第二章 温度检测仪表

应慎子曰：飞龙乘云，腾蛇游雾。吾不以龙、蛇为不托于云、雾之势。虽然，夫释贤而专任势，足以为治乎？则吾未得见也。夫有云、雾之势而能乘游之者，龙、蛇之材美之美也；今云盛而蚓弗能乘也，雾浓而蚁不能游也，夫有盛云浓雾之势而不能乘游者，蚓蚁之材薄也。今桀、纣南面而王天下，以天子只威为之云雾，而天下不免乎大乱者，桀纣之材薄也。2.1温度、温标2.2测温方法和测温仪分类2.3膨胀式温度计2.4热电偶测温原理2.5热电阻测温原理2.6温度显示仪表2.7DDZ-Ⅲ热电偶温度变送器第二章温度检测仪表2.1温度、温标温度是一个重要的物理量，它是国际单位制(SI)7个基本物理量之一，也是工业生产过程中的主要工艺参数之一。物体的许多性质和现象都与温度有关，很多重要的过程只有在一定的温度范围内才能有效地进行。因此，对温度进行准确的测量和可靠的控制，在工业生产和科学研究中均具有重要意义。温度反映物体的冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。温度的定量测量以热平衡现象为基础，两个受热程度不同的物体相接触后，经过一段时间的热交换，达到共同的平衡态后具有相同的温度。温度测量原理就是选择合适的物体作为温度敏感元件，其某一物理性质随温度而变化的特性为已知，通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，即可确定被测对象的温度。温度测量方式有接触式测温和非接触式测温两大类。采用接触式测温时，温度敏感元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换，二者需要良好的热接触，以获得较高的测量精度。但是它往往会破坏被测对象的热平衡，存在置入误差。由于测量环境特点，对温度敏感元件的结构和性能要求较高。采用非接触式测温方法，温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或者是温度敏感元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能的大小推出被测对象的温度。用这种方法测温响应快，对被测对象干扰小，可测量高温、运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。为了客观地计量物体的温度，必须建立一个衡量温度的标尺．简称温标。建立温标就是规定温度的起点及其基本单位。早期建立的华氏温标和摄氏温标都是根据物体体积的热胀冷缩现象制定的，通常称为经验温标。华氏温标规定，冰点为32F，水沸点为212F，两者中间分180等份。摄氏温标规定，冰点为0C，水沸点为100，两者中间分100等份。华氏温标与摄氏温标的换算关系是这两种温标的温度特性依赖于所用测温物质的情况，如所用水银的纯度不尽相同，就不能保证测温量值的一致性。目前欧美国家在商业及日常生活中仍常使用华氏温度，但这已是与国际实用温标相应的一种习惯用法。CFtt5932国际实用温标根据卡诺循环原理建立的热力学温标是一种理想的科学的温标，但在实际上难以实现。世界上实际通用的温标是国际实用温标，由其来统一各国之间的温度计量，这是一种协议温标。第一个国际实用温标自1927年开始采用，随着科学技术的发展，对国际实用温标在不断地进行改进和修订，使之更符合热力学温标，有更好的复现性和能够更方便地使用。目前推行的是1990年国际实用温标ITS-90。国际实用温标中规定，热力学温度用符号T表示，单位为开尔文，符号为K。开尔文的大小定义为水三相点热力学温度的1／273.16。用国际开尔文温度表示的ITS-90温度符号为T90，单位为开尔文，符号为K，同时使用的国际摄氏温度的符号为t90，单位是摄氏度，符号为℃：，每—个摄氏度和每一个开尔文的量值相同T90和t90之间的关系是：t90=T90—273.15ITS-90国际实用温标由三部分组成，它们是定义固定点、内插标准仪器和内插公式。固定点是指某些纯物质各相(态)间可以复现的平衡态温度的给定值。物质一般有三相(态)：固相、液相和气相。三相共存时，称为三相点；固相和液相共存时，称为熔点或凝固点；液相和气相共存时，称为沸点。ITS-90国际实用温标规定了17个定义固定点，如：氧三相点为54.3584K；水的三相点为273.16K；金的凝固点为1337.33K。2.2测温方法和测温仪分类主要温度检测方法的分类见表2—1所示。本章将介绍几种自动化系统中常用的测温方法及仪表。2.3膨胀式温度计1）液体膨胀式温度计2）固体膨胀式温度计典型固体膨胀式温度敏感元件是双金属片，它利用线膨胀系数差别较大的两种金属材料制成双层片状元件，在温度变化时将因弯曲变形而使其—端有明显位移。借此带动指针就构成双金属温度计；带动电接点实现通断就构成双金属温度开：关。后者也就是位式作用的温度传感器。双金属敏感元件通常用下列材料制造：(1)高锰合金这是锰、镍、铜的台金(含Mn72％，Ni10％，Cul8％)，这种材料受热后膨胀十分明显，在25～150℃间线膨胀系数约为,即温度每上升l℃将伸长原尺十的百万分之27.5(2)殷钢这是铁和镍的合金(含Fe64％．Ni36％)。经研究证明,这种成分比例下的合金线膨胀系数极小，在0～100℃间约为，即在同样温度变化幅度之下其膨胀程度仅为高锰合金的二十分之一左右。16105.27C1610)3~1(C将这两种材料轧制成叠合在—起的薄片，其中大的材料为主动层，小的为被动层。把这种复合材料剪切成条，使其一端固定，另—端自由，受热后将向被动层一侧弯曲，受冷则向主动层一侧弯曲，恢复到原有温度则仍平直如前。将双金属条卷绕成平面螺旋形（蚊香形）内端固定，外端安装指针，就成为简单实用的室温计。如图2-3所示。将双金属条卷绕成螺旋管，一端固定，另一端带动指针轴，并用导热管保护起来，就成为工业用的双金属温度计。如图2-4所示。3）压力式温度计压力式温度计或温度传感器也属于膨胀式测温仪表类，但它不是靠物质受热膨胀后的体积变化或尺寸变化反映温度，而是靠在密闭容器中液态或气态物质受热后压力的升高反映被测温度。因此，这种温度计的指示仪表实际上就是普通压力表，如图2-7所示。在位式作用方面，压力式温度传感器的应用实例是电冰箱的温度控制，控制器如图2-8所示2.4热电偶测温原理1)概述热电偶是温度测量中应用最普遍的器件，它的特点是测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要；结构简单，动态响应好；输出为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同的导体或半导体连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，这种现象称为热电效应，又称（工作端）塞贝克效应。如图2-9所示。这两种导体分别是热电偶的两热电极，两个接点分别称作热端和冷端（自由端、参考端）。2)热电偶工作原理研究表明：热电偶闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：温差电势和接触电势。2.1）接触电势（珀尔帖电势）接触电势是指两种不同的导体相接触时，因各自的电子密度不同而产生电子扩散，当达到动平衡后所形成的电势，接触电势的大小取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。玻尔茨曼常数：电子电量：)ln()()()(TNTNekTABBATeKJk/1038.123Ce19106.12.2）温差电势（汤姆逊电势）温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电势，不同的导体具有不同的电子密度，所以它们的温差电势也不一样。dtTTedtttNdtNekAAA))(()(10),(2.3）回路中总电势如图2-9所示，在这个闭合回路中，电子密度高的导体称正电极，电子密度低的导体称负电极，T端称测量端或热端，T0端称参比端或冷端。测温时，两电极焊接在一起形成测量端，置于被测温度处。而参比端一般要保持恒定温度，与测量仪表相接。),()(),()(),(0000TTeTeTTeTeTTEAABBABABdttNtNekBA)ln()()()()(0TfTf1）有关热电偶的几点结论和定则3．1）结论（1）热电偶产生热电势的条件是两种不同的导体材料构成回路，两端接点处的温度不同。（2）如果，则回路中总电势=0。（3）热电势大小只与热电极材料及两端温度有关，与热偶丝的粗细和长短无关。（4）热电极材料确定以后，热电势的大小只与温度有关。在℃条件下，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同热端温度下所产生的热电势值，可以列出对应的分度表，常用热电偶的热电特性有分度表可查。温度与热电势之间的关系也可以用函数式表示，称为参考函数。ITS-90给出了新的热电偶分度表和参考函数，它们是热电偶测温的依据。0TT00T3．2）热电偶的应用定则(1)均质导体定则由一种均质导体（电子密度处处相同）组成的闭合回路，不论导体的截面和长度以及其温度分布如何，都不能产生热电势。这一定则说明，一种均质材料不能构成热电偶，故热电偶必须采用两种不同的材料作为电极。由两种不同材料组成的热电偶则要求材质的均匀性要好，否则热电极的温度分布将会对热电势值产生影响。热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。(2)中间导体定则在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端的温度相同，对热电偶回路的总热电势值没有影响。同理还可以加入第第五种导体，只要加入导体的两接点温度相等，回路的总热电势就与原回路的热电势相同。根据这一性质，可以在热点偶回路中引入各种仪表和连接导线。这一性质还表明，可以以任意焊接方式制成热电偶的测温接点，只需要保证焊接点的温度均匀即可，例如可以用平行焊接方法测量物体的表面温度。证明：（略）（3）中间温度定律根据这一定则，只需要列出热点偶在参比端温度为0℃的分度表，就可以求出参比端在其他温度时的热电势值。),(),(),(0''0TTETTETTEABABAB4）常用热电偶及其特性根据上述热电偶的测温原则，从理论上讲任何两种导体均可配成热电偶。但在工业生产和科学研究中使用的热电偶，对热电材料有一定的要求：(1)物理性能稳定。在所测温度范围内材料的热电特性稳定。对于一些高温时容易蒸发或者产生再结晶的金属材料，它们的热电特性随时间变化的，不宜使用。(2)化学性能稳定。在高温下不被氧化也不会被周围的气体所腐蚀而变质。(3)有是够的灵敏度。热电偶能产生尽可能大的热电势，且与温度之间是单值函数关系。(4)复现性好。同样材料组成的热电偶，其热电特性基本相同，这有利于批量生产和良好的互换性。(5)电阻温度系小，导电率高。(6)机械加工性能好。材料质地均匀，有良好的韧性，便于加工成丝。(7)价格便宜。根据上述要求，并非所有材料都能满足上述要求，目前国际上已有8种标准化的热电偶作为工业热电偶在不同场合中使用。分别是分度号B（铂铑30-铂铑6）、R（铂铑13-铂）、S（铂铑10-铂）、K（镍铬—镍硅(铝)）、N（镍铬硅—镍硅）、E（镍铬—康铜）、J（铁—康铜）、T（铜—康铜）。几种常用工业热电偶的主要性能和特点如下。(1)铂铑合金、铂系列热电偶属贵金属热电偶，由铂铑合金丝及纯铂丝构成。这个系列的热电偶使用温区宽，特性稳定，可以测量较高温度。由于可以得到高纯度材质，所以它们的测量精度较高，一般用于精密温度测量。但是产生的热电势小，热电特性非线性较大，且价格较贵。铂铑10—铂热电偶(S型)、铂铑13—铂热电偶(R型)在1300℃以下可长时间使用，短时间可测1600℃；由于热电势小，300℃以下灵敏度低，300℃以上精确度最高；它在氧化气氛中物理化学稳定性好，但在高温易受还原性气氛及金属蒸气玷污而降低测量准确度。铂铑30—铂铑6热电偶(B型)是氧化气氛中上限温度最高的热电偶，但是它的热电势最小，600℃以下灵敏度低，参比端温度在lOO℃以下时，可以不必修正。(2)廉价金属热电偶由价廉的合金或纯金属材料构成。镍基合金系列中有镍铬—镍硅(铝)热电偶(K型)和镍铬硅-镍硅热电偶(N型)，这两种热电偶性能稳定，产生的热电势大；热电特性线性好，复现性好；高温下抗氧化能力强；耐辐射；使用范围宽，应用广泛。镍铬-铜镍(康铜)热电偶(E型)热电势大，灵敏度最高，可以测量微小温度变化，但是重复性较差。铜—康铜热电偶(T型)稳定性较好，测温精度较高，是在低温区应用广泛的热电偶。铁—康铜热电偶(J型)有较高灵敏度，在700