无机非金属热工测量 1

2020-03-03 03:10:33 来源：范文大全收藏下载本文

一、膨胀式温度计

膨胀式温度计是利用物体受热膨胀的原理制成的温度计，主要有液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计和压力式温度计三种。

①.使用前必须经过校正，尤其是用了较久的温度计。零点漂移和小泡等原因会造成测量误差。

②.温度计保存和安装时都应使温度计直立，且温包应在下面。

③.使用时检查液柱是否脱离，测温包内是否含有气泡。液柱脱离:缓慢加热或轻微振动来消除。测温包进入气泡:将温度计置于低温，使液体进入温包，然后轻轻抖动使气泡逸出。温度计的使用

④.测量流体温度时，温度计应逆流向安装或与流向垂直或有一定倾斜角，不能顺向安置，而且测温套管的插入深度要达到中心线。它一般用来测量0-500℃的温度，如环境温度，蒸汽温度，生料、煤粉、油及煤气等温度。对玻璃温度计浸入方式的修正

大多数玻璃液体温度计都是按全浸入方式校准的，因为半浸入方式校准的温度计会由于环境温度的变化引起较大的测量误差。但是，全浸入型温度计全浸入测量时读数困难，于是，往往采用全浸入型温度计半浸入测量，然后加以修正的方法来解决这个问题。

在半浸入测量时, 暴露在大气中的这一段细管感受到的温度与被测介质的温度不同,其膨胀的增量(或减量)与介质和环境的温度差有关，修正值C的关系式:C=KN(t1-t2)℃

C—半浸入测量修正值,℃，代数相加到指示温度上；

K—温度计液体与玻璃管的膨胀系数差(对于水银,K=0.00016/℃)；

N—露出被测介质部分的细管长度,以温度计标尺的度数表示，℃；

t1—温包的温度，℃，(初次计算用温度计指示温度，然后用修正后的温度加以调整,以求更接近于温包感受的温度)； t2—环境温度，℃，另用一支温度计来测量。 2固体膨胀式温度计

它是利用两种线膨胀系数不同的材料制成，有杆式和双金属片式两种。

1）杆式温度计：杆式温度计是利用金属材料做感温元件，靠材料随温度的变化而伸缩的原理制成测温仪表。

2）双金属片式温度计：这是一种利用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起构成的一种温度计。

3、压力式温度计

它是利用密闭容积内工作介质随温度升高而压力升高的性质，通过对工作介质的压力测量来判断温度值的一种机械式仪表。

感温元件（温包和接头管）、毛细管和盘簧管（或弹簧管）等元件构成一个封闭系统，系统内充填的工作物质：气体、液体或低佛点液体的饱和蒸气等。

测量时温包被置于被测介质中，温包内的工作物质（如气体）因温度升高而压力增大，该压力变化经毛细管传给盘簧管并使其产生一定的变形，然后借助于指示机构指示出被测的温度数值。

温包、毛细管、盘簧管、指示机构压力表式温度计构造

温包是直接与被测介质相接触来感受温度变化的元件，因此要求它具有高的强度、小的膨胀系数、高的热导率以及抗腐蚀等性能。温包常用黄铜或钢来制造，如用于测量腐蚀性介质的温度，则温包也可用不锈钢来制造。

毛细管是用铜或钢等材料冷拉成的无缝圆管,用来传递压力的变化。如果它的直径愈细、长度愈长,则传递压力的滞后现象就愈严重,即温度计对被测的反应越迟钝。然而,在同样的长度下毛细管越细,仪表的精度就越高。

盘簧管或弹簧管就是一般压力表用的弹性元件如磷青铜等。压力表式温度计 1.温包的安装

压力式温度计的温包应全部插入被测介质中，如果安装在管道上，应将温包长度的一半处于管道中心线，而且应是自上而下垂直安装。若被测介质对温包材料有强烈腐蚀性，则应将温包装在护套管中。 2.毛细管安装

毛细管应远离热源或冷源安装，且安装时应引直不应打折。 3.指示部分安装

⑴指示部分高度位置应与温包一致，否则应调零修正； ⑵周围环境温度应较稳定，不低于5℃和高于60℃； ⑶周围环境不应有大量粉尘和对仪表有腐蚀性气氛； ⑷不应安装在强烈振动场合，否则应加减震装置。

压力表式温度计结构简单，防震，可远距离测量，但损坏后难修理，不能测点的温度和表面温度。它一般可用来指示或记录热工设备中的各种流体介质温度。工作介质是气体、液体或蒸气

简单可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性

动态性能差，示值的滞后较大，不能测量迅速变化的温度

二、热电偶温度计

热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。

它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。

具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。 1.热电偶结构

（1）热电极（2）绝缘套管（3）保护套管（4）接线盒

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应(塞贝克效应)，而这种电动势称为热电势。

热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。 2热电偶的工作原理

参考端、冷端、工作端、热端

热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：

1：热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；

2 ：热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；

3：当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。从理论上可以证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的性质（电子密度）和接触面温度的高低。

温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度比值越大，接触电势也越大。

4．温差电势（温度差导致电子运动） 5．热电偶闭合回路的总热电势

对于由A和B两种导体组成的热电偶闭合回路，设两端温度接点温度分别为T和T0，且T>T0，NA>NB；那么回路中存在两个接触电势EAB(T)和EAB(T0)，两个温差电势EA(T,T0)和EB(T,T0)。因此回路的总热电势为

对于确定的材料A和B，NA和NB与T的关系已知，则上式可简写成下面的形式

EAB(T,T0)= f(T) － f(T0)

如果冷端温度T0保持恒定，这个热电势就是热端温度T的单值函数，即

EAB(T,T0)= f(T) －C从以上式子可以得到如下结论：

热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料和材料两端连接点所处的温度有关，与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。

只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，相同材料组成的闭合回路不会产生热电势。

热电偶的两个热电极材料确定之后，热电势的大小只与热电偶两端接点的温度有关。如果T0已知且恒定，则f（T0）为常数，回路总热电势EAB（T，T0）只是温度T的单值函数。工程上所使用的各种类型的热电偶均把E(t)和t的关系制成易于查找的表格形式，这种表格称为热电偶的分度表。

三、热电偶的基本定律 1．均质导体定律

由一种均质导体组成的闭合回路中，不论其截面和长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不能产生热电势。反之，如果回路中有热电势存在则材料必为非均质的。这条规律还要求热电偶的两种材料必须各自都是均质的，否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加电势，从而因热电偶材料不均匀性引入误差。 2．中间导体定律

在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体两端温度相同，该导体的引入对热电偶回路的总电势没有影响。同理，热电偶回路中接入多种导体后，只要保证接入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电势没有影响。该定律表明热电偶回路中可接入各种仪表或连接导线。只要仪表或导线处于稳定的环境温度，原热电偶回路的热电势将不受接入仪表或导线的影响。

该定律还表明热电偶的接点不仅可以焊接而成，也可以借助均质等温的导体加以连接。 3．中间温度定律

热电偶回路中，两接点温度分别为T、T0时的热电势，等于接点温度为T、TN和TN、T0的两支同性质热电偶的热电势的代数和。

EAB(T,T0)=EAB(T,TN)+EAB(TN,T0)

该定律说明当热电偶参比端温度t0≠0℃时，只要能测得热电势E(t,t0)，且t0已知，仍可以采用热电偶分度表求得被测温度t值。

4.连接导体定律

在热电偶回路中，如果热电偶的电极材料A和B分别与连接导体A’和B’相连接，各有关接点温度为t，tn和t0，那么回路的总热电势等于热电偶两端处于t和tn温度条件下的热电势EAB(t,tn)与连接导线A’和B’两端处于tn和t0温度条件下的热电势EA’B’(tn,t0)的代数和。 EABB’A’(t,tn,t0)= EAB(t,tn)+ EA’B’(tn,t0)

中间温度定律和连接导体定律是工业热电偶测温中应用补偿导线的理论依据。

四、常用热电偶的材料、结构和分类1．热电偶的材料

虽然任意两种导体或半导体材料都可以配对制成热电偶，但是作为实用的测温元件，对它的要求却是多方面的。（1）两种材料所组成的热电偶应输出较大的热电势，以得到较高的灵敏度，且要求热电势和温度之间尽可能呈线性的函数关系。

（2）能应用于较宽的温度范围，物理化学性能、热电特性都较稳定。即要求有较好的耐热性、抗氧性、抗还原、抗腐蚀等性能。

（3）要求热电偶材料有高导电率和低电阻温度系数。

（4）具有较好的工艺性能，便于成批生产。具有满意的复现性，便于采用统一的分度表。3．热电偶的类型

（1）S型（铂铑10—铂）热电偶。（2）B型（铂铑30—铂铑6）热电偶。（3）K型（镍铬—镍硅）热电偶。（4）T型（铜—康铜）热电偶。（5）E型（镍铬—康铜）热电偶 4.非标准化热电偶

（1）钨－铼系热电偶（2）钨－铱系热电偶（3）其他非标准化热电偶

五、热电偶测温系统

热电偶测温系统是由热电偶、补偿导线、测量仪表及相应的电路构成的。

（一）热电偶参考端的温度处理 1.补偿导线法

原理：在一定温度范围内，与配用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的廉金属导线为补偿导线。回路总热电势为

E=EAB(T,T0’)+EA’B’(T0’,T0) E=EAB(T,T0)

EAB(T0’,T0)=EA’B’(T0’,T0)

常用补偿导线的结构分为普通型和带屏蔽层型两种，按照补偿原理分为补偿型及延伸型两种补偿导线，按使用温度可分为一般用（0～100℃）和耐热用（0～200℃） 2.计算修正法

当用补偿导线把热电偶的冷端延长到某一温度T0处（通常是环境温度），然后再对冷端温度进行修正。 3.冷端恒温法

（1）把冷端引至冰点槽内，维持冷端始终为0℃，但使用起来不大方便。

（2）把冷端用补偿导线引至电加热的恒温器内 4.补偿电桥法

补偿电桥法是在热电偶测温系统中串联一个不平衡电桥，此电桥输出的电压随热电偶冷端温度变化而变化，从而修正热电偶冷端温度波动引入的误差。

（二）热电偶的检定和误差分析 1.热电偶的检定

为了保证热电偶的测量精度，必须定期进行检定。热电偶的检定方法有两种，比较法和定点法。

用被校热电偶和标准热电偶同时测量同一对象的温度，然后比较两者示值，以确定被检电偶的基本误差等质量指标，这种方法称为比较法。 2.热电偶测温误差分析

（1）分度误差：指检定时产生的误差，其值不得超过允许误差。

（2）冷端温度引起的误差

（3）补偿导线的误差：它是由于补偿导线的热电特性与所配热电偶不完全相同所造成的

（4）手动直流电位计误差（仪表误差）

（三）热电偶的使用与安装 .安装原则

1)热电偶的安装应尽可能保持垂直，以防止保护套管在高温下产生变形，但在有流速的情况下，则必须迎着被测介质的流向插入，以保证测温元件与流体的充分接触。

2)热电偶应安装在有保护层的管道内，以防止热量散失。3)热电偶安装在负压管道中时，必须保证测量处的密封性，以防止外界冷空气进入，使读数偏低。4)热电偶的接线盒面盖应向上，入线口应向下，以避免雨水或灰尘进入接线盒，影响测量精度。

导体或半导体的电阻率与温度有关，利用此特性制成电阻温度感温件，它与测量电阻阻值的仪表配套组成电阻温度计。优点：测温准确度高，信号便于传送。缺点：不能测太高的温度，需外部电源供电，连接导线的电阻易受环境温度影响而产生测量误差。

一、热电阻的特性

热电阻是用金属导体或半导体材料制成的感温元件。

铂热电阻和铜热电阻属国际电工委员会推荐的，也是我国国标化的热电阻。

电阻温度系数：在某一温度间隔内，温度变化1 ℃时的电阻相对变化量，单位为1/℃。

大多数金属热电阻随其温度升高而增加，当温度升高1℃时，其阻值约增加0.4%~0.6%，称具有正的电阻温度系数。电阻值Rt与温度t（℃）的关系可表示为 Rt = R0（1 + At + Bt2 + Ct3）

式中 Rt —— 温度为t℃时金属导体的电阻；R0 —— 温度为0℃时金属导体的电阻；A、B、C —— 与金属材料有关的常数。

大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减小，当温度升高1℃时，其阻值约减小3%~6%，称具有负的电阻温度系数。电阻值RT与热力学温度T（K）的关系可表示为 RT = RT0·exp[ B (1/T)－B (1/T0) ]

式中，RT0 —— 热力学温度T0（K）时的电阻值；B —— 与半导体材料有关的常数。

虽然大多数金属和半导体的电阻与温度之间都存在着一定的关系，但并不是所有的金属或半导体都能做成电阻温度计。用于测温的热电阻（或热敏电阻）应满足以下要求：（1）电阻温度系数要大，以得到高敏感度；（2）在测温范围内化学与物理性能要稳定；（3）复现性要好；（4）电阻率要大，以得到小体积的元件，进而保证热容量和热惯性小，使得对温度变化的响应比较快；（5）电阻温度特性尽可能接近线性，以便于分度和读数；（6）价格相对低廉。目前已被采用的电阻温度计具有如下特点：

（1）在中低温范围内其精确度高于热电偶温度计；

（2）灵敏度高，当温度升高1℃时，大多数热电阻的阻值增加0.4%~0.6%，半导体材料的阻值降低3%~6%；

（3）热电阻感温部分体积比热电偶的热接点大得多，因此不宜测量点温度与动态温度，半导体热敏电阻虽然体积较小，但其稳定性和复现性却较差。

二、常用热电阻元件1．铂热电阻

特点：精度高，稳定性好，性能可靠。在氧化性的气氛中，甚至在高温下的物理化学性质都非常稳定。它易于提纯，复现性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。与其他热电阻材料相比，有较高的电阻率。

缺点：电阻温度系数较小，在还原性气氛中，特别是在高温下易被沾污变脆，价格较贵。2．铜热电阻

特点：它的电阻值与温度的关系是线性的，电阻温度系数也比较大，而且材料易提纯，价格比较便宜，但它的电阻率低，易于氧化。

在－50℃ ~ 150℃范围内，铜的电阻温度关系为 Rt = R0 ( 1 + αt )

式中，α—— 铜的电阻温度系数。3.镍热电阻

特点：电阻温度系数较铂大，约为铂的1.5倍。在－50～150℃内，其电阻与温度关系为

Rt=100+0.5485t+0.665×10-3t2+2.805×10-9t4 4．半导体热敏电阻

大多数半导体热敏电阻具有负的温度系数，其电阻值与温度的关系为 RT = AeB/T

半导体热敏电阻通常用铁、镍、锰、钴、钼、钛、镁、铜等复合氧化物高温烧结而成。

与金属热电阻相比，半导体热敏电阻具有如下优点：

（1）具有较大的负电阻温度系数，约为－( 3 ~ 6 )%，因此灵敏度比较高；

（2）半导体材料的电阻率远比金属材料大得多，因此它的体积可做得非常小，同时热惯性小，适合用于测量点温度与动态温度；

（3）电阻值很大，故连接导线的电阻变化的影响可以忽略；

（4）结构简单。

它的缺点是同种半导体热敏电阻的电阻温度特性分散性大，非线性严重，元件性能不稳定，因此互换性差，精度较低。

三、特殊热电阻

1.铠装热电阻.2.薄膜铂热电阻.3.厚膜铂热电阻

四、热电阻测温电路

平衡电桥测温、不平衡电桥测温

五、热电阻的校验

1.比较法。2.两点法：只需要冰点槽和水沸点槽，分别测得R0和R100，检查R0值和R100/R0的比值是否满足技术数据指标。

六、热电阻的选择

热电阻的选用原则、测温范围、测温准确度、测温环境、成本。

一、温度和温标 1．温度

处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。而温度相等是热平衡之必要的条件。从宏观上看，温度是表示物体冷热程度的物理量从微观上看，温度标志着物质分子热运动的剧烈程度。任意两个冷热程度不同的物体相互接触，它们之间必然会发生热交换现象，热量要从温度高的物体传向温度低的物体，直到两物体之间的温度完全一致时，这种热传递现象才能停止。 2．温标

温标是温度数值化的标尺。各种温度计的刻度数值均由温标确定。温标分经验温标、热力学温标、国际实用温标 1经验温标

经验温标的基础是利用物质体膨胀与温度的关系。认为在两个易于实现且稳定的温度点之间所选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。把在两温度之间体积的总变化分为若干等分，并把引起体积变化一份的温度定义为1度。常见的摄氏温标、华氏温标。类似的经验温标还有兰氏、列氏等，经验温标的缺点在于它的局限性和随意性 2.热力学温标

特点：与选用的测温介质性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，故称它为科学的温标或绝对热力学温标。由此而得的温度称为热力学温度。从此所有的温度测量都以热力学温标作为基准。 3.绝对气体温标

由波义耳定律知，当温度一定时，一定质量气体的体积V和压力P之间相当严格地遵守 PV＝C

的关系，而C是只取决于温度的常数，故当压力和体积中之一恒定时，另一个就是温度的单值函数。利用这一原理制造的温度计称为气体温度计，有定容式和定压式两种。这样就把温度测量转化成对气体压力或体积的测量。由查理定律和盖．吕萨克定律可知：在体积V＝0或压力p=0的极限情况下，对应的温度为－273.15oC。为了使温标具有连续性，因而把－273.15oC定义为绝对温度的零度。 3国际温标

为了使用方便，国际上经协商，决定建立一种既使用方便，又具有一定科学技术水平的温标，这就是国际温标的由来。具备的条件：尽可能接近热力学温标，复现精度高，各国均能以很高的准确度复现同样的温标，确保温度量值的统一。用于复现温标的标准温度计，使用方便，性能稳定引起温度变化的因素很多，按其本质可以分为两种，一种是由转化热引起的温度变化，另一种则是由热量传递而引起的温度变化。通常，转化热是非热能量转化的结果，而传递热则是由温差引起的热传递现象造成的结果。

二、引起温度变化的因素

1.能量转化引起的温度变化：

能量可以通过各种形式进行相互转化（除核能）。其他能量向热能的转化是以显热、潜热或两者结合的形式存储在特定的物系中。当热能以显热的形式存在时，能量大小的表征就是温度的高低；当热能以潜热的形式存在时，物系不表现出温度的变化；热能以潜热和显热同时存在的形式存储于物系中时，温度的高低仅能反映其中所含显热的大小：效率不同具体转化方式：

a.机械能向热能的转化：摩擦生热和气体按PVT关系进行变化所造成的温升；

b.电能向热能的转化：焦耳热和珀耳帖效应；

c.光能向热能的转换：按照斯忒潘--玻耳兹曼定率；

d.化学能向热能的转换：以化学反应热（吸热或放热）、相变热、溶解热和稀释热等几种形式转化为热能： e.核能向热能的转化：衰变、裂变和聚变三种形式。 2.热量传递引起的温度变化：

1.热传导2．对流传热3．辐射传热

三、温度所能引起的变化

热的机械效应：固体热膨胀、气体的热效应、流体热膨胀。热的幅射效应：可见光、红外光、弹性系数变化

热的电效应：金属的热电效应、半导体的热电(赛贝克)效应、热释电效应、热的化学效应、化学平衡的影响、传递过程的影响、相平衡的影响、化学反应速度。

热的其它效应:电阻的热效应、热磁效应、介电常数的温度效应、PN结的温度效应、温度对液晶的选择透光性、温度对吸收系数的影响等。

四、温度测试的意义和作用硅酸盐工业传热过程：

原料烘干、水泥熟料烧成、玻璃熔融、陶瓷烧结、温度（被控参数）

在很多其他化工参数的检测中，测量原理都是与温度的测量直接相关的