02检测仪表

温度检测仪表
在同一导体中，当导体两端的温度不同即 时，两端的电子能量就不同。温度 高的一端电子能量大，电子从温度高端跑向温度低端的数量多，而返回的数量少， 最后达到平衡。这样在导体两端形成一定的电位差就是温差电势，其大小可表示 为： T (2-4) eA (T , T0 ) dT
T0
式中，eA(T,T0)——导体A在两端温度分别为T 和T0时的温差电势，T 和T0的顺序 代表了电动势的方向; σ ——汤姆逊系数，表示温差1℃所产生的电动势值，大小与材料性质及两端温度 有关。 3) 闭合回路的总电势
1.3
第2章
检测仪表
温度检测仪表
温度是工业过程中最常见、最基本的参数之一，物体的任何物理变化和化学变化 都与温度有关。温度一般约占全部过程参数的50%左右。因此温度检测在工业生产中 占有很重要的地位。
一、 温度与温标
温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间 接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。温标规定了温度的读数起点(零点)和 测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标是经验温标和热力学温标。 1.经验温标 经验温标的基础是利用物质体膨胀与温度的关系。认为在两个易于实现且稳定的温 度点之间所选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。把在两温度之间体积的总变 化分为若干等份，并把引起体积变化一份的温度定义为1度。经验温标与测温介质有关， 有多少种测温介质就有多少个温标。按照这个原则建立的有摄氏度温标、华氏度温标。 摄氏温度和华氏温度的关系为：
二、 测温方法
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测量温度的方法很多，按照测量体是否与被测介质接触，可分为接触式测温法和 非接触式测温法两大类。 接触式测温法的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热 交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温 度值。这种测温方法优点是直观可靠，缺点是感温元件影响被测温度场的分布，接触 不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产 生不利影响。 非接触测温法的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换， 故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触测温法热惯性小， 可达千分之一秒，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。由于受物体的发射率、 被测对象到仪表之间的距离以及烟尘、水汽等其他介质的影响，这种测温方法一般测 温误差较大。 根据这两种测温方法，测温仪表也可以分为接触式测温仪表和非接触式测温仪表。
t ( F ) 1.8t ( C) 32
1.4
(2-1)
第2章
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2. 热力学温标 热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对 零度，水的三相点，即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度，为273.15K。水的 凝固点，即相当摄氏温标0℃，华氏温标32℉，开氏温标为273.15K。热力学温标单位为 开尔文，符号为K，定义水三相点的热力学温度的1/273.15为1K。热力学温标和摄氏温 标之间的关系为：
两端点在任意温度时的热电势为：
(2-6)
EAB (T , Tn ) EAB (T ,0) EAB (Tn , o)
(2-7)
根据这一定律，只需列出热电偶在参考端温度为0℃的分度表，就可以求出参考端 在其他温度时的热电势值。中间温度定律示意图如图2.6所示。中间温度定律为在热电 偶回路中应用补偿导线提供了理论依据，也为制定和使用热电偶分度表奠定了基础。 各种热电偶的分度表都是在冷端温度为0℃时制成的，如果在实际应用中热电偶冷端温 度不是0℃而是某一中间温度Tn，这时仪表的指示值为EAB(T，Tn)，而EA B (Tn ，0)值， 可以通过分度表查得，则按照该电势值再查相应得分度表就可以得出被测对象得实际 温度值。
1.8
图2.2 双金属温度计结构 1—指针；2—表壳；3—金属保护管；4—指针轴 5—双金属感温元件；6—固定端；7—刻度盘
第2章
四、 热电偶温度计
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热电偶是目前热电测温中普遍使用的一种温度计，其工作原理是基于热电效应，可广泛 用于测量－200℃～1300℃范围内的温度。特殊情况下，还可以测量2800℃高温和－270℃左 右的低温。热电偶温度计具有结构简单、价格便宜、准确度高、测温范围广等特点。由于热 电偶直接将温度转换为热电势进行检测，使温度的测量、控制、远传以及对温度信号的放大 和变换都很方便，适用于远距离测量和自动控制。在接触式测温方法中，热电偶温度计的应 用最普遍。 1. 热电效应 热电偶的测温原理是基于热电效应。两种不同材料的金属丝A和B两端牢靠地接触在一 起，组成如图2.3所示的闭合回路，当两个接触点(又称为结点)的温度T和T0不相同时，回 路中产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。
第2章
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1.1
第2章
•温度检测仪表 •压力的检测 •流量检测仪表 • 物位检测仪表 •成分分析仪表 •机械量检测仪表
检测仪表
本ห้องสมุดไป่ตู้内容
•本 章 小 结
•思考题与习题
1.2
第2章
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随着科学技术的发展、生产规模的扩大和强度的提高，人们对生产的控制和管 理要求也越来越高，需要检测生产过程中的参数种类也将越来越多。这些参数除了 指过程自动化最常见的温度、压力、流量、液位和成分等参数外，还包括物料组分、 黏度、湿度、噪声、振动乃至诸如转化率、催化剂活性等无法直接在线检测的参数。
t T 237.15
(2-2)
热力学温标是以热力学第二定律为基础的一种理论温标，已被国际计量大会采纳 作为国际统一的基本温标，其特点是不与某一特定的温度计相联系，与被测物质无关， 用热力学温标表示的热力学温度被认为是最理想的温度数值。热力学温标是一种纯理 论的理想温标，无法直接实现。
1.5
第2章
导体A和B组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势eAB(T)与 eAB(T0) ，又因为T>T0，在导体A和B中还各有一个温差电势。因此闭合回路的总电动 势为:
EAB (T , T0 ) eAB (T ) ( A B )dT
T0
T
(2-5)
1.11
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1.7
图2.1 双金属温度开关
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图2.2为双金属温度计的结构，它的感温元件通常绕成螺旋形，一端固定，另一端连 接指针轴。温度变化时，感温元件的弯曲率发生变化，并通过指针轴带动指针偏转，在刻 度盘上显示出温度的变化。为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状， 如U形、螺旋形、螺管形、直杆形等。双金属片温度计的测温范围与液体膨胀式温度计接 近，精度较差，但在振动和受冲击的应用场合，读数方便，比较适用。
就检测仪表而言，检测、变送与显示可以是3个独立的部分，也可以只是其中 的两部分，如热电偶测温输出毫伏级信号可以不通过变送，直接送到电子电位差计 中显示。或者是三者有机结合成一个整体，如单圈弹簧管压力表。
过程控制对检测仪表有以下几个基本要求： (1) 测量值要能正确地反映被测变量的大小，误差不超过规定的范围； (2) 测量值必须迅速反映被测变量的变化，即动态响应比较迅速； (3) 检测仪表在工作环境条件下，应能长期工作，以保证测量值的可靠性。
式(2-5)对于已选定的热电偶，当参考温度恒定时，总热电动势就变成测量端温度T 的单值函数，即 E (T , T ) f (T )
AB 0
就是热电偶测量温度的基本原理。理论和实验证明，热电偶的热电势的大小只与导 体A和B的材质、冷热端温度T和T0有关，而与导体的粗细、长短以及导体的接触面积无 关。 在实际测温时，必须在热电偶闭合回路中引入连接导线和仪表。 3. 热电偶的基本定律 1) 均质导体定律 由均质材料构成的热电偶的热电动势大小只与材料及结点温度有关，与热电偶的大 小尺寸、形状及沿电极温度分布无关。均质导体定律表明：热电偶必须采用两种不同材 质的导体构成，且热电偶两接点温度不同；由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回 路如果产生热电势，则说明该材料不均匀，这也是检查热电极材料均匀性的一种方法。 如果热电偶是由两种均质导体组成，则热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿 电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非均质导体，在不均匀的温度场中测温时 将成测量误差，所以热电极材质的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。 2) 中间导体定律
1.9
图2.3 热电效应
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导体A，B称为热电极。触点1通常是焊接在一起的，测量时将它臵于测温场所 感受被测温度，故称为测量端，又称做工作端或热端。触点2要求温度恒定，称为参 考端或冷端。由两种导体组成并将温度转换为热电动势的传感器叫做热电偶。 2. 热电动势 热电动势是由两种导体的接触电势(珀尔贴电势)和单一导体的温差电势(汤姆逊 电势)所组成。热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。 1) 接触电势 由于金属导体材料不同，金属导体内部的自由电子密度也不相同，当两种不同 的金属导体A和B导体接触时，自由电子就要从密度大的导体跑向密度小的导体中去， 从而产生自由电子的扩散现象。这样A、B接触处形成了一定的电位差，这就是接触 电势，其大小可表示为：
1.12
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如果在热电偶回路中接入第三导体，只要与第三种导体相连接的两接点温度相 同时，则接入第三种导体后，对热电偶回路中的总电势没有影响。如图2.4所示，将 A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相 同，接入导体C后对回路总电动势无影响。根据这一性质，可以在热电偶回路中引入 各种仪表和连接导线。图2.5所示为接入中间导体后的热电偶测温回路。中间导体定 律为制造和使用不同材料的热电偶奠定了理论基础，即采用同一参考电极与各种不 同材料组成热电偶，以测试其热电特性，再利用这些特性组成各种配对的热电偶。 这是研究和测试热电偶的通用方法。利用中间导体定律可采用开路热电偶对液态金 属合金避免进行温度测量。
EAB (T , T0 ) EAB (T , Tn ) EAB (Tn , o)
(2-8)
1.14
第2章
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图2.6 中间温度定律示意图
4) 标准电极定律 两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶，如果A、C和B、C热电偶的热电动势 已知、那么这两种导体A、B组成的热电偶产生的电动势可由下式求得：
eAB (kT / e) ln( N A / NB )
(2-3)
式中，——为导体A和B在温度为T时的接触电势，A和B的代表了电动势的方向； k——为玻尔兹曼常数，； e——为电子电荷量，； T——为导体接触处的温度； NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。
1.10
第2章
2) 温差电势
检测仪表
1.6
第2章
三、膨胀式温度计
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膨胀式温度计的测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，可分为液体膨胀式和 固体膨胀式两种。这里主要介绍固体膨胀式温度计中的一种介绍双金属温度计 双金属温度计是把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的，是一种固体膨 胀温度计，结构简单、牢固。双金属温度计可将温度变化转换成机械量变化，不仅 用于测量温度，而且还用于温度控制装臵(尤其是开关的“通断”控制)，使用范围 相当广泛。 图2.1所示为最简单的双金属温度开关，由一端固定的双金属条形敏感元件直 接带动电接点构成的。温度低时电接点接触，电热丝加热；温度高时双金属片向下 弯曲，电接点断开，加热停止。温度切换值可用调温旋钮调整，调整弹簧片的位臵 也就改变了切换温度的高低。
图2.4 第三种导体的热电偶
图2.5 接入中间导体的热电偶测温回路
1.13
第2章
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3) 中间温度定律 在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、 Tn和Tn 、T0时热电动势的代数和，即
EAB (T , T0 ) EAB (T , Tn ) EAB (Tn , T )