温度检测原理及常见故障分析Word

　　主要内容

　　一温度标准和测量方法

　　二 接触式温度三 非接触式温度 四 温度仪表安装要求

　　一 温度标准和测量方法1.1 温度是国际单位制中七个基本物理量之一。 温度的宏观概念是表示物体的冷热程度，当两个物体 互为热平衡时其温度相等。温度的微观概念是大量分 子运动的平均强度的表示。分子运动愈激烈，其温度 表现越高。

　　温标及其传递用来度量物体温度数值的标尺叫温标。温标规定了温度的读数起点 (零点)和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有摄 氏温标、华氏温标、热力学温标和国际温标等。 摄氏温标 在标准大气压下，纯水冰点为0摄氏度，沸点为100摄 氏度，中间等分成100格，每格1摄氏度，符号为℃。 华氏温标 将纯水的冰点规定为 32度，沸点为 212度，中间等分 成180格，每格1华氏度，符号为℉。

　　t C

　　5 (t F 32 ) 9

　　热力学温标 热力学温标又称开氏温标，或绝对温标，其单位为 开尔文(符号为K)。它是与测温物质的物理性质无关的一种温标， 已被采纳为国际统一的基本温标。

　　国际温标 在1990年的国际温标中指出，热力学温度是基本物理量。并定义 水的三相点热力学温度为273.16K。 在ITS90中同时使用国际开尔文温度(符号为T90)和国际摄氏温 度(符号为t90 ),其关系为

　　t90 = T90 -273.15 式中：T90的单位为开尔文(K); t90的单位为摄氏度(℃)。为了保持温度量值的统一，并与国际实用温标相一致，测温仪器 应定期按规定进行检定，我国温度的最高基准由中国计量科学院 保存。

　　几种温标的对比

　　1.2 温度的测量方法温度测量可分为接触式和非接触式测量。 接触式测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交 换达到热平衡，这时，感温元件的某一物理参数的量值就代表了被 测对象的温度值。 接触式测温直观可靠。但因测温元件与被测介质 之间的热交换需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延 迟现象；受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。感温 元件会影响被测温度场的分布，接触不良等也会带来测量误差。另 外，腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。

　　非接触测温通过辐射进行热交换，可避免接触测温法的缺点，具有 较高的测温上限。此外，非接触测温法热惯性小，便于测量运动物 体的温度和快速变化的温度。但受到物体的发射率、测量距离、烟 尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。

　　接触式与非接触式测温方法及其特点测量方式 仪表名称 双金属 温度计 压力式 温度计 测温原理 固体热膨胀

　　变形 量随温度变化 气(汽)体、液体 在定容条件下， 压力随温度变化 液体热膨胀体积 量随温度变化 金属或半导体电 阻值随温度变化 热电效应 精度范围 1~2.5 特点 结构简单，指示清楚，读数方 便；精度较低，不能远传 结构简单可靠，可较远距离传 输精度较低，受环境温度 影响较大 测温范围/℃ -100~600 一般-80~600 0~600 一般0~300

　　接 触 式 测 温 仪 表

　　1~2.5

　　玻璃管 液体 温度计热电阻 温度计 热电偶 温度计

　　结构简单，精度较高；读数不 0.1~2.5 便，不能远传 精度高；便于远传；需外加电 源 测温范围大，精度高，便于远 传；低温测量精度较差

　　-200~600 一般100~600-258~1200 一般200~650 -269~2800 一般 200~1800

　　0.5~3.0

　　0.5~1.0

　　(续)测量方式 仪表名称 测温原理 精度范围 特点 测温范围/℃ 200~3200 一般600~2 400

　　非 接 触 式 测 温 仪 表

　　物体单色辐射 光 学 强度及亮度随 高温计 温度变化

　　结构简单，携带方便，不破坏对 1.0~1.5 象温度场；易产生目测主观误差， 外界反射辐射会引起测量误差

　　辐 射 物体全辐射能 高温计 随温度变化

　　1.5

　　结构简单，稳定性好，光路上环 境介质吸收辐射，易产生测量误差

　　100~3 200 一般700~2 000

　　温度传感器 防爆热电阻

　　装配式热电偶

　　二 接触式温度

　　2.1膨胀式温度计 2.1.1液体膨胀1 玻璃管温度计 2电接点式温度计 2.1.2 固体膨胀双金属温度计

　　2.2 压力式温度计

　　接触式温度计

　　2.3 热电偶原理及常见故障分析

　　2.4 热电阻原理及常见故障分析

　　2.1膨胀式温度计膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的

　　性质制成的，测温敏感元件在受热后尺寸或体积发生变化，采取一些简便方法，测出它的尺寸或

　　体积变化的大小。

　　分类：液体膨胀式、固体膨胀式

　　玻璃管温度计(一)工作原理

　　4

　　利用玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀的原理。尺、安全泡四部分。

　　组成：液体存储器、毛细管、标

　　液体可为：水银、酒精等。 当温度超过 300℃ 时，应采用硅硼玻璃，500℃以上要采用石英玻 璃。

　　电接点式温度计

　　利用水银的热胀冷缩和水银 的导电性。 功能:(1)指示温度， (2)恒温自动控制。

　　玻璃棒温度计

　　固体膨胀式温度计工作原理

　　利用固体受热膨胀原理制 成的温度计 1. 杆式温度计利用固体(一般采用膨胀 系数较大的金属)材料 构成

　　在热电偶回路中，产生的热电动势由两部分组成：温差电动势和接触 电动势。 温差电势 (两接点温度相异) Es EA(T, T0)

　　当一根均质金属导体 A上存在温度梯度 + - 时，处于高温端的电子能量比低温端的 A - T0 T + 电子能量大，所以从高温端向低温端移 + - 动的电子数比从低温端向高温端移动的 电子数多得多。结果高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子 而带负电，在高、低温两端之间便形成一个从高温端指向低温端的静 电场Es 。这个静电场将阻止电子进一步从高温端向低温端移动，并加 速电子向相反的方向转移而建立相对的动态平衡。此时，在导体两端 产生的电位差称为温差电动势。 温差电动势用 EA(T, T0)表示。括号中T和T0的顺序决定了电动势的方向。

　　EA (T , T0 ) EA (T0 , T )

　　E A (t,

　　t 0 ) U At - U At 0

　　接触电势 (两接点材料相异)

　　Es 当两种不同导体A、B接触时，由于两者电 + - 子密度不同，如 NA NB,则在接触面处产 A + - B 生自由电子扩散现象，从A到B扩散的电子 + - 数比从B 到A的多，导致导体 A、B接触处 形成一个由A到B的静电场Es ,阻止电子扩 散的继续进行，并加速电子向相反的方向转移。当电子扩散的能力 与静电场的阻力达到动态平衡时， A 、B 之间所形成的电位差称为 接触电动势。

　　EAB(T)

　　e AB (t) U At - U Bt

　　e AB (t ) U At - U Bt

　　式中eAB(t)、eAB(t0)为导体A、B在接点温度t和t0时形成的 电动势；UAt、UAt0分别为导体A在接点温度为t和t0时的电 压；UBt、UBt0分别为导体B在接点温度为t和t0时的电压。

　　4.热电偶回路的总电动势 将导体 A和B头尾相接组成回路。如果导体 A的电子密度大于导体 B的电 子密度，且两接点的温度不相等，则在热电偶回路中存在着四个电势，即两 个接触电动势和两个温差电动势。热电偶回路的总电动势为E AB (t,t 0 ) e AB (t)- e AB (t 0 ) e A (t,t 0 ) - e B (t,t 0 )

　　(5-3)

　　经实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势 只占极小部分，可以忽略不计，故式(5-3)可以写成

　　E AB (t,t 0 ) e AB (t)- e AB (t 0 )

　　(5-4)

　　上式中，由于导体A的电子密度大于导体B的电子密度，所以A为正极， B为负极。脚注AB的顺序表示电动势的方向。

　　综上所述，我们可以得出如下结论： 热电偶回路中热电动势的大小，只与组成热电偶的导体材 料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热电 偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度 t和t0。的函数 差。即 E AB (t,t 0 ) f(t)- f(t0 ) 如果使冷端温度 t0保持不变，则热电动势便成为热端温度 t 的单一函数。即， E AB (t,t 0 ) f(t)- C (t) 这一关系式在实际测温中得到了广泛应用。因为冷端t0恒 定，热电偶产生的热电动势只随热端(测量端)温度的变化而变 化，即一定的热电动势对应着一定的温度。我们只要用测量热 电动势的方法就可达到测温的目的。

　　满足上述条件的热电偶材料并不很多。目前我国 大量生产和使用、性能符合专业标准或国家标准并具 有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料，共 有六个品种。它们分别是：铜-康铜、镍铬-考铜、镍铬 -镍硅、镍铬-镍铝、铂铑10-铂及铂铑30-铂铑6。其中镍 铬-考铜热电偶材料将逐渐地被淘汰。根据国际电工委 员会(IEC)标准的规定，我国将发展镍铬—康铜、铁— 康铜热电偶材料。此外，我国还生产一些未定型热电 偶材料，如铂铑13-铂、铱、铑40-铱、钨铼5-钨铼26、 等等。

　　分度号为“B”。它的正极是铂铑丝(铂70%,铑30%),负 极也是铂铑丝(铂94%,铑6%),故俗称双铂铑。测温范围 为0~1700。其特点是测温上限高，高温下性能稳定，适 合在氧化性和中性介质中使用。在冶金反应、钢水测量等 高温领域中得到了广泛的应用。

　　(2)、铂铑30-铂铑6热电偶 这也是一种贵金属热电偶，

　　缺点：产生的热电势最小，灵敏度很低，使用时需要配灵敏度高的显示仪表且价格昂贵。

　　(3) 、镍铬 - 镍硅热电偶 这种热电偶分度号为“ K” 。它的正极是镍铬合金 ( 镍 90.5 %,铬 9.5 % ) ,负极为镍硅 (镍 97.5%,硅2.5% ) 。测温范围为 -200 ~ +1200。其特点 是抗氧化性和抗腐蚀性好，化学稳定性好，复制性好，测 温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大 及价格低。

　　缺点：热电动势的稳定性较B型或S型热电偶差，且负极有明显的导磁性。在还原性介质、硫及硫化物的环境中和在 5000C以上的温度使用时容易被腐蚀。

　　(4)、铜—康铜热电偶 这种热电偶分度号为“T”。它的正极是铜，负极是铜镍合金(铜60%,镍40%)。 测温范围为 -200 ~ +350 。特点是低温时精度高，在0 ~ 200范围内，可制成标准热电偶，准确度可达土 0.1。热 电势很大，其热电极很容易被复制，价格低廉。

　　缺点： 铜极易氧化，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300。

　　(5)镍铬-康铜热电偶 这种热电偶分度号为“E”。它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金(铜55%,镍45 %)。测温范围为-200一+900。其特点是热电动势较其 他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。

　　(6)铁-康铜热电偶 这种热电偶分度号为“J”。它的正极是铁，负极是铜镍合金。测温范围为 -200 ~+750 。 其特点是价格便宜，热电动势较大，仅次于E型热电偶。 缺点是铁极易氧化。 最后要说明的是，IEC公布的标准型热电偶中，还 有铂铑13-铂，分度号为“R”。因在国际上只有少数国 家采用，且其温度范围与铂铑、。—铂重合，所以我 国不准备发展这个品种。