第三章第五节温度检测及仪表

①普通型热电偶 接线盒:是供热电极和补偿导线连接用的,常用铝合 金制成。连接热电极和补偿导线的螺丝必须拧紧, 以免产生较大的接触电阻而影响测量的准确度。 ②铠装热电偶:由金属套管、绝缘材料、热电偶丝 一起经过复合拉伸成型。 ③表面型热电偶:利用真空镀膜法将两电极材料蒸 镀在绝缘基底上的薄膜热电偶。 ④快速热电偶:是测量高温熔融物体一种专用热电 偶。 在热电偶选型时,注意三个方面:热电极材料;保护套 管的结构.材料及耐压强度;保护套管的插入深度。
第五节 温度检测及仪表
温度是表征物体冷热程度的物理量。温度的测量与控制 在工业生产中有着重要的作用。 一、温度检测方法 (一).温度不能直接测量,只能借助于冷热不同物体之间 的热交换,以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而 变化的特性来加以间接测量。 (二).温度计的分类 按测温范围分:高温计(600℃以上)和普通温度计; 按测量方法分:接触式和非接触式温度计; 按用途分:实用温度计和标准温度计; 按工作原理分:膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶 温度计、热电阻温度计、辐射高温计。
二、热电偶温度计 原理:是以热电效应为基础的测温仪表。 特点:测量范围广(-50~1600℃),结构简单,使用方便, 测量准确可靠,便于信号的远传、自动记录和集中 控制。 组成:热电偶(1) (感温元件)、测量仪表(3)(动圈仪 表或电位差计)、连接热电偶和测量仪表的导线 (2)(补偿导线及铜导线)。
(3).常用热电偶的种类 工业上对热电极材料的要求:热电极对温度反应灵 敏(温度每增加1℃时产生的热电势要大),热电势与 温度尽量成线性关系,物理稳定性高,化学稳定性高, 材料组织均匀,有韧性,易加工成丝;复现性好,且有 良好的互换性,便于成批生产。 • 铂铑30-铂铑6热电偶(双铂铑)(分度号为B):测量范 围为300-1600℃,短期可测1800℃ 。 • 铂铑10-铂热电偶(分度号为S):测量范围-201300℃,短期可测1600℃。作标准偶。 • 镍铬-镍硅热电偶(分度号为K):测量范围-501000℃,短期可测1200℃。 • 镍铬-考铜热电偶(分度号为XK):测量范围-50600℃,短期可测800℃。
(2).插入第三种导线的问题 用热电偶测温时,需接仪表来测热电势,而仪表要远 离测温点,这就需接第三种导线C。热电偶回路中接 入连接导线C,就构成新的接点,但不影响热电偶的 总热电势。
(2).插入第三种导线的问题: 如右(a)图:新的接点为3点和4点,两点的温度相同为 t1,则总热电势E(t,t0)为： E(t,t0)=eAB(t)+eBC(t1)+eCB(t1)+eBA(t0) = eAB(t)+eBC(t1)- eBC (t1)+ eBA(t0) = eAB(t)+ eBA(t0) = eAB(t)- eAB(t0) 可见,与没有接入第三种导线时 总热电势相等。
温差电势eA (t,t0)的产生:对于同一金属A(或B),由 于其两端温度不同,自由电子具有不同的动能,就 产生一个电动势, 称为温差电势eAB(t0)。它远小于 接触热电势,则忽略不计,即eA(t,t0)≈0, eB(t,t0)≈0。 •把金属的两端闭合时,形成闭合回路。在两个接 点处形成接触热电势eAB(t)和eAB(t0)。温差电势忽 略不计,金属A. B的等效电阻为R1.R2,则图(a)可等 效为图(b)。此闭合回路中总的热电势E(t,t0)应为： E(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0) 或E(t,t0)=eAB(t)+eBA(t0)
(4). 热电偶的结构 按结构分为普通型、铠装型、表面型和快速型。 ①普通型热电偶:包括热电极,绝缘管,保护套管及 接线盒。 热电极:是热电偶的两根热偶丝。 贵金属的偶丝直径为0.3-0.65mm, 普通金属的偶丝直径为0.5-3.2mm, 长度由安装条件及插入深度而定, 一般为350-2000mm。 绝缘管(绝缘子):防止两根热电极短 路。有单孔管、双孔管及四孔管。 保护套管:保护热电极不受化学腐 蚀和机械损伤。
例:用镍铬-铜镍热电偶测量某加热炉的温度。测得 的热电势E(t,t1)=66982µ V,而自由端的温度 t1=30℃,求被测的实际温度。
解:查表得:E(30,0)=1801µ V, 则:E(t,0)= E(t,30)+ E(30,0)= 66982+1801=68783µ V 查表得: E(900,0)= 68783µ V, 即实际温度为t=900 ℃。 而不是66982µ V对应的温度t’再加上30℃。 E(870,0)=66473µ V, E(880,0)=67245µ V 66982µ V对应的温度t’→ t’ =870+(66982-66473)/(67245-66473)×10=876.6℃ E(876.6,0)= 66982µ V t≠ 876.6+ 30=906.6 ℃
2.补偿导线的选用 当热电偶的冷端温度保持不变时,热电势才是被测 温度的单值函数。但实际应用时,冷端离工作端近 且暴露在空间,易受周围环境温度影响,冷端温度难 保持恒定。为了使热电偶的冷端温度保持恒定,就 将热电偶做很长,使冷端远离工作端,这就需要许多 贵金属,不经济的。用补偿导线将冷端远离工作 端。不同的热电偶所用的补偿导线也不同。 补偿导线的要求:由两种不同性质的金属材料制成, 在一定温度范围内(0-100℃)与所连接的热电偶具 有相同的热电特性,并是廉价金属。
热电势:包括接触电势和温差电势。 接触电势eAB(t)的产生:设A电子密度大于B电子密 度,当A.B两种金属接触时,电子从密度大的扩散到 密度小的中,即从A扩散B, A中剩下正电荷, B中得到 电子而带电,形成静电场,阻碍电子扩散运动,当达到 平衡时形成电势差eAB(t),称为接触电势。方向为A →B。接触电势与两金属的材料和接触点的温度有 关。当材料确 定后只与接触点 的温度有关。 eAB(t)= - eBA(t)。
1.热电偶 是感温元件,由两种不同材料的导体A和B焊接而 成,焊接的一端插入被测介质中,感受被测温度,称 为工作端或热端,另一端与导线相连,称为冷端或 自由端,导体A和B称为 热电极。
(1).热电现象及测温原理 热电现象:取两根不同材料金属导线A和B,将其两 端焊在一起, 组成一个闭合回路, 如将其中的一 端(1)加热,即t >t0,在此闭合回路中就有热电势产 生,这种现象称为热电现象。 如将金属B断开接入毫伏计,如图(b);如 在t0接头处断开接入毫伏计,如图(c)。 毫伏计有指示。
2.压力式温度计 毛细管:用来传递压力的变化。用铜或钢等冷拉成 的无缝圆管制成。易破损,应加保护套管。在长度 相同时,越细仪表越灵敏。 弹簧管:与弹簧管式压力表相同。 3.热电偶温度计:利用不同材料的金属焊接在一起, 当温度发生变化时,会产生热电势,依靠热电势的测 量来测温度。 4.热电阻温度计:利用导体或半导体材料的电阻值 随温度的变化而变化的原理测温。 5.热辐射温度计:利用物体热辐射作用来测温度。
热电偶冷端温度补偿方法： (1).冷端温度保持为0℃的方法: 把热电偶的两个冷端分别插入盛有绝缘油的试管 中,然后放入装有冰水混合物的容器中,常用在实 验室中,如图。
(2).冷端温度修正方法: 冷端温度不是0℃,而是t1时,这就引起测量误差,必 须进行修正。如某一设备的实际温度为t,热电偶 的冷端温度为t1,这时测得的热电势为E(t,t1),求实 际温度t,利用下式进行修正, 即:E(t,0)=E(t,t1)+E(t1,0) ,因:E(t,t1) =E(t,0)-E(t1,0) 修正方法:是把测得的热电势E(t,t1),加上热端为室 温t1,冷端为0℃时的热电偶的热电势E(t1,0),得到实 际温度下的热电势E(t,0)。 适用于实验室或临时测温,在连续测量中不使用。
(3).校正仪表零点 一般仪表未工作时指针应指在零位(机械零点),若 测温元件为热电偶,且冷端不为零度,则将仪表的 零点调至室温(冷端所在的温度)。常用在工业上, 但在测温要求不高的场合上。如动圈表使用时需 要校正仪表机械零点;电子电位差计则自动调零。
(4).补偿电桥法:利用不平衡电桥产生的电势,来补 偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。 电桥在20℃(或0℃)时平衡,则把仪表的机械零位调 到20℃(或0℃)。E(t,t1)=E(t,0)-E(t1,0)+Uab
A eA(t,t0)
+ -
t>t0
+
-
B
eB(t,t0)
此闭合回路中总的热电势E(t,t0)应为： E(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0) 或E(t,t0)=eAB(t)+eBA (t0) 测温原理:热电势与两接点温度.热电极材料有关。 当热电极材料确定后,热电势是两接点温度的函数 之差,当冷端温度t0保持不变,即eBA(t0)为常数,热电 势与热端温度成单值的函数关系。所以通过测量 热电势的大小可以测温度的高低。 注:如果两个热电极材料相同,两点温度不同,则总 热电势E(t,t0) =0;如果两个热电极材料不同,两点 温度相同,则总热电势E(t,t0) =0。 不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生 的热电势是不同的。
1.膨胀式温度计 基于物体受热体积膨胀的性质制成。玻璃管温度 计是属于液体膨胀式温度计;双金属温度计是属于 固体膨胀式温度计。双金属温度计的感温元件是 两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起的。 金属片受热→两个金属片 膨胀长度不同→弯曲→ 温度越高弯曲的角度越大 →这就是双金属温度计的 测温原理。
(5).补偿热电偶法:用多支热电偶配用一台测温仪表。为了 使多支热电偶的冷端温度恒定,设置补偿热电偶且恒温(t0)。 补偿热电偶的材料可与测温偶相同,也可与补偿导线相 wenku.baidu.com,将补偿偶的工作端插入2-3m地下或放在恒温器中,补 偿偶和测温偶的冷端都接在温度为t1的同一接线盒中。 这时,测温仪表的指示值为E(t,t0)所对应的温度。
(2).插入第三种导线的问题: 如图:新接点为2和3点,两点的温度相同为t0,则总热 电势E(t,t0)为:E(t,t0)=eAB(t)+ eBC(t0)+eCA (t0) 若A.B.C组成闭合回路,各点温度相同(t0)时,根据能 量守恒原理,闭合回路内的总电势等于零。 则eAB(t0)+ eBC(t0)+eCA(t0)=0， eBC(t0)+eCA(t0)= -eAB(t0) E(t,t0)=eAB(t) - eAB(t0)=eAB(t)+eBA(t0) 则,与没有接入第三种导线时,总热 电势相等。但必须保证引线两端的 温度相同。同理,如果回路中串接多 种导线,只要引线两端的温度相同, 就不影响热电偶所产生的热电势值。
使用补偿导线的注意事项:与热电偶的型号相配,极 性不能接错,热电偶与补偿导线连接处的温度不应 超过100 ℃。与热电偶所配套的补偿导线如表3-7。 补偿导线示例:E(t,t0)
3.热电偶冷端温度补偿 热电偶的温度-热电势关系曲线是要求冷端温度保 持在0º C时得到的,仪表的刻度线是根据温度-热电 势关系曲线进行刻度的。热电偶使用时冷端在操 作室,但操作室的温度一般高于0º C,且不稳定。这 时热电偶的热电势必然偏低。测量值将随着冷端 温度的变化而变化,就会引起测量误差。因此用热 电偶测温时,只有将冷端温度保持为0º C,或进行一 定的修正才能得到准确的测量结果。这种做法就 称为热电偶冷端温度补偿。
1.膨胀式温度计 双金属温度计→双金属 片制成螺旋形→温度变 化时,螺旋的自由端绕中 心轴旋转→带动指针偏 转→在刻度盘上指示相 应的温度。
2.压力式温度计 原理:在封闭系统中的液体、 气体或低沸点液体的饱和蒸汽 受热后体积膨胀或压力变化这 一原理制作的。是用压力随温 度的变化来测温的仪表。如图 为压力式温度计。 组成:温包、毛细管、弹簧管。 温包:直接与被测物接触的感 温元件,它须有强度高,膨胀系 数小,热导率高,抗腐蚀等性能。 可用铜合金、钢或不锈钢制造。