温度仪表-员工培训.ppt

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反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。

温度概念的建立及测量：

以热平衡为基础的，温度最本质的性质：

当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。

测量方法：

接触式测温和非接触式测温,接触式测温温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。

（1）膨胀式温度计

（2）热电阻温度计（3）热电偶温度计（4）其他原理的温度计,直观、可靠，测量仪表也比较简单,特点,非接触测温温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。

（1）辐射式温度计

（2）红外线温度计：

特点,不与被测物体接触，不破坏原有的温度场。

精度一般不高。

缺点：

由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。

不适于直接对腐蚀性介质测量。

缺点：

容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。

红外线温度计,表3-3各种温度计的优缺点及使用范围,温标,摄氏温标-是把标准大气压下纯水的冰融点定为0度，纯水的沸点定为100度的一种温标。

在0度和100度之间分成100等分，每一分为一摄氏度，符号为。

华氏温标-规定在大气压下，纯水的冰融点为32度，纯水的沸点为212度，中间划分为180等分，每一分为一华氏度，符号为。

热力学温标-又称开尔文温标，单位为开尔文（K）。

国际实用温标-是一种符合热力学温标又使用简单的温标。

最新温标是1990年国际温标（ITS90）,应用热膨胀原理测温,测量原理,物体受热时产生膨胀,液体膨胀式温度计,固体膨胀式温度计,玻璃管温度计,双金属温度计,膨胀式温度计,双金属片,双金属片温度计,双金属温度信号器1-双金属片2-调节螺钉3-绝缘子4-信号灯,感温元件:

两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起而制成的.,压力式温度计,利用密闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制成的，并用压力表来测量这种变化，从而测得温度,工作介质是气体、液体或蒸气简单可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性动态性能差，示值的滞后较大，不能测量迅速变化的温度,热电偶温度计,热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。

它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。

具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。

它既可以用于流体温度测量，也可以用于固体温度测量。

既可以测量静态温度，也能测量动态温度。

并且直接输出直流电压信号，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。

这两种不同导体或半导体的组合称为热电偶每根单独的导体或半导体称为热电极t端称为工作端（假定该端置于热源中），又称测量端或热端t0端称为自由瑞，又称参考端或冷端,1热电偶,热电现象,接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的性质（电子密度）和接触面温度的高低。

温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度比值越大，接触电势也越大。

热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定,闭和回路总电势,A,B,闭合回路中总热电势,热电势E（t,t0）等于热电偶两接点热电势的代数和,当A、B材料固定后，如果t0保持不变,则eAB（t0）为常数，有：

测出EAB（t,t0）就可以测算出t,分度表,如果能使冷端温度t0固定，则总电势就只与温度t成单值函数关系,分度表-热电势与热端温度之间关系列成表格,注：

热电势与热端温度之间关系是非线性,如果断开冷端，接入第三种导体C，并保持A和C、B和C接触处的温度均为t0，则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和:

当tt0时，有,于是可得,热电偶的“中间导体定律”,热电偶的“中间导体定律”,根据热电偶的“中间导体定律”可知：

热电偶回路中接入第三种导体后，只要该导体两接点处的温度相同，热电偶回路中所产生的总热电势与没有接入第三种导体时热电偶所产生的总热电势相同；同理，如果回路中接入更多种导体时，只要同一导体两端温度相同，也不影响热电偶所产生的热电势值。

因此热电偶回路可以接入各种显示仪表、变送器、连接导线等。

根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶所产生的热电势值。

热电偶的种类,热电偶的电极材料在被测温度范围内应满足：

热电性质稳定、物理化学性能稳定、热电势随温度的变化率要大、热电势与温度尽可能成线性对应关系、具有足够的机械强度、复制性和互换性好等要求,在所有标准化热电偶中，相同温度条件下B型热电偶产生的热电势最小，E型最大。

如果把各型号热电偶的热电势和温度制成曲线，可以看出二者呈一定的非线性关系。

热电偶的结构,热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于500以上较高温度的测量。

根据用途和安装位置不同：

普通型热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构热电偶选型注意事项:

（1）热电极的材料

（2）保护套管的结构（3）材料及耐压强度（4）保护套管的插入深度,1.普通型热电偶;2.铠装热电偶;3.表面型热电偶-利用真空镀膜法将两电极材料蒸镀在绝缘基底上;测量物体的表面温度4.快速热电偶-测量高温熔融物体的一种专用热电偶,普通型热电偶,普通型热电偶主要由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。

绝缘管用于防止两根电极短路,保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤,普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式,铠装型热电偶,铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型制得。

金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等,保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。

铠装型热电偶可以做得很细，一般为18mm，在使用中可以随测量需要任意弯曲。

铠装热电偶的特点热响应时间少，减小动态误差；可弯曲安装使用；测量范围大；机械强度高，耐压性能好；,补偿导线,问题引出,解决方法,热电偶冷端暴露于空间，受环境温度影响,热电极长度有限，冷端受到被测温度变化的影响,把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方,造成浪费,选用一种具有和所连接的热电偶相同的热电性能，其材料又是廉价金属导线,补偿导线,其一实现了冷端迁移；其二是降低了成本。

功能,不同型号的热电偶所配用的补偿导线不同连接补偿导线时要注意区分正负极，使其分别与热电偶的正负极一一对应补偿导线连接端的工作温度不能超出（0100），否则会给测量带来误差。

使用补偿导线注意问题,问题引出,冷端温度补偿,热电偶的分度表所表征的是冷端温度为0时的热电势-温度关系，与热电偶配套使用的显示仪表就是根据这一关系进行刻度的。

解决方法,0恒温法,冷端温度修正法,仪表机械零点调整法,补偿电桥法,补偿热电偶法,0恒温法,适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用,冷端温度修正法,设：

冷端温度恒为t0（t00）被测温度为t,修正公式,冷端t0的热电势,测量得出的热电势,被测温度t的热电势,仪表机械零点调整法,将显示仪表的机械零点调至t0处，相当于在输入热电偶热电势之前就给显示仪表输入了电势E（t0,0）,解：

由分度号为S的铂铑10-铂热电偶分度表（附录一）查出985时的热电势值为9.412mV。

也就是E（t,t0）=9.412mV,又从分度表中查得E（t0,0）=E（30,0）=0.173mV。

将此两个数值代入式（5-14）,得E（t,0）=9.412mV+0.173mV=9.585（mV）再查分度表可知,对应于9.585mV的温度t=1000,这就是该支铂铑10-铂热电偶所测得的温度实际值。

补偿电桥法,补偿电桥法是利用不平蘅电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化引起的热电势变化值。

不平衡电桥由R1、R2、R3（铝铜丝绕制）和Rt（铜丝绕制）四个桥臂和稳压电源所组成，串联在热电偶测量回路中，其中Rt与热电偶的冷端放在一起，感受相同的温度。

通常电桥取在20时处于平衡，即R1=R2=R3=Rt20此时，对角线a、b两点电位相等，即Uab=0。

通过适当选择桥臂电阻和电流的数值，使得：

使用补偿电桥注意问题,根据各类热电偶的型号选择配套的补偿电桥,注意补偿温度的起点在20平衡，须把显示仪表的机械零点预先调整到20在0平衡，须把显示仪表的机械零点预先调整到0,补偿是相对的，以此有一定误差,同样，当,也存在类似规律结论：

无论如何变化，E总恒为EAB（t,20）,即将冷端温度自动补偿至20。

（补偿到0时处理方法类似）,补偿热电偶法,如图所示，将一支补偿热电偶的工作端扦入2-3m的地下，或者放在其他横温器中，使其温度横为t0，而冷端与多支热电偶的冷端都接在温度为t1的同一接线盒中。

这时测温仪表的指示值测为E（t,t0）所对应的温度，而不受接线盒处的温度t1变化的影响。

图3-63补偿热电偶连接线路,热电偶、热电阻的选用选用原则：

较高温度热电偶中低温区热电阻一般以500为分界，但不绝对,原因有两点：

（1）在中低温区，热电偶输出的热电势很小，对测量仪表放大器和抗干扰要求很高。

（2）由于参比端温度变化不易得到完全补偿，在较低温度区内引起的相对误差就很突出。

另外，还应注意工作环境，如环境温度、介质性质（氧化性、还原性、腐蚀性）等，选择适当的保护套管、连接导线等。

热电阻温度计,2023/5/9,第四章非电量的电测技术,34,工作原理,温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。

取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。

应用热电阻原理测温,导体或半导体的电阻值随温度变化,测量原理,热电阻温度计适用于测量-200500范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度；具有远传、自动记录和实现多点测量等优点。

热电阻输出信号大，测量准确,热电阻温度计,应用于-200600范围内的温度测量,热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒,热电阻的材料要求：

电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。

常用热电阻,铂电阻,电阻率较大，电阻-温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好在还原性介质，高温下，易被沾污，使铂丝变脆，并改变了其与温度间的关系,工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10,在0650范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为,铜电阻,

（1）电阻值与温度的关系几乎呈线性，电阻温度系数也较大，

（2）其材料易提纯，价格比较便宜（3）测温范围为-50150内，具有很好的稳定性（4）缺点在150以上易被氧化（5）电阻率较小，为绕一定的电阻值，铜电阻必须较细，长度较长，铜电阻体就较大，机械强度降低,工业用铜热电阻的分度号为Cu50和Cu100,在-50180范围内，金属铜的电阻值与温度的关系为,温度0时的电阻值,温度t时的电阻值,热电阻结构,分为:

（1）普通型热电阻

（2）铠装热电阻（3）薄膜热电阻,温度检测方法及仪表,2023/5/9,40,薄膜铂热电阻元件，把金属铂研制成粉浆，采用先进的激光喷溅薄膜技术，及光刻法和干燥蚀刻法把铂附着在陶瓷基片上形成膜，引线经过激光调阻制成。

铂金属的长期稳定性、可重复操作性、快速响应及较宽的工作温度范围等特性使其能够适合多种应用。

薄膜铂热电阻,陶瓷、玻璃、薄膜铂热电阻元件,DDZIII型温度变送器,分为热电偶温度变送器、热电阻温度和直流毫伏变送器三种:

线路上采用安全火花型防爆措施,可实现危险场合采用线性化机构,从而变送器的输出信号改实测温度呈线性关系采用集成电路,变送器具有良好的可靠性,稳定性等各种技术性能,热电阻温度变送器：

把电阻信号转换为标准电流电压输出,最终要求：

变送器输出电流Io应与被测温度t成线性对应关系,热电偶温度变送器：

把毫伏信号转换为标准电流电压输出,DDZIII型温度变送器特点:

功能：

把热电偶产生的毫伏信号转换为标准电流（4-20mA）输出同时解决两个问题：

（1）冷端温度补偿；

（2）线性化处理。

热电偶温度变送器,热电偶变送器与热电偶配套使用,将温度转换成4-20mA和1-5V的统一标准信号，然后与显示或控制仪表配合使用,热电偶温度变送器输入热电势毫伏信号，输入回路即是冷端温度自动补偿桥路，其产生的补偿电势与热电势相加后作为测量电势，因此补偿电桥上的参数与热电偶分度号有关，热电偶温度变送器使用时要注意分度号的匹配。

（1）冷端温度补偿；

（2）调整零点（零点迁移、改量程）。

输入桥路作用：

若不考虑反馈回路，则放大器输入信号（电势）,e=Et+I1RCuI2R4,

（1）冷端温度补偿,当冷端温度t0=0时,当t00时,而,通过选择,值，使,则,当t00时,可得到类似结果,结论：

无论t0如何变化，e恒为，即将冷端温度自动补偿至0。

但这种补偿是近似的。

（2）实现零点迁移,电阻R4是可调电阻，电流I2流过可调电阻R4产生电压，它与热电势Et及RCu产生的电势串联，这样不仅可以抵消RCu上的起始电压，还可以自由地改变电桥输出的零点。

调整可调电阻的位置，可以改变量程例如，原量程为0-1100，现改为600-1100,当tmin=600时，调整大小，使,反馈电路,功能：

对热电偶的非线性进行修正。

原理：

以反馈电路的非线性补偿热电偶的非线性，以便获得输出电流I0与温度t的线性关系。

放大电路,由于热电偶产生的热电势数值很小，因此要经过放大。

热电阻温度变送器,功能：

把热电阻产生的信号转换为标准电流（4-20mA）和1-5V的统一标准信号输出同时解决两个问题：

（1）克服引线电阻的影响；

（2）线性化处理。

采用三线制输入方式抵消引线电阻的影响。

引入反馈对信号进行线性化处理,热电偶温度变送器量程单元

（1）具有热电偶参比端温度补偿功能

（2）具有零点迁移、调整及量程迁移功能（3）具有线性化功能,热电阻温度变送器量程单元

（1）三线制接法

（2）线性化功能,直流毫伏变送器量程单元输入信号为直流毫伏,使用温度变送器时应注意的问题：

（1）使用前都要进行量程迁移和零点迁移

（2）温度变送器要与输入信号类型相符，分度号的匹配、接线等热电偶温度变送器：

（1）分度号一致

（2）热电偶的参比端要与变送器上的补偿电阻感受相同温度热电阻温度变送器：

（1）分度号一致；

（2）金属热电阻采用三线制接法，半导体热敏电阻不用,一体化温度变送器,分为一体化热电偶温度变送器和一体化热电阻温度变送器两种,热电偶温度变送器：

把毫伏信号转换为标准电流输出,热电阻温度变送器：

把电阻信号转换为标准电流输出,所谓一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内,变送器模块和测温元件形成一个整体，可直接安装在被测设备上，输出为统一标准信号420mA。

这种变送器具有体积小、重量轻、现场安装方便等优点，因而在工业生产中得到广泛应用。

图3-70一体化温度变送器结构框图,由于一体化温度变送器直接安装在现场，但由于变送器模块内部的集成电路一般情况下工作温度在20+80范围内，超过这一范围，电子器件的性能会发生变化，变送器将不能正常工作，因此在使用中应特别注意变送器模块所处的环境温度。

智能式温度变送器,以SMART公司的TT302温度变送器为例加以介绍。

优点,可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度；具有量程范围宽、精度高；环境温度和振动影响小、抗干扰能力强；质量轻；安装维护方便。

结构,由硬件部分和软件部分两部分构成。

技术提要数字液晶显示（可选）通过现场总线通讯进行组态，如使用PC机或本地调整（带显示）调用/删除功能块自诊断功能防爆、防水，本质安全主站功能精度：

0.02%双通道可接受多种输入方式，如热电偶、热电阻（RTD）、毫伏（mV）、电阻（Ohm）,温度检测仪表的安装,一般来说，温度检测仪表的安装需要遵循以下原则：

检测元件的安装应确保测量的准确性，选择有代表性的安装位置。

检测元件在测量介质中应该有足够的插入深度，以减小测量误差；不应该把检测元件插入介质的死角，以确保能进行充分的热交换；测量管道中的介质温度时，检测元件工作端应位于管道中心流速最大之处；检测元件应该迎着流体流动方向安装，非不得已时，切勿与被测介质顺流安装，否则容易产生测量误差；测量负压管道（或设备）上的温度时，必须保证有密封性，以免外界空气的吸入而降低精度。

第六节现代检测技术与传感器的发展一、软测量技术的发展（Soft-SensingTechnique）二、现代传感器技术的发展1.新材料、新功能的开发，新加工技术的使用2.多维、多功能化的传感器3.微型化、集成化、数值化和智能化4.新型网络传感器的发展,例题分析,解：

显示仪表指示值为500时,由附录三可以查得这时显示仪表的实际输入电势为20.64mV,由于这个电势是由热电偶产生的,即E（t,t0）=20.64（mV）由附录三同样可以查得E（t0,0）=E（60,0）=2.436（mV）,41,例题分析,由式（5-14）可以得到E（t,0）=E（t,t0）+E（t0,0）=20.64+2.436=23.076（mV）由23.076mV,查附录三,可得t557即被测实际温度为557。

当热端为557,冷端为20时,由于E（20,0）=0.798mV,故有E（t,t0）=E（t,0）-E（t0,0）=23.076-0.798=22.278（mV）由此电势,查附录三,可得显示仪表指示值约为538.4。

由此可见,当冷端温度降低时,显示仪表的指示值更接近于被测温度实际值。

42,例题分析,2.如果用两支铂铑10-铂热电偶串联来测量炉温,连接方式分别如图5-18（a）、（b）、（c）所示。

已知炉内温度均匀,最高温度为1000,试分别计算测量仪表的测量范围（以最大毫伏数表示）。

图5-18炉子温度测量,43,例题分析,解:

（a）由于这时热电偶的冷端均为0,每支热电偶对应于1000时的热电势可以由附录一查得E（1000,0）=9.585（mV）两支热电偶串联,测量仪表所测信号的最大值为Emax=29.585=19.17（mV）根据这个数值可以确定仪表的测量范围。

（b）由于这时不仅要考虑补偿导线引出来以后的冷端温度（30）,而且要考虑炉旁边补偿导线与热电偶的接线盒内的温度（100）对热电势的影响。

44,图5-18炉子温度测量,例题分析,假定补偿导线C、D与热电偶A、B本身在100以下的热电特性是相同的,所以在冷端处形成的热电势为E（30,0）=0.173（mV）在补偿导线C、D与热电偶的连接处1、4两点可以认为不产生热电势,但在接线盒内2、3两点形成的热电偶相当于热电偶在100时形成的热电势,即E（100,0）=0.645（mV）由于该电势的方向与两支热电偶在热端产生的电势方向是相反的,所以这时总的热电势为Emax=2E（1000,0）-E（100,0）-E（30,0）=29.585-0.645-0.173=18.352（mV）,45,图5-18炉子温度测量,例题分析,根据这个数值可以确定仪表的测量范围。

在这种情况下,如果炉旁边接线盒内的温度变化,会以测量产生较大的影响,造成较大的测量误差。

（c）由于这时两支热电偶冷端都用补偿导线引至远离炉子处,冷端温度为30,故总的热电势为Emax=2E（1000,0）-2E（30,0）=29.585-20.173=18.824（mV）由此可知,在同样都是用两支热电偶串联来测量炉温时,由于接线不同,产生的热电势也是不相同的,在选择测量仪表时,一定要考虑这种情况。

46,图5-18炉子温度测量,例题分析,3.在上题所述三种情况时,如果由测量仪表得到的信号都是15mV,试分别计算这时炉子的实际温度。

解：

在（a）情况时,由于2E（t,0）=15mV,即E（t,0）=7.5mV,查表（附录一）可得实际温度约为814.3。

在（b）情况时,由于2E（t,0）=15+E（30,0）+E（100,0）=15+0.173+0.645=15.818（mV）E（t,0）=7.909（mV）查表可得实际温度约为851.2。

47,图5-18炉子温度测量,例题分析,在（c）情况时,由于2E（t,0）=15+2E（30,0）=15+20.173=15.346（mV）即E（t,0）=7.673（mV）查表可得实际温度约为830。

由上述例子可以看出,虽然采用了补偿导线,但并不能完全克服冷端温度变化对测量的影响。

补偿导线只是将冷端由温度变化比较剧烈的地方移至温度变化较小的地方。

如果这时冷端的温度仍不为0,那么还必须考虑如何进行冷端温度补偿的问题。

48,图5-18炉子温度测量,例题分析,4.在用热电偶测量温度时,除了要考虑冷端温度的影响外,还要注意热电偶极性不能接错;热电偶与补偿导线要配套;热电偶分度号与指示仪表要配套等问题。

在用热电阻测量温度时,同样要考虑热电阻分度号与测量仪表配套、三线制接法等,下面给出几个思考题及其结论,请大家自行证明（或说明）。

（1）如果热电偶热端为600,冷端为30,仪表的机械零点为0,没有加以冷端温度补偿。

问该仪表的指示值将高于还是低于600?

（低于600）。

49,例题分析,

（2）采用镍铬-镍硅热电偶测量温度,将仪表机械零点调至25,但实际上室温（冷端温度为10）,问这时仪表指示值将偏高还是偏低?

（偏高）。

（3）有S分度号动圈仪表一台,错接入K分度号热电偶,问指示值偏高还是偏低?

（偏高）。

（4）铂铑10-铂热电偶,错接入铜-铜镍补偿导线（铂铑10与铜相接,铂与铜镍相接）,问指示值将偏高还是偏低?

（偏高）。

（5）当热电偶补偿导线极性接错时,指示值偏高还是偏低?

（偏低）。

50,例题分析,（6）当热电偶短路、断路及极性接反时,与之配套的自动电子电位差计的指针各指向哪里?

（室温或指示值偏低、断偶前的温度、始端）。

（7）当热电阻短路或断路时,与之配套的动圈仪表指针将指向哪里?

（始端、终端）。

（8）当用热电阻测温时,若不采用三线制接法,而连接热电阻的导线因环境温度升高而增加时,其指示值将偏高还是偏低?

（偏高）。

51,END,