化工測量儀表課件(溫度)

第一章概述第二章膨脹式溫度計第三章熱電偶溫度計第四章熱電阻溫度計第五章

接觸式溫度計的安裝

本篇小結2/6/20231第一章概述常用:

玻璃溫度計、壓力溫度計、雙金屬溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計等。返回下一頁一、溫度測量方法1.接觸式測溫

任意兩個冷熱程度不同的物體相接觸，必然要發(fā)生熱交換現象，熱量將由溫度高的物體傳向溫度低的物體，直到兩物體完全達到熱平衡狀態(tài)為止。要求:測溫物體的物理性質必須是連續(xù)、單值地隨溫度變化，并且復現性好。需滿足條件：感溫部件與被測介質充分接觸；保證熱交換時間。2/6/202322.非接觸式測溫返回測溫元件的任何部位均不與被測物體相接觸。目前多以輻射式為主，通過被測物體與感溫元件之間的熱輻射作用實現測溫。特點：不會破壞被測對象的溫度場，可測移動或轉動物體的溫度，可通過掃描的方法測得物體表面的溫度。反映速度較快，測溫范圍很廣，原理上不受溫度上限的限制。受物體發(fā)射率、對象與儀表間距、煙塵和蒸汽等介質的影響，準確性不高，通常用來測量1000℃以上的移動、旋轉或反應迅速的高溫物體溫度。下一頁上一頁2/6/20233按測量方式：接觸式和非接觸兩類。返回二、溫標1.攝氏溫標（用t表示，單位記為℃。）2.國際溫標熱力學溫度是基本溫度，用T表示，單位開爾文，記為Ｋ。三、溫度測量儀表的分類按工作原理：膨脹式、熱電阻、熱電偶及輻射式等。規(guī)定:

水的三相點熱力學溫度為273.16Ｋ；定義1K=1／273.16。0℃=273.15Kt＝T-273.15各常用測溫儀表的測溫原理、基本特性見表4-1-1。上一頁2/6/20234第二章膨脹式溫度計返回第一節(jié)玻璃管液體溫度計第二節(jié)壓力式溫度計第三節(jié)

雙金屬溫度計2/6/20235第一節(jié)玻璃管液體溫度計測溫原理結構與分類

返回2/6/20236一、測溫原理液體受熱后體積膨脹和溫度的關系可用下式表示：Vt—液體在t℃時的體積;Vt0

—液體在t0℃時的體積;α—液體的體積膨脹系數;α′—盛液容器的體積膨脹系數。返回Vt＝Vt0(α－α′)(t－t0)α

與α′差別越大，靈敏度越高。(4－2-1)

2/6/20237二、結構與分類1.按結構分為棒狀溫度計內標尺式溫度計外標尺式溫度計：毛細管固定在標尺板上，多用來測室溫。2.按用途分為標準溫度計：有棒狀、內標尺式的，分一等和二等，分度值為0.05～0.1℃。工業(yè)用溫度計實驗室用溫度計：形式與標準的相仿，精度較高。返回一般為內標尺式。2/6/20238返回2/6/20239第二節(jié)壓力式溫度計結構

測溫原理

返回2/6/202310一、結構溫包內充填的感溫介質有氣體、液體及蒸發(fā)液體等。

毛細管容積<<溫包容積，通常為銅或不銹鋼冷拉無縫管，內徑0.4mm左右，長度<50m。返回2/6/202311二、測溫原理返回液體壓力溫度計若忽略溫包、毛細管和彈性元件組成的密封系統(tǒng)容積變化，對一定質量的液體，壓力與溫度的關系可表示為：Pt—工作液在t時的壓力;

Pt0—工作液在t0時的壓力;α—工作液的體積膨脹系數;

β—工作液的可壓縮系數。多以有機液（甲苯、酒精、戊烷等）或水銀作感溫介質。即：下一頁2/6/202312第三節(jié)雙金屬溫度計測溫原理雙金屬溫度計的結構

返回2/6/202313一、測溫原理

x—雙金屬片自由端的位移；

l—雙金屬片的長度；

d—雙金屬片的厚度；Δt—雙金屬片的溫度變化量；

G—彎曲率返回兩種膨脹系數不同的金屬組成固體膨脹式溫度計。測量范圍-80～600℃，精度1、1.5、2.5級。2/6/202314二、雙金屬溫度計的結構返回下一頁2/6/202315返回上一頁2/6/202316第三章熱電偶溫度計返回第一節(jié)測溫原理第二節(jié)熱電偶材料與結構第三節(jié)熱電偶冷端溫度的處理方法第四節(jié)

熱電偶測溫線路及誤差分析2/6/202317第一節(jié)測溫原理概述溫差電勢接觸電勢熱電偶的基本定律

返回2/6/202318概述返回

兩種不同導體或半導體連接成閉合回路，若兩個接點的溫度不同，在該回路內就會產生熱電動勢，此現象稱熱電效應。2/6/202319一、溫差電勢同一導體中，因其兩端溫度不同而產生的熱電勢。

返回（4-3-1）σA—導體的湯姆遜系數。表示溫差1℃(或1K)所產生的電動勢，與材料性質及兩端溫度有關。

溫差電勢只與導體材料性質和兩端溫度有關，與導體長度、截面及沿導體長度上的溫度分布無關。2/6/202320二、接觸電勢兩種電子密度不同的導體接觸時產生的熱電勢。

k—波爾茲曼常數；

e—單位電荷；

NA、NB—溫度為t時，A、B導體的電子密度；

t—接觸點的溫度。返回下一頁（4-3-2）只與兩種導體的性質和接觸點溫度有關。

若兩導體材料一定，僅與其接點溫度有關。t↑→eAB(t)↑

2/6/202321熱電偶回路總電勢EAB(t,t0)＝eAB(t)+eB(t,t0)-eAB(t0)-eA(t,t0)

eAB(t)＝-eBA(t)EAB(t,t0)＝-EBA(t,t0)＝-EAB(t0,t)

溫差電勢<<接觸電勢，則回路總電勢EAB(t,t0)的方向取決于eAB(t)的方向。腳標AB的順序表示熱電勢的方向，若順序改變，則熱電勢符號也隨之改變。即：返回(4-3-3)A、B導體材料確定，t0不變，總電勢為t的單值函數。

不同熱電極制成的熱電偶，在相同溫度下產生的熱電勢不同，見各熱電偶分度表。上一頁2/6/202322三、熱電偶的基本定律eC(t1,t1)＝0

eBC(t1)＝-eCB(t1)eBA(t0)＝-eAB(t0)eA(t0,t)＝-eA(t,t0)eB(t,t1)+eB(t1,t0)＝eB(t,t0)上一頁下一頁返回（一）中間導體定律EABC(t,t1,t0)＝eAB(t)+eB(t,t1)+eBC(t1)+eC(t1,t1)+eCB(t1)+eB(t1,t0)+eBA(t0)+eA(t0,t)

據溫差和接觸電勢定義，可得則上式可整理為

EABC(t,t1,t0)＝eAB(t)+eB(t,t0)-eAB(t0)-eA(t,t0)

＝EAB(t,t0)2/6/202323上一頁下一頁返回同理：可證圖(b)，回路中2、3接點溫度均為t0，回路中總熱電勢仍為EAB(t,t0)。中間導體定律：回路中引入第三種導體C時，只要保持導體C兩端溫度相同，則對總電勢無影響。2/6/202324由一種均質導體組成的閉合回路，無論導體截面、長度以及各處溫度分布如何，均不產生熱電勢。(二)均質導體定律上一頁下一頁返回定律說明：若兩熱電極分別由兩種均質導體組成，則熱電勢僅與兩接點溫度有關，與沿熱電極的溫度分布無關。用于衡量熱電極材料的均勻性。2/6/202325EABBˊAˊ(t,tn,t0)=EAB(t,tn)+EAˊBˊ(tn,t0)

EAB(t,t0)=EAC(t,t0)-EBC(t,t0)=EAC(t,t0)+ECB(t,t0)

（三）中間溫度定律返回（四）

標準電極定律若連接點溫度為tn，連接導體Aˊ或Bˊ的熱電特性與A、B相同，則總熱電勢等于熱電偶與連接導體的熱電勢的代數和。即

導體A、B分別與導體C組成熱電偶，測量端溫度均為t，參考端均為t0

，則2/6/202326第二節(jié)熱電偶材料與結構返回熱電偶材料及特性熱電偶的結構2/6/202327下一頁（一）標準化熱電偶一、熱電偶材料及特性1．鉑銠10—鉑熱電偶（分度號：S）2．鉑銠13—鉑熱電偶（分度號：R）3．鉑銠30—鉑銠6熱電偶（分度號：B）貴金屬，用于精密溫度測量及作為基準熱電偶。0～1400℃，短期1600℃。誤差可為±1℃。熱電勢比S熱電偶大15%左右，其它性能幾乎相同。測溫范圍：同S，誤差±(1±0.25%t）℃。高溫熱電偶。熱電勢小，冷端溫度在40℃以下使用時，一般不需進行冷端溫度補償。價格高。0～1600℃，短期1800℃。誤差±0.25%t℃～±4℃。返回2/6/2023284．鎳鉻—鎳硅熱電偶（分度號：K）5．鎳鉻—康銅熱電偶（分度號：E）6．銅—康銅熱電偶（分度號：T）返回下一頁上一頁熱電特性近似線性，熱電勢比S熱電偶高3～4倍，復制性好，價格便宜。-200～1000℃，短期1300℃。誤差±1.5～2.5℃。靈敏度最高。價廉，濕度較大時較其它熱偶耐腐蝕。-200～750℃，短期870℃。誤差±1.5～2.5℃。在廉價金屬熱電偶中精確度最高，穩(wěn)定性好，低溫測量靈敏度高。-200～300℃，短期350℃。誤差±0.5～1℃。2/6/202329下一頁返回上一頁8．鎳鉻硅—鎳硅熱電偶（分度號：N）

1300℃以下，高溫抗氧化能力強，穩(wěn)定性及復現性好，耐核輻射及耐低溫性能好。有取代廉價金屬熱電偶與部分替代S熱電偶的趨勢。-200～1200℃，短期1300℃。誤差±1.5～2.5℃。9．鎢錸系列熱電偶鎢錸5—鎢錸26熱電偶分度號：WRe5-WRe26。鎢錸3—鎢錸25熱電偶分度號：WRe3-WRe25。用于1600℃以上高溫。上限達2800℃，最好2000℃以下使用。誤差±1%t℃。熱電特性曲線7．鐵—康銅熱電偶（分度號：J）700℃以下線性非常好，具有較高的靈敏度。-40～700℃，短期750℃，誤差±1.5～2.5℃。2/6/202330(二)非標準化熱電偶

上一頁返回1．鎳鉻—金鐵熱電偶用于0～273K低溫，誤差±0.5℃,是較理想的低溫測量熱電偶。2．非金屬熱電偶熱電勢遠大于金屬熱電偶；熔點高,復現性差，機械強度較低。(1)石墨—碳化鈦熱電偶（C—TiC)

含碳氣氛、中性氣氛中可測2000℃高溫。(2)WSi2—MoSi2熱電偶

含碳氣氛、中性和還原性氣氛中,可達2500℃。(3)碳化硼—石墨熱電偶（B4C—C）

600～2000℃范圍內線性好，熱電勢大，為鎢錸熱電偶的19倍，最適宜作控制信號。2/6/202331返回標準化熱電偶的熱電特性曲線2/6/202332二、熱電偶的結構下一頁返回1.普通型熱電偶熱電極:貴金屬D=0.3～0.65mm，普通金屬D=0.5～3.2mm。長度由安裝條件及插入深度而定，一般350～2000mm。絕緣子:材料有聚四氟乙烯、石英、陶瓷管等，結構有單孔、雙孔和四孔之分。保護套管：有金屬、非金屬和金屬陶瓷三類。接線盒：用于導線與熱電極連接。常用連接方式：螺紋或法蘭連接2/6/202333返回上一頁下一頁固定螺紋錐形保護管連接高強度結構，用于P<30MPa、流速<80m/s的測量。

螺紋連接或法蘭連接用于P<10MPa的測量。

2/6/202334上一頁2.鎧裝熱電偶將熱電極與絕緣材料及金屬套管經整體復合拉伸工藝加工而成的可彎曲堅實組合體。

標準鎧裝型:

外徑0.5～8mm，熱電極直徑0.1～1.3mm，套管壁厚為0.075～1mm，長度≤500m。

動態(tài)特性好，鎧裝型τ≤10s，普通型τ=10～240s，適用于溫度變化頻繁及熱容量較小、結構復雜的對象。使用溫度低、壽命短。返回下一頁非標準化極細型：鎧裝熱電偶的外徑0.25～0.34mm。鎧裝熱電偶2/6/202335返回上一頁下一頁2/6/2023363．高性能實體熱電偶保護管壁厚是普通熱電偶的1.1～1.3倍；即相當于厚壁粗偶絲的大鎧裝熱電偶。特點：耐高溫、壽命長、響應速度快。兼有鎧裝熱電偶與普通熱電偶的優(yōu)點。新型熱電偶（Solidpak）返回上一頁下一頁高溫下熱電極不易氧化，且導熱性能大大提高，響應速度比普通型快6～10倍。

2/6/2023374．其它類型熱電偶（1）薄膜熱電偶

τ≤0.01S，用于-200～300℃快速變化的物體表面溫度測量。（2）熱套式熱電偶（圖4-3-15）（3）高溫耐磨熱電偶

返回上一頁由兩種金屬薄膜在絕緣基板上連接而成的一種特殊結構的熱電偶。用于高速流體測量，防止沖刷折斷彎曲。采用耐磨合金電焊、等離子噴涂或熱噴涂合金法制備保護管。提高保護管耐熱沖擊及耐磨損性能。

2/6/202338第三節(jié)熱電偶冷端溫度

處理方法補償導線延伸法冰點法計算修正法儀表零點校正法

補償電橋法

返回2/6/202339一、補償導線延伸法返回補償導線：兩種不同導體材料制成，在一定溫度(100℃以下)范圍與所連接的熱電偶熱電特牲相同或十分相近，材料廉價。注意：與熱電偶分度號相匹配，且極性不能接錯。補償型(C)：A≠Aˊ,B≠Bˊ，用于貴金屬熱電偶；延伸型(X)：A=Aˊ,B=Bˊ，用于廉價金屬熱電偶。補償型必須保持熱電偶與導線連接處的溫度<100℃。

注意：補償導線本身并無冷端溫度補償作用，僅起到了冷端延伸作用。2/6/202340二、冰點法返回E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)=

E(t,0)保持t0=0

℃一般在實驗室精密測量中使用。則E(t0,0)=E(0

,0)=0由中間溫度定律：即參考端（冷端）溫度為0

℃，測量端溫度為t℃的熱電偶回路電勢。

查相應熱電偶分度表，則可得被測溫度。2/6/202341三、計算修正法返回當t0≠0℃，測得的回路熱電勢為E(t,t0)，則E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)E(t,0)—冷端為0℃，測量端t℃時的熱電勢;

E(t,t0)—冷端為t0℃，測量端t℃時的熱電勢;E(t0,0)—冷端為0℃，測量端t0℃時的熱電勢，即冷端溫度校正值（由分度表查得）。適用于實驗室或臨時性測溫。2/6/202342四、儀表零點校正法若冷端溫度t0

恒定，所配用的顯示儀表無冷端溫度補償功能，而且零點調整較方便，則可用此法。將顯示儀表零點調至t0

處，相當于事先輸入了電勢E(t0,0)，使顯示儀表的輸入電勢為E(t,t0)+E(t0,0)=E(t,0)

t0變化時需重新調整儀表零點，調零時，應斷開熱電偶回路。返回2/6/202343五、補償電橋法返回R1、R2和R3

錳銅絲繞制,RCu銅絲繞制。t0=0℃：R1=R2=R3=RCu=1Ω橋路無輸出，Uab=0選擇橋路電流，使得

Uab+E(t,t0)≈E(t,0)t0>0℃，E(t,t0)↓RCu↑→Ua>Ub→Uab↑因補償是一種近似補償，通常電橋取在20℃時平衡。顯示儀表的零位應調到20℃處。即Uab=E(t0,0)2/6/202344二、熱電偶測量誤差分析返回上一頁（一）熱電偶本身的誤差（二）熱交換引起的誤差

熱輻射損失和導熱損失所致。（四）顯示儀表的誤差（三）補償導線引入的誤差2．熱電特性變化引起的誤差:產生“蛻變”誤差或“漂移”。1．分度誤差:校驗時的誤差。對熱電偶進行定期檢查和校驗可消除。2/6/202345第四章熱電阻溫度計返回第一節(jié)測溫原理第二節(jié)

材料與結構2/6/202346第一節(jié)熱電阻的測溫原理測溫原理材料與溫度的關系

返回2/6/202347一、測溫原理返回基于金屬導體或半導體電阻值與溫度呈一定函數關系的原理。金屬導體電阻Rt＝Rt0[1＋α(t-t0)]

Rt一溫度為t℃的電阻值;Rt0一溫度為t0℃的電阻值;α一電阻溫度系數。半導體電阻RT＝AeB/TRT一溫度為T的電阻值;T一絕對溫度，Ｋ；

e一自然對數的底，2.71828;A、B一常數，與材料有關。溫度每上升1℃:導體電阻增大0.36～0.68%；半導體電阻下降3～6%。2/6/202348二、熱電阻材料與溫度的關系電阻溫度系數：溫度變化1℃時電阻值的相對變化量。

Rt、Rt0—在t或t0時的電阻值。

一般導體電阻與溫度為非線性，對任意溫度下α代表相對靈敏度，以材料純度衡量，用電阻比表示Wt=Rt/Rt0

令t0=0℃，t=100℃，則W100=R100/R0

返回（4-4-3）W100

↑→材料純度↑→α↑。國際溫標規(guī)定：標準鉑熱電阻溫度計，W100≥1.39250。基本參數（4-4-4）2/6/202349第二節(jié)熱電阻材料與結構金屬熱電阻半導體熱電阻返回2/6/202350一、金屬熱電阻（1)電阻溫度系數大，即靈敏度高；（2)物理化學性能穩(wěn)定，能長期適應較惡劣的測溫環(huán)境，互換性好；(3)電阻率要大，以減小電阻體積，減小熱慣性；(4)電阻與溫度近似為線性關系，測溫范圍廣；(5)價格低廉，復制性強，加工方便。

返回下一頁（一）熱電阻材料要求2/6/2023511.鉑熱電阻測溫范圍-200～850℃。分度號:Pt10

、Pt100。返回下一頁上一頁-200℃～0℃范圍內，電阻與溫度關系為：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3](4－4-7)0～850℃范圍內Rt=R0(1＋At＋Bt2）(4－4-8)R0—0℃時的阻值；分別為R0=10Ω和R0=100Ω。A＝3.90802×10-31/℃;B＝-5.80195×10-71/℃2;C＝-4.27350×10-121/℃4。平均溫度系數為α＝3.85×10-31/℃。Rt≈R0(1+αt)

Pt10熱電阻電阻絲較粗，主要用于600℃以上的測量。特點：精度高、性能可靠、抗氧化性好、物理化學性能穩(wěn)定。2/6/2023523、鎳熱電阻

2、銅熱電阻上一頁返回下一頁測溫范圍-50～150℃。分度號：Cu50、Cu100。特點：電阻溫度系數大，且材料易提純，價格便宜，電阻率低。Rt＝R0(1+At+Bt2+Ct3)（4-4-9）A＝4.28899×10-31/℃；B＝-2.133×10-71/℃2；C＝1.233×10-91/℃3。R0分別為50Ω和100Ω。Rt≈R0(1+αt)

電阻溫度系數α＝4.28×10-31/℃。-60～300℃。分度號：Ni100、Ni300和Ni500Rt=100+0.548t+0.665×10-3t2+2.805×10-9t4α比鉑電阻大1.5倍，因不易提純，互換性差。2/6/202353（二）熱電阻結構1、普通型熱電阻電阻體：直徑0.01～0.07mm電阻絲，在絕緣骨架上繞制而成。采用雙線無感繞制方法，消除因測量電流變化或外界交變磁場而產生的感應電勢。內引線：鉑電阻高溫用鎳絲，中、低溫用銀絲；銅、鎳電阻均采用其本身材料。直徑

工業(yè)用1mm，標準或實驗室用0.3～0.5mm。保護管：同熱電偶保護管，材質有金屬或非金屬等。導線連接方式：為減少或避免導線電阻對測量的影響，采用三線制或四線制連接方式。返回下一頁上一頁結構圖2/6/202354（1）三線制連接返回下一頁上一頁與橋路配合使用。橋路平衡時：

R2（Rt+r）=R1（R3+r）橋路設計時，若滿足R1=R2

，則r可完全消去。只有Rt=R3電橋平衡時才是如此，否則不可能完全消除導線電阻的影響，但會使影響大大減少。2/6/202355（2）四線制連接

用于電壓或電勢輸入的自動平衡式儀表。電位差計測得U，可得

Rt=U/I導線電阻對測量均無影響。只要恒流源電流I穩(wěn)定，此方法不受任何條件的限制，可消除連接導線電阻對測量的影響。無論三線制或四線制，若需準確測量，則返回下一頁上一頁導線均須由電阻體根部引出。2/6/2023562、鎧裝熱電阻返回上一頁結構及特點與鎧裝熱電偶相似。外徑為2～8mm，個別可制成1mm。優(yōu)點:外型尺寸小，響應速度快；抗震、可撓，適于結構復雜部位的測量。2/6/202357二、半導體熱電阻返回半導體熱電阻溫度系數為：B—熱敏指數。描述材料物理特性的常數，取決材料組成及燒結工藝，B↑→RT↑→S↑大多數半導體熱電阻：T↑→α↓↓，此種電阻稱負溫度系數的NTC型熱敏電阻。常用結構正溫度系數的PTC型熱敏電阻。還可制成臨界型CTR型熱敏電阻，負溫度系數類型，在某溫度范圍內阻值急劇下降，靈敏度極高。PTC型和CTR型適用于位式溫度傳感器；NTC型適作連續(xù)測量。溫度特性2/6/202358普通型熱電阻返回2/6/202359常用結構及特性返回2/6/202360第五章接觸式溫度計的安裝返回第一節(jié)測溫元件的安裝第二節(jié)連接導線的安裝2/6/202361第一節(jié)測溫元件的安裝返回一、正確選擇測溫點

有利于熱交換，不應裝于死角區(qū)域。二、測溫元件應與被測介質充分接觸1．保證足夠的插入深度水銀溫度計應使水銀球中心置于管中心線上；雙金屬溫度計插入長度必須大于敏感元件的長度；壓力式溫度計的溫包中心應與管中心線重合；熱電偶溫度計保護管末端應過管中心線5～10mm；熱電阻溫度計的插入深度應為(d保護管直徑):

電阻體長度+15～20d金屬電阻(非金屬10～15d)無論多粗管道，插入深度=300mm已足夠。下一頁2/6/2023622．保證充分的熱交換返回選擇測溫元件插入深度l時，還應考慮安裝連接頭長度H。下一頁上一頁安裝圖測溫元件應迎著流向插入，至少與流向成正交,不得順流安裝。管徑較細時（D<80mm）可加擴大管或裝在彎頭處。

2/6/202363返回三、避免熱輻射、減少熱損失必要時測溫點加裝防輻射罩或保溫層。四、安裝應確保正確、安全可靠

上一頁高溫下測量的熱電偶，盡可能垂直安裝。有壓設備上安裝必須保證其密封性。2/6/202364測溫元件管路安裝返回2/6/202365第二節(jié)連接導線的安裝返回一、按照規(guī)定的測溫元件型號配用相應導線熱電偶補償導線注意與相應分度號配用，且正、負極性連接正確；熱電阻采用三線制或四線制連接，線路電阻符合顯示儀表的要求。二、導線應有良好的絕緣屏蔽三、防止外界機械損傷最好采用架空敷設，也可地下敷設。四、保證環(huán)境使用條件2/6/202366本篇小結