溫度檢測儀表

1、思考題 請(qǐng)舉例說明減小或消除儀表非線性的方 法，要求三種以上。 作業(yè) 3.2溫度檢測儀表溫度檢測儀表 冷熱程度冷熱程度 描述系統(tǒng)不同自由度之間能量分布描述系統(tǒng)不同自由度之間能量分布 狀況的基本物理量狀況的基本物理量 與大量分子的平均動(dòng)能相聯(lián)系，反與大量分子的平均動(dòng)能相聯(lián)系，反 映內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度映內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度 溫度的定義 溫 標(biāo) 溫度的數(shù)值表示方法溫度的數(shù)值表示方法 溫度數(shù)值化的一套規(guī)則和方法溫度數(shù)值化的一套規(guī)則和方法 給出溫度的測量單位給出溫度的測量單位 常用溫標(biāo)常用溫標(biāo) 經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)（攝氏度經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)（攝氏度t， ；華氏度；華氏度t,f） 熱力學(xué)溫標(biāo)（開爾文溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)（開爾文

2、溫標(biāo)t,k） 國際實(shí)用溫標(biāo)（國際實(shí)用溫標(biāo)（t,k） 借助于某一種物質(zhì)的物理量與溫度變化的關(guān)系，用借助于某一種物質(zhì)的物理量與溫度變化的關(guān)系，用 實(shí)驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)公式所確定的溫標(biāo)實(shí)驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)公式所確定的溫標(biāo)； 攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo) 把在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰點(diǎn)定為零度，把水的沸點(diǎn)定把在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰點(diǎn)定為零度，把水的沸點(diǎn)定 為為100度的一種溫標(biāo)。度的一種溫標(biāo)。中間中間100等分，單位符號(hào)為等分，單位符號(hào)為 華氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo) 規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰點(diǎn)為規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰點(diǎn)為32度，水的沸點(diǎn)為度，水的沸點(diǎn)為212 度，中間劃分為度，中間劃分為180等分，單位符號(hào)為等分，單位符號(hào)為 0f。在在我國

3、我國已已淘淘 汰。汰。 經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo) 又稱開爾文溫標(biāo)，又稱開爾文溫標(biāo)，符號(hào)為符號(hào)為t，單位為。單位為。 熱力學(xué)溫標(biāo)是以熱力學(xué)溫標(biāo)是以熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的一為基礎(chǔ)的一 種理論溫標(biāo)，由卡諾定理推導(dǎo)出來的種理論溫標(biāo)，由卡諾定理推導(dǎo)出來的，被，被國國 際計(jì)量大會(huì)采納作為國際統(tǒng)一的基本溫標(biāo)。際計(jì)量大會(huì)采納作為國際統(tǒng)一的基本溫標(biāo)。 有一個(gè)絕對(duì)零度，低于零度的溫度不可能存有一個(gè)絕對(duì)零度，低于零度的溫度不可能存 在。在。 熱力學(xué)溫標(biāo)是一種純理論的理想溫標(biāo)，無法熱力學(xué)溫標(biāo)是一種純理論的理想溫標(biāo)，無法 直接實(shí)現(xiàn)。直接實(shí)現(xiàn)。 熱力學(xué)溫標(biāo) 國際實(shí)用溫標(biāo) 是一個(gè)國際協(xié)議性溫標(biāo)，它與熱力學(xué)溫標(biāo)相是一個(gè)國際協(xié)議

4、性溫標(biāo)，它與熱力學(xué)溫標(biāo)相 接近，而且復(fù)現(xiàn)精度高，使用方便。接近，而且復(fù)現(xiàn)精度高，使用方便。 規(guī)定了規(guī)定了固定點(diǎn)溫度；標(biāo)準(zhǔn)儀器；內(nèi)插公式固定點(diǎn)溫度；標(biāo)準(zhǔn)儀器；內(nèi)插公式。 國際計(jì)量委員會(huì)在國際計(jì)量委員會(huì)在18屆國際計(jì)量大會(huì)第七號(hào)屆國際計(jì)量大會(huì)第七號(hào) 決議授權(quán)予決議授權(quán)予1989年會(huì)議通過了年會(huì)議通過了1990年國際溫標(biāo)年國際溫標(biāo) its-90。 its90由由0.65k向上到普朗克輻射定律使用向上到普朗克輻射定律使用 單色輻射實(shí)際可測量的最高溫度。單色輻射實(shí)際可測量的最高溫度。 its-90定義固定點(diǎn) its-90 標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)準(zhǔn)儀器 第一溫區(qū)為第一溫區(qū)為0.65k到到5.00k之間，之間，t90由

5、由3he和和4he的蒸汽的蒸汽 壓與溫度的關(guān)系式來定義。壓與溫度的關(guān)系式來定義。 第二溫區(qū)為第二溫區(qū)為3.0k到氖三相點(diǎn)（到氖三相點(diǎn)（24.5661k）之間）之間t90是是氦氦 定容氣體溫度計(jì)（氣體體積不變，根據(jù)壓力與溫度之間關(guān)系）定容氣體溫度計(jì)（氣體體積不變，根據(jù)壓力與溫度之間關(guān)系） 來定義。來定義。 第三溫區(qū)為氫三相點(diǎn)（第三溫區(qū)為氫三相點(diǎn)（13.8033k或或-259.3467 ）到銀的）到銀的 凝固點(diǎn)（凝固點(diǎn)（961.78）之間，）之間，t90是由是由鉑電阻溫度計(jì)鉑電阻溫度計(jì)來定義，來定義， 它使用一組規(guī)定的定義內(nèi)插法來分度。它使用一組規(guī)定的定義內(nèi)插法來分度。 銀凝固點(diǎn)（銀凝固點(diǎn)（961

6、.78）以上的溫區(qū)，）以上的溫區(qū)，t90是按普朗克輻是按普朗克輻 射定律來定義的，復(fù)現(xiàn)儀器為射定律來定義的，復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)高溫計(jì)光學(xué)高溫計(jì)。 內(nèi)插公式內(nèi)插公式 每種內(nèi)插標(biāo)準(zhǔn)儀器在每種內(nèi)插標(biāo)準(zhǔn)儀器在n個(gè)固定點(diǎn)溫度下分度，以此求得個(gè)固定點(diǎn)溫度下分度，以此求得 相應(yīng)溫度區(qū)內(nèi)插公式中的常數(shù)。相應(yīng)溫度區(qū)內(nèi)插公式中的常數(shù)。 接觸式和非接觸式兩大類接觸式和非接觸式兩大類； 接觸式檢測儀表接觸式檢測儀表： 膨脹式溫度檢測儀表膨脹式溫度檢測儀表：基于物體受熱體積膨脹或基于物體受熱體積膨脹或 長度伸縮性質(zhì)的（如玻璃管水銀溫度計(jì)、雙金屬長度伸縮性質(zhì)的（如玻璃管水銀溫度計(jì)、雙金屬 溫度計(jì)）；溫度計(jì)）； 熱電阻溫度檢測

7、儀表熱電阻溫度檢測儀表：基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值 隨溫度變化的隨溫度變化的（鉑電阻、銅電阻）（鉑電阻、銅電阻）； 熱電偶溫度檢測儀表熱電偶溫度檢測儀表：基于熱電效應(yīng)基于熱電效應(yīng)； 非接觸式檢測儀表非接觸式檢測儀表 利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 主要有亮度法、全輻射法和比色法等主要有亮度法、全輻射法和比色法等 溫度檢測儀表的分類溫度檢測儀表的分類 一、 熱電偶溫度計(jì) thermocouple 熱電效應(yīng) a b t1 t2 eab(t1,t2) 熱電偶 熱端（工作端） 冷端（自由端） 接觸電勢 p 兩種導(dǎo)體電子密度不同，在

8、接觸面上的擴(kuò)散兩種導(dǎo)體電子密度不同，在接觸面上的擴(kuò)散 速度不同速度不同 b a ab n n ln e kt te 接觸電勢原理圖（接觸電勢原理圖（nanb） 溫差電勢 p單一導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動(dòng) 能，因而向低溫端擴(kuò)散 ，形成靜電場 p達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在導(dǎo)體的兩端便產(chǎn)生一個(gè) 相應(yīng)的電位差溫差電勢 p表示為： t t aa dttte 0 0 , 熱電偶回路熱電勢 p由導(dǎo)體由導(dǎo)體a a、b b組成的熱組成的熱 電偶閉合回路，當(dāng)溫電偶閉合回路，當(dāng)溫 度為度為 t tt0t0，na na nb nb 時(shí)，閉合回路總的時(shí)，閉合回路總的 熱電勢為熱電勢為 0000 ,ttettetetet

9、te baababab t t ab bt at bt at t n n e kt n n e kt 0 0 0 dlnln 0 00 ,tetette ababab 熱電偶正常工作的兩個(gè)必要條件 兩種導(dǎo)體兩種導(dǎo)體 兩個(gè)溫度兩個(gè)溫度 與材料的粗細(xì)無關(guān) 與材料的長度無關(guān) 與溫度的分布無關(guān) eab(t,t0)=eab(t)-eab(t0) a b tt0 熱電偶的材料 理論上任何兩種導(dǎo)體都可組成熱電偶，但 作為測溫的熱電偶需滿足： 物理、化學(xué)性穩(wěn)定 電極的電阻小，電阻的溫度系數(shù)小 電勢值大，隨溫度單調(diào)上升，最好線性 材料易獲得，復(fù)制性好，價(jià)格低 熱電偶絲 熱電偶的基本定律 1 1、均質(zhì)導(dǎo)體定律、均

10、質(zhì)導(dǎo)體定律 ：同一導(dǎo)體閉合回路：同一導(dǎo)體閉合回路e e=0=0 2 2、中間導(dǎo)體定律、中間導(dǎo)體定律 在在a a、b b構(gòu)成的熱電偶接入第三種導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶接入第三種導(dǎo)體c c， 并使并使acac和和bcbc接觸的溫度均為接觸的溫度均為t0t0 t t b t t acabcababc dtdttetetette 00 000 , t t bacabcab dttetete 0 00 t t ba at ct ct bt bt at dt n n n n e kt n n e kt 0 0 0 0 0 lnlnln 0 t t ba ta tb bt at dt n n e kt n n e

11、kt 0 0 0 lnln 0 t t ba bt ta bt at dt n n e kt n n e kt 0 0 0 lnln 0 t t ababab dttete 0 0 0 ,tte ab 熱電勢的測量(討論) a b tc t2 t1 eab(t,t0)=eab(t)+ebc(t1)+eca(t2)=eab(t)+eba(t0) t0 熱電偶的基本定律 3 3、中間溫度定律、中間溫度定律 熱電偶熱電偶a a、b b在接點(diǎn)溫度為在接點(diǎn)溫度為t t，t t0 0時(shí)的熱電勢等于時(shí)的熱電勢等于 熱電偶熱電偶a a、b b在接點(diǎn)溫度為在接點(diǎn)溫度為t t、t tc c 和和tctc、t t0

12、 0的熱電的熱電 勢勢e eabab（t t，t tc c）和）和e eabab（t tc c，t t0 0）的代數(shù)和，即：）的代數(shù)和，即： 00 ,ttettette cabcabab a b tt0 e(t,t0) a b t 0e(t0,0) e(t,0)=e(t,t0) + e(t0,0) a c tt0 b c tt0 a b tt0 eac(t,t0)ebc(t,t0) eab(t,t0)=? 00 ,tetette ababab 0 0 0 0 lnln 0 at ct ct bt bt ct ct at n n n n e kt n n n n e kt 0 0 lnln 0

13、at bt bt at n n e kt n n e kt 0000 ,)(ttettetetetete bcacbcbcacac 熱電偶的基本定律 4 4、標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律、標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律 已知已知 和和 則則 0 ,tte ac ),(),(, 000 ttettette bcacab 0 ,tte bc 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，易提純，所以，通常選用鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，易提純，所以，通常選用高純鉑絲作為標(biāo)高純鉑絲作為標(biāo) 準(zhǔn)電極準(zhǔn)電極 熱電偶的使用標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 常見熱電偶熱電特性曲線 u eab(t,t0)= eab(t)-eab(t

14、0) =eab(t)-c a b tt0 t0=0，eab(t,0) 分度表分度表 熱電偶自由端溫度的處理 用熱電偶測溫時(shí)，要求熱電偶的自由端的溫 度保持恒定（最好為0）； 熱電偶安裝位置與集中控制室距離較長。由 于熱電偶一般是貴金屬做成，直接把電極拉 長引至控制室成本太高； 一般選用一種價(jià)格比較便宜，而熱電勢與熱 電偶的電勢相近的特殊導(dǎo)線來代替。這種導(dǎo) 線為“補(bǔ)償導(dǎo)線”。 熱電偶的使用熱電偶的使用補(bǔ)償導(dǎo)線 e=eab(t,t0)+eab(t0,t0)= eab(t,t0)+eab(t0,t0)=eab(t,t0) 現(xiàn)場控制室 使用補(bǔ)償導(dǎo)線的注意事項(xiàng) 補(bǔ)償導(dǎo)線只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（一般為補(bǔ)償

15、導(dǎo)線只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（一般為0 100）與熱電偶的熱電勢相等或相近；）與熱電偶的熱電勢相等或相近； 不同型號(hào)的熱電偶需要用不同的補(bǔ)償導(dǎo)線；不同型號(hào)的熱電偶需要用不同的補(bǔ)償導(dǎo)線； 熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二個(gè)接點(diǎn)要保持同溫；熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二個(gè)接點(diǎn)要保持同溫； 補(bǔ)償導(dǎo)線有正負(fù)極，分別與熱電偶的正負(fù)極補(bǔ)償導(dǎo)線有正負(fù)極，分別與熱電偶的正負(fù)極 相連相連 補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲 e=ek(t,tc)+ek(tc,t0) 熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì) 熱電偶的使用熱電偶的使用自由端溫度補(bǔ)償 1、計(jì)算修正 定律定律3：中間溫度定律：中間溫度定律e(t,0)=e(t,t0) + e(t0,0) a b tt0 例：例：

16、s型熱電偶在工作時(shí)自由端溫度型熱電偶在工作時(shí)自由端溫度t0=30 ,現(xiàn)測得現(xiàn)測得 熱電勢為熱電勢為7.5mv,求被測介質(zhì)實(shí)際溫度求被測介質(zhì)實(shí)際溫度t。 e(t,30) = 7.5mve(t,30) = 7.5mv e(t,0) = e(t,30)+e(30,0) = 7.5+0.173=7.673mve(t,0) = e(t,30)+e(30,0) = 7.5+0.173=7.673mv 查分度表得，查分度表得，t = 830 t = 830 e(t,t0) a b t 0e(t0,0) 熱電偶分度表的使用？ 例：用k型熱電偶測爐溫時(shí)，測得參比端溫度t138 ；測得測量端和參比端間的熱電動(dòng)勢e

17、(t, t1)29.90 mv ，試求實(shí)際爐溫。 解：由k型分度表查得e(38，0)1.53 mv，根據(jù)中間溫 度定律，可得到： e(t，0)e(t, t1 ) + e(t1, 0 )29.90 +1.53= 31.43 mv 再查k型分度表，得到實(shí)際爐溫755 。 (1)若參比端不作修正，直接查表測量誤差有多大？ (2)如果直接將查表所得加上參比端溫度是否可以，為 什么？ 利用中間溫度定律測溫利用中間溫度定律測溫 1. 以冷端為0 ，建立熱端溫度與熱電動(dòng)勢之 間的關(guān)系表e(t,0) 2. 測量工作時(shí)的熱電動(dòng)勢值e(t,t1) 3. 根據(jù)已知t1,查表得到e(t1,0) 4. 利用中間溫度定律

18、計(jì)算 e(t,0)=e(t,t1)+e(t1,0) 5. 查表得到被測溫度t 熱電偶的使用熱電偶的使用自由端溫度補(bǔ)償 2、恒溫法t0=0 在工業(yè)應(yīng)用時(shí)，一般把補(bǔ)償導(dǎo)線的末端在工業(yè)應(yīng)用時(shí)，一般把補(bǔ)償導(dǎo)線的末端(即熱電即熱電 偶的自由端偶的自由端)引至恒溫器中，使其維持在某一恒引至恒溫器中，使其維持在某一恒 定的溫度。定的溫度。 通常一個(gè)恒溫器可供多支熱電偶同時(shí)使用。通常一個(gè)恒溫器可供多支熱電偶同時(shí)使用。 在實(shí)驗(yàn)室及精密測量中，通常把自由端放在盛在實(shí)驗(yàn)室及精密測量中，通常把自由端放在盛 有有絕緣油絕緣油的試管中，然后再將其放入裝滿的試管中，然后再將其放入裝滿冰水冰水 混合物混合物的容器中，以使自由

19、端溫度保持為的容器中，以使自由端溫度保持為0， 這種方法稱為這種方法稱為冰浴法冰浴法 熱電偶的使用熱電偶的使用自由端溫度補(bǔ)償 3、電橋自動(dòng)補(bǔ)償法 e(t,0)=e(t,t0) + uab =e(t,t0) + e(t0,0) e(t,t0) uab uab =e(t0,0) e=ek(t,tc)+ek(tc,t0)+ek(t0,0)= ek(t,t0)+ek(t0,0)=ek(t,0) 熱電偶的使用熱電偶的使用檢測系統(tǒng) u 熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線、補(bǔ)償熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線、補(bǔ)償 器和變送器（顯示儀表）器和變送器（顯示儀表） 配套使用配套使用 熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu) 鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶又稱纜式熱電偶，是由鎧裝熱電偶又稱纜式熱電偶，是由 熱電極、絕緣材料（通常為電熔氧化熱電極、絕緣材料（通常為電熔氧化 鎂）和金屬保護(hù)管三者結(jié)合而成一個(gè)鎂）和金屬保護(hù)管三者結(jié)合而成一個(gè) 堅(jiān)實(shí)的整體。堅(jiān)實(shí)的整體。 露頭型、接殼型和絕緣型三種基本露頭型、接殼型和絕緣型三種基本 形式。形式。 薄膜熱電偶薄膜熱電偶 u 薄膜式熱電偶是用真空蒸鍍的方法，將熱電極沉積薄膜式熱電偶是用真空蒸鍍的方法，將熱電極沉積 在絕緣基板上而成的熱電偶。其結(jié)構(gòu)如上圖所示。在絕緣基板上而成的熱電偶。其結(jié)構(gòu)如上圖所示。 采用蒸鍍工鍍工藝，熱電偶做得很薄，而且尺寸可采用蒸鍍工鍍工藝，熱