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05 第五章 温度测量及变送.ppt

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本课件先说明温标与温度测量仪表分类,再重点讲解热电偶的组成、温差电势与接触电势、回路总电动势与两条基本定律,常用热电偶分度号 B、S、K、E、T 的测温范围,冷端温度四种处理方法,以及热电阻原理、常用热电阻与安装规范。

第五章温度测量与变送导览页,列出测温原理、热电偶与热电阻温度计、冷端处理与测温元件安装等重点
测温基本原理页,说明温度是表示物体冷热程度的物理量,并区分接触式与非接触式测温
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第1页:第五章 温度测量与变送

本章内容
温度测量原理,热电偶组成、原理、常用热电偶分度号、热电偶冷端温度处理方法,热电阻温度计原理、常用热电阻,接触式测温元件和连接导线安装。
  • 第一节 概述
  • 第二节 膨胀式温度计
  • 第三节 热电偶温度计
  • 第四节 热电阻温度计
  • 第五节 测温元件安装

第2页:温度测量的基本原理

温度是重要的热工参数,温度过高会导致炉子损坏、影响生产正常进行,因此测温并加以控制具有重要意义。

接触式温度计
利用热交换充分接触(如体温计),或利用物体物理特性(如热胀冷缩的金属温度计)
非接触式温度计
利用高温辐射等原理测量

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第4页:温标与温度测量仪表分类

  • 工程温标:摄氏温标,用 t 表示,单位 ℃
  • 国际温标:热力学温度,用 T 表示,单位开尔文(K),t = T − 273.15

温度测量仪表分类:

  • 按工作原理分:膨胀式、热电阻式、热电偶式、辐射式等
  • 按测量方式分:接触式、非接触式

第5页:膨胀式温度计

常见形式:玻璃液体式温度计、气体压力式温度计、双金属温度计等。

双金属温度计利用两种膨胀系数不同的金属片焊接在一起,受热膨胀程度不同产生弯曲,弯曲程度与温度成比例。

第6页:热电偶的组成与测温原理

  • 热电偶:测温元件
  • 导线:补偿导线
  • 显示仪表:动圈表、电位差计、数字式显示仪表

热电效应:两种不同导体或半导体连成闭合回路,若两接点温度不同,回路中会产生热电动势,该电势包括温差电势和接触电势。

第7页:温差电势与接触电势

温差电势
热端温度高于冷端时,热端电子能量大而缺电子带正电、冷端多电子带负电,形成电场 e(t, t₀),最终达到动态平衡,σA 为 Thomson 系数
接触电势
两种导体 A、B 电子密度不同(NA > NB),相互扩散速度不同产生接触电势 eAB(t),大小取决于电子密度比值与接点温度

第8页:热电偶回路总电动势

实践证明接触电势远大于温差电势,热电势主要由接触电势决定:

EAB(t, t₀) = eAB(t) + eB(t, t₀) − eAB(t₀) − eA(t, t₀),忽略温差电势后可得简化式。

  • EAB(t, t₀) 取决于两种材料及两端温度,与导体粗细长短无关
  • 材料选定并固定冷端温度 t₀ 后,测得 EAB(t, t₀) 即可知工作端温度 t
  • 两端温度相同或两种材料相同均无法产生热电势

第9页:热电偶基本定律

第三导体定律
回路中接入第三种导体,只要其两端温度相同,对测量回路总电势没有影响,因此可接入仪表或导线
中间温度定律
EAB(t, t₀) = EAB(t, tn) + EAB(tn, t₀)

第10页:常用热电偶及分度号

热电偶产生的热电势与温度呈非线性关系,国家标准给出 t₀ = 0℃ 时各种标准热电偶电势值的分度表。

常用热电偶的分度号与性能对比
分度号材料测温范围特点
B铂铑30—铂铑6300~1600℃精度高,适于高温测量,价格高,热电势很小
S铂铑10—铂−20~1300℃精度最高,可作基准热偶,价格高
K镍铬—镍硅−50~1000℃热电势大,造价低,应用广
E镍铬—康铜−200~750℃电势最大,价格便宜,耐腐蚀,应用广
T铜—康铜−200~300℃精度较高,稳定性好,低温测量灵敏度高

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第12页:冷端温度处理:补偿导线延伸法

冷端处于环境中,环境温度变化会导致热电势变化,保持 t₀ 稳定对提高测温准确性、保持热电势与热端温度单值函数关系十分重要。

用两种与热电偶材料热电特性相近但较便宜的导体把冷端由现场延伸到控制室,这种导线称为补偿导线,分补偿型和延伸型两种,型号须与热电偶分度号对应,连接时两端极性须对应。

第13页:冷端处理:冰浴法

冰水混合物为 0℃,将冷端延伸到冰水混合物中,则测得 EAB(t, 0),可直接查分度表求得温度。

冰浴法多用于实验室与高精度测温场合,可把冷端温度恒定在 0℃,从而省去冷端温度修正计算。

第14页:冷端温度修正法与补偿电桥法

  • 冷端温度修正法:根据不同 t₀ 分别补上 EAB(t₀, 0) 值,得出 EAB(t, 0) 后求 t
  • 补偿电桥法:用不平衡电桥产生随温度变化的电压补偿冷端温度变化引起的热电势变化;R1、R2、R3 为固定电阻,Rcu 为铜丝绕制的随温电阻,热电偶冷端与 Rcu 处于同一温度 t₀ 下

若桥路设计在 20℃ 平衡,显示仪表起始点应调到 20℃。

第15页:热电阻温度计的原理

热电偶适合高温测量,温度较低(−200~500℃)时可用热电阻温度计。

  • 组成:热电阻(金属导体或半导体)、普通导线、显示仪表(动圈表、电桥)
  • 原理:利用金属导体或半导体电阻值与温度呈确定函数关系的特性

第16页:导体与半导体的电阻温度关系

金属导体
Rt = Rt0[1 + α(t − t₀)],α 为电阻温度系数,即温度每升高 1℃ 时电阻的相对变化值
半导体
RT = Ae^(B/T),T 为绝对温度(K),e 为自然对数底 2.71828,A、B 为与半导体材料结构有关的常数

第17页:常用热电阻

常用热电阻的分度号与性能对比
类型分度号测温范围特点
铂电阻Pt10(起始电阻 10Ω)、Pt100(起始电阻 100Ω)−200~850℃精度高,性能稳定,非线性
铜电阻Cu50(起始电阻 50Ω)、Cu100(起始电阻 100Ω)−50~150℃价格低,灵敏度高,易氧化,线性好

第18页:接触式测温元件的安装

  • 正确选择测温点,保证测温元件与被测介质充分接触并置于温度灵敏区,以减小测量误差
  • 管道测温时应把测温元件迎着流体流向插入,至少须与被测介质正交
  • 测温点应避开测温不灵敏区(死角),避免电磁干扰
  • 合理确定插入深度,使感温元件充分感受温度变化;管内测温时应置于最大流速处

第19页:连接导线的安装

  • 安装应保证安全可靠:保证密封(有压力时尤为重要),高温测量时热电偶尽可能保持垂直以防变形,外加装保护盖,严防雨水进入短路
  • 按规定型号配用热电偶与补偿导线,注意正负极性
  • 导线尽量避免有接头,绝缘良好,严禁与交流线一同铺设以免干扰
  • 连接导线与补偿导线应穿入金属管或置于汇线槽中
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