第3章 檢測(cè)儀表及傳感器(溫度檢測(cè))

1、第三章 檢測(cè)儀表及傳感器溫度檢測(cè)及儀表Instrumentation and sensor 教學(xué)內(nèi)容溫度測(cè)量方法及儀表熱電偶及熱電偶冷端溫度補(bǔ)償熱電阻溫度計(jì)測(cè)溫元件的安裝3.5溫度檢測(cè)及儀表溫度是普遍而重要的操作參數(shù)所有的過(guò)程都是在一定溫度下進(jìn)行溫度決定一些反應(yīng)能否進(jìn)行和反應(yīng)方向溫度決定一些反應(yīng)的進(jìn)行程度溫度顯示反應(yīng)的能量變化表征物體冷熱程度的物理量溫度測(cè)量：溫度：通過(guò)冷熱程度不同的物體之間的熱交換，熱量傳遞到敏感元件后，其物理性質(zhì)隨溫度而變化。一.溫度檢測(cè)方法溫度計(jì)的分類(lèi)1.按使用的測(cè)量范圍分 600以上 高溫計(jì) 600以下 溫度計(jì)2. 按用途分 標(biāo)準(zhǔn)儀表 實(shí)用儀表（1）接觸式：物體接觸熱交

2、換，物體的某些物理性質(zhì)隨溫度而變化。3.按測(cè)量方式分如（2）非接觸式：通過(guò)接受輻射或?qū)α鱽?lái)的熱量而測(cè)量溫度。膨脹式溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)如光學(xué)高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、輻射高溫計(jì)接觸式儀表測(cè)溫精度高非接觸式儀表測(cè)高溫10002000， 測(cè)溫范圍廣、快，不破壞測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)，能測(cè)運(yùn)動(dòng)的物體。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)反應(yīng)慢；易破壞現(xiàn)場(chǎng)的溫度分布，造成測(cè)量誤差；不能測(cè)量移動(dòng)的或太小的物體。優(yōu)點(diǎn)精度較低，測(cè)量結(jié)果受物體發(fā)射率、中間介質(zhì)、測(cè)量距離等影響。缺點(diǎn)4.按工作原理分 （1）膨脹式溫度計(jì)t = t0t t0根據(jù)液體或固體熱脹冷縮原理。 （-80500）液體溫度計(jì)：水銀和酒精固體溫度計(jì)：雙金屬片溫度雙金屬片變形自由

3、端產(chǎn)生角位移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)放大指針偏轉(zhuǎn)雙金屬片溫度計(jì)測(cè)量中低溫度的現(xiàn)場(chǎng)儀表就地指示，直觀方便安全可靠，使用壽命長(zhǎng)多種結(jié)構(gòu)形式，可滿足不同要求特點(diǎn)雙金屬溫度計(jì)雙金屬溫度信號(hào)器爐膛熱源溫度補(bǔ)償 封閉體積內(nèi)的氣體或液體的壓力隨溫度變化。溫包：傳熱、容納膨脹介質(zhì)毛細(xì)管：傳遞壓力彈簧管：顯示壓力（溫度）刻度盤(pán)毛細(xì)管工作物質(zhì)接頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)彈簧管指針連桿（2）壓力式溫度計(jì)膨脹式及壓力式溫度計(jì)精度低，信號(hào)不易遠(yuǎn)傳，一般不用于控制系統(tǒng)中（3）熱電阻溫度計(jì)利用金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的性質(zhì)測(cè)溫范圍-200500，精度高，便于遠(yuǎn)傳和自動(dòng)控制。有鉑電阻、銅電阻、鎳鉻電阻、半導(dǎo)體電阻等。（4）熱電偶溫度計(jì)利用金屬的熱電現(xiàn)象有鉑

4、銠鉑鎳鉻鎳硅鎳鉻考銅鉑銠30鉑銠6等（5）輻射高溫計(jì)：物體輻射能隨溫度而變化。（6）比色高溫計(jì)：物體發(fā)光的顏色隨溫度而變化。 （7）光學(xué)高溫計(jì)：物體發(fā)光的亮度隨溫度而變化。 非接觸式溫度計(jì)靈敏度高，響應(yīng)速度快，測(cè)量誤差較大一般用于極高溫度的測(cè)量或便攜式的機(jī)動(dòng)測(cè)量二.熱電偶溫度計(jì)以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ) 適于測(cè)500以上的溫度溫度信號(hào)毫伏電勢(shì)熱電偶顯示儀表變送器統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)電流組成 熱電偶導(dǎo)線測(cè)量?jī)x表熱電偶（感溫元件）測(cè)量?jī)x表；連接導(dǎo)線（補(bǔ)償導(dǎo)線及銅線）熱電偶熱電偶特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易加工動(dòng)態(tài)性能好，精確度較高將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成直流電勢(shì)信號(hào)，便于信號(hào)傳遞和顯示測(cè)溫范圍寬主要內(nèi)容 熱電偶測(cè)溫原理熱電偶

5、冷端溫度的補(bǔ)償熱電偶的種類(lèi)與結(jié)構(gòu)熱電偶的選擇、使用和安裝高溫貴金屬熱電偶鉑銠-鉑熱電偶 適用于高溫場(chǎng)合，例如：陶瓷爐、砌磚、瓷器制造和玻璃制造等溫度高達(dá)1600的場(chǎng)合鎧裝熱電偶 根據(jù)介質(zhì)的腐蝕特性選擇不同的耐腐材料防腐熱電偶 1.熱電偶 工作端自由端AB（1）熱電效應(yīng)及測(cè)溫原理 兩根不同導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端處于不同溫度時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，引起熱電流流動(dòng)。tt0熱電效應(yīng)（現(xiàn)象）熱電勢(shì)組成：溫差電勢(shì)、接觸電勢(shì)溫差電勢(shì)當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體兩端溫度不同時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)要產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)溫差電勢(shì) e（t，t0）。 +-擴(kuò)散作用電場(chǎng)作用Estt0e（t，t0）大小與導(dǎo)體的性質(zhì)、兩端溫度有關(guān)，溫差越大， e（t，

6、t0）越大。接觸電勢(shì)兩種不同導(dǎo)體接觸時(shí)，在接觸面上產(chǎn)生電勢(shì)差接觸電勢(shì) eAB（t）+-擴(kuò)散作用電場(chǎng)作用金屬A金屬BEeAB （t）大小取決于兩種不同導(dǎo)體性質(zhì)和接點(diǎn)溫度，t越高， eAB （t）越大 。 eAB （t）= -eBA （t）工作原理 eAB（t）eAB（t0）eB（t，t0）eA（t，t0）+- -E（t，t0）為兩接點(diǎn)熱電勢(shì)的代數(shù)和ABtt0eAB(t)R2eAB(t0)R1+-E（t，t0）只與材質(zhì)和溫度有關(guān)當(dāng) A、B 材料固定，t0 不變，則 E（t，t0）為t單值函數(shù)。當(dāng)兩導(dǎo)體材料相同時(shí)，回路中不產(chǎn)生E。若兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)，回路內(nèi)E=0。不同熱電極材料制成的熱電偶，在相同t

7、下產(chǎn)生的E是不同的。一般情況下，t0選取0作為刻度標(biāo)準(zhǔn)。注意例題1用鎳鉻銅鎳熱電偶測(cè)量某加熱爐的溫度，測(cè)得的熱電勢(shì)E(t,t1)=66982V，而自由端的溫度t1=30，求被測(cè)的實(shí)際溫度。例題2今用一只鎳鉻鎳硅熱電偶，測(cè)定小氮肥廠中轉(zhuǎn)化爐的溫度，已知熱電偶工作端溫度為800，自由端（冷端）溫度為30，求熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)。分度表在冷端溫度t0=0時(shí)，各種類(lèi)型熱電偶的熱電勢(shì)與工作端溫度t之間的關(guān)系已由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了統(tǒng)一的表格形式，稱(chēng)為分度表。 （修正公式）熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系是非線性在t00 時(shí)，E（t，t0）對(duì)應(yīng)的溫度+ t0真實(shí)溫度注意（2）關(guān)于插入第三種導(dǎo)線的問(wèn)題ABBCCtt0t1t1

8、第一種情況：第二種情況：接點(diǎn)溫度相同，則Et只與t有關(guān)ABCCtt0t0回路中接入第三種導(dǎo)線，只要保證引入導(dǎo)線的兩端溫度相同，則對(duì)原熱電勢(shì)數(shù)值無(wú)影響?；芈分写敫喾N導(dǎo)線，只要引入導(dǎo)線兩端溫度相同，也不影響熱電勢(shì)數(shù)值。結(jié)論可測(cè)熔融金屬或金屬壁面的溫度AB開(kāi)路熱電偶（3）常用熱電偶種類(lèi)單位溫度變化的熱電勢(shì)大，且盡量接近線性關(guān)系；熱電性質(zhì)穩(wěn)定；化學(xué)穩(wěn)定性好；具有較好的延展性；復(fù)現(xiàn)性、互換性好。熱電偶的材質(zhì)要求：常用的熱電極材料分為四類(lèi)貴金屬材料普通金屬材料非金屬材料如鉑、銠、銥及其合金難容金屬材料如鎳、鉻、銅及其合金如鎢、鉬、錸及其合金如碳、石墨、氧化鎂等及其混合物熱電偶種類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)熱電

9、偶工藝成熟，成批生產(chǎn)、性能優(yōu)良，并符合專(zhuān)業(yè)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶，具有統(tǒng)一的分度表，可互換使用。為適應(yīng)更高或更低的溫度及特殊的介質(zhì)氣氛的測(cè)量，沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和分度號(hào)。工業(yè)用熱電偶種類(lèi)鉑銠30鉑銠6代號(hào)：WRR；新分度號(hào)：B；舊：LL-2鉑銠10鉑代號(hào)：WRP：新分度號(hào)S；舊：LB-3精度高，適于氧化性和中性介質(zhì)，熱電勢(shì)小。測(cè)溫范圍稍低些，精度高、穩(wěn)定，適于氧化性和中性介質(zhì)。鎳鉻鎳硅代號(hào)：WRN；新分度號(hào)：K；舊：EU-2鎳鉻考銅代號(hào)：WREA；新分度號(hào)：XK；舊：EA-2適于氧化性和中性介質(zhì)，熱電勢(shì)大于S的45倍，價(jià)格適中。適于還原性和中性介質(zhì)，熱電勢(shì)大，價(jià)格便宜，測(cè)低溫效果較好。不同材質(zhì)的熱

10、電偶有不同特性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇：測(cè)量范圍、放大系數(shù)、測(cè)量精度、抗腐蝕能力、價(jià)格等。種類(lèi)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)貴金屬準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，抗氧化、耐腐蝕，可用于1000以上，電阻小，損壞后可回收再利用靈敏度低，熱電勢(shì)與溫度為非線性，不適用于還原性介質(zhì)，價(jià)格貴廉金屬靈敏度高，線性好，可用于還原氣氛，價(jià)格便宜抗氧化、耐腐蝕性差，穩(wěn)定性差，壽命短，用于1300以下，電阻率高熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電極：貴金屬，直徑0.30.65，普通金屬一般0.53.2，長(zhǎng)度3502000 絕緣子保護(hù)套管接線盒：鋁合金普通型鎧裝型將熱電極、絕緣材料一起緊壓在金屬保護(hù)套管中，三者經(jīng)組合加工成可彎曲的堅(jiān)實(shí)組合體。熱電極絕緣材料保護(hù)套管反應(yīng)速度

11、快、使用方便、可彎曲（可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對(duì)象）、不怕振、耐高壓等微小鎧裝熱電偶表面型熱電偶（薄膜型） 絕緣基板鐵膜鎳膜采用真空鍍膜或化學(xué)涂層工藝適于快速測(cè)量和物體表面溫度的測(cè)量快速型熱電偶 測(cè)量高溫熔融物體的一種專(zhuān)用熱電偶熱電偶的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)它的用途和安裝位置來(lái)確定。在熱電偶選型時(shí)，要注意三個(gè)方面：熱電極的材料；保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)，材料及耐壓強(qiáng)度；保護(hù)套管的插入深度。2.補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冷端通常靠近設(shè)備，冷端溫度會(huì)受環(huán)境溫度或設(shè)備內(nèi)物料溫度影響而變化。補(bǔ)償導(dǎo)線：用于延伸熱電偶冷端使t0穩(wěn)定的專(zhuān)用導(dǎo)線。 t1在100以內(nèi)，銅銅鎳與鎳鉻鎳硅相似+-補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)量電路熱電偶tt1t1t0t0回路中總熱電勢(shì)B

12、ADC回路中總熱電勢(shì)與t，t0有關(guān)，故補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端t1延伸至t0處，不影響最終結(jié)果。當(dāng)t00時(shí)，E(t,t0) 并不是實(shí)際的熱電勢(shì)。作用延伸熱電偶的冷端降低儀表線路成本結(jié)論補(bǔ)償導(dǎo)線正、負(fù)極要與熱電偶正、負(fù)極對(duì)應(yīng)相接。兩接點(diǎn)溫度t1應(yīng)相同。t0要恒定。注意在一定溫度范圍內(nèi)（0100），熱電性質(zhì)與熱電偶相同或相接近的廉價(jià)金屬。作為補(bǔ)償導(dǎo)線的材料常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶名稱(chēng)補(bǔ)償導(dǎo)線工作端為100，冷端為0時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì)/mV正極負(fù)極材料顏色材料顏色鉑銠10鉑鎳鉻鎳硅（鎳鋁）鎳鉻銅鎳銅銅鎳銅銅鎳鉻銅紅紅紅紅銅鎳康銅銅鎳銅鎳綠藍(lán)棕白0.6450.0374.0950.1056.3170.1704.27

13、70.0473.冷端溫度補(bǔ)償 將冷端溫度保持為0 ，或者進(jìn)行一定的修正，才能得出準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果的做法。補(bǔ)償方法（1）冰點(diǎn)槽法+-補(bǔ)償導(dǎo)線冰水混合物t硅油銅導(dǎo)線精度很高、麻煩，可用于實(shí)驗(yàn)室。（2）用熱電勢(shì)修正當(dāng) t00（3）校正儀表零點(diǎn)方法（工業(yè)上）工業(yè)上常用，有一定誤差t0必須恒定，只適于實(shí)驗(yàn)室或臨時(shí)測(cè)溫（4）冷端溫度補(bǔ)償器（補(bǔ)償電橋法）利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)自動(dòng)補(bǔ)償冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化R1R2R3Rtt+-ab具有補(bǔ)償電橋的熱電偶測(cè)溫線路設(shè)計(jì)在0時(shí)，R1=R2=R3= Rt（0）= R0（0），電橋平衡，Uab=0當(dāng)t00時(shí)，Rt隨溫度升高而增大，橋路輸出Uab與E（t，t0）相

14、疊加，送入測(cè)量?jī)x表。適當(dāng)選擇橋臂電阻和電流數(shù)值，可使Uab=Et，儀表即可指出正確的溫度數(shù)值。若電橋的平衡溫度為20，需將儀表起始點(diǎn)調(diào)到20處。（5）補(bǔ)償熱電偶法儀表tBAt1t1t1t0t1等效原理圖將補(bǔ)償熱電偶的工作端插入23m深的地下或放在其他恒溫器中， t0恒定，E（t，t0）不受t1影響。優(yōu)點(diǎn)可同時(shí)對(duì)多只工作熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，適于工業(yè)應(yīng)用測(cè)溫線路并聯(lián) 測(cè)溫線路串聯(lián) 四.熱電阻溫度計(jì)500以下的中低溫區(qū)溫度信號(hào)電壓信號(hào)熱電阻顯示儀表變送器統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)電流測(cè)量電路電阻變化組成熱電阻（感溫元件）顯示儀表（不平衡電橋或平衡電橋）連接導(dǎo)線（采用三線制接法）1熱電阻測(cè)溫原理利用金屬導(dǎo)體的電阻值

15、隨溫度變化的特性a- 電阻溫度系數(shù)；t- 溫度變化量; Rt電阻值變化量 Rt- t 時(shí)的電阻值; Rt0- t0 時(shí)的電阻值;其電阻值與溫度的關(guān)系： 金屬導(dǎo)體半導(dǎo)體作為熱電阻的材料有兩類(lèi)2. 常用的兩種導(dǎo)體材料電阻溫度系數(shù)和電阻率要大，即靈敏度要高熱容量要小。 物理和化學(xué)性能應(yīng)穩(wěn)定。電阻值隨溫度變化最好是線性關(guān)系。易提純、加工和復(fù)制。要求對(duì)材料、R0值，R100/R0及R t之間的關(guān)系、允許誤差都有嚴(yán)格要求標(biāo)準(zhǔn)化金屬熱電阻國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻主要有鉑電阻銅電阻鎳電阻（1）鉑電阻（舊型號(hào)WZB ；新WZP）A=3.95010-3/ B=-5.85010-7/ （）2 在0-650 范圍內(nèi)C=-4.

16、2210-22/ （）3 測(cè)量各種生產(chǎn)過(guò)程中的-200 500內(nèi)液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面溫度。熱電阻WZPT鉑電阻溫度傳感器 溫度電阻的關(guān)系接近于線性關(guān)系鎧裝熱電阻 具有能彎曲、耐高壓、熱響應(yīng)時(shí)間快和堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。作為溫度變送器，亦可作為裝配式熱電偶的感溫元件?？蓽y(cè)0800內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)、固體表面的溫度。普通熱電阻 鎧裝防爆熱電阻 優(yōu)點(diǎn)易提純；測(cè)溫精度高、范圍廣，化學(xué)穩(wěn)定性高，能耐較高溫度。 缺點(diǎn)在高溫下，特別是還原性氣氛中易沾污使鉑絲變脆Rtt的關(guān)系分度表，用分度號(hào)表示，與R0有關(guān)。原來(lái)： R0=46 分度號(hào) BA1 R0=100 BA2新標(biāo)準(zhǔn)：R0=10 分度號(hào) Pt1

17、0 R0=100 Pt100儀表的靈敏度取決于的大小，越大，阻值變化越大，儀表越靈敏。實(shí)踐證明：金屬的純度越高，R100/R0與越大，所以金屬的純度用R100/R0表示鉑電阻標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì) 1.3925 工業(yè)上=1.391（2）銅電阻 在-50150內(nèi) Rt=R01+（t-t0） 新型號(hào)：WZC（舊WZG）舊： R0=53，分度號(hào)為G（被淘汰）現(xiàn)工業(yè)上： R0=50 分度號(hào)為 Cu50 R0=100 Cu100純度用=1.428易加工提純，價(jià)格便宜。很大，Rtt呈線性關(guān)系。適用-50150，測(cè)溫范圍不廣。電阻率小，電阻體積較大，機(jī)械強(qiáng)度降低。特點(diǎn)4.熱電阻的構(gòu)造電阻體、保護(hù)套管、接線盒等 熱電阻的

18、雙線無(wú)感繞制芯柱保護(hù)膜引線端電阻絲平板形圓柱形螺旋形結(jié)構(gòu)：普通型，鎧裝型，薄膜型支架：平板狀（鉑）、圓柱形（銅）、螺旋形（標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嶒?yàn)室用的鉑電阻，直徑為0.050.01），雙線無(wú)感繞制。電阻體熱電阻的支架形狀(已繞電阻絲)四.電動(dòng)溫度變送器作用：與熱電偶或熱電阻配合使用，將某點(diǎn)溫度（或溫差）轉(zhuǎn)換成420mA和15V的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。和毫安表配合，顯示出溫度或溫差，和控制器等配合對(duì)溫度自動(dòng)控制。DDZ型和DDZ型的溫度變送器的比較：（1）采用安全火花型防爆措施，可實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)場(chǎng)合中的溫度或毫伏信號(hào)測(cè)量。（2）采用了線性化機(jī)構(gòu)，使變送器的輸出信號(hào)與被測(cè)溫度呈線性關(guān)系。（3）使用了集成電路，使變送器具有

19、良好的可靠性、穩(wěn)定性等各種技術(shù)性能。溫度變送器有三種類(lèi)型： 熱電偶溫度變送器 熱電阻溫度變送器 直流毫伏變送器（一）熱電偶溫度變送器（常用）1.作用：將溫度轉(zhuǎn)換成420mA或15V的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)2.結(jié)構(gòu)：輸入電路將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流毫伏信號(hào)反饋電路放大電路熱電偶輸入電橋放大電路反饋電路被測(cè)溫度Et+-I0輸出電流t熱電偶溫度變送器的結(jié)構(gòu)方框圖+-EtRCuR1R4R2I1I2+-輸入電橋1）輸入電路Rcu熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電阻 R1、R2高值電阻 R4 零點(diǎn)遷移電阻作用：冷端溫度補(bǔ)償；調(diào)整零點(diǎn)，輸出與溫度相對(duì)應(yīng)的毫伏電壓2）反饋電路：對(duì)熱電偶的Et非線性進(jìn)行修正，使變送器的輸出信號(hào)與t呈線性關(guān)系，以便于顯示、控制和計(jì)算機(jī)連用。放大電路反饋電路-I0輸出電流+VtVfEttI0VftI0組成：集成運(yùn)算放大器輸