第三章第五节温度检测及仪表课件.ppt
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- 第三 五节 温度 检测 仪表 课件
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1、.1第五节第五节 温度检测及仪表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。在工业生产中有着重要的作用。一、温度检测方法一、温度检测方法(一一).温度不能直接测量温度不能直接测量,只能借助于冷热不同物体之间只能借助于冷热不同物体之间的热交换的热交换,以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而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。变化的特性来加以间接测量。(二二).温度计的分类温度计的分类按测温范围分按测温范围分:高温计高温计(600以上以上)和普通温度计和普通温度计;按测量方法分
2、按测量方法分:接触式和非接触式温度计接触式和非接触式温度计;按用途分按用途分:实用温度计和标准温度计实用温度计和标准温度计;按工作原理分按工作原理分:膨胀式温度计、压力式温度计、膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶热电偶温度计、热电阻温度计、温度计、热电阻温度计、辐射高温计。辐射高温计。.21.膨胀式温度计膨胀式温度计基于物体受热体积膨胀的性质制成。基于物体受热体积膨胀的性质制成。玻璃管温度玻璃管温度计计是属于液体膨胀式温度计是属于液体膨胀式温度计;双金属温度计双金属温度计是属于是属于固体膨胀式温度计。双金属温度计的感温元件是固体膨胀式温度计。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
3、焊在一起的。两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起的。金属片受热金属片受热两个金属片两个金属片膨胀长度不同膨胀长度不同弯曲弯曲温度越高弯曲的角度越大温度越高弯曲的角度越大这就是双金属温度计的这就是双金属温度计的测温原理。测温原理。.31.膨胀式温度计膨胀式温度计双金属温度计双金属温度计双金属双金属片制成螺旋形片制成螺旋形温度变温度变化时化时,螺旋的自由端绕中螺旋的自由端绕中心轴旋转心轴旋转带动指针偏带动指针偏转转在刻度盘上指示相在刻度盘上指示相应的温度。应的温度。.42.压力式温度计压力式温度计原理原理:在封闭系统中的液体、在封闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽气体或低沸点液体的饱和蒸汽
4、受热后体积膨胀或压力变化这受热后体积膨胀或压力变化这一原理制作的。是用压力随温一原理制作的。是用压力随温度的变化来测温的仪表。如图度的变化来测温的仪表。如图为压力式温度计。为压力式温度计。组成组成:温包、毛细管、弹簧管。温包、毛细管、弹簧管。温包温包:直接与被测物接触的感直接与被测物接触的感温元件温元件,它须有强度高它须有强度高,膨胀系膨胀系数小数小,热导率高热导率高,抗腐蚀等性能。抗腐蚀等性能。可用铜合金、钢或不锈钢制造。可用铜合金、钢或不锈钢制造。.52.压力式温度计压力式温度计毛细管毛细管:用来传递压力的变化。用铜或钢等冷拉成用来传递压力的变化。用铜或钢等冷拉成的无缝圆管制成。易破损的无
5、缝圆管制成。易破损,应加保护套管。在长度应加保护套管。在长度相同时相同时,越细仪表越灵敏。越细仪表越灵敏。弹簧管弹簧管:与弹簧管式压力表相同。与弹簧管式压力表相同。3.热电偶温度计热电偶温度计:利用不同材料的金属焊接在一起利用不同材料的金属焊接在一起,当温度发生变化时当温度发生变化时,会产生热电势会产生热电势,依靠热电势的测依靠热电势的测量来测温度。量来测温度。4.热电阻温度计热电阻温度计:利用导体或半导体材料的电阻值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。随温度的变化而变化的原理测温。5.热辐射温度计热辐射温度计:利用物体热辐射作用来测温度。利用物体热辐射作用来测温度。.6
6、二、热电偶温度计二、热电偶温度计原理原理:是以是以热电效应热电效应为基础的测温仪表。为基础的测温仪表。特点特点:测量范围广测量范围广(-501600),结构简单结构简单,使用方便使用方便,测量准确可靠测量准确可靠,便于信号的远传、自动记录和集中便于信号的远传、自动记录和集中控制。控制。组成组成:热电偶热电偶(1)(感温元件感温元件)、测量仪表、测量仪表(3)(动圈仪动圈仪表或电位差计表或电位差计)、连接热电偶和测量仪表的导线、连接热电偶和测量仪表的导线(2)(补偿导线及铜导线补偿导线及铜导线)。.71.热电偶热电偶是感温元件是感温元件,由两种不同材料的导体由两种不同材料的导体A和和B焊接而焊接
7、而成成,焊接的一端插入被测介质中焊接的一端插入被测介质中,感受被测温度感受被测温度,称称为为工作端或热端工作端或热端,另一端与导线相连另一端与导线相连,称为称为冷端或冷端或自由端自由端,导体导体A和和B称为称为热电极热电极。.8(1).热电现象及测温原理热电现象及测温原理热电现象热电现象:取两根不同材料金属导线取两根不同材料金属导线A和和B,将其两将其两端焊在一起端焊在一起,组成一个闭合回路组成一个闭合回路,如将其中的一如将其中的一端端(1)加热加热,即即t t0,在此闭合回路中就有热电势产在此闭合回路中就有热电势产生生,这种现象称为热电现象。这种现象称为热电现象。如将金属如将金属B断开接入毫
8、伏计断开接入毫伏计,如图如图(b);如如在在t0接头处断开接入毫伏计接头处断开接入毫伏计,如图如图(c)。毫伏计有指示。毫伏计有指示。.9热电势热电势:包括包括接触电势接触电势和和温差电势温差电势。接触电势接触电势eAB(t)的产生的产生:设设A电子密度大于电子密度大于B电子密电子密度度,当当A.B两种金属接触时两种金属接触时,电子从密度大的扩散到电子从密度大的扩散到密度小的中密度小的中,即从即从A扩散扩散B,A中剩下正电荷中剩下正电荷,B中得到中得到电子而带电电子而带电,形成静电场形成静电场,阻碍电子扩散运动阻碍电子扩散运动,当达到当达到平衡时形成电势差平衡时形成电势差eAB(t),称为接触
9、电势。方向为称为接触电势。方向为A B。接触电势接触电势与两金属的与两金属的材料材料和接触点的和接触点的温度温度有有关。当材料确关。当材料确定后只与接触点定后只与接触点的温度有关。的温度有关。eAB(t)=-eBA(t)。.10tt0AB+-+eA(t,t0)eB(t,t0)温差电势温差电势eA(t,t0)的产生的产生:对于同一金属对于同一金属A(或或B),由由于其两端温度不同于其两端温度不同,自由电子具有不同的动能自由电子具有不同的动能,就就产生一个电动势产生一个电动势,称为温差电势称为温差电势eAB(t0)。它远小于。它远小于接触热电势接触热电势,则忽略不计则忽略不计,即即eA(t,t0)
10、0,eB(t,t0)0。把金属的两端闭合时把金属的两端闭合时,形成闭合回路。在两个接形成闭合回路。在两个接点处形成接触热电势点处形成接触热电势eAB(t)和和eAB(t0)。温差电势忽。温差电势忽略不计略不计,金属金属A.B的等效电阻为的等效电阻为R1.R2,则图则图(a)可等可等效为图效为图(b)。此闭合回路中总的热电势。此闭合回路中总的热电势E(t,t0)应为:应为:E(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)或或E(t,t0)=eAB(t)+eBA(t0).11此闭合回路中总的热电势此闭合回路中总的热电势E(t,t0)应为:应为:E(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)或或E(t,t
11、0)=eAB(t)+eBA(t0)测温原理测温原理:热电势与两接点温度热电势与两接点温度.热电极材料有关。热电极材料有关。当热电极材料确定后当热电极材料确定后,热电势是两接点温度的函数热电势是两接点温度的函数之差之差,当冷端温度当冷端温度t0保持不变保持不变,即即eBA(t0)为常数为常数,热电热电势与热端温度成单值的函数关系。所以通过测量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。热电势的大小可以测温度的高低。注注:如果两个热电极材料相同如果两个热电极材料相同,两点温度不同两点温度不同,则总则总热电势热电势E(t,t0)=0;如果两个热电极材料不同如果两个热电极材
12、料不同,两点两点温度相同温度相同,则总热电势则总热电势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。的热电势是不同的。.12(2).插入第三种导线的问题插入第三种导线的问题用热电偶测温时用热电偶测温时,需接仪表来测热电势需接仪表来测热电势,而仪表要远而仪表要远离测温点离测温点,这就需接第三种导线这就需接第三种导线C。热电偶回路中接。热电偶回路中接入连接导线入连接导线C,就构成新的接点就构成新的接点,但不影响热电偶的但不影响热电偶的总热电势。总热电势。.13(2).插入第三种导线的问题插入第三种导线的问题:如右如右(a)
13、图图:新的接点为新的接点为3点和点和4点点,两点的温度相同为两点的温度相同为t1,则总热电势则总热电势E(t,t0)为: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)可见可见,与没有接入第三种导线时与没有接入第三种导线时总热电势相等。总热电势相等。.14(2).插入第三种导线的问题插入第三种导线的问题:如图如图:新接点为新接点为2和和3点点,两点的温度相同为两点的温度相同为t0,则总热则总热电势电势E(t,t0)为为:E(t,t0)=eAB
14、(t)+eBC(t0)+eCA(t0)若若A.B.C组成闭合回路组成闭合回路,各点温度相同各点温度相同(t0)时时,根据能根据能量守恒原理量守恒原理,闭合回路内的总电势等于零。闭合回路内的总电势等于零。则则eAB(t0)+eBC(t0)+eCA(t0)=0,eBC(t0)+eCA(t0)=-eAB(t0)E(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)=eAB(t)+eBA(t0)则则,与没有接入第三种导线时与没有接入第三种导线时,总热总热电势相等。但必须保证引线两端的电势相等。但必须保证引线两端的温度相同。同理温度相同。同理,如果回路中串接多如果回路中串接多种导线种导线,只要引线两端的温度相同只
15、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。就不影响热电偶所产生的热电势值。.15(3).常用热电偶的种类常用热电偶的种类工业上对热电极材料的要求工业上对热电极材料的要求:热电极对温度反应灵热电极对温度反应灵敏敏(温度每增加温度每增加1时产生的热电势要大时产生的热电势要大),热电势与热电势与温度尽量成线性关系温度尽量成线性关系,物理稳定性高物理稳定性高,化学稳定性高化学稳定性高,材料组织均匀材料组织均匀,有韧性有韧性,易加工成丝易加工成丝;复现性好复现性好,且有且有良好的互换性良好的互换性,便于成批生产。便于成批生产。铂铑铂铑30-铂铑铂铑6热电偶热电偶(双铂铑双铂铑)(分度号为分度
16、号为B):测量范测量范 围为围为300-1600,短期可测短期可测1800。铂铑铂铑10-铂热电偶铂热电偶(分度号为分度号为S):测量范围测量范围-20-1300,短期可测短期可测1600。作标准偶。作标准偶。镍铬镍铬-镍硅热电偶镍硅热电偶(分度号为分度号为K):测量范围测量范围-50-1000,短期可测短期可测1200。镍铬镍铬-考铜热电偶考铜热电偶(分度号为分度号为XK):测量范围测量范围-50-600,短期可测短期可测800。.16(4).热电偶的结构热电偶的结构按结构分为普通型、铠装型、表面型和快速型。按结构分为普通型、铠装型、表面型和快速型。普通型热电偶普通型热电偶:包括热电极包括热
17、电极,绝缘管绝缘管,保护套管及保护套管及接线盒。接线盒。热电极热电极:是热电偶的两根热偶丝。是热电偶的两根热偶丝。贵金属的偶丝直径为贵金属的偶丝直径为0.3-0.65mm,普通金属的偶丝直径为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长度由安装条件及插入深度而定,一般为一般为350-2000mm。绝缘管绝缘管(绝缘子绝缘子):防止两根热电极短防止两根热电极短路。有单孔管、双孔管及四孔管。路。有单孔管、双孔管及四孔管。保护套管保护套管:保护热电极不受化学腐保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。蚀和机械损伤。.17普通型热电偶普通型热电偶接线盒接线盒:是供热电极和补偿导线连接
18、用的是供热电极和补偿导线连接用的,常用铝合常用铝合金制成。连接热电极和补偿导线的螺丝必须拧紧金制成。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。以免产生较大的接触电阻而影响测量的准确度。铠装热电偶铠装热电偶:由金属套管、绝缘材料、热电偶丝由金属套管、绝缘材料、热电偶丝一起经过复合拉伸成型。一起经过复合拉伸成型。表面型热电偶表面型热电偶:利用真空镀膜法将两电极材料蒸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。镀在绝缘基底上的薄膜热电偶。快速热电偶快速热电偶:是测量高温熔融物体一种专用热电是测量高温熔融物体一种专用热电偶。偶。在热电偶选型时在热电偶选型
19、时,注意三个方面注意三个方面:热电极材料热电极材料;保护套保护套管的结构管的结构.材料及耐压强度材料及耐压强度;保护套管的插入深度。保护套管的插入深度。.182.补偿导线的选用补偿导线的选用当热电偶的冷端温度保持不变时当热电偶的冷端温度保持不变时,热电势才是被测热电势才是被测温度的单值函数。但实际应用时温度的单值函数。但实际应用时,冷端离工作端近冷端离工作端近且暴露在空间且暴露在空间,易受周围环境温度影响易受周围环境温度影响,冷端温度难冷端温度难保持恒定。为了使热电偶的冷端温度保持恒定保持恒定。为了使热电偶的冷端温度保持恒定,就就将热电偶做很长将热电偶做很长,使冷端远离工作端使冷端远离工作端,
20、这就需要许多这就需要许多贵金属贵金属,不经济的。用补偿导线将冷端远离工作不经济的。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。端。不同的热电偶所用的补偿导线也不同。补偿导线的要求补偿导线的要求:由两种不同性质的金属材料制成由两种不同性质的金属材料制成,在一定温度范围内在一定温度范围内(0-100)与所连接的热电偶具与所连接的热电偶具有相同的热电特性有相同的热电特性,并是廉价金属。并是廉价金属。.19使用补偿导线的注意事项使用补偿导线的注意事项:与热电偶的型号相配与热电偶的型号相配,极极性不能接错性不能接错,热电偶与补偿导线连接处的温度不应热电偶与补偿导线连接处的温度不应超过超
21、过100。与热电偶所配套的补偿导线如表。与热电偶所配套的补偿导线如表3-7。补偿导线示例补偿导线示例:E(t,t0).203.热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿热电偶的温度热电偶的温度-热电势关系曲线是要求冷端温度保热电势关系曲线是要求冷端温度保持在持在0C时得到的时得到的,仪表的刻度线是根据温度仪表的刻度线是根据温度-热电热电势关系曲线进行刻度的。热电偶使用时冷端在操势关系曲线进行刻度的。热电偶使用时冷端在操作室作室,但操作室的温度一般高于但操作室的温度一般高于0C,且不稳定。这且不稳定。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
22、温度的变化而变化,就会引起测量误差。因此用热就会引起测量误差。因此用热电偶测温时电偶测温时,只有将冷端温度保持为只有将冷端温度保持为0C,或进行一或进行一定的修正才能得到准确的测量结果。这种做法就定的修正才能得到准确的测量结果。这种做法就称为称为热电偶冷端温度补偿。热电偶冷端温度补偿。.21热电偶冷端温度补偿方法:热电偶冷端温度补偿方法:(1).冷端温度保持为冷端温度保持为0的方法的方法:把热电偶的两个冷端分别插入盛有绝缘油的试管把热电偶的两个冷端分别插入盛有绝缘油的试管中中,然后放入装有冰水混合物的容器中然后放入装有冰水混合物的容器中,常用在实常用在实验室中验室中,如图。如图。.22(2).
23、冷端温度修正方法冷端温度修正方法:冷端温度不是冷端温度不是0,而是而是t1时时,这就引起测量误差这就引起测量误差,必必须进行修正。如某一设备的实际温度为须进行修正。如某一设备的实际温度为t,热电偶热电偶的冷端温度为的冷端温度为t1,这时测得的热电势为这时测得的热电势为E(t,t1),求实求实际温度际温度t,利用下式进行修正利用下式进行修正,即即:E(t,0)=E(t,t1)+E(t1,0),因因:E(t,t1)=E(t,0)-E(t1,0)修正方法修正方法:是把测得的热电势是把测得的热电势E(t,t1),加上热端为室加上热端为室温温t1,冷端为冷端为0时的热电偶的热电势时的热电偶的热电势E(t
24、1,0),得到实得到实际温度下的热电势际温度下的热电势E(t,0)。适用于实验室或临时测温适用于实验室或临时测温,在连续测量中不使用。在连续测量中不使用。.23例例:用镍铬用镍铬-铜镍热电偶测量某加热炉的温度。测得铜镍热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势的热电势E(t,t1)=66982V,而自由端的温度而自由端的温度t1=30,求被测的实际温度。求被测的实际温度。解解:查表得查表得:E(30,0)=1801V,则则:E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=66982+1801=68783V查表得查表得:E(900,0)=68783V,即实际温度为即实际温度为t=900。而不是而不是6
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