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第三章 温度测量及仪表

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温标. 膨胀式温度计测温. 热电偶测温. 热电阻测温. 仪表. 本章主要内容. 第三章 温度测量及仪表. 3-1 温度的测量方法. 什么是温标?. 一、温标. 衡量温度的标准尺度。 譬如规定什么样的温度是 150℃ ,什么样的温度是 200℃. 国际普遍使用的温标有四种: 热力学温标、 国际实用温标、摄氏温标、华氏温标 。. 温标三要素:温度计、固定点、内插方程. 1. 摄氏温标 1740 年瑞典人摄氏. 定义 水银体膨胀是线性;

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Presentation Transcript
slide1

温标

膨胀式温度计测温

热电偶测温

热电阻测温

仪表

本章主要内容

第三章 温度测量及仪表

slide2

3-1 温度的测量方法

什么是温标?

一、温标

  • 衡量温度的标准尺度。譬如规定什么样的温度是150℃,什么样的温度是200℃

国际普遍使用的温标有四种:热力学温标、 国际实用温标、摄氏温标、华氏温标。

温标三要素:温度计、固定点、内插方程

1 1740
1.摄氏温标1740年瑞典人摄氏

定义

  • 水银体膨胀是线性;
  • 标准大气压下纯水的冰点是摄氏零度,沸点为100度,而将汞柱在这两点间等分为100格,每等分格为摄氏1度,标记为℃。
slide4
2.华氏温标

定义

  • 1714年德国人法伦海脱以水银为测温介质,制成玻璃棒水银温度计。规定水的沸点为212度,氯化铵与冰的混合物为0度,中间等分为212份,每一份为1度记作℉。称为华氏温标。
slide5

T1

Q1

卡诺

热机

Q0

T0

3.热力学温标

假设一卡诺热机工作在温度为T0的低温热源和未知温度的高温热源之间,如果该卡诺热机向低温热源放出的热量为Q0 ,从高温热源吸收的热量为Q1 ,那么高温热源的温度为

T1 =Q1/Q0 ·T0

Q1:卡诺热机从高温热源吸收热量;Q0:卡诺热机向低温热源放出热量

Q1/Q0 =T1/T0

热力学温度的内插方程

slide6
3.热力学温标

假设一标准热源热力学温度为100K,热力学温标如何规定300K的温度?

拿标准热源作为低温热源,另一热源作为高温热源,让一卡诺热机在两热源之间运转,如果从高温热源吸收的热量Q1与向标准热源放出的热量Q0之比等于3,那么高温热源温度等于300K

slide7

(气体定容温度计)

3.热力学温标
  • 现实中热力学温标是应用气体特性方程实现的。理想气体的P、V、T之间的关系式为:
  • 以水的三相点作为参考点,这样可按照气体压力变化测温。
slide8
3.热力学温标
  • 选用水的三相点温度为273.16,定义水的三相点温度的1/273.16为1度,单位为k,这样就建立了热力学温标。只要确定一个基准点,则整个温标就确定了。
4 its 90
4.国际温标ITS-90
  • 指导思想: 应尽量与热力学温标接近,温度的复现性要好。
  • 内容

(1)定义了固定点,共有17个。

(2)规定不同区域内的基准仪器。

(3)建立基准仪器示值与国际温标之间的插补公式。

4 its 901
4.国际温标ITS-90

国际实用温标指出,热力学温度为基本物理量,规定水的三相点温度为273.16,单位为k,1k的大小为水的三相点热力学温度的1/273.16,由于摄氏温标将冰点定义为0℃,而冰点比水的三相点低0.01k,那么冰点温度为273.15k,即

单位℃。

slide11
二、温度仪表分类与选择

温度测量方法的分类

测温方法

接触法

非接触法

膨胀式温度计测温

热电偶测温

热电阻测温

固体膨胀式

压力式温度计

玻璃管液体温度计

slide12

温度测量方法的分类

  • 1.接触法测温:敏感元件直接与被测对象接触,通过传导或对流达到热平衡,反映被测对象的温度。
  • 优点:直观、可靠。
  • 缺点:①存在负载效应,
  • ②受到测量条件的限制,不能充分接触,使检测元件温度与被测对象温度不一致。
  • ③热量传递需要一定时间造成测温滞后现象。(动态误差)
  • 2.非接触法测温:检测部分与被测对象不直接接触,不破坏原有温度场。通常用来测量1000℃以上的移动、旋转、或反映迅速的高温物体。
slide13

温度传感器

防爆热电阻

装配式热电偶

slide14
3-2 膨胀式温度计

测温敏感元件在受热后尺寸或体积发生变化,采取一些简便方法,测出它的尺寸或体积变化的大小。

分类:液体膨胀式、固体膨胀式、压力式

slide15
一.玻璃管液体温度计

4

(一)工作原理

  • 利用玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀的原理。
  • 组成:液体存储器、毛细管、标尺、安全泡四部分。
  • 液体可为:水银、酒精、甲苯等。
  • 当温度超过300℃时,应采用硅硼玻璃,500℃以上要采用石英玻璃。
slide16
(二)结构与类型
  • 棒式玻璃温度计
  • 内标式玻璃温度计
  • 电接点式温度计

利用水银的热胀冷缩和水银的导电性。

功能:(1)指示温度,

(2)恒温自动控制。

slide19
(三).误差分析

(1)玻璃材料有较大的热滞后效应。

(2)温度计插入深度不够将引起误差,

(3)非线性误差

(4)工作液的迟滞性

(5)读数误差

slide20
(三).误差分析
  • 液柱应全部浸入被测介质中。若只有部分液柱被浸没时,应对指示值进行修正。

n: 露出液体部分所占的刻度数,: 工作液体对玻璃的相对体膨胀系数(汞0.00016,洒精0.000103),t: 温度计的示值,ta: 露出液柱部分所处的环境温度

某水银温度测量水温为90℃,插入处刻度为10℃,环境温度为10 ℃,则测量误差为-1.024℃

slide21
玻璃管液体温度计使用注意事项
  • 温度计与被测介质应接触足够长的时间,以使温度计与被测介质达到热平衡。
  • 读数时,视线应与标尽垂直,并与液柱于同一水平面上,手持温度计顶端的小耳环,不可触摸标尺。
slide22
二.固体膨胀式温度计

(一)类型及工作原理

利用固体受热膨胀原理制成的温度计

1. 杆式温度计

利用固体(一般采用膨胀系数较大的金属)材料构成

slide23

自由端

固定端

2 双金属温度计
  • 它的感温元件是由膨胀系数不同的两种金属片牢固地结合在一起制成。
  • 可作温度继电控制、极值温度控制信号
slide25
三.压力式温度计

(一)工作原理与结构形式

1 原理

压力式温度计是利用密封系统中测温物质的压力随温度变化来测温;

2 分类

  • 按所充物质相态分充气式、冲液式、蒸发式
  • 按功能分:指示式、记录式、报警式和温度调节式等
slide26

3 组成

温包、毛细管、感压元件(弹簧管、波纹管等)

  • (二)使用方法与特点
  • 对毛细管采取保护措施,防止损坏;注意安装方式与位置对精度的影响。
  • 特点:结构简单,价格便宜,刻度清晰,防爆。精度差,示值滞后时间长,毛细管易损坏。
slide27
3-3 热电偶
  • 标准热电偶

热电偶

?

slide28

A

T0

T

B

3-3 热电偶

一.热电偶的工作原理

1.热电效应:将两种不同材料的导体或半导体组成一个闭和回路,如果两端点的温度不同,则回路中将产生一定大小的电流,这个电流的大小同材料的性质以及节点温度有关,上述现象称为热电效应。这个现象是1821年Seebeck发现的故又称为塞贝克效应。

slide29

接触电动势

电子密度大

+

A

B

-

电子密度小

珀尔贴电势

波尔滋曼常数

  • 2.接触电势:当两种不同的导体接触时,由于两者有不同的电子密度而产生的电势。
slide30

+

高温

温差电动势

-

低温

汤姆逊温差电势

——A,B材料的汤姆逊系数

3.温差电势(汤姆逊温差电势)

slide31

EA(T1 ,T0 )

A

EAB(T1)

EAB(T0)

B

EB(T1 ,T0 )

热电偶回路中总热电势

如果T0=const.,则EAB=f(T1)

slide32
二、热电偶的基本定律
  • 利用热电偶来检测温度,必须引入变换器和显示器。

T0

A

B

T1

slide33

二、热电偶的基本定律

(一)热电偶均质导体定律:

由同一均质导体(电子密度处处相等)组成的闭合回路中, 不论导体的截面、长度以及温度分布如何,均不产生热电势。

检验热电偶丝的均匀性

slide34
二、热电偶的基本定律
  • (二)中间导体定律:

在热电偶回路中接入第三导体,只要与第三种导体相连接的两端温度相同,接入第三种导体后,对热电偶回路中的总热电势没有影响。

slide35

T0

c

B

T

A

T0

slide36

T1

T2

B

C

A

T1

T2

F

D

E

T1

T1

?

思考题

六种不同的导体组成如图回路,写出回路中总的热电势。

slide37

B

B

TN

T

T0

A

A

二、热电偶的基本定律

(三)热电偶的中间温度定律:

热电偶在两接点温度为T、T0时的热电势等于该热电偶在两接点温度分别为T、TN和TN、T0时相应热电势的代数和。

slide38
结论(1)已知热电偶在某一冷端温度下进行分度,只要引入适当的修正就可在另一冷端温度下使用。结论(1)已知热电偶在某一冷端温度下进行分度,只要引入适当的修正就可在另一冷端温度下使用。
  • 热电偶分度表中冷端温度为0℃,在实际测量中若热电偶的冷端温度为20℃,则可应用中间温度定律进行计算。

举例:用铂铑10—铂热电偶测温,冷端温度为25℃,输出电势为0.668mV,试求被测对象的温度。

查表得被测温度为122℃。

slide39

参考点温度不易保证

T0

锅炉

T0 ’

mV

T

T0 ’

T0

(2)补偿导线

T0

T0 ’

A

锅炉

mV

T

B

T0 ’

T0

slide40
如果在T0~T0 ’ 范围内,某对廉价导线的热电性能与贵金属热电偶相同,则可以用这对导线代替从T0’ 点到T0点一段的热电偶线,而不影响热电偶的热电势值,同时降低热电偶测量成本。
slide41
补偿导线

T0

锅炉

T0 ’

mV

T

T0 ’

T0

将热电偶全用补偿导线代替行吗?

slide42
补偿导线
  • 性能 在一定温度范围和误差范围内与热电偶的热电性能相同
  • 作用 使热电偶冷端远离热源
  • 注意
    • 两个接点温度不能超过规定温度
    • 两个接点温度应当相同。否则,由于热电偶与补偿导线的热电特性并不完全相同,可能会引起较大的测量误差。
    • 正负极不能接反
slide43

名称

分度号

名称

分度号

名称

分度号

铂铑10-铂

S

铜-康铜

T

镍铬-镍硅

K

铂铑30-铂铑6

B

镍铬-康铜

E

铂铑13-铂

R

铁-康铜

J

三、热电偶的种类及结构形式

(一)种类:国际电工委员会(ICE)对热电偶公认性能比较好的材料制定了统一的标准,ICE推荐的标准化热电偶7种。

slide45
(二)热电偶的结构类型

1.普通工业热电偶

  • 结构:热电极,绝缘套管,接线盒,保护套管
slide47
2.铠装热电偶

结构:热电极,绝缘材料,保护套管

特点:测量端热容量小,动态响应快,机械强度高,挠性好,耐高压,耐振动,寿命长,适用各种工业测量。

slide50
3.小惯性热电偶

特点:响应快,时间常数小,可作温度变化的动态测量。

slide53
四、热电偶冷端温度的补偿方法

1.冰点法

精度高

多用于实验室

工业用冷端恒温器

slide54
冰瓶的制作
  • 冰呈屑状,试管较细,插入较深,底部装变压器油或者水银
slide55

B

B

TN

T

T0

A

A

2.计算补偿法
  • 原理
slide56
例用镍铬-镍硅热电偶测温,冷端Tn=25℃,EAB(T,Tn)=40.347mV,求被测对象的实际温度。例用镍铬-镍硅热电偶测温,冷端Tn=25℃,EAB(T,Tn)=40.347mV,求被测对象的实际温度。
  • 由分度表知: EAB(25 ℃ ,0 ℃)=1mV

EAB(T, 0 ℃)=40.347+1.00mV=41.347mV

由分度表知,T=1002 ℃

slide57
3.校正仪表机械零点法
  • 当热电偶与动圈仪表配套使用时,如果冷端相对恒定,测量精度要求不高,可将仪表的机械零点调到热电偶冷端温度Tn,这就相当于在输入电势之前,就有一个补偿电势EAB(Tn, 0 ℃),则
slide58
4.补偿电桥法
  • 利用电桥不平衡原理,桥臂热电阻随温度变化,产生补偿电压V
slide59
具体实现方法
  • R1=R2=R3=1Ω

与温度无关

  • 热电阻20℃,RCU= 1Ω,
  • Vab=0;环境不等于20 ℃,电桥失去平衡,产生电势Vab与E(Tn,T0)相等,叠加补偿
  • 电桥又叫毫伏发生器
  • 使用时,注意零点是20 ℃
slide60
五、热电偶误差及校验

(一)热电偶测量误差

1.热电偶分度误差

2.补偿导线与热电偶的热电特性不完全相同带来的误差

3.冷端温度变化引起的误差

4.热电极变质产生的误差

5.绝缘不良引起的误差

6.二次仪表的基本误差

slide61
(二)热电偶的校验
  • 热电偶出厂使用一段时间后,或热电偶重新焊制后,应进行校验
  • 高于300℃热电偶的校验原理与方法
slide62

本节主要内容

3-4电阻温度温度计

热电 阻测温原理

热电 阻的类型

热电 阻测温电路

三种测温方法比较

slide63

Rt

铂电阻

热敏电阻

T

一、热电阻测温原理

对于一个给定电阻,其电阻值是温度的单值函数,因而可以通过测量电阻值来推算温度。

slide64

一、热电阻测温原理

电阻温度系数:在某一温度间隔内,温度变化1℃时的电阻相对变化量,单位为1/ ℃。

平均电阻温度系数

  • 金属导体电阻温度系数一般为正值

纯金属一般为0.38~0.68%,金属纯度越高,其电阻温度系数越大

  • 半导体材料的电阻温度系数一般为负值
slide65

一、热电阻测温原理

电阻比:W(100)=

金属导体纯度越高,电阻比越大。

金属与半导体作为测温元件要具备的条件

  • 电阻温度系数α应大
  • 复现性要好
  • 电阻率大
  • 价格便宜,工艺性好
slide66
二、热电阻的类型
  • 金属热电阻
  • 铂热电阻
  • 铜热电阻
  • 镍热电阻
  • 半导体热敏电阻
slide67
1 铂热电阻
  • 特点:准确度高,稳定性好、性能可靠、有较高电阻率,广泛应用于基准、标准化仪器中,是目前测温复现性最好的一种。

使用范围:-200~850℃,在90年国际温标中规定平衡氢三相点13.8k到银凝固点961.78℃标准仪器应用铂电阻。

电阻纯度:W(100)= 1.3850

规格型号:Pt100、Pt10、Pt1000。

slide68

1 铂热电阻

结构:电阻丝、绝缘管、保护套管、接线盒

slide70

电阻值与温度关系

2 铜热电阻
  • 特点:线性度高、电阻温度系数高、价格便宜、电阻率低、易氧化。
  • 使用范围:-50~180℃。
  • 标准化热电阻Cu50, Cu100
slide71

Rt

热敏电阻

T

3、半导体热敏电阻
  • 随着温度的增高阻值降低,具有负的温度系数,测温范围-40~350℃。
  • 电阻值随温度按指数曲线变化,
slide72
与金属热电阻比较:
  • ①电阻温度系数大,热敏电阻的电阻温度系数约为-(3~6)%,金属热电阻约为0.4~0.6%。
  • ②电阻率大,可将电阻作的很大而体积很小,电阻阻值大,连接导线所用的电阻可忽略不计。
  • ③结构简单,体积小,可用于测量点温度
  • ④热惯性小
  • ⑤工艺和互换性差。
slide73

NSP功率型NTC热敏电阻器

MF11型NTC热敏电阻器

CWF型NTC精密温度传感器 

温度传感器

slide74
4、热电阻的分类

(1)、普通型热电阻

(2)、铠装热电阻

(3)薄膜铂热电阻

(4)厚膜铂热电阻

slide75
三、热电阻测温电路
  • 分类:
  • 平衡电桥 二线制
  • 不平衡电桥 三线制
  • 四线制
slide76

G

c

R1

R2

RH1

R0

b

RH2

R3

a

d

RW1

RW2

Rt

1 平衡电桥

平衡电桥二线法
  • 电源电压和稳定性一般不影响测量结果
  • 如果不计RW随温度的变化,Rt与RH 触点位置成线性关系
  • 连接导线的电阻随温度变化引起测量误差
slide77

G

c

R1

R2

RH1

a

R0

b

RH2

R3

d

RW1

RW2

Rt

平衡电桥三线法
  • 电源电压和稳定性一般不影响测量结果
  • 连接导线的电阻随温度变化引起测量误差被削弱
slide78

I

c

R1

R2

b

a

R3

d

RW1

RW2

Rt

不平衡电桥法

I

二线制

  • 连续自动显示,结构简单,价格便宜
  • Rt与I成非线性关系
  • 电源电压的稳定性对测量结果有影响,应该使用稳压电源
  • 连接导线电阻随温度变化会引起测量误差,三线接法可以削弱
slide80

V

I

数字表法(四线接法)
  • 高精度恒流源
  • 电压表回路中无电流,热电阻两端电压不受影响
  • 自热→电流很小

电流不大于6mA,高精度电流源不大于1mA,热敏电阻不大于100A。

Rt=V/I

slide82
三种测温方法适用场合
  • 铜-康铜(T型)热电偶一般精度,要求动态特性较好或者要求对原温度场影响较小的场合。可以自动记录测量结果。测头布置方便。多用于实验室测量。
  • 铂热电阻稳态或者温度变化速度不大,要求高精度测量的场合。可自动记录测量结果。
  • 热敏电阻稳态或者温度变化速度不大,要求精度不高。多用于工业测量。
  • 玻璃液体温度计稳态,测量精度不高。不能自动记录测量结果,因而不能用于测量频度过快的场合。测头布置受到限制。
slide83
3-5 温度计的选择与安装

一、温度计的选择

满足精度要求>价钱适中>记录方便、操作简单

二、温度传感器的安装

1.测点的布置,避免死区

2.有良好的换热条件

3.减少传感器与周围物体的散热

4.便于维修