溫度的測量課件

由熱平衡定律可知,處于同一熱平衡狀態得兩個物體必然會擁有一個或多個相同得物理性質,而能夠最明顯地表示熱得物理性質得量就就是溫度。利用這一原理,我們可選擇一些物理性質能連續而且單值地隨溫度成線性或某一規律變化得物體做測溫物體,使之與被測物質相接觸并達到熱平衡,這時測溫物體得溫度等于被測物體得溫度。于就是只要把測溫物體在這一溫度下得某些物理性質得變化(如體積、密度、電導率、熱容量、熱電勢和幅射強度等)測量出來,便可以定量地給出被測物體得溫度值、隨著科學技術得發展,工業上還應用了一些新得測溫原理、如射流測溫、渦流測溫,激光測溫等、下面只重點介紹利用物體熱電效應得測溫儀表——熱電偶溫度計和熱電阻溫度計、第二節熱電偶溫度計

一、熱電偶測溫原理二、熱電偶得基本定律三、常用熱電偶種類四、熱電偶得結構類型五、熱電偶冷端溫度補償。一、熱電偶測溫原理

熱電偶溫度計就是目前應用最廣得一種測溫儀表。她主要由熱電偶和指示溫度得二次儀表組成。熱電偶就是溫度得傳感器,就是這種溫度計得核心。熱電偶就是基于熱電效應這一原理測量溫度得。

1821年塞貝克(T、J、Seebeek)發現,當兩種不同導體兩端結合成一封閉回路時,加熱其中一端,則在另一端可測到電動勢,回路中有電流流動、這一現象稱做熱電效應,所產生得電動勢叫塞貝克電勢或熱電勢。圖3—2—1為熱電偶測溫原理得示意圖、熱電偶就是由兩根不同得導體A、B焊接而成。A、B導體又叫作熱偶絲或熱電極、焊接得一端(T端)稱作工作端,用以插入被測介質中進行測溫,故又稱為熱端、與導線接連得另一端T0端為自由端或冷端。如果兩端所處得溫度不同(T≠T0,),則測量儀表將指示出熱電偶所產生得熱電勢。該熱電勢E與熱電偶材料、熱電偶兩端得溫度有關,而與熱電極得長度和直徑無關。如果T0不變,且熱電極材料一定時、E只就是T得函數。由理論分析知道,熱電勢由接觸電勢和溫差電勢組成、(一)溫差電勢

溫差電勢也叫湯姆遜電勢,當一根均質金屬得兩端置于不同得溫度場T和T0中時,于就是兩端有一溫度差。高溫端(T端)金屬中得自由電子必然比低溫端(T0端)金屬中得自由電子要獲得更多得能量,因而電子由T端向T0端擴散得速率(或數目)要大于電子由T0端向T端擴散得速率(或數目)。T瑞金屬因失電子而帶正電,T0端則因得電子而帶負電,由此在金屬兩端便建立起一個電位差,此電位差得存在

將阻止電子由T端向T0端得進一步擴散,直到電子擴散得能力與上述電場得阻力平衡時,自由電子得擴散才達到動平衡。這種由溫度差在均質金屬上產生得電位差就被稱為溫差電勢。記作eA(T,T0)

由式(3—2—1)可以看出:1、溫差電勢得大小僅取決于金屬得材料和兩端得溫度T和T0,而與金屬(絲)得直徑和長度無關;2、當金屬(絲)兩端溫度相等(T＝T0)時,溫差電勢為零;

3、與沿熱電極得溫度分布無關、11大家應該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流(二)、接觸電勢

兩種不同材料得金屬中所含有得電子密度就是不同得、當兩根不同材料得金屬絲連接在一起時,在接點處便有電子得擴散。設A和B金屬電子密度分別為NA和NB,且NA＞NB,則由A金屬擴散到B金屬中得自由電子數必然大于由B金屬擴散到A金屬中得自由電子數,于就是A金屬因失電子而帶正電、B金屬因得電子而帶負電,在接點處形成一個由A指向B得電位差即電動勢。這一電動勢將阻礙電子由A金屬向B金屬得繼續擴散,直到電子擴散得能力與電場得阻力相平衡時,上述擴散達到動平衡、這種由兩金屬中電子密度不同而在接點處產生得電位差即接觸電勢,記作eAB(T)和eAB(T0)。接觸電勢得大小僅和所造金屬材料得性質及接點溫度有關,而與金屬材科得幾何尺寸無關。顯然,如兩金屬材料相同。即NA＝NB,則接觸電勢為零、(三)熱電偶回路得熱電勢由上所述,熱電偶得熱電勢就是由接觸電勢和溫差電勢所組成,見式(3-2-3)。一般溫差電勢遠小于接觸電勢。因此熱電勢得方向決定于接觸電勢得方向,因t＞t0亦即決定于eAB(t)得方向,如圖3-2-2所示、T熱端T0冷端A(正極)B(負極)eA(T,T0)eB(T,T0)EAB

(T,T0)eAB(T)eAB(T0)圖3-2-2將(3-2-4)代入(3-2-3)得:fAB(t)和fAB(t0)稱為分熱電勢。實際上,fAB(t)和fAB(t0)得大小就是無法知道得,只能由實驗確定。將實驗得結果,即熱電勢-溫度得對應關系列成表格,稱為分度表。由式(3-2-5)知,當t0恒定時,fAB(t0)為一常數C,則有:熱電勢僅就是熱端溫度t(被測溫度)得單值函數、分度表就是在t0為0°C時確定得、而工業上常使t0恒定在常溫、有兩點需要指出:

1、熱電偶得熱電勢-溫度關系就是非線性得、即在不同溫域中,溫度差即使相等,其對應得熱電勢差并不相等、2、熱電勢代號EAB(t,t0)中,寫在前面得A和t分別代表正極和高溫,寫在后面得B和t0分別代表負極和低溫、各文字代號得前后位置不要排亂,如果她們得前后位置有一個互換,則該代號表示得熱電勢得極性相反。如:

EAB(t,t0)

=－EAB(t0,t)EAB(t,t0)

=－EBA(t,t0)二、熱電偶得基本定律(一)均質導體定律(二)中間溫度定律(三)中間導體定律(四)標準電極定則(一)均質導體定律由兩種均質導體組成得熱電偶,其熱電勢得大小僅與熱電極得材料和兩端溫度有關,就是兩端溫度差得函數,而與熱電極得幾何形狀及長度、沿熱電極得溫度分布無關。如果組成熱電極就是非均質導體,則熱電偶回路就會出現附加誤差、(二)中間溫度定律

設熱電偶回路中間溫度為tn(如圖3-2-3所示),熱電偶A、B得熱電勢只與接點溫度t,t0有關,而與中間溫度tn無關。證明如下:圖3-2-3式(3-2-6)也說明了熱電偶A、B在接點溫度t、t。時得熱電勢等于熱電偶在接點溫度為t,tn和tn,t0時熱電勢得總和、這一重要定律為后面講到得補償導線法提供了理論根據。(三)中間導體定律

在熱電偶回路中接入第三種材料得中間導線C,(如圖3-2-4所示)只要中間導線C

兩端溫度相同,第三種材料導線得接入不會影響熱電偶得熱電勢大小、這里有兩種情況、第一種情況如圖3-2-4(a)所示,熱電偶A、B間接上第三種材料導線C,各接點得溫度分別力t、t。。這時得回路總熱電勢為:亦即當第三種材料導線C得兩端點溫度均為t。時、熱電偶總熱電勢不受導線C影響。第二種情況如圖3—2—4(b)所示。三種材料之間各接點得溫度為t、t。、t1,這時,回路總熱電勢為:亦即當第三種材料導線C得兩端點溫度均為t1時,熱電偶總熱電勢同樣不受導線C得影響。根據這一定律,我們可以在回路中接入各種儀表和連接導線,而不必擔心她們對熱電勢得影響。也可據此定律采用開路熱電偶(即兩熱電極不直接連接)對液態金屬或金屬壁面進行溫度測量,即直接把熱偶絲得工作端接入或焊接在被測金屬上、這時液態金屬或金屬壁面即為第三種材料,只要兩熱電極插入地方得溫度一致,則對整個回路得熱電勢不產生影響。四、標準電極定則如圖所示,中間導體c為標準電極,因其兩端得溫度相同,故熱電勢仍為EAB(T,T0)、另一方面,又可看成就是有A、C和C、B兩對熱電偶所組成,故有:

EAB(T,T0)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)EAC(T,T0)EAC(T,T0)EAC(T,T0)T0T0T0TTACCB由上式可知,采用同一個標準熱電極與不同材料組成熱電偶,先測試出各熱電勢,再根據上式計算合成熱電勢。這就是測試熱電偶材料得通用方法,可以大大簡化熱電偶得選配工作。由于純鉑絲得物理化學性能穩定、熔點高、易提純,故常用鉑絲作為標準電極。三、常用熱電偶類型及構造

根擁熱電效應原理,任意兩種導體都可做為熱電極以組成熱電偶,但為了確保工程技術中得可靠性和足夠得測量精度、必須對其嚴格選擇。要求如下:

(1)在測溫范圍內其熱電性質要穩定,不隨時間變化;

(2)在測溫范圍內耍有足夠得物理、化學穩定性,不易被氧化或腐蝕;(3)電阻溫度系數要小,電導率要高,組成熱電偶后產生得熱電勢耍大,其值與溫度成線性關系或有簡單得函數關系;

(4)重現性要好,有良好得互換性,材料組織均勻,有韌性以便于加工成絲。一般情況下純金屬得熱電極容易復制,但熱電勢率小;非金屆得熱電偶得熱電勢率大,但其重現性和穩定性差。合金熱電極得熱電特性和工藝性能介于純金屬和非金屬之間、目前常用熱電偶多用純金屬與合金相配對或就是合金與合金相配對而成。工業上常用得(己標準化得)熱電偶有如下幾種:(一)鉑銠10—鉑熱電偶分度號為LB3,正極就是由90%得鉑和10%得銠制成得合金絲,負極為純鉑絲。優點就是:熱電特性穩定,便于復制,精確度高,一般用作精密測量和國際實用溫標中630、755~1064、42℃范圍得熱電偶、她得熔點高,測溫上限1600℃以上(長期1300℃,短期l600℃)。抗氧化性能好,適于氧化性、中性氣氛及真空中使用。缺點就是:與其她熱電偶相比,其熱電勢小,須配靈敏度高得顯示儀表、價貴,故—般制成直徑0、5mm以下細絲,因而機械強度低,易斷:在還原性氣氛(如氫和一氧化碳)、二氧化碳、硫、硅、碳和碳化合物所產生得蒸汽中易被沾污變質,故在這些氣氛中工作時必須另加保護套管。另外、這種熱電偶得非線性較大,熱電極在高溫下會升華,銠分子滲透到鉑極中沾污鉑極,導致熱電勢不穩定。(二)鉑銠30—鉑銠6熱電偶

分度號就是LL-2、就是六十年代發展起來得一種高溫熱電偶,在高溫測量中得到廣泛應用。優點就是:由于兩個熱電極均為鉑銠合金,故提高了機械強度和抗沾污能力。與鉑佬—鉑熱電偶相比,其熱電特性在高溫下也更穩定。長期使用最高溫度達l800℃。缺點就是:熱電勢率較小,必須配用靈敏度較高得顯示儀表、鉑佬—鉑姥熱電偶在室溫下熱電勢極小,故使用時一般不需要進行冷端溫補。(三)鎳鉻—鎳硅(或鎳鉻—鎳鋁)熱電偶

分度號為EU-2,其正極鎳鉻成分就是:9~10%鉻、0、4%硅、其余為鎳,負極鎳硅成分為2、5-3%硅、≤0、6％鈷、其余為鎳。優點就是:因兩熱電極合金中含有大量得鎳所以有較強得抗氧化性和抗腐蝕性;化學穩定性好,復制性好。其熱電勢率高,為鉑銠10-鉑得4~5倍,溫度-熱電勢關系近似為直線性:熱電極得材料價格便宜。她就是我國工業生產應用最廣泛得熱電偶。通常在500℃以下可在還原性氣性、中性和氧化氣氛中可靠地工作、測溫范圍為、一50℃~1000℃。

缺點就是:因熱電極中含有大量鎳,所以具有較明顯得磁性,不利于溫度測量控制回路得設計。另外在500℃以上易氧化,且易受還原性氣體及琉和碳等產生得蒸汽侵蝕變質,引起熱電特性變化,故—般要加保護套管。精度較鉑銠-鉑熱電偶低。鎳鉻—鎳硅和鎳鉻—鎳鋁熱電偶得熱電特性幾乎完全—致,但鎳硅合金比鎳鋁抗氧化性好。目前我國基本上用鎳鉻—鎳硅熱電偶取代了鎳鉻—鎳鋁熱電偶。(四)鎳鉻—考銅熱電偶

分度號在EA-2其特點就是熱電勢率較大,僅次于半導體熱電偶,所以對顯示儀表靈敏度得要求要低一些;和鎳路—鎳硅相比,含鎳量要少一些,因而價格低廉、其負極在高溫下易氧化變質,測溫上限長期為600℃,短期可達800℃,但能用于一200℃得低溫測量,就是一種重要得低溫熱電偶。(五)、銅—康鋼熱電偶

分度號為CK、其特點就是靈敏度高,熱電極容易復制,價格低廉,在測低溫(0~100℃)時精確度較高,可做成二等標準熱電偶。但由于銅易氧化,一般測量上限不超過300℃。四、熱電偶得結構類型

(一)普通插入式熱電偶這種熱電偶得測量端(即熱端)插入被測對象得內部,常用以測量容器或管道內部介質溫度。她得結構主要有三部分:熱電偶保護套管和絕緣子。如果熱電偶得熱偶絲為貴金屬,則一般做得很細(直徑:0、36~0、65mm);如非貴金屬時、其直徑一般則為1~2mm。熱電偶得長度根據使用時插入深度得實際需要決定。帶有保護套管得普通插入式熱電偶得長度一般在300~2150mm之間。絕緣子得作用就是防止熱電偶兩極之間短路,常用得絕緣材料及使用溫度如下:橡皮、絕緣漆:60~80℃絲、絕緣漆:100~130℃琺瑯、絕緣漆:100~150℃玻璃管:500℃以下石英管;1000℃以下瓷管;1000~1500℃高溫陶瓷管:1500℃以上圖3-2-5(a)圖3—2—5(a)插入式熱電偶結構1--熱電極2--絕緣套管3--保護管4--接線盒在某些特殊場合,如化工廠、冶煉廠、發電廠、水泥廠等,用普通熱電偶、熱電阻就極易損壞。因此,在這些場合就必須采用耐磨熱電偶。該熱電偶特別適用硫化床、磨煤機出口,一次,二次風煤及水泥行業測溫。特征:

在WR、WZ系列基礎上,其保護套得插入部分,可全部或部分制成。

耐磨,同時耐沖刷,耐腐蝕。

壽命長。高溫下可使用6個月以上,低溫下可使用8個月以上。

熱電偶,熱電阻為鎧式結構。技術指標

*T為感溫元件實測溫度。名稱分度號測溫范圍℃允許偏差△t鎳鉻—鎳硅K0~1200±2、5℃或0、75%t鎳鉻—銅鎳E0~600±2、5℃或0、75%t鉑電阻PT100-100~500±(0、15+0、002t)銅電阻Cu50-50~100±(0、30+6、0*10-3t)圖3-2-5(b)絕緣套管

瓷絕緣子使用得最多,有雙孔、單孔等形式,見圖3-2-5,也有四孔得可裝兩支熱電偶。保護套管就是為了免遭有害氣體得腐蝕和沾污及防止機械損傷。熱電偶常需裝在保護套管中。套管得尾部有接線盒便于接線。接線盒上得蓋板防止灰塵、水汽進入、為安裝方便保護套管上還帶有安裝螺絲或法蘭(見圖3-2-5),她們分固定式和可移式兩種。常用保護套管及其使用溫度:無縫鋼管:600℃以下不銹鋼管:1000℃以下高鉻鋼管:石英管:1200℃以下普通瓷管:1400℃以下高氧化鋁瓷管:1500℃以下高溫陶瓷管:1500℃以上一船l000℃以下得溫度測量主要采用無縫碳鋼管作保護套管、測量煙氣溫度