1、自动检测技术及仪表,Test & Measurement Technologyand Automatic Instrumentation,CISTBUCT2011,M&T,AI 检测仪表,温度检测的基础知识温度与温标温度检测仪表分类热电阻温度计金属热电阻温度检测电路二线式三线式四线式,第部分过程参数检测,第三章检测仪表,温度检测仪表热电偶温度计,M&T,AI 检测仪表,热电效应热电偶热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿 0恒温法、冷端恒温法、补偿导线法、冷端补偿器法（电桥补偿法）、采用不需要冷端补偿的热电偶、补正系数修正法（热电动势修正法）、冷端温度的智能补偿热电偶的安装,M&T,AI
2、检测仪表,热电效应热电偶的原理基于热电效应，将两种不同导体A和B两端连接在一起组成闭合回路，并使两端处于不同的温度环境，在回路中会产生热电动势而形成电流, 这一现象称为热电效应。,M&T,AI 检测仪表,热电效应这样两种不同导体的组合称为热电偶，相应的电动势和电流称为热电动势和热电流，导体A、B称为热电极，置于被测温度T的一端称为工作端(热端)，另一端(T0)称为参考端(冷端)。,M&T,AI 检测仪表,热电效应热电势主要由两部分组成温差电势：同一导体因两端温度不同而产生的热电势原因：高温端电子能量向能量小的低温端移动接触电势：两种不同导体接触时产生原因：两者电子密度不同，扩散速度不同,M&T
3、,AI 检测仪表,热电效应热电势主要由两部分组成温差电势比接触电势小得多热电势只与两种导体材料A、B及两端温度t，t0有关，与热电极的形状、大小、长短无关。,M&T,AI 检测仪表,热电效应热电偶基本定律均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，就不会影响热电偶回路的总热电动势。中间温度定律,M&T,AI 检测仪表,热电偶它测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单、动态响应较好、直接输出电信号、信号可以远传，是工业中常用的测温元件。,M&T,AI 检测仪表,热电偶热
4、电偶的结构 通常由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成热电偶的结构型式普通型热电偶 铠装热电偶表面型和快速型,M&T,AI 检测仪表,热电偶任何两种导体都可组成热电偶作为测温的热电偶需满足电势值大、随温度单调上升、最好线性材料易获得、复制性好、价格低物理、化学性稳定电极的电阻小、温度系数小,M&T,AI 检测仪表,热电偶热电偶的种类1977 年国际电工委员会（IEC）对八种热电偶制定了国际标准。,M&T,AI 检测仪表,热电偶热电偶的种类我国也已制定了国家标准 GB/T 16839-1997。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶所产生的总电势为EAB(t, t0) eAB(
5、t) eAB(t0) 通过热电偶的理论分析知当热电极A、B选定后，热电势 EAB(t, t0) 是两接点温度 t 和 t0 的函数差，如果冷端温度 t0 保持不变，则 eAB(t0) 为常数，此时EAB(t, t0) eAB(t) C为t的单值函数。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿0恒温法冷端恒温法补偿导线法冷端补偿器法（电桥补偿法）采用不需要冷端补偿的热电偶补正系数修正法（热电动势修正法）冷端温度的智能补偿,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿0恒温法将热电偶的冷端保持在0器皿中，例如冰水中。此法适用于实验室，它能够使冷端温度
6、误差得到完全的克服。EAB(t, 0) eAB(t),M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿冷端恒温法将热电偶的冷端置于一恒温器内，如恒定温度为t0，则冷端误差为 = EAB(t, t0) EAB(t, 0) = EAB(t0, 0) 是一个定值。只要在回路中加入相应的校正电压，或调整指示装置的起始位置，即可达到完全补偿的目的。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿补偿导线法当热电偶冷端由于受热端温度影响，在很大范围内变化时，直接采用冷端温度补偿法将很困难。此时，应先采用补偿导线（对于廉价热电偶，可以采用延长热电极的方法），将冷端远移至
7、温度变化比较平缓的环境中，再采用上述的补偿方法进行补偿。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿补偿导线法在实际应用中，热电偶总要接入测量仪表，这相当于在热电偶回路中接入了第三导体。在引入的第三导体两端温度相等时，不会因此而受到影响。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿补偿导线法但是如果引入的第三导体两端温度不相等，则热电偶产生的电势将要发生变化，其变化的大小取决于引入的导体性质和两接点的温度差。因此，第三导体不宜采用与热电极热电性质相差很大的材料。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿补偿导线法补偿导线
8、只能在规定的温度范围内（一般为0100）与热电偶的热电势相等或相近；不同型号的热电偶有不同的补偿导线；热电偶和补偿导线的二个接点要保持同温；补偿导线有正负极，分别与热电偶的正负极相连；补偿导线的作用只是延长热电偶的自由端。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿补偿导线法常用补偿导线的特性,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿冷端补偿器法（电桥补偿法）利用不平衡电桥产生的电动势，可以补偿热电偶参考端因温度变化而产生的热电势。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿冷端补偿器法（电桥补偿法）桥臂由三个电阻温度系
9、数很小的电阻（锰铜丝绕制），及由电阻温度系数较大的电阻（铜丝绕制）组成，阻值都是1。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿冷端补偿器法（电桥补偿法）电桥的输出u与热电势串联，只要满足 u EAB(t0, tB) 回路总电势为EAB(t, t0) + u = EAB(t, t0) + EAB(t0, tB) = EAB(t, tB)国产冷端补偿器的电桥一般是在 20 时调平衡的，即 tB = 20。设计好电桥参数，可在 050范围内实现补偿。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿冷端补偿器法（电桥补偿法）,M&T,AI 检测仪表,热电偶
10、的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿采用不需要冷端补偿的热电偶目前已经知道，镍钴-镍铝热电偶在 300以下，镍铁 镍铜（J 型）在 50以下， 铂铑30铂铑6（B 型）在 50以下的热电势非常小。 只要实际的冷端温度在其范围内，使用这些热电偶可以不考虑冷端温差。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿补正系数修正法（热电动势修正法）由于热电偶的热电动势与温度的关系曲线（即刻度特性或分度表）是参考端保持在 t0=0时获得的，当参考端温度 t00时 EAB(t, 0) = EAB(t, t0) + EAB(t0, 0)设冷端温度为 t0，工作端测得温度场的温度为 t1，
11、其实际温度应为 tt1 + kt0。式中 k 为补正系数，可以从补正系数表中查得。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿补正系数修正法（热电动势修正法）由于热电偶的热电动势与温度的关系曲线（即刻度特性或分度表）是参考端保持在 t0=0时获得的，当参考端温度 t00时 EAB(t, 0) = EAB(t, t0) + EAB(t0, 0)设冷端温度为 t0，工作端测得温度场的温度为 t1，其实际温度应为 tt1 + kt0。式中 k 为补正系数，可以从补正系数表中查得。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿补正系数修正法（热电动势修正法
12、）例如，用镍铬-考铜热电偶测得某温度场温度为600， 此时，冷端温度为 30，查表可得 k 值为 0.78，则温度场的实际温度为 t 6000.7830 623.4,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶冷端温度误差及其补偿冷端温度的智能补偿利用单片机或微计算机，可以实现温度监测、控制、误差修正与冷端温度补偿一体化和智能化。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶的输出电压很小，通常每度只有数十微伏，要求测量用的运算放大器的漂移必须很小，有些元件也需要认真选择。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路电路中，运算放大器选用 AD OP07，它与周围电阻构成放大电路，增益为 2
13、40.9445；R1R3是 1/4W的金属膜电阻，精度为 20%；RW1和RW2是 10 圈线绕电位器；C1 是滤波电容，采用精度为 20%，耐压为 50V 的漏电小的电解电容，它与 R3组成输入滤波电路。因为热电偶的热电势很小，因此如果电容漏电大，就会产生漂移电压。若 C1 漏电流为 0.1 A，则在电阻 R3 上会产生 0.1A1k100mV 的漂移电压。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路热电偶的特性都是非线性的。在各类热电偶中，K 型热电偶的线性是最好的，温度从0600时，最大非线性误差为 1%。因此，热电偶应用时，都要进行线性化。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的测量电路利用热
14、电偶测量大型设备的平均温度时，可将热电偶串联或并联使用。 串联：串联时热电动势大，精度高，可测较小的温度信号或者配用灵敏度较低的仪表。其缺点是只要一支热电偶发生断路则整个电路不能工作，而个别热电偶的短路将会导致示值偏低。 并联：并联时总电动势为各个热电偶热电动势的平均值，可以不必更改仪表的分度。其缺点是若有一支热电偶断路，仪表却反映不出来。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的安装 注意插入深度。一般热电偶的插入深度，对金属保护管应为直径的1520倍；对非金属保护管应为直径的1015倍。对细管道内流体的温度测量应尤其注意。 如果被测物体很小，安装时应注意不要改变原来的热传导及对流条件。 含有大量粉
15、尘气体温度的测量，最好选用铠装电偶。注意热电偶与补偿器需要配对使用。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的安装热电偶与补偿器的配对使用E输出(t, 0) E热电偶(t, t) + E补偿线(t, t0) + E冷端补偿(t0, 0) 补偿器与所选热电偶配对时，输出热电动势为热电偶工作端温度所对应的热电动势。显示仪表的分度也应与热电偶配对。,M&T,AI 检测仪表,热电偶的安装热电偶与补偿器的配对使用例1：用分度号为 K 型的热电偶测量温度，参考端温度为80，在没有冷端补偿时显示仪表指示值为 600，请问实际温度为多少？若保持工作端温度不变，用K 型热电偶补偿线将参考端延长至 23的办公室，这时仪表
16、示值为多少？若将参考端放入 0的冰点瓶，这时仪表示值为多少？,M&T,AI 检测仪表,热电偶的安装热电偶与补偿器的配对使用例2：用 K 型热电偶组成温度测量装置，显示对象温度为 150。 后来发现所用热电偶为 E 型，实测此时的热电动势为 5.34mV，将热表头更换为 E 型后仪表示值应为多少？,M&T,AI 检测仪表,热电偶的安装热电偶与补偿器的配对使用例3：用 K 型热电偶组成温度测量装置，显示对象温度为 150。 后来发现所用热电偶为 E 型，已知表头所在的环境温度为 25，将热电偶更换为 K 型后仪表示值应为多少？,M&T,AI 检测仪表,热电偶的安装热电偶与补偿器的配对使用常见问题已知冷端温度、已知热电动势；配错热电偶、配错补偿导线、配错冷端补偿器（表头）。,M&T,AI 检测仪表,作业 第三章11、32、34,
