第 5 章 温度检测实训

1. 第5章 温度检测实训 • 温度检测的主要方法和分类 • 热电偶及其测温原理 • 温度变送器简介 • 温度检测仪表的选用

2. 5.1 温度检测方法和分类

3. 1、膨胀式温度计 • 玻璃液体温度计 • 利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度 • 双金属温度计 • 不同金属受热膨胀不同，双金属片在受热情况下发生弯曲而显示温度 t = t0 t  t0

4. 2、压力式温度计 原理：利用液体的蒸发或气体的膨胀而引起的压力变化进行测量。 组成： • 温包：传热、容纳膨胀介质； • 毛细管：传递压力； • 弹簧管：显示压力（温度）。

5. 3、辐射式温度计 • 通过特定波长光波的强度或热辐射强度来确定光源温度。 辐射式温度计：测定热辐射强度； 光学温度计：采用光学分频法，测定不同频率光波的强度比值； 比色法：直接通过可见光颜色的对比，确定光源温度。 • 辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特别是光学温度计和比色温度计需要利用物体在高温下发射的可见光进行检测。

6. 5.2 热电偶及其测温原理 • 热电偶工作原理 • 热电效应和热电偶 • 热电偶中间导体定律与热电势的检测 • 热电偶的等值替代定律和补偿导线 • 标准化热电偶和分度表 • 热电偶冷端温度的处理 • 热电偶的结构型式

7. 1. ——热电偶工作原理 • 不同金属具有不同的电子密度； • 两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生电场—热电现象； • 电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡； • 电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散作用越强。 扩散作用 - - + + 金属A 金属B 电场作用

8. B B A A 图3-37 热电偶示意图 图3-38 热电现象 eAB(t0) eA(t,t0) eB(t,t0) A B eAB(t) ——热电效应和热电偶 热电效应（热电偶测温的基本原理）：任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为 t 及 t0 的热源中，则在该回路内就会产生热电势。 t 端称为工作端(假定该端置于热源中)，又称测量端或热端 t0端称为自由瑞，又称参考端或冷端 这两种不同导体或半导体的组合称为热电偶 每根单独的导体或半导体称为热电极

9. eAB(t0) eA(t,t0) eB(t,t0) A B eAB(t) 闭合回路中所产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成： 下标A表示正电极，B表示负电极，由于温差电势比接触电势小很多，常常把它忽略不计，这样热电偶的电势可表示为： 注意：如果下标次序改为eBA，则热电势e前面的符号也应相应改变，即 式(i)就是热电偶测温的基本公式。当冷端温度t0一定时，对于确定的热电偶来说，eAB(t0)为常数，因此，其总热电势EAB(t,t0)就与温度t成单值函数对应关系，和热电偶的长短、直径无关。只要测量出热电势大小，就能判断被测温度的高低，这就是热电偶的温度测量原理。 重要结论： 1.如果组成热电偶的两种电极材料相同，则无论热电偶冷、热两端的温度如何，闭合回路中的总热电势为零； 2.如果热电偶冷、热两端的温度相同，则无论两电极材料如何，闭合回路中的总热电势也为零 3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有关之外，还与电极材料有关，也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的。

10. 毫伏计 C C t0 A B t ——中间导体定律和热电势的测量 热电偶的输出信号是毫伏信号，毫伏信号的大小不仅与冷、热两端的温度有关，还和热电偶的电极材料有关，理论上任何两种不同导体都可以组成热电偶，都会产生热电势。 但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢？ 因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表，那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势，对热电偶回路产生影响呢？ 答：不会产生影响的。

11. A t0 t0 t C t0 毫伏计 B C C t0 A B A B t t 中间导体定律 如果断开冷端，接入第三种导体C，并保持A和C、B和C接触处的温度均为t0，则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和: 当t＝t0时，有 于是可得 同理还可以证明，在热电偶中接入第四种、第五种……导体以后，只要接入导体的两端温度相同，接入的导体对原热电偶回路中的热电势均没有影响。 根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出。

12. 如果热电偶AB在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶CD在同一温度范围内所产生的热电势相等，即 ，则这两支热电偶在该温度范围内是可以相互替换的，这就是所谓的热电偶等值替代定律。 t0 t0 例 如左图，设 ， 证明该回路的总热电势为 C D A B tc tc A B A B t t ——等值替代定律和补偿导线 （略）

13. 恒温环境 补偿导线 生产现场 毫伏计 A C t0 D B tc A B 冷端的延伸 热电偶 被测设备 t 某热电偶，热端温度为t，冷端温度为tc，显然冷端温度难以实现恒定，怎么办？ 把冷端温度延伸到控制室，变为t0，恒定t0比较容易 可以把热电偶做得很长，一直到控制室。 此时，测得的热电势为 但热电偶一般为（较）贵重的金属，采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料，不妥。 如果选用一组较廉价的材料（C、D），且CD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶AB在同一温度范围内所产生的热电势相等，就可以用CD来替代AB的延伸段。 CD即为热电偶AB的补偿导线，通常CD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成，一般在0～100℃范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质。 在选择和使用补偿导线时，要和热电偶的型号相匹配，注意极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度一般不能高于100℃。

14. ——热电偶冷端温度的处理 拆开冷端，串入“毫伏计”，可以测量热电势，而不影响总的热电势 中间导体定律 利用补偿导线来延伸冷端，是把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的现场延伸到温度较低和比较稳定的操作室内 等值替代定律 由于操作室内的温度往往高于0℃，而且也是不恒定的（即使有空调也是不恒定的），这时，热电偶产生的热电势必然会随冷端温度的变化而变。 因此，在应用热电偶时，只有把冷端温度保持为0℃，或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果，对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿。 目前，热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法： 冰浴法 计算修正法 电桥补偿法

15. 毫伏计 补偿导线 0℃恒温装置 tc 热电偶 t + R2 R1 － E + a b － + － Rcu R3 t 电桥补偿法 冰浴法——把热电偶的冷端放入恒温装置中，保持冷端温度为0℃， 多用于实验室 计算修正法——如例6。这种方法适用于实验室或者临时测温。 电桥补偿法——仪表中常用

16. + R2 R1 － E + a b － + － Rcu R3 t 电桥补偿法 是仪表中最常用的一种处理方法，它利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶因冷端温度的变化而引起热电势的变化 如图，电桥由R1、R2、R3（均为锰铜电阻）和RCu（热敏铜电阻）组成。 在设计的冷端温度（例如t0＝0℃）时，满足R1＝R2，R3＝RCu，这时电桥平衡，无电压输出，即Uab=0，回路中的输出电势就是热电偶产生的热电势 当冷端温度由t0变化到t’0时，不妨设t’0 >t0，热电偶输出的热电势减小，但电桥中RCu随温度的上升而增大，于是电桥两端会产生一个不平衡电压Uab(t’0 ) 此时回路中输出的热电势为: 经过设计，可使电桥的不平衡电压等于因冷端温度变化引起的热电势变化，即 于是实现了冷端温度的自动补偿。 实际的补偿电桥一般是按t0＝20℃设计的，即t0＝20℃时，补偿电桥平衡无电压输出。

17. 5.3 温度变送器简介 • 功能： • 对信号进行放大和转换； • 信号的线性化。 • 组成部分： • 输入电桥； • 放大器； • 反馈电路； • 电源电路。 被测温度 热电偶或热电阻 输入电桥 放大电路 反馈电路 电源电路

18. ——DDZ－III型温度变送器 （实验） 分为热电偶温度变送器和热电阻温度变送器两种 热电偶温度变送器：把mV信号转换为标准电流输出（4-20mA） 热电阻温度变送器：把Ω信号转换为标准电流输出（4-20mA） 最终要求：变送器输出电流Io应与被测温度t成线性对应关系 热电偶温度变送器应主要要解决：冷端温度补偿和线性化处理两个内容 热电偶温度变送器输入热电势毫伏信号，输入回路即是冷端温度自动补偿桥路，其产生的补偿电势与热电势相加后作为测量电势，因此补偿电桥上的参数与热电偶分度号有关，热电偶温度变送器使用时要注意分度号的匹配。 线性化处理电路（略） 热电阻温度变送器应主要要解决：克服引线电阻的影响和线性化处理两个内容 采用三线制输入方式。 线性化处理电路（略）

19. 精度不高 适用于测量500～1800℃范围的中高温度 适用于测量500℃以下的中低温度 一般用于2000℃以上的高温测量 5.4 温度检测仪表的选用 工业上常见的温度检测仪表主要有: 双金属温度计 热电偶 热电阻 辐射式 就地指示 在线检测 选择使用热电阻、热电偶时 还应该根据相应的要求确定合适的分度号。