式：接觸式，非接觸式常用測溫儀表的分類和性能 見表5-1。 第二節(jié) 膨脹式溫度計物體熱脹冷縮性質(zhì)制成的儀表，液、氣、固。u玻璃管液體溫度計：毛細管內(nèi)液體體積 Vt=Vt0（- )(t-t0） (5-2) 液體體積膨脹系數(shù) 越大越好 盛液容器體積膨脹系數(shù) 越小越好 工業(yè)級、標準級、實驗室級

3、三種。u壓力式溫度計：密閉容器內(nèi)液體氣體或者低沸點液體的飽和蒸汽受熱后體積變化壓力變化的原理 一定質(zhì)量的氣或液 Pt-Pt0= (t-t0）/ 氣體的壓縮系數(shù) 外部體積不變時，壓力與溫度成線性關(guān)系。溫包、毛細管、彈簧管、表頭組成。第五章 溫度測量與變送 雙金屬溫度計兩種不同膨脹系數(shù)的金屬片為主要敏感元件的儀表。 膨脹系數(shù)差別越大越好。 為提高靈敏度，雙金屬片作成螺旋狀，加大變形量，總變形量為單圈彈簧管的n 倍。 選型和安裝時注意軸向和徑向結(jié)構(gòu)的區(qū)別第五章 溫度測量與變送 第三節(jié) 熱電偶溫度計廣泛使用、集中控制、遠傳記錄、高精度可靠，結(jié)構(gòu)簡單、使用方便組成：熱偶，連接導(dǎo)線，顯示儀表原理：冷端：熱

4、偶的感受被測溫度一端，工作端。熱端：連接導(dǎo)線、儀表的端，自由端熱點效應(yīng)（現(xiàn)象）：熱偶兩端溫度不同時，回路即產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象；電勢叫熱電勢。包括溫差電勢、接觸電勢。溫差電勢：同一導(dǎo)體兩端溫度不同時，因高端電子的能量高，從高端移動到低端的電子比從低端移動到高端的電子多，結(jié)果電子的分配不平衡，形成帶電現(xiàn)象。接觸電勢：不同導(dǎo)體的電子密度不同，密度高的向低的方向移動，結(jié)果電子的分配不平衡，形成電場，方向阻止電子的繼續(xù)移動，待平衡時穩(wěn)定，平衡時的電勢為接觸電勢。第五章 溫度測量與變送熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端 eAB（t）為A、B的接觸電勢 eA（t，to）為A的溫差電勢 eAB（t， to ）= eA

5、B（t ）- eAB（ to ） eAB（t）=- eBA（t） 兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同（設(shè)TT0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（Seeback）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。第五章 溫度測量與變送 A B T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB結(jié)論結(jié)論： 熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細無關(guān)。 只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。 導(dǎo)體材料確定

6、后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB0(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢EAB (T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。 只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢，因為當(dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時，ln(NA/NBB)=0，也即EAB (T，T0)=0。第五章 溫度測量與變送對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，接點溫度分別為T1、T2 、 、Tn ，冷端溫度為零度的熱電勢。其熱電勢為 E= EAB（T1）+ EBC（T2）+ENA（Tn） 熱電偶回路的性質(zhì)均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是

7、否存在溫度梯度，回路中沒有電流(即不產(chǎn)生電動勢)；反之，如果有電流流動，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。兩點結(jié)論： l）將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，如圖，則圖a中的A、C接點2與接點3，均處于相同溫度T0之中，此回路的總電勢不變，即同理，圖b中C、A接點2與C、B的接點3，同處于溫度T0之中，此回路的電勢也為：T023ABEABT1T2 CT0EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(b)C23T2T1AaBEABaA(a)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三種材料接入熱電偶回路圖電位計接入熱電偶回路根據(jù)上

8、述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。 ET0T0TT0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）如果任意兩種導(dǎo)體材料的熱電勢是已知的，它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢的關(guān)系為：EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） ABT1T2T2ABT0T0熱電偶補償導(dǎo)

9、線接線圖E對于冷端溫度不是零度時，為熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。如當(dāng)T2=0時，則：只要T1、T0不變，接入AB后不管接點溫度T2如何變化，都不影響總熱電勢。這便是引入補償導(dǎo)線原理。EAB=EAB(T1)EAB(T0)說明：當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B同樣熱電特性的材料A、B(如圖)即引入所謂補償導(dǎo)線時，當(dāng)EAA(T2)=EBB(T2)，則回路總電動勢為熱電偶材料應(yīng)滿足：l 物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時間改變；l 化學(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測量時不被腐蝕；l 熱電勢高，導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)??；l 便于制造；l 復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。二、熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)常

10、用熱電偶常用熱電偶 1 鉑銠30-鉑銠6（分度為B）：長時間1600度，短時間1800度，冷端在40度以下時可不補償。 2 鉑銠10-鉑（分度為s）：長時間1300度，短時間1600度。精度穩(wěn)定。 鎳洛-鎳硅（分度為K）：鎳洛正極-鎳硅負極、鎳洛-鎳硅長時間1000度，短時間1200度。精度穩(wěn)定 3 鎳鉻（ge）康銅分度為E，測溫范圍-200870度，熱電勢高，價格便宜 4 銅-康銅（分度為T），銅正，康銅負；-200300度，廉價金屬熱偶中精度最高，低溫測量靈敏度高，高溫易氧化。 5 鐵-康銅 （分度為J）鐵正，康銅負；-40750度，硫?qū)λg。第五章 溫度測量與變送 熱電偶結(jié)構(gòu)： 1 普

11、通型 0.30.65mm，0.1貴重金屬絲；0.53.2mm金屬絲。 2鎧裝型 可彎曲外徑0.2512mm，熱電級直徑0.0251.3mm，偶長達100米，相應(yīng)時間短，時間常數(shù)小于10s 3薄膜型 響應(yīng)時間短，時間常數(shù)小于0.01S 4熱套型 外部結(jié)構(gòu)強度第五章 溫度測量與變送熱電偶的冷端溫度補償熱電偶的熱點是只有在冷端溫度恒定時才與被測溫度呈單值對應(yīng)關(guān)系。一般在100度范圍內(nèi)，取電特性基本相近的廉價金屬為補償導(dǎo)線。補償導(dǎo)線分為補償型C和延長型X；補償型用于貴重金屬熱偶，不同材質(zhì)；延長型采用同種材質(zhì)，廉價金屬熱偶。無論延長型還是補償性，補償導(dǎo)線本身不能補償熱電偶的冷端溫度變化，只能起到冷端延伸

12、作用，改變冷端位置。補償辦法：冰點法，計算修正法，儀表零點校正法熱電偶的冷端溫度補償冰點法:將熱電偶的冷端分別插入盛有冰水混合物的保溫容器內(nèi)，使之保持冷端溫度為0度。計算修正法：E(t,0)=E(E(t, t0)+ E(t0,0) E(t0,0) 為冷端為0熱端為t0,時的熱電勢 查表可得E(t0,0) 的值，代入公式可求出E(t,0)的值，在查表可得到溫度值。例：儀表零點校正法:冷端溫度相對穩(wěn)定時，可采用此法，先將冷端形成的熱電勢加到儀表上，以此作為儀表的零點開始計算，調(diào)零。如1.5mv，那么以1.5mv對應(yīng)的溫度值作為儀表的起始點。補償電橋法：將一只阻值隨溫度變化的電阻接入穩(wěn)壓供電的電橋中

13、，作為一支臂，將橋路的輸出串聯(lián)接入電偶的輸出回路中，將冷端的溫度變化一溫變電阻的變化，由轉(zhuǎn)換成電橋的輸出變化，彌補冷端非零的測量誤差。第四節(jié) 熱電阻溫度計 在零下200度到零上500度范圍內(nèi)常采用熱電阻測溫。但是動態(tài)特性不如熱電偶，慢。 測溫原理：金屬： 電阻溫度系數(shù)，在一定溫度范圍內(nèi)，近似為常數(shù)。非金屬： T 絕對溫度 k A、B位于半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)測量：特定熱電阻測溫計的阻值與溫度有對應(yīng)關(guān)系，測得阻值即可知道溫度值，實現(xiàn)測溫。001ttRtRtTBTAeR負電阻溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器的溫度特性NTC的電阻溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達式為：RT、RT0溫度為T、T0時熱敏電阻器的電阻

14、值； BN NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。 由測試結(jié)果表明，不管是由氧化物材料，還是由單晶體材料制成的NTC熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍（小于450），都能利用該式，它僅是一個經(jīng)驗公式。如果以lnRT、1/T分別作為縱坐標和橫坐標，則上式是一條斜率為BN ，通過點(1/T，lnRT)的一條直線。 第四節(jié) 熱電阻溫度計011exp0TTBRRNTT0ln11ln0TNTRTTBR第四節(jié) 熱電阻溫度計要求：電阻溫度系數(shù)高，靈敏度高；物理化學(xué)特性穩(wěn)定，長期使用；電阻率高，體積??；線性，精度高；便宜。鎳、鉑、銅、鐵等常用熱電阻：普通型：鉑絲0.07，銅0.1，雙絞繞在絕緣子上，外引線一般為1mm直徑。鎧

15、裝型：小、快、方便、28毫米，或1毫米。常用熱電阻：鉑絲，電阻率高，電阻溫度系數(shù)小，測溫范圍為-200-850度-200-0 時0-850度時A=3.908X10-3 1/C B=3.908X10-7 1/C2 C=3.908X10-12 1/C2平均溫度系數(shù) 3.85 X10-3 1/C 。 Pt100 ， Pt10 兩種，0度時100，10 歐姆。后者粗用于600度以上溫度測量。3201001ttCBtAtRRt201BtAtRRt第四節(jié) 熱電阻溫度計 銅電阻 線性度高，溫度系數(shù)大，便宜；易氧化 阻值與溫度的關(guān)系： a=4.25-4.28 X10-3 1/C 國內(nèi)有Cu50，Cu100兩種

16、，0度時分別為50，100歐姆。tRRt10半導(dǎo)體熱電阻/熱敏電阻 熱敏電阻的特點 鐵 錳 鉬 鈦等氧化物 1電阻溫度系數(shù)的范圍甚寬 有正、負溫度系數(shù)和在某一特定溫度區(qū)域內(nèi)阻值突變的三種熱敏電阻元件。電阻溫度系數(shù)的絕對值比金屬大10100倍左右。多為負溫度系數(shù)。 2材料加工容易、性能好 可根據(jù)使用要求加工成各種形狀，特別是能夠作到小型化。目前，最小的珠狀熱敏電阻其直徑僅為 0.2mm。 3阻值在110M之間可供自由選擇 使用時，一般可不必考慮線路引線電阻的影響；由于其功耗小、故不需采取冷端溫度補償，所以適合于遠距離測溫和控溫使用。 4. 電阻度系數(shù)： 21TBdTAedRtdTRtdRtTBT

17、BTAeR半導(dǎo)體熱電阻/熱敏電阻的特性與外形 半導(dǎo)體熱電阻/熱敏電阻的缺點： 電阻的復(fù)現(xiàn)性較差，互換性較差，非線性嚴重，隨時間變化，測量精度不高 靈敏性高(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)65432 112D0.20.5A型B型( j )測溫元件的安裝 熱敏電阻的安裝(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)油測量物體表面溫度時熱敏電阻器的安裝方式測溫元件的連接 熱電偶采用對應(yīng)的補償導(dǎo)線，極性，導(dǎo)線阻值滿足儀表的要求 少接頭，少故障；遠高壓，少干擾； 注意導(dǎo)線的保護，走管，走槽 非接觸測溫儀的安裝： 使用溫度低于100度，否則采用水冷降溫。測熱電橋 測熱電橋及其等效電

18、路RTR5R6R3(R1)En+ + U2UTRITEURRr(a)(b)(c)R1EnAR1R2R4R3U+ 第七節(jié) 溫度變送器 熱電偶變送器和熱電阻變送器 室內(nèi)安裝變送器：熱偶采用補償導(dǎo)線，熱阻采用三線制，或四線制；集散控制系統(tǒng)和PLC 插卡為發(fā)展趨勢 變送器包括調(diào)理單元和放大單元 調(diào)理單元：調(diào)理電橋?qū)犭娮韬蜔犭娕嫉牧泓c和冷端補償調(diào)節(jié)，調(diào)整成放大單元容易處理的毫伏信號。調(diào)理單元 熱電偶測溫 電偶接在A、B 端子上 T0 為冷端溫度UAC=E（T，TO）+UOUTUOUT=I1（RCU+R11+R9）- I2（w1+R12+R10）當(dāng)T0 上升時， E（T，TO）減小， I1RCU會增大。在一定范圍內(nèi)使I1RCU的增加與E（T，TO）的減小相抵消，起到冷端補償作用。參考溫