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第一節(jié)溫度測量的基本概念 一 溫度測量的基本概念溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運(yùn)動的劇烈程度 溫度越高 表示物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動越劇烈 模擬圖 在一個密閉的空間里 氣體分子在高溫時的運(yùn)動速度比低溫時快 低溫 高溫 二 溫標(biāo) 1 溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo) 它規(guī)定了溫度的讀數(shù)的起點(diǎn) 即零點(diǎn) 以及溫度的單位 各類溫度計的刻度均由溫標(biāo)確定 2 國際上規(guī)定的溫標(biāo)有 攝氏溫標(biāo) 華氏溫標(biāo) 熱力學(xué)溫標(biāo)等 課本P213定義 第一節(jié)溫度測量的基本概念 幾種溫標(biāo)的對比 正常體溫為37 C 相當(dāng)于華氏溫度多少度 二 溫標(biāo) 第一節(jié)溫度測量的基本概念 熱力學(xué)溫標(biāo) K 熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的最科學(xué)的溫標(biāo) 是由開爾文 Kelvin 根據(jù)熱力學(xué)定律提出來的 因此又稱開氏溫標(biāo) 它的符號是T 單位是開爾文 K 威廉 湯姆遜 開爾文勛爵像 二 溫標(biāo) 第一節(jié)溫度測量的基本概念 1990國際溫標(biāo) ITS 90 從1990年1月1日開始在全世界范圍內(nèi)采用1990年國際溫標(biāo) 簡稱ITS 90 它定義了一系列溫度的固定點(diǎn) 測量和重現(xiàn)這些固定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器以及計算公式 例如水的三相點(diǎn)為273 16K 0 01 C 等 二 溫標(biāo) 第一節(jié)溫度測量的基本概念 按照用途可分為基準(zhǔn)溫度計和工業(yè)溫度計 按照測量方法又可分為接觸式和非接觸式 按工作原理又可分為膨脹式 電阻式 熱電式 輻射式等等 按輸出方式分 有自發(fā)電型 非電測型等 三 溫度測量及傳感器分類 第一節(jié)溫度測量的基本概念 介紹幾種溫度測量方法 示溫涂料 變色涂料 裝滿熱水后圖案變得清晰可辨 三 溫度測量及傳感器分類 第一節(jié)溫度測量的基本概念 變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用 CPU散熱風(fēng)扇 低溫時顯示藍(lán)色 溫度升高后變?yōu)榧t色 三 溫度測量及傳感器分類 第一節(jié)溫度測量的基本概念 不需要電源 耐用 但感溫部件體積較大 氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比 介紹幾種溫度測量方法 體積熱膨脹式 三 溫度測量及傳感器分類 第一節(jié)溫度測量的基本概念 介紹幾種溫度測量方法 紅外溫度計 三 溫度測量及傳感器分類 第一節(jié)溫度測量的基本概念 熱電偶測溫的主要優(yōu)點(diǎn) 1 它屬于自發(fā)電型傳感器 測量時可以不需外加電源 可直接驅(qū)動動圈式儀表 2 測溫范圍廣 下限可達(dá) 270 C 上限可達(dá)1800 C以上 3 各溫區(qū)中的熱電勢均符合國際計量委員會的標(biāo)準(zhǔn) 三 溫度測量及傳感器分類 第一節(jié)溫度測量的基本概念 熱電極A 右端稱為 自由端 參考端 冷端 第二節(jié)熱電偶的工作原理 左端稱為 測量端 工作端 熱端 熱電極B 熱電勢 A B 先看一個實(shí)驗(yàn) 熱電偶工作原理演示 結(jié)論 當(dāng)兩個結(jié)點(diǎn)溫度不相同時 回路中將產(chǎn)生電動勢 一 熱電效應(yīng) 1821年 德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路 并用酒精燈加熱其中一個接觸點(diǎn) 稱為結(jié)點(diǎn) 發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn) 說明什么 如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點(diǎn)同時加熱 指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小 又說明什么 顯然 指南針的偏轉(zhuǎn)說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動 電流的強(qiáng)弱與兩個結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān) 從實(shí)驗(yàn)到理論 熱電效應(yīng) 第二節(jié)熱電偶的工作原理 一 熱電效應(yīng) 自由電子 A B eAB T T 結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生熱電勢的微觀解釋及圖形符號 兩種不同的金屬互相接觸時 由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同 在兩金屬A和B的接觸點(diǎn)處會發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象 自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B 使A失去電子帶正電 B得到電子帶負(fù)電 從而產(chǎn)生熱電勢 從實(shí)驗(yàn)到理論 熱電效應(yīng) 第二節(jié)熱電偶的工作原理 一 熱電效應(yīng) 熱電效應(yīng)的定義 將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路 當(dāng)兩個接點(diǎn)溫度不同時 在回路中就會產(chǎn)生熱電勢 形成電流 此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng) 第二節(jié)熱電偶的工作原理 一 熱電效應(yīng) k 玻耳茲曼常數(shù) e 電子電荷量 T 接觸處的溫度 NA NB 分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度 接觸電動勢 不同材料之間 節(jié)點(diǎn)處電子的擴(kuò)散所致 第二節(jié)熱電偶的工作原理 二 熱電勢 接觸電動勢和溫差電動勢 溫差電動勢 A B 湯姆遜溫度系數(shù) 同種材料 兩端溫度不同 電子運(yùn)動速度不同 回路中總電動勢 第二節(jié)熱電偶的工作原理 二 熱電勢 接觸電動勢和溫差電動勢 2 中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體 只要其兩端的溫度相等 該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢 1 均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路 不論導(dǎo)體的橫截面積 長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢 第二節(jié)熱電偶的工作原理 三 熱電偶測溫基本定律 3 參考電極定律兩種導(dǎo)體A B分別與參考電極C組成熱電偶 如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知 A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得 4 中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t t0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t tn和tn t0時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和 中間溫度定律可以用下式表示 中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù) 第二節(jié)熱電偶的工作原理 三 熱電偶測溫基本定律 根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)原理 任意兩種不同材料的導(dǎo)體都可以作為熱電極組成熱電偶 在實(shí)際應(yīng)用中 用作熱電極的材料應(yīng)具備如下幾方面的條件 1 溫度測量范圍廣 2 性能穩(wěn)定 3 物理化學(xué)性能好 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 1 熱電偶的材料 1 普通工業(yè)裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu) 熱電偶通常由熱電極 絕緣管 保護(hù)套管和接線盒等幾個主要部分組成 2 熱電偶的結(jié)構(gòu) 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 2 鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu) 2 熱電偶的結(jié)構(gòu) 鎧裝熱電偶的制造工藝 把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護(hù)管中 運(yùn)用同比例壓縮延伸工藝 將這三者合為一體 制成各種直徑 規(guī)格的鎧裝偶體 再截取適當(dāng)長度 將工作端焊接密封 配置接線盒即成為柔軟 細(xì)長的鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶特點(diǎn) 內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕 有著良好的抗高溫氧化 抗低溫水蒸氣冷凝 抗機(jī)械外力沖擊的特性 鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì) 能解決微小 狹窄場合的測溫問題 且具有抗震 可彎曲 超長等優(yōu)點(diǎn) 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu) 鎧裝型熱電偶外形 法蘭 鎧裝型熱電偶可長達(dá)上百米 薄壁金屬保護(hù)套管 鎧體 鎧裝型熱電偶橫截面 2 熱電偶的結(jié)構(gòu) 3 隔爆型熱電偶 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 隔爆熱電偶的接線盒在設(shè)計時采用防爆的特殊結(jié)構(gòu) 它的接線盒是經(jīng)過壓鑄而成的 有一定的厚度 隔爆空間 機(jī)構(gòu)強(qiáng)度較高 采用螺紋隔爆接合面 并采用密封圈進(jìn)行密封 因此 當(dāng)接線盒內(nèi)一旦放弧時 不會與外界環(huán)境的危險氣體傳爆 能達(dá)到預(yù)期的防爆 隔爆效果 使用場合 工業(yè)用的隔爆型熱電偶多用于化學(xué)工業(yè)自控系統(tǒng)中 由于在化工生產(chǎn)廠 生產(chǎn)現(xiàn)場常伴有各種易燃 易爆等化學(xué)氣體或蒸汽 如果用普通熱電偶則非常不安全 很容易引起環(huán)境氣體爆炸 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 隔爆型熱電偶外形 厚壁保護(hù)管 壓鑄的接線盒 電纜線 其他熱電偶外形 小形K型熱電偶 1 標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶 2 非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶包括鉑銠系 銥銠系及鎢錸系熱電偶等 主要有 鉑銠30 鉑銠6熱電偶 分度號 B 鉑銠10 鉑熱電偶 分度號 S 鎳鉻 鎳硅熱電偶 分度號 K 鎳鉻 康銅熱電偶 分度號 E 鐵 康銅熱電偶 分度號 J 銅 康銅熱電偶 分度號 T 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 3 熱電偶的種類 K熱電偶的分度表 比較查出的3個熱電勢 可以看出熱電勢是否線性 設(shè)冷端為0 C 根據(jù)以下電路中的毫伏表的示值及K熱電偶的分度表 查出熱端的溫度tx 如何由熱電偶的熱電勢查熱端溫度值 4 型號表示 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 5 冷端補(bǔ)償 由于熱電偶產(chǎn)生的電勢與兩端溫度有關(guān) 只有將冷端溫度保持恒定才能使熱電勢正確反映熱端的被測溫度 由于很難保證冷端溫度在恒定0 故常采取一些冷端補(bǔ)償措施 主要有 冷端恒溫法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 計算修正法 橋補(bǔ)償法等幾種 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 5 冷端補(bǔ)償 冷端恒溫法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 計算修正法和電橋補(bǔ)償法 冷端恒溫法0 恒溫器將熱電偶的冷端置于溫度為0 的恒溫器內(nèi) 用于實(shí)驗(yàn)室或精密的溫度測量 冰浴法 其他恒溫器將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi) 使之保持溫度恒定 避免由于環(huán)境溫度的波動而引入誤差 這類恒溫器的溫度不為0 需對熱電偶進(jìn)行冷端溫度修正 冰浴法接線圖 1 被測流體管道2 熱電偶3 接線盒4 補(bǔ)償導(dǎo)線5 銅質(zhì)導(dǎo)線6 毫伏表7 冰瓶8 冰水混合物9 試管10 新的冷端 補(bǔ)償導(dǎo)線法由于受到材料價格的限制不可能做很長 而要使其冷端不受測溫對象的溫度影響 必須使冷端遠(yuǎn)離溫度對象 采用補(bǔ)償導(dǎo)線可以做到這一點(diǎn) 所謂補(bǔ)償導(dǎo)線 實(shí)際上是一對材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線 在0 150 溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性 但價格相對要便宜 補(bǔ)償導(dǎo)線在0 150 C范圍內(nèi)的熱電勢與配套的熱電偶的熱電勢相等 所以不影響測量精度 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 5 冷端補(bǔ)償 冷端恒溫法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 計算修正法和電橋補(bǔ)償法 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 5 冷端補(bǔ)償 冷端恒溫法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 計算修正法和電橋補(bǔ)償法 補(bǔ)償導(dǎo)線法實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長 根據(jù)中間溫度定律 只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二個接點(diǎn)溫度一致 是不會影響熱電動勢輸出的 下面以爐溫測量為例說明補(bǔ)償導(dǎo)線的作用 如采用鎳鉻 鎳硅熱電偶測爐溫 熱端為800 冷端為50 儀表室為20 先分別查表得 E 800 0 33 277mV E 50 0 2 022mV E 20 0 0 798mV 則不補(bǔ)償時輸入儀表的熱電勢為 E 800 50 33 277 2 022 31 255mV 相當(dāng)于751 采用補(bǔ)償導(dǎo)線后則為 E 800 20 33 277 0 798 32 479mV 相當(dāng)于781 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 5 冷端補(bǔ)償 冷端恒溫法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 計算修正法和電橋補(bǔ)償法 計算修正法測量值再加上冷端溫度到0 的熱電勢 現(xiàn)可利用計算機(jī)進(jìn)行自動計算補(bǔ)償 例用 型熱電偶測溫度 冷端為40 測得的熱電勢為29 188 mV 求被測溫度T 解 已知e t 40 29 188 mV 查E 40 0 1 611 mV 故E t 0 29 188 1 611 30 799 mV 查K型分度表得 T 740 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 5 冷端補(bǔ)償 冷端恒溫法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 計算修正法和電橋補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償法熱電偶的電勢與溫度為非線性關(guān)系 而電阻與溫度的關(guān)系是線性的 故是近似關(guān)系 補(bǔ)償原理見下圖 圖中R1與R2阻值遠(yuǎn)大于其它電阻 使橋路具有恒流性質(zhì) 并使I1 I2 0 5mA 因此 其輸出電壓 U e URCM UR5利用e與URCM的相反變化來補(bǔ)償熱電偶冷端溫度的改變 自動補(bǔ)償?shù)臈l件為 e I1RCM t 電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值 可購買與被補(bǔ)償熱電偶對應(yīng)型號的補(bǔ)償電橋 第三節(jié)熱電偶的材料 結(jié)構(gòu)及種類 5 冷端補(bǔ)償 冷端恒溫法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 計算修正法和電橋補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償法 XT WBC熱電偶冷端補(bǔ)償器 第四節(jié)熱電偶的應(yīng)用及配套儀表 由于我國生產(chǎn)的熱電偶均符合ITS 90國際溫標(biāo)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn) 其一致性非常好 所以國家又規(guī)定了與每一種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶配套的儀表 它們的顯示值為溫度 而且均已線性化 國家標(biāo)準(zhǔn)的動圈式顯示儀表命名為XC系列 有指示型 XCZ 和指示調(diào)節(jié)型 XCT 等系列品種 與K型熱電偶配套的動圈儀表型號為XCZ 101或XCT 101等 數(shù)字式儀表也有指示型 XMZ 和指示調(diào)節(jié)型 XMT 等幾種系列品種 XCZ系列指針式顯示儀表 XC系列動圈式儀表測量機(jī)構(gòu)的核心部件是一個磁電式毫伏計 動圈式儀表與熱電偶配套測溫時 熱電偶 連接導(dǎo)線 補(bǔ)償導(dǎo)線 調(diào)整電阻和顯示儀表組成了一個閉合回路 1 熱電偶2 補(bǔ)償導(dǎo)線3 冷端補(bǔ)償器4 外接調(diào)整電阻5 銅導(dǎo)線6 動圈7 張絲8 磁鋼 極靴 9 指針10 刻度面板 XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表 特點(diǎn) 1 帶冷端溫度自動補(bǔ)償 2 單片機(jī)智能化設(shè)計 儀表零點(diǎn) 量程等全部參數(shù)可按鍵設(shè)定 3 具有軟件校驗(yàn)功能 可通過按鍵對儀表進(jìn)行校準(zhǔn) 4 具有超量程指示 斷線指示等故障自診斷功能 5 采用開關(guān)電源 電壓適應(yīng)范圍寬 儀表體積小 重量輕 6 220VAC或24VDC供電電源 XMT系列熱電偶智能數(shù)字顯示控制儀表的特點(diǎn) 帶冷端溫度自動補(bǔ)償 具有超量程指示 斷線指示等故障自診斷功能 雙屏顯示 副屏顯示內(nèi)容可設(shè)定 最多可帶4路報警控制繼電器輸出 每個報警控制點(diǎn)的回差可設(shè)定 每個報警控制點(diǎn)的報警方式 上限報警或下限報警 可分別設(shè)定 DDZ 型電動單元組合儀表中的變送單元之一 軌裝式溫度變送器 它能將熱電偶 或熱電阻 的輸入信號線性地轉(zhuǎn)換成與溫度成比例的電流 電壓 信號 供給顯示 控制儀表及計算機(jī)集散系統(tǒng) 廣泛用于冶金 石油化工 熱電站 紡織 造紙等行業(yè)的測溫控制系統(tǒng)中 請將右圖各有關(guān)設(shè)備正確地連接起來 組成熱電偶測溫 控溫電路 黃 綠 紅 L1 L2 L3 接大地銅排 接零 熱電偶輸出端 電爐 如何根據(jù)常用電路設(shè)備的要求接線 380V線圈的交流接觸器連接過程 當(dāng)溫度控制器測得的溫度達(dá)到設(shè)定值時 5 6兩端開路 交流接觸器失電 電爐回路被切斷 接大地銅排 電爐 接零 3 端接何處 熱電偶 220V線圈的交流接觸器連接過程 當(dāng)溫度控制器測得的溫度達(dá)到設(shè)定值時 5 6兩端開路 交流接觸器失電 電爐回路被切斷 接零 注意 圖中還有一根線漏接 請指正 小結(jié) 本次課主要復(fù)習(xí)了熱電偶的原理 種類及其使用中的基本定律 重點(diǎn)介紹了熱電偶在使用中的冷端端補(bǔ)償方法以及在溫度檢測中的具體應(yīng)用電路 基本要求 掌握熱電偶在實(shí)際測溫中的應(yīng)用 會正確選用熱電偶并按要求組成一定的測溫電路 作業(yè) 上網(wǎng)查找5家以上生產(chǎn)熱電偶的企業(yè) 列出它們所生產(chǎn)的熱電偶型號規(guī)格 了解其特性和適用范圍 應(yīng)用實(shí)例 補(bǔ)充 鹽浴爐溫度控制系統(tǒng)用S型熱電偶檢測溫度信號 有冷端補(bǔ)償 溫度信號通過放大 采樣保持 模數(shù)轉(zhuǎn)換再送單片機(jī)保存 采用分段查表法獲取各點(diǎn)溫度 選用可控硅過零觸發(fā)自動控制鹽浴爐溫度 控制周期為2s 可按預(yù)設(shè)溫度曲線進(jìn)行加熱 并可實(shí)時顯示加溫曲線 1 系統(tǒng)總體方案本系統(tǒng)采用晶閘管調(diào)功實(shí)現(xiàn)鹽浴爐的溫度控制 即通過控制晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷的周波數(shù)比率 從而達(dá)到調(diào)功的目的 晶閘管的觸發(fā)由單片機(jī)控制 通過單片機(jī)編程可方便地實(shí)現(xiàn)按預(yù)定溫度曲線進(jìn)行加熱 鹽浴爐爐溫由熱