接觸式溫度測量儀表及測量技術(shù)

接觸式溫度測量儀表及測量技術(shù)溫度測量概述

溫度是表征物體冷熱程度的物理參數(shù)。如果溫度不同的兩物體相互接觸，由于存在溫度差，熱量就會從高溫物體向低溫物體傳遞，假設(shè)這兩物體與外界沒有能量交換，則經(jīng)過一段時間后兩者就會達到熱平衡狀態(tài)，即兩者溫度相等。接觸式測溫法就是基于這一原理。溫標就是溫度數(shù)值化的標尺，它給出了溫度數(shù)值化的一套規(guī)則和方法，并明確了溫度的測量單位。溫標有以下幾種：1）經(jīng)驗溫標：借助于某一種物質(zhì)的物理量與溫度變化的關(guān)系，用實驗方法或經(jīng)驗公式所確定的溫標稱作經(jīng)驗溫標。它主要有攝氏溫標和華式溫標兩種華式（℉）溫標是在標準大氣壓下，將水的冰點和沸點之間的溫度差分為180等份，每一等分為一華式度。并規(guī)定冰點的溫度數(shù)值為32℉，沸點為212℉。攝氏（℃）溫標是在標準大氣壓下，將水的冰點和沸點之間的溫度差分為100等份，每一等分為一攝氏度。并規(guī)定冰點的溫度數(shù)值為0℃，沸點為100℃。溫度測量概述2）熱力學(xué)溫標（又稱開爾文溫標）以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的，規(guī)定分子運動停止（即沒有熱存在）時的溫度為絕對零度或最低理論溫度。是一種純理論的理想溫標，無法直接實現(xiàn)。在熱力學(xué)中從理論上證明，熱力學(xué)溫標和理想氣體溫標完全一致。通常借助于氣體溫度計來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標。3）國際溫標氣體溫度計雖然能復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標，但它的裝置系統(tǒng)復(fù)雜，不適于實際應(yīng)用。為了實用方便，國際上協(xié)商決定，建立一種既實用方便，又具有一定科學(xué)技術(shù)水平的溫標，這就是國際溫標。溫標的基本內(nèi)容為：盡可能接近熱力學(xué)溫度；復(fù)現(xiàn)精度高，各國均能以很高的準確度復(fù)現(xiàn)同樣的溫標，確保溫度量值的同一；用于復(fù)現(xiàn)溫標的標準溫度計使用方便，性能穩(wěn)定。從1990年1月1日開始，各國陸續(xù)采用1990年國際溫標。熱力學(xué)溫度（符號為T）是基本物理量，單位為開爾文，它規(guī)定水的三相點熱力學(xué)溫度為273.16K。溫度測量儀表的分類溫度不能直接測量，而是借助于物質(zhì)的某些物理特性是溫度的函數(shù)，通過對某些物理特性變化量的測量間接的獲得溫度值。根據(jù)測量方法不同，溫度測量儀表可劃分為接觸式測溫儀表和非接觸式測溫儀表。接觸式測溫儀表：感溫元件直接與被測介質(zhì)接觸，感受被測介質(zhì)的溫度變化。因此這種測量方法比較直觀可靠，但在有些情況下，它將影響被測溫度場的分布，帶來測量洪差；另外在某些介質(zhì)中，如高溫或具有腐蝕性時，對測溫元件的壽命要有很大的影響。如膨脹式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計非接觸式測溫儀表：利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，對物體的溫度進行非接觸測量的儀表，如光學(xué)溫度計、比色溫度計和輻射溫度計。熱電偶溫度計的原理兩種不同材料的導(dǎo)體A和B連接在一起，形成一個閉合回路，當兩端接點溫度不同（分別是T，T0）時，在回路中就會產(chǎn)生一個電動勢。這種物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，這一電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這個原理來測溫的。圖中所示的閉合回路稱之為熱電偶，導(dǎo)體A、B稱之為熱電偶的熱電極或熱偶絲。兩個接點中，一個稱為熱端（T），又稱測量端或工作端，此接點置于被測對象中。另一接點（T0）稱為冷端或參考端、自由端。T測量端T0參考端AB熱電偶溫度計的原理T0AB顯示儀表連接導(dǎo)線TT0熱電偶熱端（工作端）冷端（自由端）熱電偶測溫系統(tǒng)熱電偶回路中產(chǎn)生的熱電勢，是由接觸熱電勢和溫差熱電勢兩部分組成。接觸熱電勢：各種導(dǎo)體中都存在著大量的自由電子，不同導(dǎo)體自由電子的密度也不相同。兩種不同材料導(dǎo)體相接觸時，電子密度大的導(dǎo)體失去電子而帶正電，相反，電子密度小的導(dǎo)體因得到電子而帶負電。當電子的擴散作用和靜電場阻礙電子擴散作用達到動態(tài)平衡時，A、B接觸面處具有一定的、穩(wěn)定的電位差，成為接觸電勢熱電偶溫度計的原理T0AB顯示儀表連接導(dǎo)線TT0熱電偶熱端（工作端）冷端（自由端）熱電偶測溫系統(tǒng)溫差電勢：對同一導(dǎo)體，在兩端溫度不同時，自由電子具有不同的動能，溫度高時動能大。這樣，從T端跑到T0端的電子數(shù)比從T0端跑到T端的電子數(shù)要多，結(jié)果T端因失去電子而帶正電荷，T0端因得到電子而帶負電荷。此時在導(dǎo)體A的兩端將產(chǎn)生一定大小的、穩(wěn)定的電位差，這就是溫差電勢。熱電偶回路的熱電勢：兩種導(dǎo)體A、B構(gòu)成的熱電偶回路，回路的熱電勢應(yīng)為兩接點T、T0的接觸電勢及兩導(dǎo)體本身溫差電勢的和熱電偶溫度計的原理當熱電偶材料一定時，其熱電勢Eab(T,T0)只取決于熱端溫度T和冷端溫度T0的函數(shù)差

Eab(T,T0)=f(T)-f(T0)結(jié)論：1）熱電偶回路熱電勢的大小只與組成熱電偶的導(dǎo)體材料及兩端溫度有關(guān)，而與熱電極的幾何形狀（長短、粗細和截面形狀）無關(guān)；2）如果熱電偶兩熱電極材料相同為A和B,則無論熱電偶兩端溫度如何，熱電偶回路熱電勢總為零；3）如果熱電偶兩端溫度相同為T或T0，則盡管兩電極材料不同，熱電偶回路的熱電勢總為零；4）如果參考端（T0）溫度恒定，即f(T0)=C（常數(shù)），則熱電偶回路熱電勢僅為工作端溫度T的單值函數(shù)。只要測出熱電勢Eab(T,T0)的大小，就間接知道了工作端溫度T了，這就是熱電偶測溫度的基本原理；5）熱電偶熱電極的極性由導(dǎo)體材料的電子密度大小確定，電子密度大的導(dǎo)體為正極，而電子密度小的導(dǎo)體為負極。熱電偶回路中，接觸電勢遠大于溫差電勢；熱電偶的基本定律在使用熱電偶測溫時，必然在熱電偶回路中接入電勢測量儀表以及相應(yīng)的連接導(dǎo)線，為了不影響熱電勢數(shù)值，保證熱電偶測溫的準確性。介紹應(yīng)用熱電偶的基本定律：1）均質(zhì)導(dǎo)體定律：有一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面、長度及各處的溫度分布如何，都不產(chǎn)生熱電勢。此定律說明，熱電勢只與熱電極材料和兩接點溫度有關(guān)。2）中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三、第四種或更多導(dǎo)體，只要接入導(dǎo)體的兩端溫度相等，且導(dǎo)體是均質(zhì)的，則無論接入導(dǎo)體的溫度分布如何，都不會影響原來熱電偶的熱電勢的大小；3）中間溫度定律：在熱電偶回路中，熱電偶兩接點溫度T、T0時的熱電勢，等于該熱電偶在接點溫度T、Tn和Tn、T0時熱電勢的代數(shù)和。Eab(T,0)=Eab(T,Tn)+Eab(Tn,0)標準熱電偶分度表中，熱電偶的熱電勢值在參考端溫度為0℃時給的。只要測出在參考端溫度為Tn時的熱電勢Eab(T,Tn)，查出Eab(Tn,0)，則根據(jù)公式即可求出Eab(T,0)。熱電偶的種類及特性對熱電極材料的要求：1）熱電勢要足夠大，并且與溫度的關(guān)系最好成線性或接近線性；2）在使用溫度范圍內(nèi)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定；3）熱電性能穩(wěn)定，易于復(fù)現(xiàn)，同類熱電偶互換性好；4）電導(dǎo)率高，電阻溫度系數(shù)要??；5）加工方便，價格便宜；標準熱電偶1）鉑銠10-鉑熱電偶（分度號S）：屬貴金屬熱電偶，熱電極直徑通常為0.5mm。長期使用溫度為1400℃，短期使用溫度為1600℃，它的熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強，宜在氧化性和惰性氣氛中連續(xù)使用，在真空中可短期使用。不宜直接在金屬蒸汽、金屬化合物、二氧化碳、氫氣等還原性介質(zhì)中使用；2）鉑銠13-鉑熱電偶（分度號R）：屬貴金屬熱電偶，它的性能與鉑銠10-鉑熱電偶基本相同，只是它的溫度靈敏度稍高些。熱電偶的種類及特性3）鉑銠30-鉑熱電偶（分度號B）：屬貴金屬熱電偶，其長期使用最高溫度可達1600℃，短期使用溫度可達1800℃，宜在氧化性和中性氣氛中使用，在真空中可短期使用。不能直接在還原性氣氛及含有金屬或非金屬蒸汽的氣氛中使用。主要缺點是靈敏度低，熱電勢小。冷端溫度在40℃以下時，可不必進行冷端補償；4）鎳鉻-鎳硅（鋁）熱電偶（分度號K）：屬賤金屬熱電偶，長期使用溫度可達900℃，短期可達1200℃，熱偶絲直徑一般為1.2~2.5mm。用于測量500℃以下溫度時，可用于氧化、還原及中性氣氛中；測量溫度高于500℃時只能用于氧化及中性氣氛中。溫度與熱電勢之間關(guān)系近似于線性；5）鎳鉻-康銅熱電偶（分度號E）：屬賤金屬熱電偶，它適宜在-250~870℃范圍內(nèi)的氧化或惰性氣氛中使用，尤其適宜在0℃以下使用；6）鎳鉻硅-鎳硅熱電偶（分度號N）：屬賤金屬熱電偶，使用溫度范圍是-200~1300℃，長期使用溫度為1200℃。實驗表明，N型熱電偶的高溫穩(wěn)定性及使用壽命較K型有成倍的提高，與S型熱電偶接近，其價格僅為S型的1/10。熱電偶的結(jié)構(gòu)1）熱電極：熱電極的直徑由材料價格、機械強度、導(dǎo)電率以及熱電偶的用途和測量范圍決定。貴金屬熱電偶的熱電極大多采用直徑為0.3~0.65mm的細絲，普通金屬熱電偶電極的直徑一般為0.5~3.2mm。插入深度有工藝決定。2）絕緣套管：作用是防止熱電偶正、負電極之間以及熱電極與保護套管之間形成短路。其材料視被測溫度高低而定。3）保護套管：作用是為使熱電極免受化學(xué)和機械作用，以得到較長的使用壽命和測溫準確性。保護套管的選用一般是根據(jù)測溫范圍、加熱區(qū)長度、環(huán)境氣氛以及測溫時間常數(shù)等條件決定4）接線盒：供連接熱電偶和補償導(dǎo)線用，一般由鋁合金制成。熱電偶的維護1）根據(jù)測量的范圍與對象，合理選擇適當?shù)臒犭娕嫉男吞枴⒁?guī)格和保護套管的材料。2）選擇合適的“冷端溫度補償”方法和所需的器材，包括補償導(dǎo)線、冷端溫度補償器等。3）熱電偶的安裝地點，應(yīng)避免在爐旁或加熱設(shè)備距離過近之處。接線盒的溫度不應(yīng)超過100℃，并盡量保持穩(wěn)定不變。4）熱電偶插入爐內(nèi)的深度，可按實際需要決定，但工作端與發(fā)熱體接觸的距離不得小于100mm，它的接線盒不可碰到爐壁。5）帶瓷保護套管的熱電偶，應(yīng)盡可能避免忽冷忽熱，以防瓷管破裂。6）除不帶保護套管的熱電偶和表面熱電偶外，不允許把熱電偶從保護套管中抽出，直接與被測介質(zhì)接觸。7）使用中經(jīng)常檢查熱電偶保護套管的狀況，如壁厚小于1.5mm或發(fā)現(xiàn)焊接處有浸蝕情況，應(yīng)更換新的保護套管。8）要保護補償導(dǎo)線，避免受到機械損傷和外磁場的干擾，并把補償導(dǎo)線套入接地的鋼管內(nèi)，不得有迂回的地方。熱電偶常見故障及處理方法故障可能原因處理方法熱電勢比實際值小顯示儀表指示值偏低1、熱電極短路2、熱電偶的接線柱處積灰，造成短路3、補償導(dǎo)線間短路4、熱電偶熱電極變質(zhì)5、補償導(dǎo)線與熱電偶極性接反6、補償導(dǎo)線與熱電偶不配套7、熱電偶安裝位置不當或插入深度不符合要求8、熱電偶冷端溫度補償不符合要求9、熱電偶和顯示儀表不配套1、找出短路原因：如因潮濕所致，則需進行干燥；如因絕緣子損壞所致，則需更換絕緣子2、清掃積灰3、找出短路點，加強絕緣或更換補償導(dǎo)線4、在長度允許的情況下剪去變質(zhì)段重新焊接，更換熱電偶5、更換相匹配的補償導(dǎo)線6、重新接正確7、重新按規(guī)定安裝8、調(diào)整冷端補償器9、更換熱電偶或顯示儀表使之相匹配熱電偶常見故障及處理方法故障可能原因處理方法熱電勢比實際大，顯示儀表指示偏高1、熱電偶和顯示儀表不匹配2、補償導(dǎo)線與熱電偶不相配3、有直流干擾信號進入1、更換熱電偶或顯示儀表匹配2、更換補償導(dǎo)線使之相匹配3、排除直流干擾熱電勢輸出不穩(wěn)定1、熱電偶接線柱與熱電極接觸不良2、熱電偶測量線路絕緣破損，引起斷續(xù)短路或接地3、熱電偶安裝不牢或外部振動4、熱電極將斷未斷5、外界干擾（交流漏電、電磁場感應(yīng)等）1、將接線柱螺絲擰緊2、找出故障點，修復(fù)絕緣3、緊固熱電偶，消除振動或采取減振措施4、修復(fù)或更換熱電偶5、查出干擾源，采取屏蔽措施熱電偶熱電勢誤差大1、熱電極變質(zhì)2、熱電偶安裝位置不當3、保護管表面積灰1、更換熱電極2、改變安裝位置3、消除積灰熱電阻溫度計的原理熱電阻溫度計是基于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值與溫度本身呈一定函數(shù)關(guān)系的原理實現(xiàn)溫度測量的。實驗證明，大多數(shù)金屬熱電阻當溫度上升1℃時，其電阻值增大0.4%~0.6%；而半導(dǎo)體電阻當溫度上升1℃時，其電阻值下降3%~6%。金屬導(dǎo)體電阻與溫度的關(guān)系一般可表示為：

Rt=Rt0〔1+α(t-t0)]式中Rt-溫度為t時的電阻值；Rt0-溫度為t0時的電阻值；α-電阻溫度系數(shù)，即溫度升高1℃時的電阻相對變化量。由于一般金屬材料的電阻與溫度關(guān)系并非線性，故α值也隨溫度而變化，并非常數(shù)。金屬或半導(dǎo)體的電阻-溫度函數(shù)關(guān)系確定之后，就可以通過測量置于測溫對象之中并與測溫對象達到熱平衡的熱電阻的阻值而求得對象的溫度。

熱電阻溫度計由熱電阻（感溫元件）、連接導(dǎo)線及電阻測量儀表（顯示儀表）組成。它的測量精度高，由于熱電阻輸出的是電阻信號，便于遠距離顯示或傳送信號。冶金企業(yè)中，500℃以下溫度測點，一般采用熱電阻溫度計。熱電阻溫度計的原理熱電阻金屬絲材料要求：1）電阻溫度系數(shù)大，即靈敏度高；2）物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能長時期適應(yīng)較惡劣的測溫環(huán)境；3）電阻率要大，以使電阻體積較小，減小測溫的熱慣性；4）電阻-溫度關(guān)系近于線性關(guān)系；5）價格低廉，便于復(fù)制；根據(jù)感溫元件的材質(zhì)，熱電阻可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類，金屬熱電阻目前在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的是鉑電阻和銅電阻，半導(dǎo)體熱電阻有鍺和熱敏電阻等。鉑熱電阻：鉑熱電阻由純鉑電阻絲繞制而成，使用溫度范圍為-200~850℃。其電阻與溫度變化關(guān)系近似線性，并具有較高的測量精度，目前應(yīng)用較多的三種鉑熱電阻，其分度號分別為Pt50、Pt100、Pt300，相應(yīng)0℃時的電阻值分別為R0=50Ω、R0=100Ω、R0=300Ω。銅熱電阻：一般用于-50~150℃的測量范圍，其電阻溫度系數(shù)大，電阻值與溫度基本呈線性關(guān)系，價格便宜。缺點是易于氧化。目前應(yīng)用較多的兩種銅熱電阻分度號分別是Cu100、Cu50，其R0值分別為100Ω和50Ω。熱電阻溫度計的原理RRR(c)(b)(a)熱電阻引線優(yōu)兩線制、三線制和四線制三種，如上圖所示。兩線制：在熱電阻的感溫元件的兩端各連一根導(dǎo)線的引線形式為兩線制。這種兩線制熱電阻配線簡單、費用低，但要帶入引線電阻的附加誤差。三線制：在熱電阻感溫元件的一端連接兩根引線，另一端連接一根引線，此種引線形式為三線制。它可以消除引線電阻的影響，測量精度高于兩線制，所以應(yīng)用最廣。特別是在測溫范圍窄、導(dǎo)線長、架設(shè)銅導(dǎo)線途中發(fā)生變化的情況下，必須采用三線制熱電阻。四線制：在熱電阻感溫元件的兩端各連兩根引線稱為四線制。在高精度測量時，這種引線可以消除引線電阻的影響，而且在連接導(dǎo)線阻值相同時，可消除連接導(dǎo)線電阻的影響。熱電阻溫度計的結(jié)構(gòu)金屬熱電阻感溫元件一般由電阻體、引線、絕緣子、保護套管及接線盒等組成，其外形與熱電偶感溫元件相似。電阻體：電阻體是用熱電阻絲繞制在絕緣骨架上制成的，一般工業(yè)用熱電阻絲，鉑絲多為￠0.07mm裸線；銅絲多為￠0.1mm漆包線或絲包線。為消除繞制電感，通常采用雙線并繞（亦稱無感繞制）。電阻絲繞完之后應(yīng)經(jīng)退火處理，消除內(nèi)應(yīng)力的影響。引線：作用是將熱電阻體線端引至接線盒，陰線的直徑較粗，一般約為1mm，以減小附加測量誤差。工業(yè)鉑熱電阻一般用銀線作引線，銅電阻用鍍銀銅絲作引線。絕緣子：套在引線上，以防止引線之間及引線與保護套管之間短路保護套管：防止電阻體遭受化學(xué)腐蝕和機械損傷。接線盒：固定接線座和外部導(dǎo)線相連接的裝置。熱電阻故障處理熱電阻常見故障是熱電阻斷路和短路。其中以斷路為多，這是由于電阻較細所致。下面介紹斷路和短路的鑒別方法1）熱電阻體斷路：可用萬用表在電阻體的接線端子處測量阻值，電表指示為最大。但是在進行檢查時，熱電阻與顯示儀表的連接導(dǎo)線應(yīng)預(yù)先拆除，否則測得的阻值含有顯示儀表的內(nèi)阻。2）連接導(dǎo)線斷路：將電阻體端子上的連接導(dǎo)線不拆除，而將兩個接線端子短路，顯示儀表的示值仍為無限大。3）電阻體短路：顯示儀表斷電后，將連接導(dǎo)線在電阻體的端子處拆掉，再用萬用表測量電阻體的阻值是否等于實際數(shù)值，如少于實際阻值，則該電阻體短路。4）連接導(dǎo)線短路：可將連接導(dǎo)線從電阻體的端子處拆下一個線頭，看顯示儀表示值是否無限大。如仍有示值或指向負端，則說明連接導(dǎo)線短路。無論檢查熱電阻的短路還是斷路，每次變動線路的連接導(dǎo)線時，都應(yīng)將儀表斷電，否則易將儀表損壞。最好在檢查時不用指示溫度的顯示儀表，另用萬用表或測量電阻儀表即可。熱電阻故障處理故障現(xiàn)象可能原因處理方法顯示儀表指示值比實際值低或示值不穩(wěn)定保護館內(nèi)有金屬屑、灰塵、接線柱間積灰以及熱電阻短路除去金屬屑，清掃灰塵，找出短路點，加好絕緣顯示儀表指示無窮大熱電阻或引線斷路更換熱電阻或焊接斷線處顯示儀表指示負值顯示儀表與熱電阻接線有錯誤或熱電阻短路改正接線，找出短路點，加好絕緣阻值與溫度關(guān)系有變化熱電阻絲材料受蝕變質(zhì)更換熱電阻接觸式溫度計的安裝1）正確選擇測溫點：測溫應(yīng)具有代表性不應(yīng)把感溫元件插到被測介質(zhì)的死角區(qū)域；測溫點應(yīng)避開強電磁場干擾源，避不開時，應(yīng)采取抗干擾措施；2）合理確定測溫元件的插入深度：3）在管道上測溫元件應(yīng)與被測介質(zhì)形成逆流（至少與被測介質(zhì)流束方向成90℃），切勿順著被測介質(zhì)的流動方向安裝；4）將接線盒朝上，避免液體、塵埃滲入接線盒內(nèi)；5）測溫元件安裝于負壓管道時，應(yīng)保證其密封性，以免外界冷空氣襲入；6）測量爐膛溫度時，應(yīng)避免測溫元件與火焰直接接觸，造成測量值偏高；7）凡承受壓力的測溫元件，都必須保證其密封性；8）高溫下工作的熱電偶，一般應(yīng)垂直安裝，若必須水平安裝則不宜過長，并用支架保護，以免在高溫下彎曲；9）測溫元件的安裝應(yīng)便于儀表工作人員的維修和校驗；非接觸式測溫儀表1）傳感器和被測對象不接觸，不會破壞被測對象的溫度場，可測量運動