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化工仪表及自动化第五章 温度检测化学工业出版社
www.cip.com.cn内容提要
概述
测温仪表的分类
温度检测的基本原理
热电偶温度计
热电偶
补偿导线与冷端温度补偿
热电阻温度计
测温原理
常用热电阻
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www.cip.com.cn内容提要
温度变送器
电动温度变送器
一体化温度变送器
智能式温度变送器
2
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www.cip.com.cn第一节 概述
一、测温仪表的分类温度不能直接测量，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。
分类按测量方式接触式与非接触式
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www.cip.com.cn第一节 概述测温方式温度计种类优点 缺点 使用范围／ ℃
接触式测温仪表玻璃液体温度计结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉容易破损、读数麻烦、一般只能现场指示,不能记录与远传
-100～ 100（ 150）有机液体
0 ～ 350（ -30 ～ 650）水银双金属温度计结构简单、机械强度大、价格低、能记录、报警与自控精度低、不能离开测量点测量,
量程与使用范围均有限
0 ～ 300（ -50 ～ 600）
压力式温度计结构简单、不怕震动、具有防爆性、价格低廉、能记录、
报警与自控精度低、测量距离较远时,仪表的滞后性较大、一般离开测量点不超过 10米
0 ～ 500（ -50 ～ 600）液体型
0 ～ 100（ -50 ～ 200）蒸汽型电阻温度计测量精度高,便于远距离、
多点、集中测量和自动控制结构复杂、不能测量高温,由于体积大,测点温度较困难
-150 ～ 500（ -200 ～ 600）铂电阻
0 ～ 100（ -50 ～ 150）铜电阻
-50 ～ 150（ 180）镍电阻
-100 ～ 200（ 300）热敏电阻热电偶温度计测温范围广,精度高,便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿,在低温段测量精度较低
-20 ～ 1300（ 1600）铂铑 10-铂
-50 ～ 1000（ 1200）镍铬 -镍硅
-40 ～ 800（ 900）镍铬 -铜镍
-40 ～ 300（ 350）铜 -铜镍非接触式测温仪表光学高温计携带用、可测量高温、测温时不破坏被测物体温度场测量时,必须经过人工调整,有人为误差,不能作远距离测量,
记录和自控
900 ～ 2000（ 700 ～ 2000）
辐射高温计测温元件不破坏被测物体温度场,能作远距离测量、报警和自控、测温范围广只能测高温,低温段测量不准,
环境条件会影响测量精度,连续测高温时须作水冷却或气冷却
100 ～ 2000（ 50 ～ 2000）
表 5-1 各种温度计的优缺点及使用范围
4
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www.cip.com.cn第一节 概述
1.应用热膨胀原理测温图 5-1 双金属片
5
图 5-2 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。
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www.cip.com.cn第一节 概述
2.应用压力随温度变化的原理测温
3.应用热阻效应测温
4.应用热电效应测温
5.应用热辐射原理测温
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计
一、热电偶
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热电偶温度计 是以热电效应为基础的测温仪表。
图 5-3 热电偶温度计测温系统示意图
1— 热电偶； 2— 导线； 3— 测量仪表热电偶温度计 由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。
图 5-4 热电偶示意图化学工业出版社
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1.热电现象及测温原理图 5-5 热电现象 图 5-6 接触电势形成的过程
00
00
,
,
tetettE
tetettE
BAAB
ABAB
左图闭合回路中总的热电势或图 5-7 热电偶原理化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计注意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。
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 t0时,则热电势与温度之间的关系可用下式进行计算。
EAB(t,t0) = EAB(t,0) -EAB(t0,0)
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计举例 例 5-1 今用一只镍铬 -镍硅热电偶,测量小氮肥厂中转化炉的温度,已知热电偶工作端温度为 800℃,自由端
(冷端 )温度为 30℃,求热电偶产生的热电势
E(800,30)。
解：由附录三可以查得
E(800,0)=33.277(mV)
E(30,0)=1.203(mV)
将上述数据代入式 (5-3),即得 E(800,30)=E(800,0) -
E(30,0)=32.074 ( mV)
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计例 5-2 某支铂铑 10-铂热电偶在工作时，自由端温度 t0=
30℃,测得热电势 E(t,t0) =14.195mV，求被测介质的实际温度。
解,由附录一可以查得
E(30,0)=0.173(mV)
代入式 (5-3)变换得
E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=0.173+14.195=14.368(mV)
再由附录一可以查得 14.368mV对应的温度 t为 1400℃ 。
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计注意,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 。
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2.插入第三种导线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，见下图。
00 teteteE CABCABt
总的热电势
（ 5-4）
000 000
0
tetete
tetete
CABCAB
CABCAB
能量守恒原理
（ 5-5）
0teteE ABABt （ 5-6）
将式（ 5-5） 5代入式（ 5-4）
图 3-58 热电偶测温系统连接图化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计说明,在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计图 5-9 开路热电偶的应用
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3.常用热电偶的种类工业上对热电极材料的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,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。
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热电偶名称 代号 分度号 热电极材料 测温范围 /℃
新 旧 正热电极 负热电极 长期使用 短期使用铂铑 30-铂铑 6
铂铑 10-铂镍铬 -镍硅镍铬 -铜镍铁 -铜镍铜 -铜镍
WRR
WRP
WRN
WRE
WRF
WRC
B
S
K
E
J
T
LL-2
LB-3
EU-2
-
-
CK
铂铑 30合金铂铑 10合金镍铬合金镍铬合金铁铜铂铑 6合金纯铂镍硅合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金
300～ 1600
-20～ 1300
-50～ 1000
-40～ 800
-40～ 700
-400～ 300
1800
1600
1200
900
750
350
表 5-2 常用热电偶化学工业出版社
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4.热电偶的构造及结构形式图 5-10 热电偶的结构
热电极
绝缘管
保护套管
接线盒化学工业出版社
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二、补偿导线与冷端温度补偿采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。
它也是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，其材料又是廉价金属。见左图。
1.补偿导线图 5-11 补偿导线接线图化学工业出版社
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101 teteteteE CADCBDAB
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 t0)，则图 5-11所示回路的总热电势为
(5-7)
01111 teteteteE CADCBDAB
1111 tetetete CABDDCAB
如果假定各接点温度全为 t1，代入式 (5-7)，则有
(5-8)
(5-9)或由于 t1一般是在 100℃ 以下,在此温度范围内,根据补偿导线的性质,有
111 tetete DCCDAB (5-10)
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011 tete CABD
将此式代入式 (5-9)
(5-11)
00 teteteteE CDABDCAB
将式 (5-11)代入式 (5-7),便有
(5-12)
00 tete CDAB?
因为
0teteE ABAB
故 (5-13)
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。
热电偶名称 补偿导线 工作端为 100℃,冷端为 0℃
时的标准热电势 mV正极 负极铂铑 10-铂镍铬 -镍硅镍铬 -铜镍铜铜镍铬铜镍铜镍铜镍
0.64± 0.03
4.10± 0.15
6.95± 0.30
表 5-3 常用热电偶的补偿导线
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计注意使用补偿导线时,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 t0应比较恒定且比较低。对于镍铬 -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。
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2.冷端温度的变化对测量的影响及消除方法在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为０ ℃,或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为 热电偶的冷端温度补偿 。一般采用下述几种方法。
图 5-12 热电偶冷端温度保持
０ ℃ 的方法
（ 1）热电势的修正方法在实际生产中，冷端温度往往不是 0℃,而是某一温度 t0，这就引起测量误差。因此，必须对冷端温度进行修正。
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0,0,,00 tEtEttE ABABAB
实际生产中，其冷端温度为 t0，即有
0,,0,00 tEttEtE ABABAB或由此可知，热电势的修正方法是把测得的热电势
EAB（ t,t0）,加上热端为室温 t0，冷端为 0℃ 时的热电偶的热电势 EAB（ t0,0）,才能得到实际温度下的热电势 EAB（ t,0） 。
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计举例 例 5-3 用铂铑
10-铂热电偶进行温度检测,热电偶的冷端温度 t0=30℃,显示仪表的温度读数 (假定此仪表是不带冷端温度自动补偿且是以温度刻度的 )为
985℃,试求被测温度的实际值。
26
解,由分度号为 S的铂铑 10-铂热电偶分度表 (附录一 )查出 985℃ 时的热电势值为 9.412mV。也就是 E(t,t0)=9.412mV,
又从分度表中查得 E(t0,0) = E(30,0) = 0.173mV。将此两个数值代入式 (5-14),得
E(t,0)=9.412mV+0.173mV=9.585(mV)
再查分度表可知,对应于 9.585mV的温度 t=1000℃,这就是该支铂铑 10-铂热电偶所测得的温度实际值。
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（ 2）校正仪表零点法若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不偏低，可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上。
注意,只能在测温要求不太高的场合下应用。
（ 3）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。
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计由于电桥是在 20℃ 时平衡的，所以采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到
20℃ 处。如果补偿电桥是在
0℃ 时平衡设计的（ DDZ-Ⅱ 型温度变送器中的补偿电桥），
则仪表零位应调在 0℃ 处。
注意！
图 5-13 具有补偿电桥的热电偶测温线路
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（ 4）补偿热电偶法在实际生产中，为了节省补偿导线和投资费用，
常用多支热电偶而配用一台测温仪表。
图 5-14 补偿热电偶连接线路化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 热电阻温度计
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在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温度的测量较为适宜。
热电阻温度计 是由热电阻，显示仪表以及连接导线所组成。
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www.cip.com.cn第三节 热电阻温度计
00 1 ttRR t
对于线性变化的热电阻来说，其电阻值与温度关系如下式
tRR tt 0?
热电阻温度计适用于测量 -200～ +500℃ 范围内液体、
气体、蒸汽及固体表面的温度。
一、测温原理利用热电阻的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。
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二、工业常用热电阻作为热电阻的材料一般要求是：
电阻温度系数、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、化学性质和良好的复制性；
电阻值随温度的变化关系，最好呈线性 ；
价格便宜。
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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。但价格较贵。
要确定 Rt～ t的关系,首先要确定 R0的大小。 R0不同,Rt～ t的关系也不同。这种 Rt～ t的关系称为分度表,
用分度号来表示。
工业上使用的铂电阻主要有分度号为 Pt100,它的
R0 = 100Ω,其分度表见附录四。
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2.铜电阻金属铜易加工提纯，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；在测温范围为 -50～
+150℃ 内，具有很好的稳定性。
tRR t10
在 -50～ +150℃ 的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的。即工业上常用的铂电阻有两种，一种是 R0＝ 50Ω，对应的分度号为 Cu50。另一种是 R0＝ 100Ω，对应的分度号为 Cu100。
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www.cip.com.cn第四节 温度变送器
一、电动温度变送器
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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。
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DDZ-Ⅲ 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。
根据 输入信号的不同,DDZ-Ⅲ 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。
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DDZ-Ⅲ 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 5-15所示。
温度检测元件 输入电路 放大电路反馈电路被测温度 输出电流 I0
图 5-15 温度变送器原理框图
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二、一体化温度变送器
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它是指将变送器模块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。
图 5-16 一体化温度变送器结构框图结构测温元件和变送器模块常用的变送器芯片,
AD693,XTR101,XTR103,IXR100等变送器模块的正常工作温度
-20～ +80℃
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三、智能式温度变送器
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以 SMART公司的 TT302温度变送器为例加以介绍。
优点? 可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度；
具有量程范围宽、精度高；
环境温度和振动影响小、抗干扰能力强；
质量轻；
安装维护方便。
结构由硬件部分和软件部分两部分构成。
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www.cip.com.cn第四节 温度变送器输入板 主电路板液晶显示器信号输入 信号输出图 5-17 TT302温度变送器基本构成框图
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www.cip.com.cn例题分析举例 1.用分度号为 K的镍铬 -镍硅热电偶测量温度,在没有采取冷端温度补偿的情况下,显示仪表指示值为 500℃,而这时冷端温度为 60℃,试问实际温度应为多少?如果热端温度不变,设法使冷端温度保持在 20℃,此时显示仪表的指示值应为多少?
解,显示仪表指示值为 500℃ 时,由附录三可以查得这时显示仪表的实际输入电势为 20.64mV,由于这个电势是由热电偶产生的,即
E(t,t0) = 20.64 (mV)
由附录三同样可以查得
E(t0,0) = E(60,0) = 2.436 (mV)
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www.cip.com.cn例题分析由式 (5-14)可以得到
E(t,0) = E(t,t0) + E(t0,0) = 20.64 + 2.436 = 23.076 (mV)
由 23.076mV,查附录三,可得
t≈557℃
即被测实际温度为 557℃ 。
当热端为 557℃,冷端为 20℃ 时,由于 E(20,0) = 0.798mV,
故有
E(t,t0) = E(t,0) - E(t0,0) = 23.076 - 0.798 = 22.278 (mV)
由此电势,查附录三,可得显示仪表指示值约为 538.4℃ 。
由此可见,当冷端温度降低时,显示仪表的指示值更接近于被测温度实际值。
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www.cip.com.cn例题分析
2.如果用两支铂铑 10-铂热电偶串联来测量炉温,连接方式分别如图 5-18(a),(b),(c)所示。已知炉内温度均匀,最高温度为 1000℃,试分别计算测量仪表的测量范围 (以最大毫伏数表示 )。
图 5-18 炉子温度测量
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www.cip.com.cn例题分析解,(a)由于这时热电偶的冷端均为 0℃,每支热电偶对应于 1000℃ 时的热电势可以由附录一查得
E(1000,0℃ ) = 9,585 (mV)
两支热电偶串联,测量仪表所测信号的最大值为
Emax = 2× 9.585 = 19.17 (mV)
根据这个数值可以确定仪表的测量范围。
(b)由于这时不仅要考虑补偿导线引出来以后的冷端温度 (30℃),而且要考虑炉旁边补偿导线与热电偶的接线盒内的温度 (100℃) 对热电势的影响。
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www.cip.com.cn例题分析假定补偿导线 C,D与热电偶 A,B本身在 100℃ 以下的热电特性是相同的,所以在冷端处形成的热电势为
E(30,0℃ ) = 0.173 (mV)
在补偿导线 C,D与热电偶的连接处 1,4两点可以认为不产生热电势,但在接线盒内 2,3两点形成的热电偶相当于热电偶在 100℃ 时形成的热电势,即
E(100,0℃ ) = 0.645 (mV)
由于该电势的方向与两支热电偶在热端产生的电势方向是相反的,所以这时总的热电势为
E max = 2E(1000,0℃ ) - E(100,0℃ ) - E(30,0℃ )
= 2× 9.585 - 0.645 - 0.173 = 18.352 (mV)
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www.cip.com.cn例题分析根据这个数值可以确定仪表的测量范围。在这种情况下,如果炉旁边接线盒内的温度变化,会以测量产生较大的影响,造成较大的测量误差。
(c)由于这时两支热电偶冷端都用补偿导线引至远离炉子处,冷端温度为 30℃,故总的热电势为
Emax = 2E(1000,0℃ ) - 2E(30,0℃ )
= 2× 9.585 - 2× 0.173 = 18.824 (mV)
由此可知,在同样都是用两支热电偶串联来测量炉温时,由于接线不同,产生的热电势也是不相同的,在选择测量仪表时,一定要考虑这种情况。
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3.在上题所述三种情况时,如果由测量仪表得到的信号都是 15mV,试分别计算这时炉子的实际温度。
解,在 (a)情况时,由于 2E(t,0) =15mV,即 E(t,0) = 7.5mV,
查表 (附录一 )可得实际温度约为 814.3℃ 。
在 (b)情况时,由于
2E(t,0) = 15 + E(30,0) + E(100,0)
=15 + 0.173 + 0.645 = 15,818 ( mV)
E(t,0) = 7,909 ( mV)
查表可得实际温度约为 851.2℃ 。
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www.cip.com.cn例题分析在 (c)情况时,由于
2E(t,0) = 15 + 2E(30,0) = 15 + 2× 0,173 = 15.346 (mV)
即 E(t,0) = 7,673 (mV)
查表可得实际温度约为 830℃ 。
由上述例子可以看出,虽然采用了补偿导线,但并不能完全克服冷端温度变化对测量的影响。补偿导线只是将冷端由温度变化比较剧烈的地方移至温度变化较小的地方。如果这时冷端的温度仍不为 0℃,那么还必须考虑如何进行冷端温度补偿的问题。
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4.在用热电偶测量温度时,除了要考虑冷端温度的影响外,
还要注意热电偶极性不能接错 ;热电偶与补偿导线要配套 ;
热电偶分度号与指示仪表要配套等问题。在用热电阻测量温度时,同样要考虑热电阻分度号与测量仪表配套、三线制接法等,下面给出几个思考题及其结论,请大家自行证明
(或说明 )。
(1)如果热电偶热端为 600℃,冷端为 30℃,仪表的机械零点为 0℃,没有加以冷端温度补偿。问该仪表的指示值将高于还是低于 600℃? ( 低于 600℃) 。
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(2)采用镍铬 -镍硅热电偶测量温度,将仪表机械零点调至
25℃,但实际上室温 (冷端温度为 10℃),问这时仪表指示值将偏高还是偏低? (偏高 )。
(3)有 S分度号动圈仪表一台,错接入 K分度号热电偶,问指示值偏高还是偏低? (偏高 )。
(4)铂铑 10-铂热电偶,错接入铜 -铜镍补偿导线 (铂铑 10
与铜相接,铂与铜镍相接 ),问指示值将偏高还是偏低? (偏高 )。
(5)当热电偶补偿导线极性接错时,指示值偏高还是偏低?
(偏低 )。
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(6)当热电偶短路、断路及极性接反时,与之配套的自动电子电位差计的指针各指向哪里? (室温或指示值偏低、断偶前的温度、始端 )。
(7)当热电阻短路或断路时,与之配套的动圈仪表指针将指向哪里? (始端、终端 )。
(8)当用热电阻测温时,若不采用三线制接法,而连接热电阻的导线因环境温度升高而增加时,其指示值将偏高还是偏低? (偏高 )。
51
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化工仪表及自动化第五章 温度检测化学工业出版社
www.cip.com.cn内容提要
概述
测温仪表的分类
温度检测的基本原理
热电偶温度计
热电偶
补偿导线与冷端温度补偿
热电阻温度计
测温原理
常用热电阻
1
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www.cip.com.cn内容提要
温度变送器
电动温度变送器
一体化温度变送器
智能式温度变送器
2
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www.cip.com.cn第一节 概述
一、测温仪表的分类温度不能直接测量，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。
分类按测量方式接触式与非接触式
3
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www.cip.com.cn第一节 概述测温方式温度计种类优点 缺点 使用范围／ ℃
接触式测温仪表玻璃液体温度计结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉容易破损、读数麻烦、一般只能现场指示,不能记录与远传
-100～ 100（ 150）有机液体
0 ～ 350（ -30 ～ 650）水银双金属温度计结构简单、机械强度大、价格低、能记录、报警与自控精度低、不能离开测量点测量,
量程与使用范围均有限
0 ～ 300（ -50 ～ 600）
压力式温度计结构简单、不怕震动、具有防爆性、价格低廉、能记录、
报警与自控精度低、测量距离较远时,仪表的滞后性较大、一般离开测量点不超过 10米
0 ～ 500（ -50 ～ 600）液体型
0 ～ 100（ -50 ～ 200）蒸汽型电阻温度计测量精度高,便于远距离、
多点、集中测量和自动控制结构复杂、不能测量高温,由于体积大,测点温度较困难
-150 ～ 500（ -200 ～ 600）铂电阻
0 ～ 100（ -50 ～ 150）铜电阻
-50 ～ 150（ 180）镍电阻
-100 ～ 200（ 300）热敏电阻热电偶温度计测温范围广,精度高,便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿,在低温段测量精度较低
-20 ～ 1300（ 1600）铂铑 10-铂
-50 ～ 1000（ 1200）镍铬 -镍硅
-40 ～ 800（ 900）镍铬 -铜镍
-40 ～ 300（ 350）铜 -铜镍非接触式测温仪表光学高温计携带用、可测量高温、测温时不破坏被测物体温度场测量时,必须经过人工调整,有人为误差,不能作远距离测量,
记录和自控
900 ～ 2000（ 700 ～ 2000）
辐射高温计测温元件不破坏被测物体温度场,能作远距离测量、报警和自控、测温范围广只能测高温,低温段测量不准,
环境条件会影响测量精度,连续测高温时须作水冷却或气冷却
100 ～ 2000（ 50 ～ 2000）
表 5-1 各种温度计的优缺点及使用范围
4
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www.cip.com.cn第一节 概述
1.应用热膨胀原理测温图 5-1 双金属片
5
图 5-2 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。
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www.cip.com.cn第一节 概述
2.应用压力随温度变化的原理测温
3.应用热阻效应测温
4.应用热电效应测温
5.应用热辐射原理测温
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计
一、热电偶
7
热电偶温度计 是以热电效应为基础的测温仪表。
图 5-3 热电偶温度计测温系统示意图
1— 热电偶； 2— 导线； 3— 测量仪表热电偶温度计 由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。
图 5-4 热电偶示意图化学工业出版社
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1.热电现象及测温原理图 5-5 热电现象 图 5-6 接触电势形成的过程
00
00
,
,
tetettE
tetettE
BAAB
ABAB
左图闭合回路中总的热电势或图 5-7 热电偶原理化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计注意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。
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 t0时,则热电势与温度之间的关系可用下式进行计算。
EAB(t,t0) = EAB(t,0) -EAB(t0,0)
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计举例 例 5-1 今用一只镍铬 -镍硅热电偶,测量小氮肥厂中转化炉的温度,已知热电偶工作端温度为 800℃,自由端
(冷端 )温度为 30℃,求热电偶产生的热电势
E(800,30)。
解：由附录三可以查得
E(800,0)=33.277(mV)
E(30,0)=1.203(mV)
将上述数据代入式 (5-3),即得 E(800,30)=E(800,0) -
E(30,0)=32.074 ( mV)
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计例 5-2 某支铂铑 10-铂热电偶在工作时，自由端温度 t0=
30℃,测得热电势 E(t,t0) =14.195mV，求被测介质的实际温度。
解,由附录一可以查得
E(30,0)=0.173(mV)
代入式 (5-3)变换得
E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=0.173+14.195=14.368(mV)
再由附录一可以查得 14.368mV对应的温度 t为 1400℃ 。
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计注意,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 。
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2.插入第三种导线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，见下图。
00 teteteE CABCABt
总的热电势
（ 5-4）
000 000
0
tetete
tetete
CABCAB
CABCAB
能量守恒原理
（ 5-5）
0teteE ABABt （ 5-6）
将式（ 5-5） 5代入式（ 5-4）
图 3-58 热电偶测温系统连接图化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计说明,在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计图 5-9 开路热电偶的应用
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3.常用热电偶的种类工业上对热电极材料的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,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。
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热电偶名称 代号 分度号 热电极材料 测温范围 /℃
新 旧 正热电极 负热电极 长期使用 短期使用铂铑 30-铂铑 6
铂铑 10-铂镍铬 -镍硅镍铬 -铜镍铁 -铜镍铜 -铜镍
WRR
WRP
WRN
WRE
WRF
WRC
B
S
K
E
J
T
LL-2
LB-3
EU-2
-
-
CK
铂铑 30合金铂铑 10合金镍铬合金镍铬合金铁铜铂铑 6合金纯铂镍硅合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金
300～ 1600
-20～ 1300
-50～ 1000
-40～ 800
-40～ 700
-400～ 300
1800
1600
1200
900
750
350
表 5-2 常用热电偶化学工业出版社
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4.热电偶的构造及结构形式图 5-10 热电偶的结构
热电极
绝缘管
保护套管
接线盒化学工业出版社
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二、补偿导线与冷端温度补偿采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。
它也是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，其材料又是廉价金属。见左图。
1.补偿导线图 5-11 补偿导线接线图化学工业出版社
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101 teteteteE CADCBDAB
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 t0)，则图 5-11所示回路的总热电势为
(5-7)
01111 teteteteE CADCBDAB
1111 tetetete CABDDCAB
如果假定各接点温度全为 t1，代入式 (5-7)，则有
(5-8)
(5-9)或由于 t1一般是在 100℃ 以下,在此温度范围内,根据补偿导线的性质,有
111 tetete DCCDAB (5-10)
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011 tete CABD
将此式代入式 (5-9)
(5-11)
00 teteteteE CDABDCAB
将式 (5-11)代入式 (5-7),便有
(5-12)
00 tete CDAB?
因为
0teteE ABAB
故 (5-13)
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。
热电偶名称 补偿导线 工作端为 100℃,冷端为 0℃
时的标准热电势 mV正极 负极铂铑 10-铂镍铬 -镍硅镍铬 -铜镍铜铜镍铬铜镍铜镍铜镍
0.64± 0.03
4.10± 0.15
6.95± 0.30
表 5-3 常用热电偶的补偿导线
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计注意使用补偿导线时,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 t0应比较恒定且比较低。对于镍铬 -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。
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2.冷端温度的变化对测量的影响及消除方法在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为０ ℃,或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为 热电偶的冷端温度补偿 。一般采用下述几种方法。
图 5-12 热电偶冷端温度保持
０ ℃ 的方法
（ 1）热电势的修正方法在实际生产中，冷端温度往往不是 0℃,而是某一温度 t0，这就引起测量误差。因此，必须对冷端温度进行修正。
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0,0,,00 tEtEttE ABABAB
实际生产中，其冷端温度为 t0，即有
0,,0,00 tEttEtE ABABAB或由此可知，热电势的修正方法是把测得的热电势
EAB（ t,t0）,加上热端为室温 t0，冷端为 0℃ 时的热电偶的热电势 EAB（ t0,0）,才能得到实际温度下的热电势 EAB（ t,0） 。
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计举例 例 5-3 用铂铑
10-铂热电偶进行温度检测,热电偶的冷端温度 t0=30℃,显示仪表的温度读数 (假定此仪表是不带冷端温度自动补偿且是以温度刻度的 )为
985℃,试求被测温度的实际值。
26
解,由分度号为 S的铂铑 10-铂热电偶分度表 (附录一 )查出 985℃ 时的热电势值为 9.412mV。也就是 E(t,t0)=9.412mV,
又从分度表中查得 E(t0,0) = E(30,0) = 0.173mV。将此两个数值代入式 (5-14),得
E(t,0)=9.412mV+0.173mV=9.585(mV)
再查分度表可知,对应于 9.585mV的温度 t=1000℃,这就是该支铂铑 10-铂热电偶所测得的温度实际值。
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计
（ 2）校正仪表零点法若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不偏低，可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上。
注意,只能在测温要求不太高的场合下应用。
（ 3）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。
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www.cip.com.cn第二节 热电偶温度计由于电桥是在 20℃ 时平衡的，所以采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到
20℃ 处。如果补偿电桥是在
0℃ 时平衡设计的（ DDZ-Ⅱ 型温度变送器中的补偿电桥），
则仪表零位应调在 0℃ 处。
注意！
图 5-13 具有补偿电桥的热电偶测温线路
28
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（ 4）补偿热电偶法在实际生产中，为了节省补偿导线和投资费用，
常用多支热电偶而配用一台测温仪表。
图 5-14 补偿热电偶连接线路化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 热电阻温度计
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在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温度的测量较为适宜。
热电阻温度计 是由热电阻，显示仪表以及连接导线所组成。
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www.cip.com.cn第三节 热电阻温度计
00 1 ttRR t
对于线性变化的热电阻来说，其电阻值与温度关系如下式
tRR tt 0?
热电阻温度计适用于测量 -200～ +500℃ 范围内液体、
气体、蒸汽及固体表面的温度。
一、测温原理利用热电阻的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。
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二、工业常用热电阻作为热电阻的材料一般要求是：
电阻温度系数、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、化学性质和良好的复制性；
电阻值随温度的变化关系，最好呈线性 ；
价格便宜。
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www.cip.com.cn第三节 热电阻温度计
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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。但价格较贵。
要确定 Rt～ t的关系,首先要确定 R0的大小。 R0不同,Rt～ t的关系也不同。这种 Rt～ t的关系称为分度表,
用分度号来表示。
工业上使用的铂电阻主要有分度号为 Pt100,它的
R0 = 100Ω,其分度表见附录四。
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2.铜电阻金属铜易加工提纯，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；在测温范围为 -50～
+150℃ 内，具有很好的稳定性。
tRR t10
在 -50～ +150℃ 的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的。即工业上常用的铂电阻有两种，一种是 R0＝ 50Ω，对应的分度号为 Cu50。另一种是 R0＝ 100Ω，对应的分度号为 Cu100。
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www.cip.com.cn第四节 温度变送器
一、电动温度变送器
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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。
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www.cip.com.cn第四节 温度变送器
DDZ-Ⅲ 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。
根据 输入信号的不同,DDZ-Ⅲ 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。
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DDZ-Ⅲ 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 5-15所示。
温度检测元件 输入电路 放大电路反馈电路被测温度 输出电流 I0
图 5-15 温度变送器原理框图
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二、一体化温度变送器
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它是指将变送器模块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。
图 5-16 一体化温度变送器结构框图结构测温元件和变送器模块常用的变送器芯片,
AD693,XTR101,XTR103,IXR100等变送器模块的正常工作温度
-20～ +80℃
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三、智能式温度变送器
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以 SMART公司的 TT302温度变送器为例加以介绍。
优点? 可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度；
具有量程范围宽、精度高；
环境温度和振动影响小、抗干扰能力强；
质量轻；
安装维护方便。
结构由硬件部分和软件部分两部分构成。
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www.cip.com.cn第四节 温度变送器输入板 主电路板液晶显示器信号输入 信号输出图 5-17 TT302温度变送器基本构成框图
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www.cip.com.cn例题分析举例 1.用分度号为 K的镍铬 -镍硅热电偶测量温度,在没有采取冷端温度补偿的情况下,显示仪表指示值为 500℃,而这时冷端温度为 60℃,试问实际温度应为多少?如果热端温度不变,设法使冷端温度保持在 20℃,此时显示仪表的指示值应为多少?
解,显示仪表指示值为 500℃ 时,由附录三可以查得这时显示仪表的实际输入电势为 20.64mV,由于这个电势是由热电偶产生的,即
E(t,t0) = 20.64 (mV)
由附录三同样可以查得
E(t0,0) = E(60,0) = 2.436 (mV)
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www.cip.com.cn例题分析由式 (5-14)可以得到
E(t,0) = E(t,t0) + E(t0,0) = 20.64 + 2.436 = 23.076 (mV)
由 23.076mV,查附录三,可得
t≈557℃
即被测实际温度为 557℃ 。
当热端为 557℃,冷端为 20℃ 时,由于 E(20,0) = 0.798mV,
故有
E(t,t0) = E(t,0) - E(t0,0) = 23.076 - 0.798 = 22.278 (mV)
由此电势,查附录三,可得显示仪表指示值约为 538.4℃ 。
由此可见,当冷端温度降低时,显示仪表的指示值更接近于被测温度实际值。
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www.cip.com.cn例题分析
2.如果用两支铂铑 10-铂热电偶串联来测量炉温,连接方式分别如图 5-18(a),(b),(c)所示。已知炉内温度均匀,最高温度为 1000℃,试分别计算测量仪表的测量范围 (以最大毫伏数表示 )。
图 5-18 炉子温度测量
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www.cip.com.cn例题分析解,(a)由于这时热电偶的冷端均为 0℃,每支热电偶对应于 1000℃ 时的热电势可以由附录一查得
E(1000,0℃ ) = 9,585 (mV)
两支热电偶串联,测量仪表所测信号的最大值为
Emax = 2× 9.585 = 19.17 (mV)
根据这个数值可以确定仪表的测量范围。
(b)由于这时不仅要考虑补偿导线引出来以后的冷端温度 (30℃),而且要考虑炉旁边补偿导线与热电偶的接线盒内的温度 (100℃) 对热电势的影响。
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www.cip.com.cn例题分析假定补偿导线 C,D与热电偶 A,B本身在 100℃ 以下的热电特性是相同的,所以在冷端处形成的热电势为
E(30,0℃ ) = 0.173 (mV)
在补偿导线 C,D与热电偶的连接处 1,4两点可以认为不产生热电势,但在接线盒内 2,3两点形成的热电偶相当于热电偶在 100℃ 时形成的热电势,即
E(100,0℃ ) = 0.645 (mV)
由于该电势的方向与两支热电偶在热端产生的电势方向是相反的,所以这时总的热电势为
E max = 2E(1000,0℃ ) - E(100,0℃ ) - E(30,0℃ )
= 2× 9.585 - 0.645 - 0.173 = 18.352 (mV)
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www.cip.com.cn例题分析根据这个数值可以确定仪表的测量范围。在这种情况下,如果炉旁边接线盒内的温度变化,会以测量产生较大的影响,造成较大的测量误差。
(c)由于这时两支热电偶冷端都用补偿导线引至远离炉子处,冷端温度为 30℃,故总的热电势为
Emax = 2E(1000,0℃ ) - 2E(30,0℃ )
= 2× 9.585 - 2× 0.173 = 18.824 (mV)
由此可知,在同样都是用两支热电偶串联来测量炉温时,由于接线不同,产生的热电势也是不相同的,在选择测量仪表时,一定要考虑这种情况。
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3.在上题所述三种情况时,如果由测量仪表得到的信号都是 15mV,试分别计算这时炉子的实际温度。
解,在 (a)情况时,由于 2E(t,0) =15mV,即 E(t,0) = 7.5mV,
查表 (附录一 )可得实际温度约为 814.3℃ 。
在 (b)情况时,由于
2E(t,0) = 15 + E(30,0) + E(100,0)
=15 + 0.173 + 0.645 = 15,818 ( mV)
E(t,0) = 7,909 ( mV)
查表可得实际温度约为 851.2℃ 。
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www.cip.com.cn例题分析在 (c)情况时,由于
2E(t,0) = 15 + 2E(30,0) = 15 + 2× 0,173 = 15.346 (mV)
即 E(t,0) = 7,673 (mV)
查表可得实际温度约为 830℃ 。
由上述例子可以看出,虽然采用了补偿导线,但并不能完全克服冷端温度变化对测量的影响。补偿导线只是将冷端由温度变化比较剧烈的地方移至温度变化较小的地方。如果这时冷端的温度仍不为 0℃,那么还必须考虑如何进行冷端温度补偿的问题。
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4.在用热电偶测量温度时,除了要考虑冷端温度的影响外,
还要注意热电偶极性不能接错 ;热电偶与补偿导线要配套 ;
热电偶分度号与指示仪表要配套等问题。在用热电阻测量温度时,同样要考虑热电阻分度号与测量仪表配套、三线制接法等,下面给出几个思考题及其结论,请大家自行证明
(或说明 )。
(1)如果热电偶热端为 600℃,冷端为 30℃,仪表的机械零点为 0℃,没有加以冷端温度补偿。问该仪表的指示值将高于还是低于 600℃? ( 低于 600℃) 。
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(2)采用镍铬 -镍硅热电偶测量温度,将仪表机械零点调至
25℃,但实际上室温 (冷端温度为 10℃),问这时仪表指示值将偏高还是偏低? (偏高 )。
(3)有 S分度号动圈仪表一台,错接入 K分度号热电偶,问指示值偏高还是偏低? (偏高 )。
(4)铂铑 10-铂热电偶,错接入铜 -铜镍补偿导线 (铂铑 10
与铜相接,铂与铜镍相接 ),问指示值将偏高还是偏低? (偏高 )。
(5)当热电偶补偿导线极性接错时,指示值偏高还是偏低?
(偏低 )。
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(6)当热电偶短路、断路及极性接反时,与之配套的自动电子电位差计的指针各指向哪里? (室温或指示值偏低、断偶前的温度、始端 )。
(7)当热电阻短路或断路时,与之配套的动圈仪表指针将指向哪里? (始端、终端 )。
(8)当用热电阻测温时,若不采用三线制接法,而连接热电阻的导线因环境温度升高而增加时,其指示值将偏高还是偏低? (偏高 )。
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