第二章 温度测量.ppt

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四、热电偶的构造
1、普通型热电偶
常用的普通型热电偶本体是一端焊接的两根金属丝(热电极)。考虑到两根热电极之间的电气绝缘和防止有害介质侵蚀热电极,在工业上使用的热电偶一般都有绝缘管和保护套管。在个别情况下,如果被测介质对热电偶不会发生侵蚀作用,也可不用保护套管,以减小接触测温误差与滞后。
热电偶的结构
1-热电偶热端;2-热电极;3-绝缘管;4-保护套管;5-接线盒
2、铠装热电偶
铠装热电偶是由金属套管、绝缘材料和热电极经拉伸加工而成的坚实组合体,其结构如图所示。套管材料有铜、不锈钢及镍基高温合金等。热电偶与套管之间填满了绝缘材料的粉末,目前采用的绝缘材料绝大部分为氧化镁。套管中的热电极有单丝的、双丝的和四丝的,彼此之间互相绝缘
3、薄膜热电偶
薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶。这种薄膜热电偶的热端既小又薄,热容量很小,可以用于微小面积上的温度测量;动态响应快,可测量瞬变的表面温度。我国研制成的铁一镍薄膜热电偶如图所示,
五、热电偶冷端温度处理方法
热电偶的测温原理表明:热电偶的热电势是两个接点温度的函数差,只有当冷端温度不变时,热电势才是热端温度的单值函数。但在实际应用中,热电偶冷端所处环境温度总有波动,从而使测量得不到正确结果,因此必须对热电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施,使热电偶的热电势只反映热端温度(被测温度)的变化,而不受冷端温度变化的影响。
常用的处理办法有以下几种。若温度显示仪表分度时规定热电偶冷端温度为0℃,而在使用中冷端温度为t0≠0℃时,根据热电偶的中间温度定律,得知在这种情况下产生的热电势为EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)(2-8)式中EAB(t,0)——冷端为0℃、热端为t℃时的热电势;EAB(t,t0)——冷端为t0℃,热端为t℃时的热电势,即实测值;EAB(t0,0)——冷端为t0℃应加的校正值。2、仪表机械零点调整法仪表的机械零点为仪表输入电势为零时,指针停留的刻度点,也就是仪表的刻度起始点。若预知热电偶冷端温度为t0,在测温回路开路情况下,将仪表的刻度起始点调定在t0位置,此时相当于人为给仪表输入热电势EAB(t0,0),在接通测温回路后,输入仪表的热电势为EAB(t,t0)+EAB(t0,0)=EAB(t,0)使仪表指针指示热端温度t值。3、恒温法在精密测量中,一般要求热电偶冷端温度保持为0℃,通常采用冰点槽。冰点槽的容器中充满蒸馏水与碎冰块的混合物,其温度保持为0℃。
冰点槽法是准确度很高的冷端处理方法,然而使用比较麻烦,需要保持冰、水两相共存,一般限于实验室精确测温或热电偶检定时使用。
在现场,常使用电加热式恒温箱。这种恒温箱通过接点控制或其他控制方式维持箱内温度恒定(常为50℃)。
4、补偿电桥法(冷端补偿器)
补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化所引起的热电势的变化。
5、多点测量的热电偶冷端温度补偿
(1)利用一块显示仪表和一个冷端温度补偿器的多点测量线路;
(2)用一只辅助热电偶对多只同型号热电偶冷端进行补偿的线路;
六、热电偶的校验
热电偶经过长期使用后,由于氧化、腐蚀等原因,其材料的性质将会逐渐变化,热特性也会随之改变,造成测温误差。为此,有必要对热电偶定期进行校验,以确定其误差是否超出规定的允许误差。如超出允许误差则应报废或将其热端剪去一段后重新焊接,再经校验合格后才能使用。
热电偶的校验有两种方法。一种是定点法,就是在国际温标规定的定点温度(如锌、银、金、锑等金属的相平衡点温度)下进行校验。这种方法的特点是精确度高,但设备复杂、校验点数少,而且校验操作复杂。该方法只用于对高精确度的铂铑一铂热电偶的校验。另一种是比较法,它是广泛采用的方法,可用于实验室用和工业用热电偶的校验。
比较法校验是用标准热电偶与被校热电偶测同一稳定对象的温度来进行的。一般用管式电炉作为被测对象,通过手动操作或温度控制器控制调整电炉的温度,并稳定在预定的温度值上。标准热电偶一般采用比被校热电偶精确度更高的铂铑10-铂热电偶。
第二节热电阻测温
工业上广泛应用电阻温度计来测量―200~+500℃之间的温度。电阻温度计的特点是准确度高;在中低温下(500℃以下)测温,它的输出信号比热电偶的要大得多,故灵敏度高;电阻温度计的输出是电信号,因此便于信号的远传和实现多点切换测量。
电阻温度计由热电阻、显示仪表和连接导线组成,热电阻由电阻体、绝缘管和保护套管等主要部件组成。
一、测温原理
根据材料不同,测温热电阻可分为金属和半导体热电阻两种。实验证明,大多数金属导体当温度升高1℃时,%~%,半导体的阻值要减小3%~6%。正是由于导体和半导体的电阻值会随温度而变化,因此测量它们的电阻值变化便可达到测温的目的。
电阻温度系数的定义是:温度变化l℃时电阻值的相对变化量,用α来表示,单位是℃-1,根据定义,α用下式表示:
一般材料的温度系数α并非常数,在不同的温度下具有不同的数值。因此常用(R100-R0)/(R0×100)代表0~100℃之间的平均温度系数,其中R100表示100℃时的电阻值,R0表示0℃时的电阻值。电阻温度系数越大,热电阻的灵敏度越高,测量温度时就越容易得到准确的结果。
二、标准化热电阻
1、铂电阻
•特点是稳定性好、准确度高、性能可靠,在还原性气氛中,特别是在高温下很容易被还原性气体污染,铂丝将变脆,并改变了电阻与温度间的关系;
•铂的纯度常以R100/R0来表示。对于工业用铂电阻,规定其R100/;
•分度号:Pt10和Pt100;
•铂电阻的温度特性可用下列二式表示:
在一200~0℃之间
Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]
在0~850℃之间
Rt=R0(1+At+Bt2)
以上两式中Rt——t℃时的电阻值;
R0——0℃时的电阻值;
A,B,C——常数,对于工业用铂电阻,A=×10-3℃-1,B=-×10-7℃-2,C=—×10-12℃-4
2、铜电阻
•特点:铜电阻的电阻值与温度的关系几乎是线性的,它的电阻温度系数也比较大,而且材料容易提纯,价格比较便宜,所以在一些测量准确度要求不是很高、而且温度较低的场合,可使用铜电阻,它的测量范围是一50~+150℃。铜电阻的缺点是:在250℃以上容易氧化,因此只能用在低温及没有腐蚀性的介质中;铜的电阻率ρ比较小,做成一定阻值的热电阻时体积就不可能很小。
•纯度:我国规定工业用铜电阻的R100/R0=。
•分度号:铜电阻的分度号是Cu50和Cul00,表示其R0分别为50Ω及100Ω。
•分度关系:铜电阻在其测量范围内的温度特性可用下式表示:
Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)
式中Rt——t℃时的电阻值;
R0——0℃时的电阻值
A,B,C——常数,对于工业用铜电阻,A=×10-3℃-1,B=-×10-7℃-2,C=×10-9℃-3。
由于铜电阻的特性在0~100℃之间基本上是线性的,所以在0~100℃之间的温度特性可以用下式表示:
Rt=R0(1+αt)
式中α——0~100℃之间的温度系数,×10-3℃-1。
3、镍电阻
镍电阻的温度系数α较大,因此其灵敏度比铂和铜的高。当温度超过200℃时,α具有特异点,因此规定镍电阻的使用温度范围为一60~+180℃。镍电阻的电阻比R100/R0=。由于镍电阻的制造工艺较复杂,很难获得α相同的镍丝,因此它的测量准确度比铂电阻低,制定标准很困难,我国虽已规定它为标准化热电阻,但尚未制订出相应的标准分度表。它的分度号有Ni100,Ni300,Ni500。对Ni100而言,它的温度特性为
Rt=100+At+Bt2+Ct4
式中:A,B,C为常数,对于R100/R0=,A=℃-1;B=×10-3℃-1;C=×10-9℃-4。
三、工业用热电阻的结构
工业用热电阻的外形和热电偶基本相同,它由热电阻体、引出线、绝缘骨架、保护套管、接线盒等部分组成。其中保护套管和接线盒的外形及其功能、要求和热电偶基本相同,就不另作介绍了。
1、绝缘骨架,
绝缘骨架是用以缠绕、支撑和固定热电阻丝的支架。它的质量影响热电阻的技术性能。

3、引出线(l)两线制(2)三线制(3)四线制
4、铠装热电阻
铠装热电阻是将热电阻体(感温元件)焊到由金属保护套管、绝缘材料和金属导线三者经拉伸而成的细管导线上形成的,然后在外面再焊一段短管做保护套管,在热电阻体与保护套管之间填满绝缘材料,最后焊上封头,其结构如图所示。