过程检测仪表[电子教案]第五章__温度检测仪

第五章 温度检测仪表概述5.1.1 温度的概念温度是表征物体冷热的程度的物理量。从微观上讲，温度表示物质内部 分子热运动平均动能的大小。

热平衡和热效应是温度测量的重要基础。

5.1.2 温标温度的数值表示方法称为温标。规定了温度的读数的起点(即零点)和

测量温度的基本单位。

1.经验温标(1)摄氏温标(℃) 规定在标准大气压下，冰水混合物的温度为0℃, 水的。沸点为100℃。 (2)华氏温标(℉) 规定在标准大气压下,水的冰点温度为32℉,水的 沸点温度定为212℉

2.热力学温标热力学温标是一种理想温标，规定分子运动停止时的温度为绝对零度。 温度单位为开尔文(K),大小定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。

3.国际实用温标ITS国际实用温标是用来复现热力学温标。 (1)T 90和t90之间关系保留以前温标定义中的计算关系，摄氏温度 的分度值与热力学温度分度值相同

t 90 T90 273 .15(2)ITS-90通过划分温区定义：0. 65K到5. OK之间，由3He蒸汽压与 温度的关系式来定义。3.OK到24. 5561K之间，是用氦气体温度计来定

义。13. 8033K到1234.93K之间，是用铂电阻温度计来定义。

(3)各温区规定一组的定义温度固定点，并规定内插公式来分度。 所采用的定义固定点一般是一些纯物质的三相点，或是溶点、凝固点。 如O2、Ar、Hg、H2O的三相点；In、Sn、Al、Ag、Au、Cu的凝固点等。

5.1.3测温仪表的分类(1)按测温方式可分为接触式和非接触式两大类； (2)按工作原理可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等；

5.2

膨胀式温度计

热膨胀式温度计是利用液体、气体或固体热胀冷

缩的性质测量温度。分为液体膨胀式温度计和固体膨胀式温度计两大类。

5.2.1 膨胀式温度计

1.玻璃管液体温度计组成：主要由玻璃温包、毛细管、工作液体和刻 度标尺等组成。

工作液：一般采用水银和酒精作为工作液，其中水银与其它液体相比有许多优点，如不粘附玻璃、 不易氧化、测量温度高、容易提纯、线性较好、准 确度高。

图5.1 玻璃管液体温度计1—玻璃温包；2—毛细管；3—刻度标尺

分类：按用途分类，可分为工业用玻璃管液体温度计、标准玻璃管液体温 度计两类。标准玻璃管液体温度计，可作为检定其它温度计用，准确度高， 测量绝对误差可达0.05~0.1℃。工业用玻璃管液体温度计为了避免使用 时被碰碎，在玻璃管外通常罩有金属保护套管。

2.双金属温度计双金属片是由两种膨胀系数不同的金属薄片叠 焊在一起制成的测温元件。利用两种膨胀系数不 同的金属元件的膨胀差异测量温度。 双金属片受热后由于两种金属片的

膨胀系数不 同而使自由端产生弯曲变形，弯曲的程度与温度 的高低成正比。

l2 x G (t t0 ) dx——双金属片自由端的位移； l——双金属片的长度； d——双金属片的厚度； G——弯曲率，取决于双金属片的材料。

图5.3 双金属片 1—双金属片；2一指针轴； 3一指针；4一刻度盘

双金属片常被用作温度继电控制器、温度开 关或仪表的温度补偿器。 双金属温度计：螺旋形双金属片的一端固定 在测量管的下部，另一端为自由端，与指针轴 焊接在一起。当被测温度发生变化时，双金属 片自由端发生位移，使指针轴转动，由指针指 示出被测温度值。 特点：双金属温度计结构简单、耐振动、耐 冲击、使用方便、维护容易、价格低廉，适于 振动较大场合的温度测量。目前国产双金属温 度计的使用温度范围为-80~600℃,精度等级 为1~2.5级。图5.4 双金属温度计 1-表玻璃；2-指针；3-刻度盘；4-表壳；5安装压帽；6-金属保护管；7-指针轴；8-双 金属螺旋；9-固定端

5.2.2 压力式温度计

1.压力式温度计的结构及原理结构：由充有感温介质的感温包、传递压力的毛细管及压力表组成。 原理：温包内的感温介质若随被测 温度升高时，其体积膨胀，但由于温包、 毛细管和弹簧管组成的封闭系统容积基 本不变，介质体积膨胀受限，造成系统 压力升高。经毛细管传给弹簧管使其产 生变形，进而通过传动机构带动指针偏 转，指示出相应的温度。 特点：强度大、不易破损、读数方 便，准确度较低、体积大。 测温范围-100℃~600℃。 类型：液体压力温度计、气体压力 温度计和蒸汽压力温度计。

(1)液体压力式温度计 感温液体：水银(测温范围-30~ 650℃); 甲醇(测温范围-100~ 150℃);二甲苯(测温范围-100~ 400℃)。 液体压力温度计使用时应将温包全部浸入被测介质之中，否则会引起较 大测量误差。环境温度变化过大，也会对示值产生影响。为此，在弹簧 管的自由端与传动机构之间插入一条双金属片补偿附加误差。 (2)气体压力温度计 工作气体：氮气(测温上限可达500~550℃);氢

气(测温下限可达-120℃)。(3)蒸汽压力温度计 其温包中充入约占2/3容积的低沸点液体，其饱 和蒸气压仅与气液界面的温度有关。通过毛细管传递弹簧管中，以指示被 测温度。工作液：氯甲烷、氯乙烷和丙酮等。 优点：温包的尺寸比较小，灵敏度高；测量范围小，T-P关系非线性， 标尺刻度不均匀。

5.3热电偶温度计测量原理：热电效应。热电偶能将温度转换成毫伏级热电势信号 输出。 特点：测温范围广，性能稳定，结构简单，测量精度高，输出信号便于远 传，应用极为广

泛。 组成：热电偶、连接导线显示仪表

图5.6

热电偶温度计组成示意图

5.3.1热电偶测温原理 1.热电效应热电偶：由两根不同的导体材料将一端焊接或绞接而成。焊接的一端称 为热端(测量端);另一端称为冷端(参考端)。 热电偶产生热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。 (1)温差电动势 导体两端温度不同、电子能量不同，造成导体内自由电 子从高温端向低温端扩散，电子扩散造成高、低温端电荷的积累，形成静电

场Es。当电场对电子的作用力与扩散力平衡时，电场Es产生一个稳定的温差电动势E A (T , T0 ) K e

T

T0

1 d ( N At t ) N At

e——单位电荷，e =1.6×10-19 C; K——波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K; NAt——为导体A在温度t时的电子密度。

(2)接触电势 两种不同导体接触时，由于电子密度不同，造成自由电 子从高密度侧向低密度侧扩散，电子扩散造成接触点处电荷的积累，形成 静电场Em。当电场对电子的作用力与扩散力平衡时，产生一个稳定的接触 电动势E AB (T ) N KT ln AT e N BT

T——A、B导体接触处的温度； NAT、NBT——分别为导体A、B在温度T时的电子密度。 (3)热电偶回路总电势 对于导体A和B组成的 热电偶回路，当接点温度T>T0,NA>NB时，回路 中总热电势为

E AB (T , T0 ) E AB (T ) E AB (T0 ) E A (T , T0 ) EB (T , T0 )E AB (T , T0 ) K e

T

T0

ln

N At dt N Bt图5.8 热电偶回路电势

E AB (T , T0 ) f (T ) f (T0 )

当参考端的温度T0恒定时， f (T0 ) C 为常数，则E AB (T , T0 ) f (T ) C (T )

当冷端保持温度不变，则热电偶回路总电势只随热端的温度变化而变化。在实际应用中，热电势与温度之间的关系是在参考端温度为0℃时，通过 实验建立的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。

2.热电偶的基本定律(1)均质导体定律 两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电极 直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温 度有关。 (2)中间导体定律 若在热电偶回路中插入中间导体(第三种导体), 只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路的总热电势无影响。 (3)中间温度定律 EAB (T , T0 ) EAB (T , Tn ) EAB (Tn , T0 )

(4)标准电极定律

EAB (T , T0 ) EAC (T , T0 ) EBC (T , T0 )

5.3.2 常用热电偶的类型及结构 1.热电偶的类型及特点热电极的材料要求。 ①材料的热电性能不随时间而变化，即热电特性稳定。 ②电极材料有足够的物理、化学稳定性，不易被氧化和腐蚀。 ③产生的热电势要足够大，热电灵敏度高。 ④热电势与温度关系要具有单调性，最好呈线性或近似线性关系。 ⑤材料复

现性好，便于大批生产和互换。 ⑥材料组织均匀，机械性能好，易加工成丝。 ⑦材料的电阻温度系数小，电阻率要低。 (1)标准热电偶 ①铂铑10-铂热电偶，分度号S。 测量范围：长期使用1300℃以下，短期测量1600℃。 特点：热电特性稳定，准确度高，材料容易提纯，缺点是热电势较低， 价格昂贵，不能用于金属蒸汽和还原性气体中。 ②铂铑30-铂铑6热电偶，分度号B。 测量范围：长期使用1600℃以下，短期测量1800℃。 特点：测量上限高，稳定性好的、机械强度大，缺点是热电势小，不能 用于0℃以下温度测量。

③镍铬-镍硅热电偶，分度号K。 测量范围： -270~+1300℃。在氧化性或中性介质中长时测量温度900℃, 在还原性介质中，小于500℃。 特点：热电势较大，热电关系近线性，抗氧化性和抗腐蚀性强。化学稳定 性、复制性好，价格便宜。缺点是测量略低，稳定性稍差。 ④镍铬-铜镍热电偶，分度号E。 测量范围：长期使用-200~+600℃,短期测量-200~+800℃。 特点：热电势大，灵敏度高，电阻率小，适用于还原性和中性气氛下测温， 价格便宜。缺点是测量范围低且窄，铜镍合金易受氧化而变质。 ⑤铜-铜镍热电偶，分度号T。 测量范围：-248℃~+370℃ 特点：热电势大,热电特性好，价格低廉。低温性能十分稳定。不宜在氧化 性气氛中工作。 (2)非标准热电偶 能满足一些特殊条件下测温的需要，如超高温、极低温、高真空或核辐射 环境。非标准化热电偶有铂铑系、铱铑系、钨铼系及金铁热电偶、双铂钼等 热电偶。

2.普通热电偶的结构(1)普通型热电偶的组成 ①热电极 感温元件，热端焊接，冷端连接 在接线盒内接线柱上，与外部接线连接。贵金属 热电极的直径为0.015~0.5mm,普通金属热电极 的直径为0.2~3.2 mm。长度一般为0.35~2 m左 右。 ②绝缘管 套在热电极上防止热电极短路。 绝缘管的材料一般用耐火陶瓷(1200℃以下)、氧 化铝Al2O3(1600℃以下)和氧化镁MgO(2000℃以 下)。 ③保护管 使热电极与被测介质隔离，免受化 学侵蚀和机械损伤。材料如不锈钢1Cr18Ni9Ti (900℃)、高温钢Cr25Ti(1000℃)、高温不 锈钢CH40(1200℃)、氧化铝Al2O3(1600℃)、 氧化镁MgO(2000℃)和氧化锆ZrO2(2400℃)。 ④接线盒 普通防溅型、防水型、防爆型等。

图5.12 普通热电偶结构 1—出线孔密封圈；2-出线 孔压紧螺母；3-防掉链；4接线盒盖；5—接线柱；6密封圈；7-接线盒座；8-接 线绝缘座；9-保护套管； 10—绝缘管；11-热电极

(2)普通热电偶的结构类型

(a) 直形无固定装置热电偶(b) 直形螺纹 连接头固定热电偶(c) 锥形螺纹连接头固 定热电偶(d) 直形法兰固定热电偶 图5.13 普通

热电偶结构形式

3.特殊热电偶(1)铠装热电偶 将保护套管、绝缘材料粉末与热电极三者组合成一体， 经多次拉伸制成的细长形像铁丝样的热电偶。 我国已生产出S型、R型、B型、K型、E型、J型铠装热电偶。 特点：体积小，热容量小，动态响应快；可挠性好，具有良好柔软性； 强度高，耐压、耐震、耐冲击。外径最细能达0.25 mm,长度可达100m以上 (2)薄膜型热电偶 用真空蒸镀的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘基板 上而制成。 特点：测量端厚度约为几个微米左右，热容量小，响应速度快，便于敷 贴。适用于测量微小面积上的瞬变温度。

图5.15 薄膜热电偶 1—工作端；2—薄膜热电极；3—绝缘 基板；4—引脚接头；5—引出线(相同 材料的热电极)

图5.14 铠装热电偶的结构 1-接线盒；2-保护管；3-固定装置； 4-绝缘材料；5-热电极

5.3.3 热电偶的冷端补偿 1.补偿导线为节约贵重金属热电极材料，选择一对价格低廉的金属丝作为补偿导线 来延长热电偶的冷端，使之远离高温区。补偿导线在冷端温度范围内，产 生的热电势与主热电偶的热电势相同。

图5.17 利用补偿导线延长热电偶的冷端 1-测量端；2—热电极；3一接线盒1(中间温度);4—补偿导线；5—接线 盒2(新的冷端);6—铜引线(中间导体);7-毫伏表

使用注意： 1)补偿导线与热电偶热电极的两个接点温度必须相同； 2)补偿导线只能与相应型号的热电偶配用； 3)必须在规定的温度范围内使用； 4)极性切勿接反。导线外皮颜 色 正 红 红 红 负 绿 蓝 橙 20℃时的电 阻率/ (Ω ·m) 0.05×10-6 0.52×10-6 0.10×10-6

型号

配用热电偶 正-负 铂铑10-铂 镍铬-镍硅 钨铼5-钨铼26

补偿导线 正-负 铜-铜镍① 铜-康铜 铜-铜镍②

100℃热电势 /mV 0.646±0.023 4.096±0.063 1.451±0.051

SC KC WC5/26