[说明]2检测技术一温度传感

[说明]2检测技术一温度传感 第 一 章 温 度 传 感 器 温度是表征物体冷热程度的物理量。在工业生产中温度的检测与控制是既普遍而又十分重要的操作参数。 大家知道:任何一种工业生产过程，都伴随着物质的物理和化学性质的改变，都必然有能量的转化和变换，而热交换则是这些能量转换中最普遍的交换形式。所以，温度的检测与控制是保证工业生产实现稳产、高产、安全、优质、低消耗的关键之一。 第一节 概 述 热电传感器是基于某些物理效应将温度参数的变化转换为电量变化的一种检测装置，常见的热电传感器可以分为热电偶和热电阻两大类型: 热电传感器 热电偶 金属热电阻 线绕式 厚膜 热电阻 半导体热敏电阻 膜式 薄膜 热电偶的工作原理是基于热电效应，将被测温度的大小转换为热电势的大小。热电阻的工作原理则是基于物质的电阻率随其本身温度变化而变化的电阻温度效应。 通过热电传感器的感温元件与被测对象之间的热交换和热平衡，利用其热电势或电阻值与温度之间的单值 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 关系，即可直接测量温度，或着通过温度变送转换电流或电压信号间接测量流速、流量、浓度、气体的导热系数……等其他非变量。 热电偶和热电阻温度传感器的测量范围大，测量精度高，并且具有测量信号便于远传和自动记录，结构简单，互换性好，使用方便等优点，因而在工业上得到广泛应用，而且在一定的温度范围内被用做温度基准器，以复现热力学温度。 热电偶或热电阻与适当的测量电路(显示仪表)联结，即组成热 。电偶温度计或电阻温度计。热电偶温度计一般适用于-180——2800C 。。的温度范围，某些特殊热电偶可测到-270 C的低温或高于2800C的 。。高温，热电阻温度计的测量范围一般为-200——850 C在300 C以下温度范围内，热电阻的灵敏度比热电偶高。但线绕式热电阻传感器的体积一般较大，故难于测量表面温度和小尺寸对象的温度，近年来发展起来的铂膜电阻温度传感器，即保留了线绕式热电阻的优点，又可以做得很小，有比线绕式热电阻更快的响应速度，在表面温度测量及恶劣环境条件下的应用方面，表现出明显的优越性。 1、测温仪表的分类 温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，通过对这些特性参数的测量间接地获得。 按照测量方式的不同，温度检测仪表可以分为接触式与非接触式两类。 任意两个冷热程度不同的物体相接触，必然要发生热交换现象。热量将由较热的物体传到较冷的物体，直到两物体的冷热程度完全一致，即达到热平衡状态为止。接触法测温就是利用这一原理，选择某一物体与被测物体相接触，并进行热交换。当两者达到热平衡状态时，选择物体与被测物体温度相等，于是，可以通过测量选择物体的某一物理量(例如导体的电阻等)，得出被测物体的温度数值。当然，为了得到温度的精确测量，要求用于测温的物体的物理性质必须是连续、单值地随着温度变化，并且要复现性好。 非接触法测温时，测温元件是不与被测物体直接接触的。它是利用物体的热辐射(或其他特性)，通过对辐射能量(或亮度)的检测来实现测温的。 接触法可以直接测得被测物体的温度，因而简单、可靠、测量精度高。但由于测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，因而产生了测温的滞后现象，对运动状态的固体测温困难较大。另外，测温元件容易破坏被测对象温度场，且有可能与被测介质产生化学反应。由于受到耐高温材料的限制，也不能应用于很高的温度测量。 非接触法只能测得被测物体的表面温度(亮度温度、辐射温度、 比色温度等)，一般情况下，要通过对被测物体表面发射率修正后才能得到真实温度。而且，这种方法受到被测物体到仪表之间的距离以及辐射通道上的水汽、烟雾、尘埃等其他介质的影响，因此测量精度较低。非接触法测量在原理上不受温度上限的限制，因而测温范围很广，由于它是通过热辐射来测量温度的，所以不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快，可以用来测量运动物体的表面温度。 各种温度计的优缺点和使用范围见表4,1。 2、温度检测的基本原理 前面已经讲过，温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，实现间接测量，温度检测的基本原理是与这些特性值的选择密切相关的。工业上测温的基本原理有以下几种。 2.1(应用热膨胀原理测温 利用液体或固体受热时产生热膨胀的原理，可以制成膨胀式温度计。玻璃温度计是属于液体膨胀式温度计, 当装有工作液体的玻璃温包受热后，玻璃与液体同时膨胀，但由于液体的膨胀系数比玻璃的大得多，液体便沿着毛细管上升，由刻度尺可读出相应的温度数值，毛细管顶部一般都有一个膨胀室(又称安全包)当被测温度略大于标尺温度时，液体便可以入包内一部分，以免涨破玻璃管;双金属温度计是属于固体膨胀式温度计。 在使用玻璃液体温度计时，为了获得准确的温度测量，要经常检查零点位置，当发现有零点位移时，应把位移值加到以后的所有读数 上;应使温度计有足够的插入深度;保持温度计的清洁;避免急剧震动;在读数时，观察者的视线应与标尺垂直，对水银温度计是按凸出弯月面的最高点读数，对酒精等有机液体温度计则按凹月面的最低点读数。 表4,1 各种温度计的优缺点和使用范围 型温度计 优 点 缺 点 使用范围,? 式 种类 结构简单、使容易破损、读数-100,100(150)有 玻璃液 用方便、测量麻烦、一般只能机液体 体温度 准确、价格低现场指示，不能0,350(-30,650) 计 廉 记录与远传 水银 接 结构简单、机精度低、不能离 触 双金属械强度大、价开测量点测量， 式0,300(-50,600) 温度计 格低、能记录、量程与使用范 温 报警与自控 围均有限 度 结构简单、不精度低、测量距 计 0,500(-50,600) 怕震动、具有离较远时，仪表 压力式液体型 防爆性、价格的滞后性较大、 温度计 0,100(-50,200) 低廉、能记录、一般离开测量 蒸汽型 报警与自控 点不超过10米 -150,500(-200, 600)铂电阻 测量精度高，结构复杂、不能0,100(-50,150) 电阻温便于远距离、测量高温，由于铜电阻 度计 多点、集中测体积大，测点温-50,150(180)镍电 量和自动控制 度较困难 阻 -100,200(300)热 敏电阻 -20,1300(1600)铂 铑10,铂 测温范围广， -50,1000(1200)镍 精度高，便于需冷端温度补 热电偶铬,镍硅 远距离、多点、偿，在低温段测 温度计 -40,800(900)镍铬 集中测量和自量精度较低 ,铜镍 动控制 -40,300(350)铜, 铜镍 非携带方便、用测量时，必须通 接于测量高温，过人工调整，有 光学高900,2000(700,触测温时不破坏人为误差，不能 温计 2000) 式被测物体温度作远距离测量， 温场 记录和自控 度只能测高温，低 测温元件不破 计 温段测量不准， 坏被测物体温 环境条件会影 辐射高度场，能作远100,2000(50, 响测量精度，连 温计 距离测量、报2000) 续测高温时须 警和自控、测 作水冷却或气 温范围广 冷却 注;表中括号()内的值为可能使用温度。 双金属温度计中的感温元件是用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起而制成的。当双金属片受热后，由于两金属片的膨胀长度不相同而产生弯曲，如图4,1所示。温度越高，产生的线膨胀长度差越大，因而引起弯曲的角度就越大。双金属温度计就是根据这一原理制成的。 图4,1 双金属片 用双金属片制成的温度计，通常被用于温度继电控制器(常用于烘箱、恒温箱的温度控制)、极值温度信号器或其他仪表的温度补偿器。过去很少作为独立的检测仪表，目前，已生产工业用指示式双金属温度计。 图4,2是一种双金属温度信号器的示意图。当温度超过某一定值 后，双金属片便产生弯曲，且与可调节触点2相接触，使电路接通，信号灯便发亮。如以继电器代替信号灯，便可以用来控制热源(如电热丝)，而成为两位式温度控制器。温度的控制范围可通过改变调节触点2与双金属片1之间的距离来调整。 2.2(应用压力随温度变化的原理测温 利用封闭在固定体积中的气体、液体或某种液体的饱和蒸汽受热时，其压力会随着温度而变化的性质，可以制成压力计式温度计。由于一般称充有气体、液体或饱和蒸汽的容器为温包，所以这种温度计又称温包式温度计。 2.3(应用热阻效应测温 利用导体或半导体的电阻随温度变化的性质，可制成热电阻式温度计。根据所使用的热电阻材料的不同，有铂热电阻、铜热电阻和半导体热敏电阻温度计等。 图4,2 双金属温度信号器 1,双金属片;2,调节螺钉;3,绝缘子;4,信号灯 2.4(应用热电效应测温 利用金属的热电性质可以制成热电偶温度计。根据所使用的热电 偶材料的不同，有铂铑-铂热电偶、镍铬-镍硅热电偶、镍铬-铜镍热10 电偶、铂铑-铂铑热电偶等。 306 2.5(应用热辐射原理测温 利用物体辐射能随温度而变化的性质可以制成辐射高温计。由于这时测温元件不再与被测介质相接触，故属于非接触式温度计。 二、热电偶温度计 热电偶的基本作用是把温度信号转换成热电势信号，然后再根据热电势与温度的关系式(分度表)求得所测温度。热电偶温度计是基于热电效应这一原理测量温度的。它的测温范围很广，可测量生产过程中0,1600?范围内(在某些情况下，上下限还可扩展)液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。这类仪表结构简单、使用方便、测温准确可靠、便于远传、自动记录和集中控制，因而在工业生产中应用极为普遍。 图4,3热电偶测温系统示意图 1,热电偶;2,导线;3,测量仪表 图4,3是热电偶测温系统的简单示意图，它主要由三部分组成:热电偶1是系统中的测温元件;检测仪表3是用来检测热电偶产生的热电势信号的，可以采用动圈式(或数字式)仪表或电位差计;导线 2用来连接热电偶与检测仪表，为了提高测量精度，一般都要采用补偿导线和考虑冷端温度补偿。下面分别对这三部分作简单的介绍。 1、热电偶 在热电偶测温系统中，热电偶是必不可少的测温元件，它是由两种不同材料的导体A 和B焊接而成，如图4,4所示。焊接的一端插入被测介质中，感受到被测温度，称为热电偶的工作端(习惯上称为热端)，另一端与导线连接，称为自由端(习惯上称为冷端)。导体A、B称为热电极，合称热电偶。 图4,4 热电偶示意图 1.1(热电现象及测温原理 先来看一个简单的实验，以建立对热电偶热电现象的认识。取两根不同材料的金属导线A和B，将其两端焊在一起，这样就组成了一个闭合回路，如图4,5(a)所示。如将其一端加热，就是使接点1处的温度t高于另一接点2处的温度t，那么在此闭合回路中就有热0 电势产生，如果在此回路中串接一只直流毫伏计(将金属B断开接入毫伏计，或者在两金属线的t接头处断开接入毫伏计均可)，如图0 4,5(b)、(c)所示，就可见到毫伏计中有电势指示，这种现象就称为热电现象。 图4,5热电现象 下面 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 一下为什么会产生热电势呢,从物理学中我们知道，两种不同的金属，它们的自由电子的密度是不相同的。也就是说，两金属内每单位体积内的自由电子数是不相同的。假设金属A中的自由电子密度大于金属B中的自由电子密度，按古典电子理论，金属A的电子密度大，其压强也大。正因为这样，当这两种金属接触时，在它们的交界处，电子从A扩散到B多于从B扩散到A。而原来自由电子处于金属A这个统一体时，统一体是呈中性不带电的。当自由电子越过接触面迁移后，金属A就因失去电子而带正电，金属B则因得到电子而带负电，结果就在两金属的接触面两侧形成了一个电场方向由A指向B的静电场，其作用是阻止自由电子的进一步扩散。这就是说，由于电子密度的不平衡而引起扩散运动，扩散的结果产生了静电场，这个静电场的存在又成为扩散运动的阻力，这两者是互相对立的。开始的时候，扩散运动占优势。随着扩散的进行，静电场的作用就加强，反而使电子沿反方向运动。结果当扩散进行到一定程度时，压强差的作用与静电场的作用相互抵消，扩散与反扩散建立了动态平衡。 图4,6 接触电势形成的过程 图4,6(a)表示两金属接触面上将发生方向相反、大小不等的电子流，使金属B中逐渐地积聚过剩电子，并引起逐渐增大的由A指向B的静电场及电势差e。图4,6(b)表示电子流达到动平衡AB 后的情况，这时的接触电势差，仅和两金属的材料及接触点的温度有关。温度越高，金属中的自由电子就越活跃，由A迁移到B的自由电子就越多，致使接触面处所产生的电场强度也增加，因而接触电势也增高。在金属A、B材料已经确定的情况下，所产生接触电势的大小只和温度有关，故称为热电势，记作e(t)，注脚A表示正极金属，AB 注脚B表示负极金属，如果下标次序改为BA，则e前面的符号亦应作相应的改变，即 e(t),,e(t) (4,1) ABBA 若把导体的另一端也闭合，形成闭合回路，则在两接点处就形成了两个方向相反的热电势，如图4,7所示。 图4,7 热电偶原理 图4,7(a)表示两接点的温度不同，设t>t，由于两金属的接点0 温度不同，就产生了两个大小不等、方向相反的热电势e(t)和e(t)。ABAB0必须指出，对于同一金属A(或B)，由于其两端温度不同，也会产生一个相应的电动势，这个电动势称为温差电势。但由于温差电势远小于接触热电势，因此常常把它忽略不计。这样，就可以用图4,7(b)作为(a)的等效电路，R、R为热偶丝的等效电阻，在此闭合12 回路中总的热电势E(t，t)为 0 E(t，t),e(t)，e(t) 0ABAB0 或 E(t，t),e(t),e(t) (4,2)0ABAB0 式(4,2)说明热电势E(t，t)等于热电偶两接点热电势的代数AB0 和。当A、B材料确定后，热电势是接点温度t和t的函数之差。如0 果一端温度t保持不变，即e(t)为常数，则热电势E(t，t)就成为0AB0AB0另一端温度t的单值函数了，而和热电偶的长短及直径无关。这样，如果另一端温度t就是被测温度，那么只要测出热电势的大小，就能判断测温点温度的高低，这就是利用热电现象来测量温度的原理。 不难理解:如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无论两接点温度如何，回路的总热电势为零;如果热电偶两接点温度相同，尽管两导体材料不同，回路的总热电势也为零。应当指出:由于热电极的材料不同，所产生的接触热电势亦不同，因此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。不同的热电偶在不同温度下所产生的热电势可以从热电偶分度表中查到。 必须指出:热电偶一般都是在自由端温度为0?时进行分度的， 因此，若自由端温度不为0?而为t时，则热电势与温度之间的关系0 可用下式进行计算。 E(t，t),E(t，0),E(t，0) (4,3) AB0ABAB0 式中，E(t，0)和E(t，0)相当于该种热电偶的工作端温度分别ABAB0 为t和t，而自由端温度为0?时产生的热电势，其值可从热电偶的0 分度表中直接查得。 在这里特别要指出的是:由于热电偶所产生的热电势与温度的关系都是非线性的(当然各种热电偶的非线性程度不同)，因此在自由端温度不为零时，将所测热电势对应的温度值加上自由端温度，并不等于实际的被测温度。热电势与温度之间的非线性越严重，则误差就越大。 1.2(插入第三种导体的问题 利用热电偶测量温度时，必须要用某些仪表来测量热电势的数值，而检测仪表往往要远离测温点，这就需要将热电偶回路的自由端t0断开，接入连接导线C，如图4,8所示。这样就在AB所组成的热电偶回路中加入了第三种导体，而第三种导体的接人又构成了新的接点，如图4,8中的接点2和3，这样引入第三种导体会不会影响热电偶的热电势呢, 我们来研究图4,8的电路，假设在这电路中2、3接点温度相同且等于t，那么回路的总热电势E等于 0t E,e(t)，e(t)，e(t) (4,4) tABBC0CA0 根据能量守恒原理可知，多种金属组成的闭合回路中，尽管它们 的材料不同，但只要各接点温度相等，则此闭合回路中的总热电势等于零。若将A、B、C三种金属丝组成一个闭合回路，各接点温度相同(都等于t)，则回路内的总热电热等于零，即 0 e(t)，e(t)，e(t),0 AB0BC0CA0 或 -e(t),e(t)，e(t) (4,5)AB0BC0CA0 将式(4,5)代入式(4,4)，得 E,e(t),e(t) (4,6) tABAB0 这和式(4,2)相同，可见总的热电势与没有接入第三种导体时的热电势一样。这样说明在热电偶回路中接入第三种导体时，只要保证引入导体的两端温度相同，则对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。同理，如果回路中串入更多种导体，只要引入导体两端温度相同，也不影响热电偶所产生的热电势数值。利用上述特性，我们可以采用开路热电偶对液态金属或金属壁面进行温度检测，如图4,(9a)、(b)所示。不过必须保证两热电极A、B插入点的温度一致。 图4,8 热电偶测温系统连接图 图4,9 开路热电偶 豹应用 1.3(常用热电偶的种类 根据热电偶测温基本原理，理论上似乎任意两种导体都可以组成热电偶。但是，为了保证可靠地进行具有足够精度的温度测量，就不是所有的导体都可以用来作热电偶的材料，工程上必须对它们进行严格的选择。工业上对热电极材料一般有以下要求: ? 在测温范围内其热电性质要稳定，不随时间变化; ? 在测温范围内要有足够物理、化学稳定性，不易被氧化或腐蚀; ? 电阻温度系数要小，电导率要高，组成热电偶后产生的热电势要大，其值与温度成线性关系或有简单的函数关系; ? 复现性要好(同种成分材料制成的热电偶，其热电性质均相同的性质称复现性)，这样便于成批生产，而且在应用上也可保证良好的互换性; ? 材料组织均匀、要有韧性，便于加工成丝。 目前采用的热电偶材料中尚不能完全满足上述要求，在选用时可根据具体测温条件具体决定。 1.4(热电偶的构造及结构形式 各种热电偶的外形常是极不相同的，但其基本结构通常均由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等主要部分构成，如图4,10所示。 图4,10热电偶的结构 (1)热电极 组成热电偶的两根热偶丝称为热电极，正负热电极的常用材料见表4,2。热电极的直径由材料的价格、机械强度、电导率、热电偶的使用条件和测量范围等决定。贵金属电极丝的直径一般为0.3,0.65mm，普通金属电极丝的直径一般为0.5,3.2mm，其长度由安装条件及插入深度而定，一般为350,2000mm。 (2)绝缘套管也称绝缘子 用于防止两根热电极短路。其结构型式通常有单孔管、双孔管及四孔的瓷管和氧化铝管等。选用的材料可根据使用温度范围而定，常用材料有: 橡皮、塑料(60,80?); 丝、干漆(0,130?); 玻璃管(500?以下); 石英管(1000?以下); 瓷管(1400?); 纯氧化铝管(1600,1700?)。 (3)保护套管 为使热电极免受化学侵蚀和机械损伤，确保使用寿命和测温的准确性，通常将热电极(包括绝缘子)再以保护套管保护之。保护套管材料的选择一般根据测温范围、插入深度、环境条件 以及测温的时间常数等因素来决定。对保护套管材料和结构型式的要求是:保证它能耐高温、能承受温度的剧变、耐腐蚀、有良好气密性和足够的机械强度、高的导热系数、在高温下不会分解出对热电偶有害的气体等。常用的保护套管材料有铜或铜合金、20#碳钢管、1Cr18Ni9Ti不锈钢、石英管等。 (4)接线盒 热电偶接线盒系供连接热电偶和显示仪表用。一般由铝合金制成，并分有普通式和密封式两种型式。为了防止灰尘和有害气体进入热电偶保护套管内，接线盒的出线孔和盖子均用垫片和垫圈加以密封。接线盒内用于连接热电极和导线的螺丝必须紧固，以免产生较大的接触电阻而影响测量的准确性。 2、补偿导线与冷端温度补偿 2.1(补偿导线 由热电偶测温原理已经知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。但在实际工作中，由于热电偶的冷端常常靠近设备或管道，故冷端温度不仅受环境温度的影响，而且还受设备或管道中物料温度的影响，因而冷端温度难于保持恒定。为了准确地测量温度，就应当设法把热电偶的冷端延伸至远离被测对象且温度又比较稳定的地方。最简单的方法是将电偶丝做得很长，但由于热电偶线多属贵金属材料，显然这个方法是不经济的。人们发现，有些贱金属组成的热电偶在一定温度(0,100?左右)范围内，其热电特性与前述几种 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化了的热电偶的热电特性非常接近。例如，铜-铜镍所组成的热电偶与镍铬-镍硅热电偶在100?以下其热电特性是 一致的。这就给我们一个启示:倘能以不太长的镍铬-镍硅丝作为高温测量端，然后以较长的铜-铜镍丝去接替两热电极，借此达到延伸冷端的目的。这种用来延伸冷端的专用导线称为补偿导线。图4,11表示用铜-铜镍作为补偿导线，来延伸镍铬-镍硅热电偶冷端的接线图。 图4,11 补偿导线接线图 假设将镍铬记为A、镍硅记为B、铜记为C、铜镍记为D，并考虑到引入铜导线对回路的总热电势没有影响(因其两端温度均为t)，0则图4,11所示回路的总热电势为 E,e(t)，e(t)，e(t)，e(t) (4,7)ABBD1DC0CA1 如果假定各接点温度全为t，代入式(4,7)，则有 1 E,e(t)，e(t)，e(t)，e(t),0 (4,8)AB1BD1DC1CA1 或 e(t)，e(t),e(t),e(t) (4,9)AB1DC1BD1CA1 由于t一般是在100 ?以下，在此温度范围内，根据补偿导线的性1 质，有 e(t)?e(t),-e(t) (4,10)AB1CD1DC1 将此式代入式(4,9)，则有 e(t)，e(t),0 (4,11)BD1CA1 将式(4,11)代入式(4,7)，便有 E,e(t)，e(t),e(t),e(t) (4,12)ABDC0ABCD0 因为 e(t)?e(t) AB0CD0 所以 E,e(t),e(t) (4,13)ABAB0 由上式可知，回路总热电势与t、t有关，而与t无关，故相当于01 用补偿导线将冷端从t处移t处，起到了延伸冷端的作用。10 必须指出:使用补偿导线时，应当注意补偿导线的正、负极必须与热电偶的正、负极各端对应相接。此外，正、负两极的接点温度t1应保持相同，延伸后的冷端温度t应比较恒定且比较低。对于镍铬-0 铜镍等一类用廉价金属制成的热电偶，则可用其本身材料作补偿导线，将冷端延伸到环境温度较恒定的地方。 图4,12 热电偶冷端温度保持0?的方法 2.2(冷端温度的变化对测量的影响及消除方法 采用补偿导线之后，把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方， 延伸到温度较低和比较稳定的地方，但此时冷端温度一般还不是0?，而工业上常用的各种热电偶的温度-热电势关系曲线(或数据)是在冷端温度保持为0?的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系进行刻度的。为了保持冷端温度为0?，可采用图4,12所示的方法。在保温容器中，盛有冰水混合物，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内，这种方法多数用在实验室中。在工业上，由于冷端温度(即环境温度)往往高于0?，而且是不恒定的。这时，热电偶所产生的热电势必然偏小，且测量值也随着冷端温度变化而变化，测量结果就会产生误差。补偿导线的引入并不能消除这一误差。所以，我们在应用热电偶测温时，必须考虑冷端温度对测量的影响，加以一定的修正或补偿，才能得到测量的准确结果，一般可采用下列几种方法。 (1)热电势的修正方法 在实际生产中，冷端温度往往不是0?，而是某一数值t，这时可按前面介绍的式(4,3)进行修正，即0 E(t，t),E(t，0),E(t，0) AB0ABAB0 或 E(t，0),E(t，t)，E(t，0) (4,ABAB0AB0 14) 这就是说，热电势的修正方法是把测得的热电势E(t，t)，加上AB0热端为室温t，冷端为0?时的热电偶的热电势E(t，0)，便得到实0AB0 际温度下的热电热E(t，0)。 AB (2)校正仪表零点法 一般仪表在未工作时指针应指在零位上(机械零点)。若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不偏 低，可预先将仪表的机械零点调整到相当于室温的数值上。此法比较简单，在工业上经常应用。不过这种方法有一定的误差，特别是当热电偶的热电势与温度关系的非线性程度严重，或者室温经常变化时，误差更大。 图4,13 具有补偿电桥的热电偶测温线路 (3)补偿电桥法 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，如图4,13所示。不平衡电桥(又称冷端温度补偿器)由电阻R1、R2、R3(锰铜丝绕制)和R(铜丝绕制)等四个桥臂和稳压电源所组成，串t 联在热电偶测温回路中。热电偶的冷端与电阻R放在一起，感受相t 20?同的温度。电桥通常取在20?时处于平衡，即R,R,R,，R123t此时，对角线a、b两点电位相等，即U,0，电桥对仪表读数无影ab 响。当周围环境温度高于20?时，热电偶因冷端温度升高而使热电势减弱。而与此同时，电桥中R、R、R的电阻值不随温度而变，123 铜电阻R却随温度增加而增加，于是电桥不再平衡，a点电位高于bt 点电位，在对角线a、b间输出一个不平衡电压U，并与热电偶的热ab 电势相叠加，一起送人测量仪表。如适当选择桥臂电阻和电流的数值，可以使电桥产生的不平衡电压U恰好补偿由于冷端温度变化而引起ab 的热电势变化值，仪表即可指示出正确的温度。 由于电桥是在20?时平衡的，所以采用这种补偿电桥时，仍需把仪表的机械零点预先调到20?处。如果补偿电桥是按0?时电桥平衡 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的(例DDZ一?型温度变送器中的补偿电桥)，则仪表零位应调在0?处。 图4,14 补偿热电偶连接线路 (4)补偿热电偶法 在生产实践中，为了节省补偿导线和投资费用，常用多支热电偶配用一台公用测温仪表，通过转换开关实现多点间歇测量，其接线图如图4,14所示。补偿热电偶是为了将冷端温度保持恒定而设置的。它的工作端插入2,3m深的地下或放在其他恒温器中，使其温度恒为t，而它的冷端与测量热电偶的冷端都接在0 温度为t的同一个接线盒中。补偿热电偶CD的材料可以与测量热电1 偶相同，也可以是测量热电偶的补偿导线。这样，其测温仪表的指示值则为E(t，t)所对应的温度，而不受接线盒所处温度t变化的影响。01 三、热电阻温度计 前面介绍的热电偶温度计，一般适用于测量500? 以上的温度。对于500?以下的中、低温，利用热电偶进行测量，有时就不一定适 合。这是由于在中、低温区，热电偶输出的热电势很小。例如在100?时，铂铑-铂热电偶的热电势仅为0.645mV，如此小的热电势，对10 电位差计的放大器和抗干扰措施要求都很高，仪表维修也困难。另外，在较低的温度范围，由于冷端温度变化和环境温度变化所引起的相对误差就显得很突出，且不易得到全补偿。所以，在中、低温区，一般是使用另一种温度计——热电阻温度计来进行温度检测，它是由热电阻、显示仪表和连接导线所组成。 1、测温原理 热电阻是电阻温度计的测温元件，这是一种金属体。电阻温度计就是利用热电阻的电阻值随温度变化而改变的特性来进行温度测量的。 大家知道，金属导体的电阻值是随温度的变化而变化的。对于线性变化的热电阻来说，它们之间的关系为 R,R[1，α (t,t)] (4,15) t00 或 ?R,αR?t (4,16)t0 式中 R——温度为t?时的电阻值; t R——温度为t(通常为0?)时的电阻值; 00 α——电阻温度系数; ?t——温度的变化量; ?R——温度改变?t时的电阻变化量。 t 由式(4,16)可知:温度的变化，导致了导体电阻的变化。实际证明，大多数金属在温度每升高1?时，其电阻值要增加0.4,, 0.6,，电阻温度计就是把温度变化所引起导体电阻的变化，通过测量电路(电桥)转换成电压(毫伏)信号，然后送至显示仪表以指示或记录被测温度的。 由上可知，热电阻温度计与热电偶温度计的测温原理是不相同的。热电偶温度计是把温度的变化通过测温元件——热电偶转化为热电势的变化来测量温度的;而热电阻温度计则是把温度的变化通过测温元件——热电阻转换为电阻值的变化来测量温度的。 热电阻温度计的输出信号大，测量准确，适用于测量-200,500?范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度。它与热电偶温度计一样，也是有远传、自动记录和实现多点测量等优点。 2、常用热电阻 对于热电阻丝的材料是有一定技术要求的，一般应具有下列特性:电阻温度系数和电阻率要大;热容量要小;在整个测温范围内，应具有稳定的物理和化学性质;要容易加工，有良好的复制性;电阻值随温度的变化关系，最好呈线性关系;价格要便宜等。 事实上，要完全符合以上技术要求是很难的。目前，应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。与此相对应，工业上定型生产的常用热电阻有铂电阻和铜电阻。 2.1(铂电阻 金属铂容易提纯，在氧化性介质中具有很高的物理化学稳定性，有良好的复制性。但是铂的价格较贵，在还原性介质中，特别是在高温下很容易被沾污，以致铂丝变脆，并改变了它的电阻与温度间的关系。 要确定R,t的关系，首先要确定R的大小。R不同，R,t的关t00t系也不同。这种R,t的关系称为分度表，用分度号来表示。t 工业上使用的铂电阻主要有分度号为Pl00，它的R,100Ω。t0 常用铂热电阻的感温元件是用直径φ,0.05,0.07mm的铂丝绕在云母、石英或陶瓷支架上制成的。 2.2(铜电阻 铜容易加工提纯，价格便宜;它的电阻温度系数很大，且电阻与温度呈线性关系;在测温范围-50,150?内，具有很好的稳定性。其缺点是温度超过150?后易被氧化，氧化后失去良好的线性特性;另外，由于铜的电阻率小，为了要绕得一定的电阻值，铜电阻丝必须较细，长度也要较长，故铜电阻体积较大，机械强度较低。 在-50,150?的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的，即 R,R(1，α?t) t0 式中，α为铜的电阻温度系数。 工业上用的铜电阻有两种，一种是R,50Ω，其分度号为Cu50。0 另一种是R,100Ω，相对应的分度号为Cu100。 0 2(3 热电阻的测量范围 热电阻类别 热电阻型号 分度号 测量范围(?) 铂热电阻 WZP Pt100 -200——+450 WZC Cu50 -50——+120 铜热电阻 Cu100 2(4热电阻的构造 各种热电阻的外形常是极不同的，但是它们的基本结构却是大致相似的，一般由感温元件，绝缘套管、保护管和接线盒等主要部分组成。 , 感温元件 对于云母支架:WZP型铂热电阻的感温元件如图，它是由直径 为,0.03 –0.05毫米的纯铂丝在云母制成的片型支架上，云母片的 边缘上有锯齿形的缺口，绕阻的两面盖以云母绝缘，为了改善热 传导和机械固紧，再在其两侧用金属薄片制成的花瓣形支持件与 它们铆合在一起，铂丝绕阻的出线端用银丝制成的引线焊牢，并 穿以瓷套管加以保护绝缘。 如图 , 保护管 根据热电阻的种类，被测介质状况和测量温度高低不同，各种热电阻保护管采用不同的材料制成，热电阻保护管要求能耐温、耐腐蚀，能承受温度巨变，有良好的气密性以及足够的机械强度等等 被采用做保护管的材料主要有碳钢和不同型号的不锈钢。 为了改善热传导和增强保护作用，一般在感温元件和保护管之间置有铝或铜制的内套管。 , 接线盒 热电阻的接线盒一般用铝合金制成并分防水式和防溅式。 2.5安装固定装置 热电阻的安装固定装置分为:无固定装置，固定螺纹，活动卡套 螺纹，固定法兰，活动法兰 2.6、保护管直径(d)和插入长度(L)。例: 插 入 长 度 ( L ) 保护 管直75 100 150 200 250 300 400 500 750 1000 1500 2000 径(d) ,12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? × × ,16 × × ? ? ? ? ? ? ? ? 注:锥形园螺纹保护管插入长度分为75‘100’150‘200毫米 , 基本技术特性 1) 热电阻0?时的电阻值(RO)，电阻比W100(R100/R0)J及其润 差,Pt100分度号表: 热电阻分度号 RO(欧) W100 元 差 ? 注 类别 WZP PT100 100 1(3850 A级?(0。式中|t| 15+0.002|t| 为温度 绝对值 B级?(0.3+0.05|t| WZC CU50 50(001(4280?(0.3+0.006|t| ?0。050 ? 0.0020 CU100 100(00 ?0.10 3安装和使用 3(1热电阻(热电偶)选型 , 型号选择 , 分度号 , 精度等级 , 安装固定形式 , 保护管材质 , 长度或插入深度 例2:铠装热电阻，Pt100型，1级，固定螺纹M20*1.5, 长度45 毫米，插入长度300毫米。 WZPK-220 ， Pt100，L=450*300， 1级，M20*1.5. 3(2 安装地点选择 热电阻的安装地点，应避免装在炉门旁边或加热物体距离过 近之处。热电阻的接线盒不可碰到被测介质的容器壁。热电阻接 线盒处的温度不宜超过100度，并尽可能地保持其稳定不变。对 于一般的WZP型铂电阻，应尽量安装在没有震动或震动很小的地 方。对于WZC型铜热电阻，应尽量避免安装在有强烈震动的场 所。 热电阻的插入深度可按实际需要决定，但侵入被测介质的长 度，一般最少应不小于热电阻保护管外径的8——10倍。 热电阻的安装位置应尽可能保持垂直，以防止在高温下产生 变形。但在有流速情况下，则必须倾斜安装，并最好尽量选择安 装在主管道的弯曲处，并使热电阻的工作部分位于被测体的中部， 且与被测流体的流动方向相对。 测量现场如有强的电磁-场干扰时，可加屏蔽或使感温元件与金属壳体、器壁等绝缘。热电阻接线盒的出线孔应该向下，以防止因密封不良而使水汽灰尘和脏物等落入接线盒中。 对于承受压力的热电阻，必须严格保证其密封面的密封; 7当被测介质工作压力超过10Pa (约为100?f/c?),感温元件要加装保护外套; 感温元件的安装应便于仪表工的维修和效验，便于安装和更换，;测温点要便于观察;若安装在高空处要设置梯子和平台。 在使用时，应经常或定期检查热电阻的情况，例如保护管的焊缝和表面的侵蚀情况以及感温元件的状况及其分度特性，(主要是0度和100度时的电阻值及它们的电阻比)等等。 4 :热电阻接线 热电阻的接线方式分为两线法和三线法两种。(如图)三线接法的优点在于可以避免因连接导线电阻值的改变而引起的指示仪表示值的误差。除双支热电阻外，在不使用切换开关的情况下，每支热电阻一般不可同时和两块显示仪表连接使用。 5:热电阻常见发生的故障及其修理 故障现象 可能原因 修理方法 1 显示值比实际值低 保护管内有水1)倒出水或清 或接线盒上有除灰尘，并将 金属屑，灰尘潮湿部分加以 或热电阻短干燥处理，提 路。 高绝缘(不能 用火烤)。 2)用万用表检 查短路或接地 的部分并清除 之。如热敏感 元件短路，应 进行检修或更 换。 2 显示仪表显示值无限大 热电阻断路 1) 用万用 表检查断路 部位确定是 连接导线还 是热敏感元 件断路。 2) 如是连 接导线断 路，可更换 或修复。如 是热敏感元 件断路应进 行更换。 3 显示仪表显示值反向下1) 热电阻1) 用 限值 短路 万用表 检查确 2) 显示仪 定短路 表接线错误 部位，如 热敏感 元件短 路应修 复或更 换。 2) 重 新连接 导线。 6:热电阻的效验 热电阻在出厂前或使用一定时间后，为使其测量准确，必须进行效验，看其温度与电阻值的关系是否符合该热电阻的分度表。 效验装置如下图，主要装置有标准温度计一套(或标准铂电阻温度计)加热恒温器一套(控制在-50——500?);标准电阻箱(10欧或100欧)一个，电位差计一台，以及毫安表、直流稳压电源、切换开关等。 图P434 效验装置如下图，主要装置有标准温度计一套(或标准铂电阻温度计)加热恒温器一套(控制在-50——500?);标准电阻箱(10欧或100欧)一个，电位差计一台，以及毫安表、直流稳压电源、切换开关等。 效验的方法为采用比值法求得被效热电阻的电阻值，效验时，将热电阻Rt放在恒温器内，使之达到被效温度点，并保持一定时间恒 温效验装置如下图，主要装置有标准温度计一套(或标准铂电阻温度计)加热恒温器一套(控制在-50——500?);标准电阻箱(10欧或100欧)一个，电位差计一台，以及毫安表、直流稳压电源、切换开关等。。标准电阻与热电阻Rt串联，调整直流稳压电源电压供给一定的直流电流，此电流由毫安表监测，电流值不可超过6mA，否则热电阻本身会发热，影响电阻值。 当恒温器内的温度变化每分钟不超过0.02?时便可测量，用切换开关先后将标准电阻Rs及被测热电阻Rt接到电位差计上，测出相应的电压降Vs和Vt，按=(Vt/Vs)*Rs，求出Rt。同一温度点最少测量四次，取多次测量的Rt平均值后与标准温度计核对，效验是否合格。一般取热电阻测量温度范围的10%、50%和100%作为效验温度点。 效验热电阻的另一种方法为电阻比法，即测量出热电阻在0度和100度时的电阻值R0和R100,要以及电阻比W100= R100/R0 不超过容许的误差值。 四、温度变送器 热电偶、热电阻是用于温度检测的一次元件，它将温度信号转换为热电势及电阻值信号。为了进行温度的显示或控制，必须将这些信号进一步转换，然后送至其他显示单元或控制单元，温度变送器就是实现这种信号转换的一种装置。 1、电动温度变送器 电动温度变送器是工业生产过程中应用最广泛的一种模拟式温度变送器，它能与常用的各种热电偶和热电阻配合使用，将某点的温度或某两点的温差转换成相应的标准直流电流信号输出。 DDZ,?型温度(温差)变送器是电动单元组合仪表中的一个变送单元，它可以将温度或温差信号转换成4,20mA、1,5VDC的统一标准信号输出。根据输入信号的不同，DDZ,?型温度变送器主要有热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器三种类型。 DDZ一?型热电偶温度变送器和热电阻温度变送器的结构大体上可以分为温度检测元件、输入电路、放大电路和反馈电路，其原理框图如图4,15所示。 热电偶温度变送器的温度检测元件是热电偶，它将被测温度转换为热电势送至输入电路。热电阻温度变送器的温度检测元件是热电阻，它将被测温度转换为电阻值变化送至输入电路。直流毫伏变送器是直接将毫伏信号送至输入电路。 图4,15 温度变送器原理框图 热电偶温度变送器的输入电路主要是一个冷端温度补偿电桥，它的作用是实现热电偶冷端温度补偿和零点调整。热电阻温度变送器输 入电路的作用是将电阻体电阻值的变化转换为毫伏信号送至放大电路，同时它还包含线性化的功能，用以补偿热电阻温度变送器的测温元件热电阻阻值变化与被测温度之间的非线性关系。 放大电路的功能是将由输入电路来的毫伏信号进行多级放大，并将放大后的输出电压信号转换成具有一定负载能力的4,20mA DC的标准电流输出信号。 反馈电路的作用是使变送器的输出信号I能与被测温度t成一定0 的对应关系。 简单地说，放大电路与反馈电路构成一个负反馈电路，起着电压一电流转换器的作用。 2、一体化温度变送器 前面所述的DDZ一?型温度变送器的测温元件是安装在现场的，而变送器可以安装在离现场较远的地点，中间用导线就可以连接起来。所谓一体化温度变送器，就是将变送器模块直接安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器，其原理框图如图4,16所示。 图4,16 一体化温度变送器原理框图 一体化温度变送器的测温元件是热电偶或热电阻，它将被测温度转换为热电势或热电阻阻值的变化，其信号直接送至变送器模块。变送器模块是以一片专用变送器芯片为主，外接少量元器件构成。一体 化温度变送器的品种较多，常用的变送器芯片有AD693、XTR101、XTR103、IXR100等。 一体化温度变送器的测温元件和变送器模块安装在一起，形成一个整体，所以可以直接安装在被测 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 设备上，输出为统一的4,20mA DC标准电流信号。这种变送器的优点是体积小、质量小、现场安装方便，因此在工业生产过程中得到广泛应用。 一体化温度变送器在使用中要特别注意变送器模块所处的环境温度。一般情况下，变送器模块内部集成电路的正常工作温度为-20,80?，超过这一范围，电子器件的性能会发生变化，变送器就不能正常工作。由于一体化温度变送器的变送器模块是与测温元件一起安装在现场的，所以它的测温范围就受到较大的限制。 3、智能式温度变送器 智能式温度变送器可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度，具有测量范围宽、精度高、环境温度和振动影响小、抗干扰能力强、质量小以及安装维护方便等优点。 智能式温度变送器的数字通讯格式有符合HART协议的，这种产品的种类较多，也比较成熟，在第二章中介绍的美国费希尔,罗斯蒙特公司生产的3051C型智能式差压变送器就是符合HART协议的，如果与温度传感器结合使用，就可以构成智能式温度变送器，其结构与原理这里就不再叙述了。 智能式温度变送器还有采用现场总线通信方式的，这种产品近几年才问世。下面以SMART公司的TT302温度变送器为例简单介绍其 基本构成。 TT302温度变送器是一种符合FF通讯协议的现场总线智能仪表，其基本构成框图如图4,17所示。 图4,17 TT302温度变送器基本构成框图 TT302温度变送器由硬件和软件两部分组成。其硬件部分由输入板、主电路板和液晶显示器构成。 输入板包括多路转换器、信号调理电路、A,D转换器和信号隔离部分，其作用是将由温度传感器来的输入信号转换为二进制的数字信号，传送到主电路板的CPU上，并实现输入板与主电路板的信号隔离。 主电路板包括微处理器系统、通讯控制器、信号整形电路、本机调整部分和电源部分。主电路板是变送器的核心部件，其输出信号可以用于显示或控制。 液晶显示器是一个微功耗的显示器，可以显示四位半数字和五位数字，用于接收主电路板中CPU的数据并加以显示。 TT302温度变送器的软件构成分为系统程序和功能模块两部分。系统程序使变送器的各硬件电路能够正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。功能模块给用户提供了各种功能，用户可以根据需要加以选择。TT302温度变送器的软件中还提供了多 种与控制功能有关的功能模块，使变送器本身具有控制功能，用户可以通过组态，以实现所要求的控制策略。 TT302温度变送器使用方便、灵活。用户可以通过上位管理计算机或挂接在现场总线通信电缆上的手持式组态器，对变送器进行远程组态，调用或删除功能模块，也可以使用磁性编程工具对变送器进行本地调整。 4、温度变送器的校验方法 温度变送器使用六个月后需进行校验。 设备要求:标准电流表(或电压表)一台; 按系统连接方法接线; 根据变送器铭牌上标明的传感器和量程范围，输入相应的阻值(铂热电阻)或mV信号(热电偶)，使输出为4mA和20mA(或1V和5V)(可分别调整零点电位器和满度电位器); 按量程十等分点输入各电阻值，检查各温度输出是否符合精度范围; 按说明书技术指标进行测试，应符合技术要求。 5、选型 1) 型号 2) 分度号 3) 防暴等级 4) 热电阻(偶)精度等级 5) 温度变送器精度等级 6) 安装固定形式 7) 保护管材质 8) 长度或插入深度