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温度测量

HEFEIUNIVERSITY

考核题目：

温度检测技术与应用

系别：

电子信息与电气工程系

专业（班级）：

13级自动化卓越班

姓名：

王飞桂美冬黄磊

导师姓名：

储忠

完成时间：

2015-06-01

温度检测技术与应用

中文摘要

温度测量范围广，测温仪表的种类很多。

按工作原理分，有膨胀式、热电阻、热电偶以及辐射式等；按测量方式分，有接触式和非接触式两类。

1.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。

它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有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。

2.热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

3.作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一——热电偶，与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60%，热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。

一、温度测量的基本概念

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。

它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有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。

华氏温标（oF）规定：

在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每第分为报氏1度，符号为oF。

摄氏温标（℃）规定：

在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每第分为报氏1度，符号为℃。

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，记符号为K。

国际实用温标是一个国际协议性温标，它与热力学温标相接近，而且复现精度高，使用方便。

目前国际通用的温标是1975年第15届国际权度大会通过的《1968年国际实用温标-1975年修订版》，记为：

IPTS-68（Rev-75）。

但由于IPTS-68温示存在一定的不足，国际计量委员会在18届国际计量大会第七号决议授权予1989年会议通过了1990年国际温标ITS-90，ITS-90温标替代IPTS-68。

我国自1994年1月1日起全面实施ITS-90国际温标。

1990年国际温标（ITS-90）简介如下。

1.温度单位

  热力学温度（符号为T）是基本功手物理量，它的单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。

由于以前的温标定义中，使用了与273.15K（冰点）的差值来表示温度，因此现在仍保留这各方法。

根据定义，摄氏度的大小等于开尔文，温差亦可以用摄氏度或开尔文来表示。

国际温标ITS-90同时定义国际开尔文温度（符号为T90）和国际摄氏温度（符号为t90）。

2．国际温标ITS-90的通则

ITS-90由0.65K向上到普朗克辐射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度。

ITS-90是这样制订的，即在全量程中，任何温度的T90值非常接近于温标采纳时T的最佳估计值，与直接测量热力学温度相比，T90的测量要方便得多，而且更为精密，并具有很高的复现性。

二、热电阻

1．热电阻测温原理及材料

热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。

其中铂热电阻的测量精度是最高的，它不广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

由于热电偶在低温范围中产生的热电势小,因而对测量仪表要求严格,而采用热电阻温度计测量低温是很适宜的。

2．热电阻的结构类型

（1）普通工业型热电阻

从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。

为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。

（两线制：

两根线及传输电源又传输信号,也就是传感器输出的负载和电源是串联在一起的，电源是从外部引入的，和负载串联在一起来驱动负载。

三线制：

三线制传感器就是电源正端和信号输出的正端分离，但它们共用一个COM端。

四线制：

电源两根线，信号两根线。

电源和信号是分开工作的。

）

（2）铠装热电阻

铠装热电阻热套式热电阻

图1图2

铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体它的外径一般为φ2~φ8mm。

与普通型热电阻相比，它有下列优点：

①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。

3.常用的普通工业型热电阻材质类型

1铂热电阻：

广泛用来测量（-200～850）℃范围内的温度。

在少数情况下,低温可测至1K,高温可测至1000℃。

其物理、化学性能稳定,复现性好,但价格昂贵。

铂热电阻与温度是近似线性关系。

其分度号主要有Pt10和Pt100。

2铜热电阻：

广泛用来测量（-50～150）℃范围内的温度。

其优点是高纯铜丝容易获得,价格便宜,互换性好,但易于氧化。

铜热电阻与温度呈线性关系。

其分度号主要有Cu50和Cu100。

4．热电阻测温系统的组成

热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。

必须注意以下两点：

①热电阻和显示仪表的分度号必须一致

②为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法

5、热电阻的信号连接方式

热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。

工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。

目前热电阻的引线主要有三种方式

（1）二线制：

在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：

这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合

（2）三线制：

在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。

（3）四线制：

在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。

可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

三、热电偶

图3

作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一——热电偶，与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60%，热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。

其优点是：

（1）测量精度高。

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

（2）测量范围广。

常用的热电偶从-50~+1600℃均可持续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

 （3）构造简单，使用方便。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

1、热电偶测温基本原理

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。

热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

图4

热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：

（１）热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；

（２）热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；

（３）当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。

2.热电偶的基本构造

图5

工业测温用的热电偶，其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。

绝缘管：

该热电偶的工作端被牢固地焊接在一起，热电极之间需要用绝缘管保护。

热电偶的绝缘材料很多，大体上可分为有机和无机绝缘两类，处于高温端的绝缘物必须采用无机物，通常在1000以下选用粘土质绝缘管，在1300以下选用高铝管，在1600以下选用刚玉管。

保护管：

保护管的作用在于使用热电偶电极不直接与被测介质接触，它不仅可延长热电偶的寿命，还可起到支撑和固定热电极增加其强度的作用；因此，热电偶保护管及绝缘选择是否合适，将直接影响到热电偶的使用寿命和测量的准确度，被采用做保护管的材料主要分金属和非金属两大类。

3．热电偶的种类及结构要求

（1）热电偶的种类  

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。

非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。

（2）热电偶的结构要求 

为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；

②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；

③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；

④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

4．常用热电偶丝材及其性能

常用热电偶分度号有S、B、K、E、T、J等，这些都是标准化热电偶。

其中K型也即镍铬－镍硅热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热偶。

由于这种合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。

它可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。

它不能用于还原性介质中，否则，很快腐蚀，在此情况下只能用于500度以下的测量。

它比S型热偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。

虽然其测量精度略低，但完全能满足工业测温要求，所以它是工业上最常用的热电偶。

（1）铂铑10－铂热电偶（分度号为Ｓ，也称为单铂铑热电偶）

该热电偶的正极成份为含铑10%的铂铑合金，负极为纯铂；它的特点是：

热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300℃，超达1400℃时，即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶，使晶粒粗大而断裂；

精度高，它是在所有热电偶中，准确度等级最高的，通常用作标准或测量较高的温度；

使用范围较广，均匀性及互换性好；

主要缺点有：

微分热电势较小，因而灵敏度较低；价格较贵，机械强度低，不适宜在还原性气氛或有金属蒸汽的条件下使用。

（2）镍铬－镍硅（镍铝）热电偶（分度号为Ｋ）

该热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3%的镍硅合金（有些国家的产品负极为纯镍）。

可测量0～1300℃的介质温度，适宜在氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃，其热电势与温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。

Ｋ型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶，不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用；当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小，因此，多采用金属制保护管。

（3）镍铬－铜镍（康铜）热电偶（分度号为Ｅ）

Ｅ型热电偶是一种较新的产品，它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金（康铜），其最大特点是在常用的热电偶中，其热电势最大，即灵敏度最高；它的应用范围虽不及Ｋ型偶广泛，但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下，常常被选用；使用中的限制条件与Ｋ型相同，但对于含有较高湿度气氛的腐蚀不很敏感。

除了以上3种常用的热电偶外，作为非标准化的热电偶还有钨铼热电偶，铂铑系热电偶，铱锗系热电偶，铂钼系热电偶和非金属材料热电偶等。

5、热电偶型号说明

下表所列的是常用热电偶的材料规格和线径使用温度的关系：

热电偶

分度号

热电极材料

线径与作用温度的关系（℃）

正极

负极

线径（mm）

长期

短期

Ｓ

铂铑10

纯铂

Φ0.5

1300

1600

Ｒ

铂铑13

纯铂

Φ0.5

1300

1600

Ｂ

铂铑30

铂铑6

Φ0.5

1600

1800

Ｋ

镍铬

镍硅

Φ1.2

800

1000

Φ2.5

1100

1200

Φ3.2

1200

1300

Ｎ

镍铬硅

镍硅

Φ1.2

800

1000

Φ2.5

1100

1200

Φ3.2

1200

1300

Ｅ

镍铬

铜镍

Φ1.2

550

650

Φ2.0

650

750

Φ3.2

750

850

Ｔ

纯铜

铜镍

Φ1.6

300

350

Ｊ

铁

铜镍

Φ2.0

400

500

Φ3.2

500

600

参考文献 

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