接觸式測溫方法的分類和適用范圍

1、接觸式測溫方法的分類和適用范圍熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。它通過將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路，當導體A和B的兩個接觸點之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，并在回路中形成熱電流，因此，可將溫度的變化轉變成熱電勢或熱電流的變化。熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測量精度高； 測量范圍廣； 構造簡單，使用方便； 將溫度轉換成電信號，便于處理和遠傳。熱電勢的產(chǎn)生 熱電勢接觸電勢溫差電勢！接觸電勢：金屬導體的材料不同，導體內(nèi)部自由電子密度不同 自由電子擴散 若A導體的自由電子密度較大，則較多的自由電子由A至B，而返回較少平衡時，A導體失去電子帶正

2、電，B導體得到電子帶負電 A、B 接觸處形成一定的電位差，及接觸電勢（帕爾帖電勢）。k：玻爾茲曼常數(shù)（k=1.381023J/K）e：電子電荷量（e1.6021019）NA：導體A電子密度NB：導體B電子密度T：接觸點絕對溫度溫差電勢：單一導體兩端溫度不同，導體內(nèi)部自由電子高溫端具較大動能 自由電子向低溫端擴散 高溫端失去電子帶正電，低溫端得到電子帶負電 導體內(nèi)部形成靜電場，阻止電子繼續(xù)擴散動態(tài)平衡時，在導體兩端產(chǎn)生一個電位差，及溫差電勢（湯姆遜電勢）:湯姆遜系數(shù)，表示溫差為1時所產(chǎn)生的電動勢值，與導體材料的性質(zhì)有關。熱電勢是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫差的函數(shù)熱電勢的非線性若兩個電極為同

3、種導體，則NA=NB，A=B，則EAB(T，T0) 0，即熱電偶必為兩種材料組成；若T=T0，則EAB(T，T0)0，即產(chǎn)生熱電勢的條件是兩接點溫度不同；導體接觸面積無關。若T00，則EAB(T，T0)f（T）,熱電勢和溫度之間為唯一對應的單值函數(shù)關系。結論：熱電勢的大小只與兩種導體材料A、B及冷熱端溫度有關，與熱電極的形狀、大小、長短，以及兩導體接觸面積無關。構成熱電極的導體材質(zhì)有何要求？均質(zhì)導體定律 由同一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論導體的截面積和長度如何，也不論各處的溫度分布如何，都不產(chǎn)生熱電勢熱電偶的熱電勢如何輸出？在制作熱電偶時，一定要選用均質(zhì)材料，以防止因材質(zhì)不均勻而產(chǎn)生附加熱電

4、勢，造成測量誤差。熱電偶必須采用兩種不同材質(zhì)的導體組成中間導體定律A、 B構成的熱電偶回路接入第三種導體C，只要中間導體兩端溫度相同，那么中間接入的導體對熱電偶回路的總熱電勢沒有影響。如第三種導體兩端溫度不等，將造成熱電勢變化，變化取決于導體熱電性質(zhì)與接點溫度。因此，接入導體材料要盡量與熱電偶熱電性質(zhì)相近當熱電偶參比端溫度波動較大時，如何實現(xiàn)單變量測量？在熱電偶回路中，如果熱電極A、B分別和連接導體A、B相連，其接點溫度分別為T，TC 和T0，則回路的總熱電勢等于熱電偶的熱電勢和連接導體的熱電勢的代數(shù)和。即冷端溫度不為0時，如何根據(jù)分度表求出熱端溫度？熱電偶A、B在接點溫度為T，T0 時的熱電

5、勢等于熱電偶A、B在接點溫度為T，TC 和TC ，T0 的熱電勢的代數(shù)和，即標準和非標準熱電偶 任何兩種導體都可組成熱電偶，但作為測溫的熱電偶需滿足：電勢值大，隨溫度單調(diào)上升，最好線性材料易獲得，有較好的延展性，易于加工熱電性質(zhì)穩(wěn)定；復現(xiàn)性好，價格低，物理、化學性穩(wěn)定電極的電阻小，溫度系數(shù)小7777按照工業(yè)標準化要求，可將熱電偶分為標準化和非標準化熱電偶兩種。標準化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)，性能穩(wěn)定、應用廣泛，具有統(tǒng)一的分度表并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶，標準化熱電偶可以互換，精度有一定的保證，并有配套的顯示和記錄儀表可供選用。非標準化熱電偶：雖然已有產(chǎn)品，也能夠使用，但沒有

6、統(tǒng)一的標準，使用前仍需個別標定來確定熱電勢和溫度之間的關系的熱電偶，其存在的主要目的是進一步擴展高溫和低溫的范圍。t0時，所有型號的熱電偶的熱電勢均為0，溫度越高，熱電勢越大，t0 時，熱電勢為負值；不同型號的熱電偶在相同溫度下，熱電勢一般有較大的差別；溫度和熱電勢之間的關系一般為非線性，因此，當熱電偶自由端溫度t00時，應根據(jù)中間溫度定律計算熱電勢，然后再查分度表，求的溫度t當冷端溫度波動較大時？ 解決的辦法： 將熱電極延長冷端引到一個溫度穩(wěn)定的地方，然后再考慮將冷端溫度處理為0 熱電偶的冷端處理和補償! 常用的方法：補償導線法，冰點槽法，計算修正法，冷端補償器法，軟件修正法補償導線法采用一

7、定溫度范圍內(nèi)（如20100），熱電性質(zhì)與熱電偶的熱電性質(zhì)基本相同，但材料不同、價格較便宜的金屬導體將熱電偶的熱電極延長，由于A、B的熱電性質(zhì)與A、B相近，可將其視為A、B電極的延長不會產(chǎn)生附加熱電勢。連接導線定律中間溫度定律補償導線的特點通常由補償導線合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層組成，在一定溫度范圍內(nèi)具有和所匹配的熱電偶熱電勢標稱值相同的特性;采用補償導線可改善熱電偶測溫線路的物理性能和機械性能。采用多股線芯或小線徑補償導線可提高線路撓性，接線方便，也可調(diào)節(jié)線路電阻和屏蔽外界的干擾;采用補償導線可降低線路成本，節(jié)約熱電偶材料。補償導線的分類延長型：補償導線合金絲的名義化學成分及熱電勢標稱值與配

8、用的熱電偶相同，字母“X”表示補償型：其合金絲的名義化學成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢值在100下與配用的熱電偶的熱電勢標稱值相同，用字母“C”表示必須注意的問題補償導線只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（一般為0100）與熱電偶的熱電勢相等或相近；不同型號的熱電偶有不同的補償導線；熱電偶和補償導線的二個接點要保持同溫；補償導線有正負極，分別與熱電偶的正負極相連；補償導線的作用只是延伸熱電偶的自由端，當自由端溫度不等于0時，還需要進行其他的補償與修正；不同的補償導線有不同的顏色。參比端恒溫法在工業(yè)應用時，一般把補償導線的末端(即熱電偶的自由端)引至電加熱的恒溫器中，使其維持在某一恒定的溫度。通常一個恒

9、溫器可供多支熱電偶同時使用。在實驗室及精密測量中，通常把自由端放在盛有絕緣油的試管中，然后再將其放入裝滿冰水混合物的容器中，以使自由端溫度保持為0，這種方法稱為冰點槽法。計算修正法用補償導線把熱電偶的自由端延長到t0處(通常是環(huán)境溫度)，只要知道該溫度值，并測出熱電偶回路的電勢值，通過查熱電偶分度表計算的方法，就可以求得被測實際溫度。由于熱電勢的非線性，熱電勢是溫度函數(shù)的差，而不是溫差的單值函數(shù)冷端補償器法要求：1）不同分度號的熱電偶配用不同的冷端補償器2）補償器中銅電阻必須與冷端同溫3）補償范圍有限（一定精度內(nèi)，一般為050 ）4）極性不能接反軟件修正法 在計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，有專門設計的熱電

10、偶信號采集卡或采集器，通常有單路、8路、或16路信號通道，帶有隔離、放大、濾波等處理電路，在每一塊卡上都在接線端子附近安有熱敏電阻或半導體溫度傳感器，在采集卡驅(qū)動程序的支持下，計算機每次都采集各路熱電動勢信號和冷端溫度信號，按計算修正法計算出每一路的熱電動勢值，就可以得到準確的被測值 修正方法：軟件編程 出現(xiàn)背景：計算機技術和現(xiàn)場總線技術的發(fā)展熱電偶的結構型式要求：電偶兩極之間以及與保護套管之間都需要有良好的絕緣；耐高溫、耐腐蝕和耐沖擊的外保護套管。普通型裝配式結構柔性安裝型鎧裝結構優(yōu)點測量端熱容量小，響應速度快，撓性好，可彎曲，可以安裝在狹窄或結構復雜的測量場合，耐壓，耐振，耐沖擊將熱電偶絲

11、，絕緣材料（氧化鎂粉等）和金屬保護套管三者組合裝配后，經(jīng)拉伸加工而成的一種堅實組合體薄膜熱電偶由兩種金屬薄膜連接而成的一種特殊結構的熱電偶熱容量小，動態(tài)響應快，可用于微小面積上溫度測量， 或快速變化的物體表面溫度測量測溫范圍：200300 接觸式測溫熱電阻溫度計 金屬熱電阻 (熱電阻) 半導體熱電阻 (熱敏電阻）熱電阻電阻的熱效應:利用金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律進行測量。測溫范圍：-200850材料要求：電阻溫度系數(shù)要大：電阻率盡可能大，熱容量要小測量范圍內(nèi)，應具有穩(wěn)定的物理和化學性能；電阻與溫度的關系最好接近于線性；應有良好的可加工性，且價格便宜。骨架材料的體膨脹系數(shù)要小，機械強度和絕緣性能良

12、好，耐高溫腐蝕（云母、石英、陶瓷、玻璃和塑料等）標準熱電阻鉑電阻 測溫范圍：200850 C ； Rt=R0(1+AtBt2)； 當-2000 C Rt=R01+AtBt2 Ct3（t100）； 當0850 C 溫度升高，阻值增加。 分度號： Pt10, Pt100銅電阻：線性好，價格地，但體積大，熱響應慢 測溫范圍：50150 C ； Rt=R0(1+at)；近似線性； 分度號： Cu50, Cu100標準熱電阻的分度表 采用標準熱電阻數(shù)學模型計算得出，在相鄰數(shù)據(jù)間采用線性內(nèi)插法三線制和四線制 三線制：為了減小引線電阻的影響，引線可采用三根，其中兩根引線來自熱電阻的一個引出端。另一根引線接至

13、熱電阻的另一個引出端。三根引線分別接到變送器或顯示儀表輸入電路的電橋的電源和兩個橋臂。這種引線方式稱為三線制 電橋平衡時：四線制：如果采用恒流源和直流電位差及來測量電阻阻值時，就要求采用四線制接法，即在熱電阻兩端各引出兩根導線，其中兩根和恒流源連接，另外兩根線和電位差計相連。 此時： 在電流回路中，導線電阻 r 引起的 壓降 rI 不在測量回路范圍內(nèi) 在測量電壓回路中雖然有導線電 阻r 但并無電流，因為電位差計 在測量時不取電流 因此：四根導線電阻對測量均沒有影響！ 注意：導線必須從熱電阻感溫體的根部引出； 流過熱電阻的電流應小于6mA； 與電橋或電位差計配合使用時，要注意共模電壓對測量的影響

14、。熱敏電阻用金屬氧化物或半導體材料作為電阻體的測溫敏感元件負溫度系數(shù)：兩個重要參數(shù)：R（T0=25），B優(yōu)點：值一般為金屬熱電阻的 十幾倍，靈敏度高； 阻值高，引線電阻可忽略； 結構簡單，響應快； 價格便宜。缺點：互換性差，穩(wěn)定性不好測溫元件的安裝注意事項確保測溫元件與被測材料有充分接觸；保持接線盒清潔干燥；防止熱量散失，保護套管露在設備外部長度應盡量短，并加保溫層；使用規(guī)定的補償導線，并確保正確接線；一次儀表與二次儀表間的信號線盡量不要有接頭；信號線盡量單獨穿管敷設；插入深度要求：量端應有足夠的插入深度，應使保護套管的測量端超過管道中心線510mm；插入方向要求：保證測溫元件與流體充分接觸，

15、有條件應盡量在管道彎管處安裝；最好是迎著被測介質(zhì)流向插入，正交90也可，但切勿與被測介質(zhì)形成順流。如需水平安裝，應有支架加以支撐。變送器是一種特殊的傳感器，它分別將各種對象參數(shù)和電、氣信號轉換成相應的統(tǒng)一標準信號，并傳送到指示記錄儀表、各種運算器或調(diào)節(jié)器等，供指示、記錄或調(diào)節(jié)由圖知，輸入輸出關系為：當滿足深度負反饋條件時：廣泛應用負反饋原理，信號處理電路等，使輸入輸出具有良好的線性關系為了使用方便，還應具有零點調(diào)整、零點遷移和量程調(diào)整等功能量程調(diào)整 量程是指被測參數(shù)測量范圍的上限值xmax減去測量范圍的下限值xmin。量程（或滿度）調(diào)整的目的，是使變送器的輸出信號上限值ymax與測量范圍的上限

16、值xmax相對應，相當于改變輸入輸出特性的斜率。 量程調(diào)整通常通過改變反饋系數(shù)F的大小來實現(xiàn) 也有些變送器還可以通過改變轉換系數(shù)D來調(diào)整量程零點調(diào)整和零點遷移目的:使輸出信號下限值ymin與測量范圍的下限值xmin相對應xmin=0時，稱為零點調(diào)整，xmin0時，稱為零點遷移 非線性特性的校正方法在反饋通道中設置非線性補償環(huán)節(jié)，使反饋環(huán)節(jié)與檢測元件具有相同的非線性特性在測量轉換部分中設置非線性補償環(huán)節(jié)，使測量轉換部分與檢測檢測元件具有相反的非線性特性 變送器信號傳輸方式二線制和四線制兩線制：兩根導線同時傳送變送器所需的電源和輸出電流信號四線制：供電電源和輸出信號分別用兩根導線傳輸兩線制：節(jié)省連

17、接電纜，有利于安全防爆和抗干擾；大大降低安裝費用，減少自控系統(tǒng)投資工業(yè)中廣泛使用的溫度變送器是一種儀表裝置，可與溫度傳感器（熱電偶和熱電阻）連接，在測量時將熱電勢和電阻值轉化為直流420mA標準信號進行遠傳，完成從溫度量到傳輸信號量的轉換。 1. 儀表系列溫度變送單元直流毫伏量程單元熱電動勢量程單元熱電阻量程單元放大單元 2. 一體化溫度變送器該溫度變送器屬于儀表系列中、變送單元中的一種型號，其特點為：采用2線制、420mA標準信號進行遠傳直流24V集中供電，變送器內(nèi)無電源電路采用集成電路運算放大器件 除直流毫伏輸入的品種之外，熱電偶輸入和熱電阻輸入的品種都有線性化功能兼有安全柵作用，可以用于

18、本安防爆系統(tǒng)直流毫伏、熱電偶、熱電阻這三種輸入信號的“量程單元”（即由輸入電路和反饋電路組成的線路板）各不相同，但其后所接的放大單元相同。一體化溫度變送器，是指將變送器模塊安裝在測溫元件接線盒或?qū)Ｓ媒泳€盒內(nèi)的一種溫度變送器。其變送器模塊和測溫元件形成一個整體，可以直接安裝在被測溫度的工藝設備上，輸出為420mA統(tǒng)一標準信號，屬DDZ-S系列儀表。分為配熱電偶的SBWR型（E,K,S,B,T等）及配熱電阻的SBWZ型 （Cu50， Cu100 ， Pt100 ）；按輸出信號有無線性化可分為與被測溫度呈線性關系及與輸入信號呈線性關系兩種；基本誤差都不超過量程的0.5，環(huán)境溫度影響為每1變動不超過0.05，可安裝在2580 環(huán)境中；額定電壓24V，但允許使用于1235V電源電壓下；大多數(shù)無輸入輸出隔離措施；主要特點：節(jié)省了熱電偶補償導線或延長線的投資，只需兩根普通導線相連由于其連接導線中為較強的420mA信號，比傳遞微弱的熱電動勢具有明顯的抗干擾能力體積小巧緊湊，通常為直徑幾十毫米的短柱型，安裝在熱電偶或熱電阻套管接線端子盒中，不必占用額外的空間。不