第四次课热电偶测温

第一节温度检测的基本概念一、温度测量的基本概念温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！二、温标1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。几种温标的对比正常体温为37C，相当于华氏温度多少度？热力学温标（K）热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K）。威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像1990国际温标(ITS-90)从1990年1月1日开始在全世界范围内采用1990年国际温标，简称ITS-90。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K（0.01C）等。三、温度测量及传感器分类按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等。介绍几种温度测量方法示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色体积热膨胀式不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。气体的体积与热力学温度成正比红外温度计先看一个实验——热电偶工作原理演示结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）第二节热电偶的工作原理左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。热端冷端EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T)热电偶的电势可表示为：第三节标准化热电偶与分度表热电偶热电极的材料要求：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；导电率高，且电阻温度系数小；热电势随温度的变化率大，且该变化率接近常数复现性好，便于成批生产，便于制造常用的种标准化热电偶：S型、B型、K型、E型。在t0=0C时，用实验方法测出热电偶在不同的工作温度下所产生的热电势值，列成表格，就是分度表。温度与热电势之间非线性。当自由端t0C时，热电势应由下式求得)0,(),()0,(00tEttEtE【例3.3】S型热电偶在工作时自由端温度t0=30C，现测得热电偶的电势为7.5mV，求被测介质实际温度。解：查S分度表得mVE173.0)0,30(热电偶测得的电势为mVtE5.7)30,(则mVEtEtE673.7173.05.7)0,30()30,()0,(再查S分度表得与其对应的实际温度为830C注意:既不能只按7.5mV查表，认为T=814.6℃，也不能把814.6℃加上30℃，认为T=844.6℃。第四节热电偶自由端温度的处理1、补偿导线ABT1T2T2A’B’T0T0热电偶补偿导线接线图E根据中间温度定律：只要T1、T0不变，当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB（T1,T0）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T0）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T0）=EAB（T1,T0）补偿导线可将热电偶延长，使其自由端远离易受环境变化影响的测温现场，则自由端温度t0比较稳定。补偿导线用廉价金属代替贵重金属，降低成本。使用补偿导线便于安装和铺设。使用补偿导线的原因：使用补偿导线须注意：温度范围0~100C型号匹配接点处温度相同区分正负补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，并没有自由端补偿功能。补偿导线外形AB屏蔽层保护层热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据，否则会产生误差。原因：热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定方法计算修正法自由端恒温法自动补偿法零点迁移法软件处理法2、热电偶自由端温度补偿问题(1)计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)(2)自由端恒温法mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。工业应用中，把补偿导线的末端引至电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定温度。(3)自动补偿法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0℃下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。T0UaUabEAB(T,T0)注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。冷端补偿器的作用mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3R注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。供电4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范围起补偿作用。(4)零点迁移法例:用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0℃而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。应用领域：如果冷端不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。指针被预调到室温（40C）可补偿冷端损失对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。(5)软件处理法【例3.4】有一个实际的热电偶测温系统，如下图所示，设t=300C，tc=50C，t0=20C，①求测量回路的总电势以及温度显示仪表的读数。②如果补偿导线为普通铜导线，或显示仪表为配E型热电偶的，则测量回路的总电势和温度的显示值又各为多少？镍硅ttcL1L2t0补偿电桥显示仪表镍烙解：①由题意可知，使用的热电偶的分度号为K型，则回路总电势)0,(),(),(00tEttEttEEcKcK补补K型热电偶产生的热电势补偿电桥提供的电势K型热电偶补偿导线产生的电势由于补偿导线和补偿电桥都是和K型热电偶匹配的，回路总电势可写成)0,()0,(),(),(00tEtEttEttEEKKcKcK将t=300C代入上式，查表可得E=12.209mV显然，显示仪表的读数应该为300C②当补偿导线为铜导线时(显示仪表为配K型热电偶)，则EK补(tc,t0)=0，回路总电势为：mVEEtEttEEKKKcK984.10)0798.0()023.2209.12()0,20()50,300()0,(),(0＋查K型热电偶分度表可得t显示=270.3C。当显示仪表为配E型热电偶(补偿导线接法正确)时，则E补(t0,0)=EE(t0,0)，回路总电势为：mVtEttEttEEEcKcK603.12)0,(),(),(00由于显示仪表是配E型热电偶，因此查E型热电偶分度表可得t显示=188.9C。在测量中补偿导线的接法不正确或配用的显示仪表型号不对等都会引起错误的测量结果。第五节热电偶的结构形式1、普通热电偶下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。工业热电偶结构示意图1－接线盒；2－保险套管3―绝缘套管4―热电偶丝1234普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰普通装配型热电偶的结构放大图接线盒引出线套管固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管2、铠装热电偶它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。(a)(b)(c)(d)132优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。测温范围在1100℃以下的有：镍铬—镍硅、镍铬—考铜铠装式热电偶。铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线