溫度檢測的基本知識

第七章溫度的檢測電偶傳感器〔ThermocoupleTemperatureTransducer〕是眾多測溫用標(biāo)準(zhǔn)的顯示儀表和記錄儀表來進(jìn)展顯示和記錄。熱電偶測溫的主要優(yōu)點(diǎn)有：接驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈式儀表。構(gòu)造簡潔，使用便利，熱電偶的電極不受大小和外形的限制，可依據(jù)需要選擇。測溫范圍廣，高溫?zé)犭娕伎蛇_(dá)1800℃以上，低溫?zé)犭娕伎蛇_(dá)-260℃。測量精度較高，各溫區(qū)中的誤差均符合國際計(jì)量委員會的標(biāo)準(zhǔn)。本章首先介紹溫度測量的根本概念，然后分析熱電偶的工作原理、分類，并介紹其使用 方法。溫度測量的根本概念生產(chǎn)、科研、生活中需要測量和掌握的重要物理量，是國際單位制七個(gè)根本量之一〔見附錄B。這里將系統(tǒng)地測溫方法等一些根本學(xué)問。溫度的根本概念物體溫度的溫度為止。的猛烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)局部子熱運(yùn)動(dòng)越猛烈。溫標(biāo)〔即零點(diǎn)〕以及溫度的單位。各類溫度計(jì)的刻度均由溫標(biāo)確定。國際上規(guī)定的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)等。攝氏溫標(biāo)〔℃〕0℃100度10℃攝氏一度，符號為ｔ?！睩〕32Ｆ，212Ｆ，180與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系式為〔7-1〕例如，20℃時(shí)的華氏溫度＝〔1.8×20+32〕Ｆ=68Ｆ。西方國家在日常生活中普遍使用華氏溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)〔Ｋ〕由開爾文〔Kelvin〕依據(jù)熱力學(xué)定律提出來的，因此又稱開氏溫標(biāo)。它的符號是Ｔ，其單位是開爾文〔Ｋ?！布礇]有熱存在時(shí)的溫度為確定零度，水的三相點(diǎn)〔氣、液、固三態(tài)同時(shí)存在且進(jìn)人平衡狀態(tài)時(shí)的溫度〕的溫度為273.16Ｋ，把從確定零度到水的三相點(diǎn)之間的溫度均勻273.161Ｋ。由于以前曾規(guī)定冰點(diǎn)的溫度為２７３．１５Ｋ，所以現(xiàn)在沿用這個(gè)規(guī)定，用下式進(jìn)展Ｋ氏和攝氏的換算：t/CT/K273.15 〔7-2〕T/Kt/C273.15熱力學(xué)溫標(biāo)是純理論的，人們無法得到開氏零度，因此不能直接〔又稱開氏溫度建立一種有用的溫標(biāo)作為測量溫度的標(biāo)準(zhǔn)，這就是國際有用溫標(biāo)。4.1990〔ITS—90〕1968IPTS—68溫標(biāo)。這種溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)根本吻合，其差值符合規(guī)定的范圍，而且復(fù)現(xiàn)性〔在全世界用一樣的方法，可以得到一樣的溫度值〕好，所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)儀器使用便利、簡潔制造。IPTS—68181990111990ITS—90。ITS—90定義了一系列溫度的固定點(diǎn)，測量和重現(xiàn)這些固定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器以及計(jì)算公式。例如，規(guī)定了氫的三相點(diǎn)為13.8033Ｋ、氖的三相點(diǎn)為24.556154.358483.8058Ｋ、汞的三相234.3156273.16Ｋ〔0.01℃〕等。29.7646℃、錫的凝固點(diǎn)為23.928℃、鋅的凝固點(diǎn)為419.527℃、鋁的凝固點(diǎn)為660.323961.781064.18℃、銅1084.62℃，這里就不—一列舉了。ITS—90規(guī)定了不同溫度段的標(biāo)準(zhǔn)測量儀器。例如在極低溫度范輻射溫度計(jì)來定義和測量等。溫度測量及傳感器分類常用的各種材料和元器件的性能大都會隨著溫度的變化而變化，具有肯定的溫度效應(yīng)。其中一些穩(wěn)定性好、溫度靈敏度高、能批量生產(chǎn)的材料就可以作為溫度傳感器。溫度傳感器的分類方法很多。依據(jù)用途可分為基準(zhǔn)溫度計(jì)和工業(yè)分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等等；按輸出方式分有自發(fā)電型、非電測型等?？傊?，溫度測量的方法很多，而且直到今日，人們?nèi)栽诓粩嗟貭幷撔阅芨玫臏囟葌鞲衅?。我們可以依?jù)本錢、精度、7—1了常用測溫傳感器的工作原理、名稱、測溫范圍和特點(diǎn)。7-1所利用的物理現(xiàn)象傳感器類型測溫范圍∕℃特點(diǎn)體積氣體溫度計(jì)—250～1000不需要電源，耐熱膨脹液體溫度計(jì)玻璃水銀溫度計(jì)雙金屬片溫度計(jì)—200～350—50～350—50～300用。但感溫部件體積較大熱觸鎢錸熱電偶1000～2100自發(fā)電型，標(biāo)準(zhǔn)熱電勢鉑銠熱電偶其他熱電偶200～1800—200～1200化較高，品種多。電阻的變化鉑熱電阻熱敏電阻—200～900—50～300標(biāo)準(zhǔn)化程度高，但需要接入橋路才能得到電壓輸出PN硅半導(dǎo)體二極管〔半導(dǎo)體集成電—50～150體積小，性能好，但測溫范圍小。溫度-顏色示溫涂料液晶—50～13000～100面積大，可得到溫度圖像，但易年輕，精度低。光輻射紅外輻射溫度計(jì)—50～1500非接觸式測量，熱輻射光學(xué)高溫溫度計(jì)熱釋電溫度計(jì)光子探測溫度計(jì)500～30000～10000～3500反響快，但易受環(huán)境及被測體外表狀態(tài)影響，標(biāo)定困難。熱電偶傳感器的工作原理熱電效應(yīng)金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸點(diǎn)〔稱為結(jié)點(diǎn)，7—1a精燈對兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小。明顯，指南針與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。7-1熱電偶原理圖據(jù)此，賽貝克覺察和證明白兩種不同材料的導(dǎo)體Ａ和Ｂ組成的閉合回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不一樣時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢。這種物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。兩種不同材料的導(dǎo)體所組成的回路稱為“熱電熱電勢。熱電偶的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)中，置于溫度為Ｔ0

的被測對象中的結(jié)點(diǎn)點(diǎn)稱之為參考端，又稱自由端或冷端。E觸電動(dòng)勢組成。

AB

)主要由接0將兩種不同的金屬相互接觸，如圖7—1a、b的集中現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬Ａ集中到密度小的金屬Ｂ，強(qiáng)大的電場，能夠阻擋電子的連續(xù)集中，從而到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡為止，從由電子密度和接觸點(diǎn)的溫度，而與導(dǎo)體的外形及尺寸無關(guān)。由于熱電偶的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)均存在珀?duì)柵岭妱?dòng)勢，所以熱電偶所產(chǎn)生的總的熱電勢是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫差△ｔf即

〔見圖72及圖—，ABE (T,TAB

)fAB

(T,T0

)f

t 〔7-3〕AB由上式可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：假設(shè)熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度一樣，則回路總的熱電勢必定等于零。兩結(jié)點(diǎn)溫差越大，熱電勢越大。假設(shè)熱電偶兩電極材料一樣，即使兩端溫度不同tt，但總0輸出熱電勢仍為零。因此必需由兩種不同材料才能構(gòu)成熱電偶。與熱電偶的長短、粗細(xì)、外形熱電偶越細(xì)，內(nèi)阻越大。

AB

〕也可以寫成E0

AB

，其0物理意義略有不同，但電動(dòng)勢的數(shù)值是一樣的。中間導(dǎo)體定律假設(shè)在熱電偶回路中插人中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端溫度一樣，則對熱電偶回路的總熱電勢無影響7-3a。影響。7-3具有中間導(dǎo)體的熱電偶回路利用熱電偶來實(shí)際測溫時(shí)，連接導(dǎo)線、顯示儀表和接插件等均可才能削減測量誤差。熱電偶的種類及構(gòu)造熱電極材料和通用熱電偶19911990年國際溫標(biāo)〔簡稱ITS-99-27-2中，寫在前面的熱電極為正極，寫在后面的為負(fù)極。對于每一種熱電所謂分度表就是熱電偶自由端〔冷端〕溫度為0℃時(shí)，熱電偶工作端〔熱端〕溫度與輸出熱電勢之間的對應(yīng)關(guān)系的表格。表7-2 8種國際通用熱電偶特性表名稱分度號測溫范圍/℃100℃時(shí)的熱電 /mv1000℃時(shí)的熱 特點(diǎn)電勢/mv鉑銠B50~18200.0334.834-鉑定，精度高，30銠1000℃6可不必考慮冷線性差；只適用于高溫域的測量鉑銠R-50~17680.64710.506-鉑穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性13屬蒸氣和復(fù)原使用時(shí)特性會測量鉑銠鉑銠S-鉑-50~17680.6469.587R偶；長期以來曾經(jīng)作為國際溫標(biāo)的法定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶鎳鉻-K-270~13704.09641.276鎳硅價(jià)廉；但材質(zhì)較硬，在1000℃以上長期使用會引起熱電勢漂移；多用于工業(yè)測量鎳鉻N-270~13002.74436.256硅-鎳均比K硅好，適宜用于工業(yè)測量鎳鉻-銅鎳E-270~8006.319 熱電勢比K熱電偶大50%左右，線性好，〔康銅〕復(fù)原性氣氛；多用于工業(yè)測量鐵-銅鎳J-210~7605.269 穩(wěn)定；但純鐵〔康測量銅〕銅-銅鎳T-270~4004.279 性能穩(wěn)定，〔康易被氧化，銅〕量?？勺鳌?200~0〕℃溫域的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)10307030％的銠，以下類推。7-40℃時(shí)它們的熱電勢均為零，這是由于繪制熱電勢一溫度曲線或制定分度表時(shí)，總是將冷端置于0℃這一規(guī)定環(huán)境中的緣故。7-4常用熱電偶的熱電勢與溫度關(guān)系從圖中還可以看出，Ｂ、Ｒ、Ｓ及WRe5

-WRe

26

-鎢錸〕等5 26100℃時(shí)的熱電勢幾乎為零，只適合于高溫測量。從圖中還可以看到，多數(shù)熱電偶的輸出都是非線性〔斜率Ｋ不ＡＢ為常數(shù)了格外周密的測試，并向全世界公布了它們的分度表〔ｔ＝０℃。電勢自動(dòng)查表就可獲得被測溫度值。熱電偶的構(gòu)造形式１．裝配型熱電偶裝配型熱電偶主要用于測量氣體、蒸汽和液體等介質(zhì)的溫度。這類熱電偶已做成標(biāo)準(zhǔn)形式，其中包括有棒形、角形、錐形等。從安裝固定方式來看，有固定法蘭式、活動(dòng)法蘭式、固定螺紋式、焊接固定式和無特地固定式等幾種。圖7－５所示即為棒形、活動(dòng)法蘭式的一般7－57－6溫度時(shí)兩種常見的安裝方法。7-5裝配型熱電偶構(gòu)造7-6一般熱電偶在管道中的安裝方法２．鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶是由金屬保護(hù)套管、絕緣材料和熱電極三者組合成一體的特別構(gòu)造的熱電偶。它是在薄壁金屬套管〔金屬銷〕裝入熱電〔ＭｇＯ或ＡｌＯ２ ３整體。它可以做得很細(xì)很長，而且可以彎曲。熱電偶的套管外徑最細(xì)能達(dá)０．２５ｍｍ，長度可達(dá)１００ｍ7－７是它的外形和斷面圖。鎧裝熱電偶具有響應(yīng)速度快，牢靠性好，耐沖擊，比較松軟，可〔如狹小彎曲管道內(nèi)〕的溫度測量。 7-7鎧裝熱電偶３．薄膜熱電偶薄膜熱電偶如圖7－８所示。它是用真空蒸鍍的方法，把熱電極左右，熱容量小，響應(yīng)速度快，便于敷貼。適用于測量微小面積上的瞬變溫度。除以上所述之外，還有特地用來測量各種固體外表溫度的外表熱電偶，特地為測量鋼水和其他熔融金屬而設(shè)計(jì)的快速熱電偶等。7-8薄膜熱電偶熱電偶冷端的延長實(shí)際測溫時(shí)，由于熱電偶長度有限，自由端溫度將直承受到被測物溫度和四周環(huán)境溫度的影響。例如，熱電偶安裝在電爐壁上，而自影響接線盒內(nèi)的自由端，本錢，很不經(jīng)濟(jì)。工業(yè)中一般是承受補(bǔ)償導(dǎo)線來延長熱電偶的冷端，使之遠(yuǎn)離高溫區(qū)。7-９所示。補(bǔ)償導(dǎo)線〔Ａ′、Ｂ′〕是兩種不同的材料、相比照較廉價(jià)的金屬〔多為銅與銅的合金〕導(dǎo)體。它們的自由電子密度比和所配接型號的熱電偶的自由電子密度比相等，０～１００℃，與所配接的熱電偶的靈敏度一樣，即具有一樣的溫度——熱電勢，其關(guān)系為E (t,t) E (t,t) 〔7－A”B” 0 AB 04〕tn

延長到溫度相對穩(wěn)定區(qū)t

，使指示儀表的示值〔ｍＶ?jǐn)?shù)〕變得穩(wěn)定起來。②購0買補(bǔ)償導(dǎo)線比使用一樣長度的熱電極〔Ａ、Ｂ〕廉價(jià)很多，可節(jié)約大償導(dǎo)線通常用塑料〔聚氯乙烯或聚四氟乙烯〕作為絕緣層，其自身又為較松軟的銅合金多股導(dǎo)線，所以易彎曲，便于敷設(shè)。7-9利用補(bǔ)償導(dǎo)線延長熱電偶的冷端必需指出的是，使用補(bǔ)償導(dǎo)線僅能延長熱電偶的冷端，雖然總的熱電勢在多數(shù)狀況下會比不用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)有所提高，但從本質(zhì)上看，差變大的原因，故將其稱“補(bǔ)償導(dǎo)線”只是一種習(xí)慣用語。真正的補(bǔ)償方法將在下一節(jié)介紹。使用補(bǔ)償導(dǎo)線必需留意４個(gè)問題：一是兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶兩7-３。7-３常用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的特性型號配用熱電偶正-負(fù)補(bǔ)償導(dǎo)線正-負(fù)顏色正負(fù)100℃熱電勢/mv20℃時(shí)的電阻率/〔Ω×m〕10-鉑銅-銅鎳①紅綠0.646±0.05×1060.023SCKC 鉻-鎳硅紅藍(lán)銅-酮康紅橙4.096±0.0631.451±0.52×1060.10×106WS5/265-鎢錸26銅-銅鎳②0.051①99.4%Cu, 0.6%Ni。②98.2%-98.3%Cu,1.7%-1.8%Ni熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償由熱電偶測溫原理可知，熱電偶輸出的熱電勢是熱電偶兩端溫度ｔ和ｔ0

差值的函數(shù)，當(dāng)冷端溫度ｔ0

不變時(shí)，熱電勢與工作端溫度成0用熱電偶的分度

＝０℃的條件。但在實(shí)際測溫中，冷端溫度常隨0環(huán)境溫度而變化，這樣ｔ0

不但不是０℃，而且也是不恒定的。因此將產(chǎn)生誤差。一般狀況下，冷端溫度均高于０℃，熱電勢總是偏小。消退或補(bǔ)償這個(gè)損失的方法，常用的有以下幾種：冷端恒溫法將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，使冷端的0ｔ0入的誤差，由于冰溶化較快，所以一般只適用于試驗(yàn)室中。圖7-10是冷端置于冰瓶中的接法布置圖。將熱電偶的冷端置于電熱恒溫器中，恒溫器的溫度略高于環(huán)境溫度的上限〔例如40℃。將熱電偶的冷端置于恒溫空調(diào)房間中，使冷端溫度恒定。應(yīng)當(dāng)指出的是，除了冰浴法是使冷端溫度保持0℃外，后兩種方法只是使冷端維持在某一恒定〔或變化較小〕的溫度上，因此后兩種方法仍必需承受下述幾種方法予以修正。 7-10計(jì)算修正法當(dāng)熱電偶的冷端溫度ｔ0〔t，t〕與冷端為０℃時(shí)所測AB 0得的熱電勢Ｅ〔t，０℃〕不等。假設(shè)冷端溫度高于０℃，則Ｅ

〔t，AB ABt〕＜Ｅt，０℃?？梢岳孟率接?jì)算并修正測量誤差：0 ABＥ〔t，０℃〕=Ｅ〔t，t〕十Ｅ〔t，０℃〕 〔7-5〕AB AB 0 AB 0

〔t，tAB

〕是用毫伏表直接測得的熱電勢為毫伏。修ｔ

0

〔t，AB 0０℃〔此值相當(dāng)于損失掉的熱電勢，并把它加到所測得的Ｅ〔，ABt〕上。依據(jù)式7-5〕求出Ｅ〔，０℃〔此值是已得到補(bǔ)償?shù)臒? AB電勢，依據(jù)此值再在分度表中查出相應(yīng)的溫度值。計(jì)算修正法共需查出的Ｅ就是負(fù)值，仍可用式〔7-5〕計(jì)算修正。

〔tAB

，０℃〕7-ｌ用鎳鉻一鎳硅〔K〕熱電偶測爐溫時(shí)，其冷端溫度t0＝３０℃，在直流毫伏表上測得的熱電勢ＥｍＶ，試求爐溫為多少？

〔t，30℃〕＝38.505AB解查鎳鉻-鎳硅熱電偶Ｋ分度表，得到Ｅ＝1.203ｍＶ。依據(jù)式〔7-5〕有

〔30℃，０℃〕ABE t0C)EAB

t30C)EAB

30C0C)(38.5051.203)mV39.708mV2t=960℃。該方法適用于熱電偶冷端溫度較恒定的狀況。在智能化儀表中，查表及運(yùn)算過程均可由計(jì)算機(jī)完成。儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法當(dāng)熱電偶與動(dòng)圈式儀表配套使用時(shí)，假設(shè)熱電偶的冷端溫度比較恒不高冷端所處的ｔ0

處，這相當(dāng)于調(diào)入熱電偶的熱電勢前就給儀表輸入一

，０℃，這樣，儀表在使用時(shí)所指示的值約為Ｅt，00

，０℃〕0進(jìn)展儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整時(shí)，首先必需將儀表的電源及輸入信號切ｔ0

的刻度上。當(dāng)氣溫變化時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)時(shí)修正指針的位置。此法雖有肯定的誤差，但格外簡便，在工業(yè)上常常承受。電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動(dòng)補(bǔ)償熱電應(yīng)型號的補(bǔ)償電橋。熱電偶的應(yīng)用由于我國生產(chǎn)的熱電偶均符合ITS-90全都性格外好，所以國家又規(guī)定了與每一種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶配套的儀表，其顯示值為溫度，且均已線性化。下面介紹其中的幾種。與熱電偶配套的儀表與熱電偶配套的儀表有動(dòng)圈式儀表及數(shù)字式儀表之分。符合國家〔ＸＣＺ〕〔ＸＭＺ系列〕和指示調(diào)整型〔ＸＭＴ系列〕品種。ＸＣ系列動(dòng)圈式儀表測量機(jī)構(gòu)的核心部件是一個(gè)磁電式毫伏計(jì)，7-11線〔補(bǔ)償導(dǎo)線、調(diào)整電阻和顯示儀表組成了一個(gè)閉合回路。ＸＭＴ系列儀表是在ＸＣＺ系列儀表的根底上，加裝了有調(diào)整、報(bào)警功能的數(shù)字式指示調(diào)整型儀表，是專為熱工、電力、化工等工業(yè)儀表的更、改造。它不僅具有顯示溫度的功能，還能實(shí)現(xiàn)被測溫度溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，儀表內(nèi)部的斷電器發(fā)生動(dòng)作，切斷加熱回路。它的特點(diǎn)是承受工控單片機(jī)為主控部件，智能化程度高，使用便利。這類儀表多具有以下功能：7-12輸入分度號切換：儀表的輸入分度號，可按鍵切換〔如Ｋ、Ｒ、Ｓ、Ｂ、Ｎ、Ｅ等；量程設(shè)定：測量量程和顯示區(qū)分率由按鍵設(shè)定；掌握點(diǎn)的值可在全量程范圍內(nèi)設(shè)定；上下限掌握回差值可分別設(shè)定；〔報(bào)警〕方式或下限掌握〔報(bào)警〕方式；輸出狀態(tài)〔ＯＮ／ＯＦＦ／ＫＥＥＰ；全數(shù)字操作：儀表的各參數(shù)設(shè)定、精度校準(zhǔn)均承受按鍵操作，無須電位器調(diào)整，掉電不喪失信息。冷端補(bǔ)償范圍：０～６０℃。９〕接口：有些型號還帶有計(jì)算