生產(chǎn)工藝參數(shù)檢測儀表.ppt

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1、第4章生產(chǎn)工藝參數(shù)檢測儀表,4.1 溫度測量與儀表 4.2 壓力測量與儀表 4.3 流量檢測與儀表 4.4 物位檢測與儀表,4.1溫度檢測與儀表,4.1.1溫標(biāo)及測溫方法分類 1.溫標(biāo) 為了保證溫度量值的統(tǒng)一，必須建立一個用來衡量溫度高低的標(biāo)準(zhǔn)尺度，這個標(biāo)準(zhǔn)尺度稱為溫標(biāo)。溫度的高低必須用數(shù)字來說明，溫標(biāo)就是溫度的一種數(shù)值表示方法，并給出了溫度數(shù)值化的一套規(guī)則和方法，同時明確了溫度的測量單位。人們一般是借助于隨溫度變化而變化的物理量（如體積、壓力、電阻、熱電勢等）來定義溫度數(shù)值，建立溫標(biāo)和制造各種各樣的溫度檢測儀表。下面對常用溫標(biāo)作一簡介。,1）經(jīng)驗溫標(biāo) .攝氏溫標(biāo) 攝氏溫標(biāo)是把在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水

2、的冰點定為零攝氏度，把水的沸點定為100攝氏度的一種溫標(biāo)。在零攝氏度到100攝氏度之間進(jìn)行100等分，每一等分為1攝氏度，單位符號為。 .華氏溫標(biāo) 人們規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的純水的冰點溫度為32華氏度，水的沸點定為212華氏度，中間劃分180等分。每一等分稱為1華氏度。單位符號為。,.列氏溫標(biāo) 列氏溫標(biāo)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰融點為0列氏度，水沸點為80列氏度，中間等分為80等分，每一等分為1列氏度。單位符號為R。 攝氏、華氏、列氏溫度之間的換算關(guān)系為,（4-1）,式中:C攝氏溫度值； F華氏溫度值； R列氏溫度值。,2）熱力學(xué)溫標(biāo) 1848年英國科學(xué)家開爾文（Kelvin）提出以卡諾循環(huán)為基礎(chǔ)建

3、立熱力學(xué)溫標(biāo)。他根據(jù)熱力學(xué)理論，認(rèn)為物質(zhì)有一個最低溫度點存在，定為0K，把水的三相點溫度273.15K選作唯一的參考點,在該溫標(biāo)中不會出現(xiàn)負(fù)溫度值。從理想氣體狀態(tài)方程入手可以復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)，稱做絕對氣體溫標(biāo)。這兩種溫標(biāo)在數(shù)值上完全相同，而且與測溫物質(zhì)無關(guān)。由于不存在理想氣體和理想卡諾熱機(jī)，故這類溫標(biāo)是無法實現(xiàn)的。在使用氣體溫度計測量溫度時，要對其讀數(shù)進(jìn)行許多修正，修正過程又依賴于許多精確的測量，于是就導(dǎo)致了國際實用溫標(biāo)的問世。,3）國際溫標(biāo) 國際溫標(biāo)是用來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的，其指導(dǎo)思想是采用氣體溫度計測出一系列標(biāo)準(zhǔn)固定溫度（相平衡點），以它們?yōu)橐罁?jù)在固定點中間規(guī)定傳遞的儀器及溫度值的內(nèi)插公式。第

4、一個國際溫標(biāo)制定于1927年，此后隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，溫標(biāo)的探索也在不斷地進(jìn)展，1989年7月國際計量委員會批準(zhǔn)了新的國際溫標(biāo)，簡稱ITS90。我國于1994年起全面推行ITS90新溫標(biāo)。 ITS90同時定義國際開爾文溫度（變量符號為T90）和國際攝氏溫度（變量符號為t90）。水三相點熱力學(xué)溫度為273.15K，攝氏度與開爾文度保留原有簡單的關(guān)系式,t90=(T90-273.15),（4-2）,ITS-90對某些純物質(zhì)各相（固、液體）間可復(fù)現(xiàn)的平衡態(tài)之溫度賦予給定值，即給予了定義，定義的固定點共17個。ITS-90規(guī)定把整個溫標(biāo)分成四個溫區(qū)，其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)儀器如下：0.655.0K之間

5、，T90用3He和4He蒸氣壓與溫度的關(guān)系式來定義；3.024.5561K（氖三相點）之間，用氦氣體溫度計來定義；13.8033K（平衡氫三相點）961.78（銀凝固點）之間，用基準(zhǔn)鉑電阻溫度計來定義；961.78以上，用單色輻射溫度計或光電高溫計來復(fù)現(xiàn)。,2.溫度檢測的主要方法及分類 1）接觸式測溫方法 接觸式測溫方法是使溫度敏感元件和被測溫度對象相接觸，當(dāng)被測溫度與感溫元件達(dá)到熱平衡時，溫度敏感元件與被測溫度對象的溫度相等。這類溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，精度高，穩(wěn)定性好，價格低廉等優(yōu)點。這類測溫方法的溫度傳感器主要有：基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度傳感器；基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻

6、值隨溫度變化的電阻式溫度傳感器；基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度傳感器。,2）非接觸式測溫方法 非接觸式測溫方法是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量的大小與溫度有關(guān)，并且以電磁波形式向四周輻射，當(dāng)選擇合適的接收檢測裝置時，便可測得被測對象發(fā)出的熱輻射能量，并且轉(zhuǎn)換成可測量和顯示的各種信號，實現(xiàn)溫度的測量。這類測溫方法的溫度傳感器主要有光電高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器、光纖高溫傳感器等。非接觸式溫度傳感器理論上不存在熱接觸式溫度傳感器的測量滯后和在溫度范圍上的限制，可測高溫、腐蝕、有毒、運動物體及固體、液體表面的溫度，不干擾被測溫度場，但精度較低，使用不太方便。,表4-1溫度檢

7、測方法的分類,表4-1溫度檢測方法的分類,4.1.2接觸式溫度傳感器 1.熱膨脹式溫度傳感器 1)雙金屬溫度計 固體膨脹式溫度計中最常見的是雙金屬溫度計，其典型的敏感元件為兩種粘在一起且膨脹系數(shù)有差異的金屬。雙金屬片組合成溫度檢測元件，也可以直接制成溫度測量的儀表。通常的制造材料是高錳合金與殷鋼。殷鋼的膨脹系數(shù)僅為高錳合金的1/20，兩種材料制成疊合在一起的簿片，其中膨脹系數(shù)大的材料為主動層，小的為被動層。將復(fù)合材料的一端固定，另一端自由。在溫度升高時，自由端將向被動層一側(cè)彎曲，彎曲程度與溫度相關(guān)。自由端焊上指針和轉(zhuǎn)軸則隨溫度可以自由旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成了室溫計和工業(yè)用的雙金屬溫度計。它也可用來實現(xiàn)簡單

8、的溫度控制。,固體膨脹式溫度儀表的型號較多，WTJ-1型測量范圍為-40500，耐震，適合航空、航海的應(yīng)用；WTJ-150型測量范圍為-60100，精度為一級，其優(yōu)點是刻度盤大，讀數(shù)和使用方便，不易折損，且有耐震與耐沖擊力，缺點是熱慣性大、精度低。,雙金屬溫度計敏感元件如圖4-1所示。它們由兩種熱膨脹系數(shù) a不同的金屬片組合而成，例如一片用黃銅，a=22.810-6-1，另一片用鎳鋼a=110-6-1210-6-1，將兩片粘貼在一起，并將其一端固定，另一端設(shè)為自由端，自由端與指示系統(tǒng)相連接。當(dāng)溫度由t0變化到t1時，由于A,B兩者熱膨脹不一致而發(fā)生彎曲，即雙金屬片由t0時初始位置AB變化到t1

9、時的相應(yīng)位置AB，最后導(dǎo)致自由端產(chǎn)生一定的角位移，角位移的大小與溫度成一定的函數(shù)關(guān)系，通過標(biāo)定刻度，即可測量溫度。雙金屬溫度計一般應(yīng)用在-80600范圍內(nèi)，最好情況下，精度可達(dá)0.51.0級，常被用作恒定溫度的控制元件，如一般用途的恒溫箱、加熱爐等就是采用雙金屬片來控制和調(diào)節(jié)”恒溫”的，如圖4-2所示。,圖4-1雙金屬溫度計敏感元件,圖4-2雙金屬控制恒溫箱示意圖,2）壓力式溫度計 壓力式溫度計是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體在定容條件下其壓力與溫度呈確定函數(shù)關(guān)系的原理制成的。主要由感溫包、傳遞壓力元件（毛細(xì)管）、壓力敏感元件（彈簧管、膜盒、波紋管等）、齒輪或杠桿傳動機(jī)構(gòu)、指針和讀數(shù)盤組成。溫包、毛

10、細(xì)管和彈簧管的內(nèi)腔共同構(gòu)成一個封閉容器，其中充滿了感溫介質(zhì)。當(dāng)溫包受熱后，內(nèi)部介質(zhì)因溫度升高而壓力增大，壓力的變化經(jīng)毛細(xì)管傳遞給彈簧管使其變形，并通過傳動系統(tǒng)帶動指針偏轉(zhuǎn)，指示出相應(yīng)的溫度數(shù)值。因此，這種溫度計的指示儀表實際上就是普通的壓力表。壓力式溫度計的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單，強(qiáng)度較高，抗振性較好。,為了利于傳熱，溫包的表面面積與其體積的比值應(yīng)盡量大，所以通常采用細(xì)而長的圓筒型溫包。雖然扁平斷面要比圓斷面更利于傳熱，但耐壓能力遠(yuǎn)不如圓斷面好。壓力式溫度計的毛細(xì)管細(xì)而長，其作用是傳遞壓力，常用銅或不銹鋼冷軋無縫管制作，內(nèi)徑為0.4mm。為了減小周圍環(huán)境溫度變化引起的附加誤差，毛細(xì)管的容積應(yīng)遠(yuǎn)小于

11、溫包的容積，為了實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳遞，這就要求其內(nèi)徑小。當(dāng)然，長度加長內(nèi)徑減小會使傳遞阻力增大、溫度計的響應(yīng)變慢，在長度相等的條件下，管越細(xì)則準(zhǔn)確度越高。一般檢測溫度點的位置與顯示溫度的地方可相距20米（特殊需要場合可制作到60米），故它又被稱為隔離溫度計。,圖4-3壓力式溫度計,.充氣體的壓力式溫度計 氣體狀態(tài)方程式pV=nRT表明，對一定質(zhì)量m的氣體，如果它的體積V一定，則它的溫度T與壓力p成正比。因此，在密封容器內(nèi)充以氣體，就構(gòu)成充氣體的壓力溫度計。工業(yè)上用的充氣體的壓力式溫度計通常充氮氣，它能測量的最高溫度為500550；在低溫下則充氫氣，它的測溫下限可達(dá)-120。在過高的溫度下，溫包中充填

12、的氣體會較多地透過金屬壁而擴(kuò)散，這樣會使儀表讀數(shù)偏低。,.充蒸氣的壓力式溫度計 充蒸氣的壓力式溫度計是根據(jù)低沸點液體的飽和蒸氣壓只和氣液分界面的溫度有關(guān)這一原理制成的。其感溫包中充入約占2/3容積的低沸點液體，其余容積則充滿液體的飽和蒸氣。當(dāng)感溫包溫度變化時，蒸氣的飽和蒸氣壓發(fā)生相應(yīng)變化，這一壓力變化通過一插入到感溫包底部的毛細(xì)管進(jìn)行傳遞。在毛細(xì)管和彈簧管中充滿上述液體，或充滿不溶于感溫包中液體的、在常溫下不蒸發(fā)的高沸點液體，稱為輔助液體，以傳遞壓力。感溫包中充入的低沸點液體常用的有氯甲烷、氯乙烷和丙酮等。,2.熱電偶 熱電偶是目前應(yīng)用廣泛、發(fā)展比較完善的溫度傳感器，它在很多方面都具備了一種理

13、想溫度傳感器的條件。 1）熱電偶的特點 （1）溫度測量范圍寬。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前熱電偶的品種較多，它可以測量自-2712800乃至更高的溫度。 （2）性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠。在正確使用的情況下，熱電偶的性能是很穩(wěn)定的，其精度高，測量準(zhǔn)確可靠。,（3）信號可以遠(yuǎn)傳和記錄。由于熱電偶能將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，因此可以遠(yuǎn)距離傳遞，也可以集中檢測和控制。此外，熱電偶的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，其測量端能做得很小。因此，可以用它來測量“點”的溫度。又由于它的熱容量小，因此反應(yīng)速度很快。,2）熱電偶的測溫原理 .熱電效應(yīng) 熱電偶測溫是基于熱電效應(yīng)。在兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成的閉合回路中，如果它們

14、兩個結(jié)點的溫度不同，則回路中產(chǎn)生一個電動勢，通常我們稱這種電動勢為熱電勢，這種現(xiàn)象就是熱電效應(yīng)，如圖4-4所示。,圖4-4熱電偶的測溫原理,.接觸電勢 兩種材料不同的導(dǎo)體A和B接觸在一起時，由于自由濃度不同，便在接觸處發(fā)生電子擴(kuò)散，若導(dǎo)體A、B的電子濃度分別為NA、NB，且NANB，則在單位時間內(nèi)，由A擴(kuò)散到B的電子數(shù)要多于由B擴(kuò)散到A的電子數(shù)。所以，導(dǎo)體A因失去電子而帶正電，導(dǎo)體B因得到電子而帶負(fù)電，在A、B的接觸面處便形成一個從A到B的靜電場。這個電場又阻止電子繼續(xù)由A向B擴(kuò)散。當(dāng)電子擴(kuò)散能力與此電場阻力相平衡時，自由電子的擴(kuò)散達(dá)到了動態(tài)平衡，這樣在接觸處形成一個穩(wěn)定的電動勢，稱為接觸電勢

15、。,在圖4-4回路中，T0點的接觸電勢其大小為,（4-3）,上式中:EAB（T）為導(dǎo)體A、B在溫度T的接觸電勢；K為接觸處絕對溫度，K為波耳茲曼常數(shù)，K=1.3810-23J/K；e為電子電荷，e=1.6010-19C。 可以看出，如果熱電偶的兩個電極材料相同(NA=NB)，則不會產(chǎn)生接觸電勢。因此，熱電偶的兩個電極材料必須不同。,在圖4-4回路中，T0點的接觸電勢為,（4-5）,.溫差電勢 溫差電勢（也稱湯姆遜電勢）是指在同一根導(dǎo)體中，由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的電動勢。導(dǎo)體A兩端的溫度分別為T0和T時的溫差電勢表示為EA（T，T0）。設(shè)導(dǎo)體A(或B)兩端溫度分別為T0和T，且TT0。此時導(dǎo)體A

16、(或B)內(nèi)形成溫度梯度，使高溫端的電子能量大于低溫端的電子能量，因此從高溫端擴(kuò)散到低溫端的電子數(shù)比從低溫端擴(kuò)散到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電荷，低溫端因獲得電子而帶負(fù)電荷。因而，在同一導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，最后使電子擴(kuò)散達(dá)到動平衡，此時形成溫差電勢。,在圖4-4回路中，A導(dǎo)體上的溫差電勢EA(T,T0)為,（4-6）,B導(dǎo)體上的溫差電勢EB(T, T0)為,（4-7）,則在導(dǎo)體A、B組成的熱電偶回路中，兩導(dǎo)體上產(chǎn)生的溫差電勢之和為,（4-8）,.熱電偶閉合回路的總電勢 在圖4-4回路中，接觸點1處將產(chǎn)生接觸電勢EAB(T)，接觸點2處將產(chǎn)生接觸電勢

17、EAB(T0)，導(dǎo)體A上將產(chǎn)生溫差電勢，導(dǎo)體B上將產(chǎn)生溫差電勢，所以熱電偶回路中的熱電勢為接觸電勢與溫差電勢之和，取EAB（T）的方向為正向，則整個回路總熱電勢可表示為：,EAB（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0） +EA（T，T0）- EB（T，T0）,（4-9）,通常情況下，溫差電勢比較小，因此,EAB（T，T0）EAB（T）-EAB（T0）,（4-10）,如果能使冷端溫度T0固定，即EAB（T0）=C(常數(shù))，則對確定的熱電偶材料，其總電勢EAB（T，T0）就只與熱端溫度呈單值函數(shù)關(guān)系，即,EAB（T，T0）EAB（T）-C,(4-11),根據(jù)國際溫標(biāo)規(guī)定：在T0=0時，用實驗的方

18、法測出各種不同熱電極組合的熱電偶在不同的工作溫度下所產(chǎn)生的熱電勢值，并將其列成一張表格，這就是常說的分度表。溫度與熱電勢之間的關(guān)系也可以用函數(shù)關(guān)系表示，稱為參考函數(shù)。同時，需注意以下幾點： (1)兩種相同材料的導(dǎo)體構(gòu)成熱電偶時，其熱電勢為零； (2)當(dāng)兩種導(dǎo)體材料不同，但兩端溫度相同時，其熱電偶的熱電勢為零； (3)熱電勢的大小只與電極的材料和結(jié)點的溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸、形狀無關(guān)。,3)熱電偶基本定律 .中間導(dǎo)體定律 熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，則對熱電偶回路總的熱電勢沒有影響，如圖4-5所示。熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體C后的熱電勢為,EABC（T，T0）=EAB（T

19、）+EBC（T0）+ECA（T0）,（4-13）,即,EBC（T0）+ECA（T0）= -EAB（T0）,（4-14）,所以,EABC（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）=EAB（T，T0）,（4-15）,圖4-5中間導(dǎo)體定律,.中間溫度定律 熱電偶在結(jié)點溫度為（T，T0）時的熱電勢，等于在結(jié)點溫度為（T，Tn）及（Tn，T0）時的熱電勢之和，其中，Tn 稱為中間溫度，如圖4-6所示。其熱電勢可用下式表示：,（4-16）,EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，T0）,圖4-6中間溫度定律,中間溫度定律的實用價值在于： (1)當(dāng)熱電偶冷端不為0時，可用中間溫度定律加以修正；

20、 (2)由于熱電偶電極不能做得很長，可根據(jù)中間溫度定律選用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償導(dǎo)線。,.標(biāo)準(zhǔn)電極定律 如圖4-7所示，如果A、B兩種導(dǎo)體分別與第3種導(dǎo)體C組成熱電偶，當(dāng)兩結(jié)點溫度為（T，T0）時熱電勢分別為EAC（T，T0）和EBC（T，T0），那么在相同溫度下，由A、B兩種熱電偶配對后的熱電勢為,EAB（T，T0）=EAC（T，T0）-EBC（T，T0）,（4-17）,圖4-7標(biāo)準(zhǔn)電極定律,.均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中，不論導(dǎo)體的截面和長度如何，以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。這條定理說明，熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。,4）熱電偶的材料 根據(jù)上述熱電偶的測溫原則

21、，理論上任何兩種導(dǎo)體均可配成熱電偶，但因?qū)嶋H測溫時對測量精度及使用等有一定要求，故對制造熱電偶的熱電極材料也有一定要求。除滿足上述對溫度傳感器的一般要求外，還應(yīng)注意如下要求: （1）在測溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時間和被測介質(zhì)而變化，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化或腐蝕； （2）電導(dǎo)率要高，并且電阻溫度系數(shù)要?。?（3）它們組成的熱電偶的熱電勢隨溫度的變化率要大，并且希望該變化率在測溫范圍內(nèi)接近常數(shù)； （4）材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，復(fù)制性好，復(fù)制工藝要簡單，價格便宜。 完全滿足上述條件要求的材料很難找到，故一般只根據(jù)被測溫度的高低選擇適當(dāng)?shù)臒犭姌O材料。下面分別介紹國內(nèi)生產(chǎn)的幾種常用熱電偶。它們又分為

22、標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶與非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系和允許誤差，并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表。,5）熱電偶的分類 .按熱電偶材料分類 按熱電偶材料分類有廉金屬、貴金屬、難熔金屬和非金屬四大類。廉金屬中有鐵康銅、銅康銅、鎳鉻考銅、鎳鉻康銅、鎳鉻鎳硅（鎳鋁）等；貴金屬中有鉑鍺10鉑、鉑鍺30鉑鍺、鉑鍺系、銥鍺系、銥釕系和鉑銥系等；難熔金屬中有鎢錸系、鎢鉑系、銥鎢系和鈮鈦系等；非金屬中有二碳化鎢二碳化鉬、石墨碳化物等。如表4-2所示。,表4-2熱電偶的分類,(1)鉑鍺10鉑熱電偶（S型）。這是一種貴金屬熱電偶，由直徑為0.5mm以下的鉑銠合金絲（鉑90%，銠10%）或純鉑絲制成。

23、由于容易得到高純度的鉑和鉑銠，故這種熱電偶的復(fù)制精度和測量準(zhǔn)確度較高，可用于精密溫度測量。在氧化性或中性介質(zhì)中具有較好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，在1300以下范圍內(nèi)可長時間使用。其主要缺點是金屬材料的價格昂貴；熱電勢小，而且熱電特性曲線非線性較大；在高溫時易受還原性氣體所發(fā)出的蒸汽和金屬蒸汽的侵害而變質(zhì)，失去測量準(zhǔn)確度。,(2)鉑鍺30鉑鍺熱電偶（B型）。它也是貴金屬熱電偶，長期使用的最高溫度可達(dá)600,短期使用可達(dá)1800，它宜在氧化性和中性介質(zhì)中使用，在真空中可短期使用。它不能在還原性介質(zhì)及含有金屬或非金屬蒸汽的介質(zhì)中使用，除非外面套有合適的非金屬保護(hù)管才能使用。它具有鉑鍺10鉑的各種優(yōu)點，抗污染

24、能力強(qiáng)；主要缺點是靈敏度低、熱電勢小，因此，冷端在40以上使用時，可不必進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。,(3)鎳鉻鎳硅（鎳鉻鎳鋁）熱電偶（K型）。由鎳鉻與鎳硅制成，熱電偶絲直徑一般為1.22.5mm。鎳鉻為正極，鎳硅為負(fù)極。該熱電偶化學(xué)穩(wěn)定性較高，可在氧化性介質(zhì)或中性介質(zhì)中長時間地測量900以下的溫度，短期測量可達(dá)1200；如果用于還原性介質(zhì)中，就會很快地受到腐蝕，在此情況下只能用于測量500以下溫度。這種熱電偶具有復(fù)制性好，產(chǎn)生熱電勢大，線性好，價格便宜等優(yōu)點。雖然測量精度偏低，但完全能滿足工業(yè)測量要求，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種熱電偶。表4-3為其分度表。,表4-3K型熱電偶分度表,例：用鎳鉻一鎳硅（K

25、型）熱電偶測量某一物體溫度，已知熱電偶參考端溫度為30，測得熱電動勢為33.686mV，求被測物體溫度為多少？ 解：查K型熱電偶分度表可知，En（30，0）=1.203 mV，Ek（T，40）=33.686mV，Ek（T，0）= Ek（T，40）+ En（30，0）=33.686+1.203=34.889mV，再查表可知：被測物體溫度大約為840。,圖4-8熱電偶的溫度與電勢特性曲線,(4)鎳鉻一康銅熱電偶（E型）。其正極為鎳鉻合金，9%10%鉻,0.4%硅，其余為鎳；負(fù)極為康銅,56%銅，44%硅。鎳鉻一康銅熱電偶的熱電勢是所有熱電偶中最大的，如EA（100.0）=6.95mV，比鉑鍺一鉑熱

26、電偶高了十倍左右，其熱電特性的線性也好，價格又便宜。它的缺點是不能用于高溫，長期使用溫度上限為600,短期使用可達(dá)800；另外，康銅易氧化而變質(zhì)，使用時應(yīng)加保護(hù)套管。以上幾種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的溫度與電勢特性曲線如圖4-8所示。,(5)鎢錸系熱電偶。該熱電偶屬廉價熱電偶，可用來測量高達(dá)2760的溫度，通常用于測量低于2316的溫度，短時間測量可達(dá)3000。這種系列熱電偶可用于干燥的氫氣、中性介質(zhì)和真空中，不宜用在還原性介質(zhì)、潮濕的氫氣及氧化性介質(zhì)中。常用的鎢錸系熱電偶有鎢鎢錸26，鎢錸鎢錸25，鎢錸5鎢錸20和鎢鋅5鎢錸26，這些熱電偶的常用溫度為3002000，分度誤差為1%。,(6)銥鍺系熱電偶。

27、 該熱電偶屬貴金屬熱電偶。銥銠銥熱電偶可用在中性介質(zhì)和真空中，但不宜在還原性介質(zhì)中，在氧化性介質(zhì)中使用將縮短壽命。它們在中性介質(zhì)和真空中測溫可長期使用到2000左右。它們熱電勢雖較小，但線性好。,(7)鎳鈷鎳鋁熱電偶。測溫范圍為3001000。其特點是在300以下熱電勢很小，因此不需要冷端溫度補(bǔ)償。,.按用途和結(jié)構(gòu)分類 熱電偶按照用途和結(jié)構(gòu)分為普通工業(yè)用和專用兩類。普通工業(yè)用的熱電偶分為直形、角形和錐形（其中包括無固定裝置、螺紋固定裝置和法蘭固定裝置等品種）。專用的熱電偶分為鋼水測溫的消耗式熱電偶、多點式熱電偶和表面測溫?zé)犭娕嫉取?6）熱電偶的結(jié)構(gòu) 熱電偶的基本組成包括熱電極、絕緣套管、保護(hù)套

28、管和接線盒等部分，其結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式各種各樣，按其結(jié)構(gòu)形式，熱電偶可分為以下4種形式: .普通型熱電偶 這類熱電偶主要用來測量氣體、蒸氣和液體介質(zhì)的溫度，目前已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。,.鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶又稱纜式熱電偶，它是將熱電極、絕緣材料和金屬保護(hù)套三者結(jié)合成一體的特殊結(jié)構(gòu)形式，其斷面結(jié)構(gòu)如圖4-10所示。它具有體積小、熱慣性小、精度高、響應(yīng)快、柔性強(qiáng)的特點，廣泛用于航空、原子能、冶金、電力、化工等行業(yè)中。,圖4-9熱電偶的結(jié)構(gòu),圖4-10鎧裝熱電偶斷面結(jié)構(gòu),.薄膜熱電偶 薄膜熱電偶是采用真空蒸鍍的方法，將熱電偶材料蒸鍍在絕緣基板上而成的熱電偶。它可以做得很薄，具有熱

29、容量小、響應(yīng)速度快的特點，適于測量微小面積上的瞬變溫度。,.快速消耗型熱電偶 這種熱電偶是一種專用熱電偶，主要用于測量高溫熔融物質(zhì)的溫度，如鋼水溫度，通常是一次性使用。這種熱電偶可直接用補(bǔ)償導(dǎo)線接到專用的快速電子電位差計上，直接讀取溫度。,7）熱電偶的參考端的處理 從熱電偶測溫基本公式可以看到，對某一種熱電偶來說熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與工作端溫度t和自由端溫度t0有關(guān)，即熱電偶的分度表是以t0=0作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的。而在實際使用過程中，參考端溫度往往不為0，因此需要對熱電偶參考端溫度進(jìn)行處理。熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償有下面幾種方法： （1）溫度修正法。采用補(bǔ)償導(dǎo)線可使熱電偶的參考端延伸到溫度比較穩(wěn)定

30、的地方，但只要參考端溫度不等于0，需要對熱電偶回路的電勢值加以修正，修正值為EAB（t0,0）。經(jīng)修正后的實際熱電勢可由分度表中查出被測實際溫度值。,（2）冰浴法。在實驗室及精密測量中，通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中，以便參考端溫度保持0，這種方法又稱冰浴法。,圖4-11具有補(bǔ)償電橋的熱電偶測量線路,（3）補(bǔ)償電橋法。補(bǔ)償電橋法是在熱電偶與顯示儀表之間接入一個直流不平衡電橋，也稱冷端溫度補(bǔ)償器，如圖4-11所示。圖中經(jīng)穩(wěn)壓后的直流電壓經(jīng)過電阻對電橋供電，電橋的個橋臂由電阻1、2、3（均由錳銅絲繞成）及Cu（銅線繞制）組成，Cu與熱電偶冷端感受同樣的溫度。設(shè)計時使電橋在20處于平衡狀態(tài)，

31、此時電橋的a、兩端無電壓輸出，電橋?qū)x表無影響。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，熱電偶冷端溫度也變化，則熱電動勢將隨其冷端溫度的變化而改變。但此時Cu阻值也隨溫度而變化，電橋平衡被破壞，電橋輸出不平衡電壓，此時不平衡電壓與熱電偶電動勢疊加在一起送到儀表，以此起到補(bǔ)償作用。應(yīng)該設(shè)計出這樣的電橋，使它產(chǎn)生的不平衡電壓正好補(bǔ)償由于冷端溫度變化而引起的熱電動勢變化值，儀表便可以指示正確的測溫值。,（4）補(bǔ)償導(dǎo)線法。在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣參考端溫度t0也比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短，需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線，它通

32、常由兩種不同性質(zhì)的廉價金屬導(dǎo)線制成，而且要求在0100的溫度范圍內(nèi)，補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線如表4-4所示。,表4-4常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線規(guī)格,3.熱電阻 1）工作原理 大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻具有隨溫度變化的特性，其特性方程如下：,Rt=R01+a(t-t0),（4-18）,式中t表示任意絕對溫度時金屬的電阻值；0表示基準(zhǔn)狀態(tài)t0時的電阻值；是熱電阻的溫度系數(shù)（1/）。對于絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體，并不是一個常數(shù)，而是有關(guān)溫度的函數(shù)，但在一定的溫度范圍內(nèi)，可近似地看成一個常數(shù)。不同的金屬導(dǎo)體，保持常數(shù)所對應(yīng)的溫度范圍也不同。,一般選作感溫電阻的材料必須滿足如下要求：電

33、阻溫度系數(shù)要高，這樣在同樣條件下可加快熱響應(yīng)速度，提高靈敏度。通常純金屬的溫度系數(shù)比合金大，一般均采用純金屬材料；在測溫范圍內(nèi)，化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，以保證熱電阻的測溫準(zhǔn)確性；具有良好的輸出特性，即在測溫范圍內(nèi)電阻與溫度之間必須有線性或接近線性的關(guān)系；具有比較高的電阻率，以減小熱電阻的體積和重量；具有良好的可加工性，且價格便宜。比較適合的材料有鉑、銅、鐵和鎳等。它們的阻值隨溫度的升高而增大，具有正溫度系數(shù)。,2）熱電阻類型 .鉑熱電阻（WZP型號） 鉑的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，是目前制造熱電阻的最好材料。鉑電阻主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計，廣泛應(yīng)用于溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。它是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度

34、計。鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系 在0850范圍內(nèi)為,（4-19）,在-190范圍內(nèi)為,（420）,式中Rt為溫度為t時的電阻值；R0為溫度為0時的電阻值；t為任意溫度值；為分度系數(shù)，A=3.9080210-3-1；B為分度系數(shù)，B=5.80210-7-2；C為分度系數(shù)，C=4.273 5010-12-4。,鉑熱電阻中的鉑絲純度用電阻比W（100）表示，即,（4-21）,式中R100為鉑熱電阻在100時的電阻值；R0為鉑熱電阻在0時的電阻值。 電阻比W（100）越大，其純度越高。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)使用的鉑熱電阻的W（100）1.3850。目前技術(shù)水平可達(dá)到W（100）=1.3930其對應(yīng)鉑的純

35、度為99.9995%。,表4-5鉑熱電阻Pt100的分度表,.銅熱電阻（WZC型號） 鉑電阻雖然優(yōu)點多，但價格昂貴。銅易于提純，價格低廉，電阻-溫度特性線性較好。在測量精度要求不高且溫度較低的場合，銅電阻得到廣泛應(yīng)用。銅的電阻溫度系數(shù)大，易加工提純，其電阻值與溫度呈線性關(guān)系，價格便宜，在-50150內(nèi)有很好的穩(wěn)定性。但溫度超過150后易被氧化而失去線性特性，因此，它的工作溫度一般不超過150。 銅的電阻率小，要具有一定的電阻值，銅電阻絲必須較細(xì)且長，則熱電阻體積較大，機(jī)械強(qiáng)度低。,在-50150的溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度近似呈現(xiàn)性關(guān)系，可用下式表示，即,（4-22）,由于B、C比A小得多，所以

36、可以簡化為,（4-23）,上式中:Rt是溫度為t時銅電阻值；R0是溫度為0時銅電阻值；A是常數(shù)，A=4.2810-3-1。,銅電阻的R0分度表號Cu50為50；Cu100為100。銅的電阻率僅為鉑的幾分之一。因此，銅電阻所用阻絲細(xì)而且長，機(jī)械強(qiáng)度較差，熱慣性較大，在溫度高于100以上或侵蝕性介質(zhì)中使用時，易氧化，穩(wěn)定性較差。因此，只能用于低溫及無侵蝕性的介質(zhì)中。熱電阻新、舊分度號如表4-6所示。,表4-6熱電阻新、舊分度號,.其他熱電阻 近年來，對低溫和超低溫測量方面，采用了新型熱電阻。 銦電阻是用99.999高純度的銦繞成電阻?？稍谑覝氐?2溫度范圍內(nèi)使用，4215溫度范圍內(nèi)，靈敏度比鉑高1

37、0倍。缺點是材料軟，復(fù)制性差。,3）熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu) 熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒等組成，如圖4-12所示。,圖4-12熱電阻傳感器結(jié)構(gòu) （a）熱電阻傳感器結(jié)構(gòu);（b）電阻體結(jié)構(gòu),4.溫度變送器 溫度變送器與測溫元件配合使用將溫度信號轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號420mADC或15VDC，以實現(xiàn)對溫度的自動檢測或自動控制。溫度變送器還可以作為直流毫伏變送器或電阻變送器使用，配接能夠輸出直流毫伏信號或電阻信號的傳感器，實現(xiàn)對其他工藝參數(shù)的測量。 溫度變送器可分為以DDZ溫度變送器為主流的模擬溫度變送器和智能化溫度變送器兩大類。在結(jié)構(gòu)上，溫度變送器有測溫元件和變送器連成一個整

38、體的一體化結(jié)構(gòu)及測溫元件另配的分體式結(jié)構(gòu)。,DDZ溫度變送器主要有三種：直流毫伏變送器、熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器。其原理和結(jié)構(gòu)形式大致相同。直流毫伏變送器是將直流毫伏信號轉(zhuǎn)換成420mADC電流信號，而熱電偶、熱電阻溫度變送器是將溫度信號線性地轉(zhuǎn)換成420mADC電流信號。這三種變送器均屬安全火花防爆儀表，采用四線制連接方式，都分為量程單元和放大單元兩部分，它們分別設(shè)置在兩塊印刷電路板上，用接插件相連接，其中，放大單元是通用的，而量程單元隨品種、測量范圍的不同而不同。,1）直流毫伏變送器 直流毫伏變送器作用是把直流毫伏信號Ei轉(zhuǎn)換成420mA DC電流信號。直流毫伏變送器的構(gòu)成框圖如

39、圖4-13所示。它把由檢測元件送來的直流毫伏信號Ei和橋路產(chǎn)生的調(diào)零信號VZ以及同反饋電路產(chǎn)生的反饋信號Vf進(jìn)行比較，其差值送人前置運放進(jìn)行電壓放大，再經(jīng)功率放大器轉(zhuǎn)換成具有一定帶負(fù)載能力的電流信號，同時把該電流調(diào)制成交流信號，通過1：1的隔離變壓器實現(xiàn)隔離輸出。,圖4-13直流毫伏變送器構(gòu)成框圖,2）熱電偶溫度變送器 熱電偶溫度變送器與熱電偶配合使用，要求將溫度信號線性地轉(zhuǎn)換為420mADC電流信號或15VDC電壓信號。由于熱電偶測量溫度的兩個特點，一是需冷端溫度恒定，二是熱電偶的熱電勢與熱端溫度成非線性的關(guān)系，故熱電偶溫度變送器線路需在直流毫伏線路的基礎(chǔ)上做兩點修改： (1)在量程單元的橋

40、路中，用銅電阻代替原橋路中的恒電阻，并組成正確的冷端補(bǔ)償回路；,(2)在原來的反饋回路中，構(gòu)造與熱電偶溫度特性相似的非線性反饋電路，利用深度負(fù)反饋電路來實現(xiàn)溫度與熱電偶溫度變送器輸出電流成線性關(guān)系。熱電偶溫度變送器的構(gòu)成框圖如圖4-14所示。,圖4-14熱電偶溫度變送器的構(gòu)成框圖,需要注意的是，由于不同分度號熱電偶的熱電特性不相同，故與熱電偶配套的溫度變送器中的非線性反饋電路也是隨熱電偶的分度號和測溫范圍的不同而變化的，這也正是熱電偶溫度變送器量程單元不能通用的原因。 熱電偶溫度變送器接線端子如圖4-15所示?！癆”、“B”分別代表熱電偶正、負(fù)極連接端；“+”、“-”為24VDC電源的正、負(fù)極

41、接線端；“4”、“5”為熱電偶溫度變送器的15VDC電壓輸出端；“7”、“8”為熱電偶溫度變送器的420mADC電流輸出端；有零點和量程調(diào)節(jié)螺釘。,圖4-15熱電偶溫度變送器接線端子,3）熱電阻溫度變送器 熱電阻溫度變送器與熱電阻配合使用，要求將溫度信號線性地轉(zhuǎn)換為420mADC電流信號或15VDC電壓信號。由于熱電阻傳感器的輸出量是電阻的變化，故需引入橋路，將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。又由于熱電阻溫度特性具有非線性，故在直流毫伏線路的基礎(chǔ)上需引入線性化環(huán)節(jié)。熱電阻溫度變送器的構(gòu)成框圖如圖4-16所示。,圖4-16熱電阻溫度變送器構(gòu)成框圖,需要注意的是，熱電阻溫度變送器的線性化電路不同于熱電

42、偶溫度變送器。它采用的是熱電阻兩端電壓信號正反饋的方法，使流過熱電阻的電流隨電壓增大而增大，即電流隨溫度的增高而增大，從而補(bǔ)償熱電阻引線電阻由于環(huán)境溫度增加而導(dǎo)致輸出變化量減小的趨勢，最終使熱電阻兩端的電壓信號與被測溫度成線性關(guān)系。 由于熱電阻溫度變送器本質(zhì)上測量的是電阻的變化，故它引線電阻的要求較高，一般采用三線制接法。,熱電阻溫度變送器接線端子如圖4-17所示?！癆”、“B”、“H”分別代表熱電阻連接端；“+”、“-”為24VDC電源的正、負(fù)極接線端；“4”、“5”為熱電阻溫度變送器的15VDC電壓輸出端；“7”、“8”為熱電阻溫度變送器的420mADC電流輸出端；有零點和量程調(diào)節(jié)螺釘。,

43、圖4-17熱電阻溫度變送器接線端子,4）DDZ溫度變送器防爆措施 DDZ溫度變送器安全火花防爆措施有三條：在輸入、輸出及電源回路之間通過變壓器而相互隔離；在輸入端設(shè)有限壓和限流元件；在輸出端及電源端裝有大功率二極管及熔斷絲。以上三條措施使DDZ溫度變送器能適用于防爆等級為He的場所。,4.1.3非接觸式測溫 1.黑體輻射定律 輻射測溫的理論基礎(chǔ)是黑體輻射定律，黑體是指能對落在它上面的輻射能量全部吸收的物體。自然界中任何物體只要其溫度在絕對零點以上，就會不斷地向周圍空間輻射能量。溫度愈高，輻射能量就愈多。黑體輻射滿足下述各定律。,1）普朗克定律 當(dāng)黑體的溫度為T(K)時，它的每單位面積向半球面方

44、向發(fā)射的對應(yīng)于某個波長的單位波長間隔、單位時間內(nèi)的輻射能量與波長、溫度的函數(shù)關(guān)系為,（4-24）,式中Eb(，T)為黑體在溫度T、波長、單位時間、單位波長間隔輻射的能量，W(cm2m)；C1為普朗克第一輻射常數(shù)， C1=3.741310-12Wm/cm2；C2為普朗克第二輻射常數(shù)， C2=1. 4388 cmK；為輻射波長，m；T為黑體表面的絕對溫度，K。,2） 維恩位移定律 黑體對應(yīng)最大輻射能量的波長隨溫度的升高， 而向短波方向移動， 其關(guān)系為,（4-25）,式中: m為對應(yīng)黑體輻射能量最大值的波長，m；T為黑體表面的絕對溫度，K。 式(4-25)稱為維恩位移定律?？梢姡瑢τ跍囟容^低的黑體，

45、 其輻射能量主要在長波段。當(dāng)它的溫度升高時，輻射能量增加。 對應(yīng)最大輻射能量的波長向短波方向移動。,3） 斯忒藩玻耳茲曼定律 在一定的溫度下， 黑體在單位時間內(nèi)單位面積輻射的總能量為,（4-26）,式中，為斯忒藩一玻耳茲曼常數(shù)，=5.6710-12 W(cm2K4)。 上述各定律只適用于黑體。實際物體都是非黑體，它們的輻射能力均低于黑體。 實際物體的輻射能量與黑體在相同溫度下的輻射能量之比稱為該物體的比輻射率或黑度，記為，則,（4-27）,2. 輻射測溫方法 1） 亮度測溫法 亮度溫度的定義是：某一被測體在溫度為T、 波長為時的光譜輻射能量，等于黑體在同一波長下的光譜輻射能量。此時，黑體的溫度

46、稱為該物體在該波長下的亮度溫度(簡稱亮溫)。 由普朗克定律可以得到,（4-28）,式中: e為有效波長；為有效波長e的比輻射率； T為被測體的真溫； TL為被測體的亮溫。,2） 比色測溫法 比色溫度的定義是：黑體在波長1和2下的光譜輻射能量之比等于被測體在這兩個波長下的光譜輻射能量之比， 此時黑體的溫度稱為被測體的比色溫度(簡稱色溫)。 由普朗克定律可求得被測體的溫度與其色溫的關(guān)系為,（4-29）,式中: Tc為被測體的色溫；T為被測體溫度；1、2分別為被測體對應(yīng)于波長1和2的比輻射率。 當(dāng)比輻射率1、 2為已知時，根據(jù)式(429)可由測得的色溫求出被測體的真溫。,3） 全輻射測溫法 全輻射測

47、溫的理論依據(jù)是斯忒藩玻耳茲曼定律。全輻射溫度的定義是：當(dāng)某一被測體的全波長范圍的輻射總能量與黑體的全波長范圍的輻射總能量相等時， 黑體的溫度瓦就稱為該被測體的全輻射溫度。 此時有,（4-30）,當(dāng)被測體的全波比輻射率為已知時， 可由式(4-30)校正后， 求得真溫T。,由上述三種測溫原理可知， 比色測溫與亮度測溫都具有較高的精度。 比色測溫的抗干擾能力強(qiáng)，在一定程度上可以消除電源電壓的影響和背景雜散光的影響等。 全輻射測溫容易受背景干擾。 從三種輻射測溫原理可見， 輻射法測溫并非直接測得物體的真溫，每種方法都需要由已知的比輻射率校正后求出真溫。這樣，由于比輻射率的測量誤差將會影響輻射測溫結(jié)果的

48、準(zhǔn)確性，這是輻射測溫法的缺點。因此，盡管輻射測溫具有很多優(yōu)點，但測溫精度還不夠高，這在一定程度上影響了它的使用。加之，輻射測溫儀器復(fù)雜，價格較貴， 因此它的使用范圍遠(yuǎn)不及接觸式測溫儀表廣泛。,3. 輻射測溫儀表 1） 光學(xué)高溫計 光學(xué)高溫計按其結(jié)構(gòu)可分為燈絲隱滅式和燈絲恒亮式兩類。燈絲隱滅式是光學(xué)高溫計中最完善的一類， 這里只介紹燈絲隱滅式光學(xué)高溫計的工作原理。 當(dāng)被測物體輻射的單色亮度與光學(xué)高溫計內(nèi)燈絲的單色亮度相等時，兩者的溫度便是一致的，而燈絲的溫度可由流過它的電流的大小來確定。測量時，將光學(xué)高溫計對準(zhǔn)被測體。調(diào)節(jié)燈絲電流、改變燈絲的亮度，使之與被測物體亮度相等。這時被測體輻射強(qiáng)度就等于

49、標(biāo)準(zhǔn)燈泡燈絲的輻射強(qiáng)度， 燈絲便消失在被測物的背景之中。燈絲的電流與它的溫度有著確定的關(guān)系， 因此可把電流值直接刻度成溫度值。,光電高溫計的工作原理如圖4-18所示。被測體的輻射光由物鏡、聚焦后經(jīng)光欄、調(diào)制遮光板的上方孔、濾光片， 投射到光敏元件上。另一路光是由參比光源燈泡發(fā)出的一束光經(jīng)透鏡、調(diào)制遮光板的下方孔、濾光片后投射到光敏元件的同一位置。調(diào)制遮光板將來自被測體和參比光源的兩束光變成脈沖光束，并交替地投射到光敏元件上。如果兩束光存在亮度差，則差值將被放大推動可逆電動機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動滑線電阻的觸點，調(diào)節(jié)燈泡的電源，直至兩束光的亮度平衡為止。 同時可逆電動機(jī)也帶動顯示記錄儀表記錄出相應(yīng)的溫度值。,

50、圖4-18 光電高溫計原理圖,2） 光電比色高溫計 光電比色高溫計在光路結(jié)構(gòu)上與光電亮度高溫計有很多相似之處，但它是利用被測對象兩個不同波長的輻射能量之比與其溫度之間的關(guān)系來實現(xiàn)輻射測量的。比色高溫計有兩種基本結(jié)構(gòu)形式：單通道式和雙通道式。圖4-19是雙通道式光電比色高溫計的結(jié)構(gòu)原理圖。,圖4-19 雙通道式光電比色高溫計的結(jié)構(gòu)原理圖,3） 全輻射溫度計 全輻射溫度計的工作原理如圖4-20所示。與前面幾種輻射溫度計相比，它是把被測體的所有波長的能量全部接收下來，而不需要變?yōu)閱紊?。因此，全輻射式溫度計要求光敏元件對整個光譜的光都能較好的響應(yīng)。 一般選用熱電堆或熱釋電器件。熱釋電器件近年來應(yīng)用較

51、多。 它的響應(yīng)速度快，并且有很寬的動態(tài)范圍，對光譜輻射的響應(yīng)幾乎與波長無關(guān)，直到遠(yuǎn)紅外波段靈敏度都相當(dāng)均勻。,圖4-20 全輻射溫度計的工作原理,4.1.4 溫度檢測儀表的選用 溫度檢測儀表的選用應(yīng)根據(jù)工藝要求，正確選擇儀表的量程和精度。正常使用溫度范圍，一般為儀表量程的3090。現(xiàn)場直接測量的儀表可按工藝要求選用。 玻璃液體溫度計具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量準(zhǔn)確、價格便宜等優(yōu)點，但強(qiáng)度差、容易損壞，通常用于指示精度較高，現(xiàn)場沒有震動的場合，還可作溫度報警和位式控制。 雙金屬溫度計具有體積小、使用方便、刻度清晰、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點，但測量誤差較大，適用于指示清晰，有震動的場合， 也可作報警和位式

52、控制。,壓力式溫度計有充氣式、充液體式和充蒸汽式三種。 可以實現(xiàn)溫度指示、記錄、調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)傳和報警，刻度清晰， 但毛細(xì)管的機(jī)械強(qiáng)度較差，測量誤差較大，一般用于就地集中測量或要求記錄的場合。 熱敏電阻溫度計具有體積小、靈敏度高、慣性小、結(jié)實耐用等優(yōu)點，但是熱敏電阻的特性差異很大，可用于間斷測量固體表面溫度的場合。 測量微小物體和運動物體的溫度或測量因高溫、振動、 沖擊等原因而不能安裝測溫元件的物體的溫度，應(yīng)采用光學(xué)高溫計、 輻射感溫器等輻射型溫度計。,輻射型溫度計測溫度必須考慮現(xiàn)場環(huán)境條件，如受水蒸氣、煙霧、一氧化碳、二氧化碳等影響，應(yīng)采取相應(yīng)措施， 克服干擾。 光學(xué)高溫計具有測溫范圍廣、使用攜帶

53、方便等優(yōu)點， 但是只能目測，不能記錄或控制溫度。 輻射感溫器具有性能穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點，與顯示儀表配套使用能連續(xù)指示記錄和控制溫度，但測出的物體溫度和真實溫度相差較大，使用時應(yīng)進(jìn)行修正。當(dāng)與瞄準(zhǔn)管配套測量時，可測得真實溫度。,,4.2 壓力檢測與儀表,1.壓力的描述與單位 （1）絕對壓力。指作用于物體表面上的全部壓力，其零點以絕對真空為基準(zhǔn)，又稱總壓力或全壓力，一般用大寫字母P表示。 （2）大氣壓力。指地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力，以P0表示。 （3）相對壓力。指絕對壓力與大氣壓力之差，一般用P表示。當(dāng)絕對壓力大于大氣壓力時，稱為正壓力，簡稱壓力，又稱表壓力；當(dāng)絕對壓力小于大氣壓力時，

54、稱為負(fù)壓，負(fù)壓又可用真空度表示，負(fù)壓的絕對值稱為真空度。測壓儀表指示的壓力一般都是表壓力。,（4）差壓任意兩個壓力之差稱為差壓。壓力在國際單位制中的單位是牛頓米2（Nm2），通常稱為帕斯卡或簡稱帕（Pa）。由于帕的單位很小，工業(yè)上一般采用千帕（kPa）或兆帕（MPa）作為壓力的單位。在工程上還有一些習(xí)慣使用的壓力單位，如我國在實行法定計量單位前使用的工程大氣壓（kgfcm2），它是指每平方厘米的面積上垂直作用1千克力的壓力；標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（760mmHg）是指0時水銀密度為13.5951gcm3，在標(biāo)準(zhǔn)重力加速度9.80665ms2下高760mm水銀柱對底面的壓力；毫米水柱（mrnH2O）是指標(biāo)準(zhǔn)

55、狀態(tài)下高lmm的水柱對底面的壓力；毫米汞柱（mmHg）指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下高lmm的水銀柱對底面的壓力等。一些西方國家尚有使用bar（或mbar）和bfin2等舊時壓力單位的，這些壓力單位的相互換算見表4-7。,表4-7 壓力單位的相互換算,2. 壓力儀表的分類 由于在各個領(lǐng)域中都廣泛地應(yīng)用著不同的壓力測量儀表， 所以致使壓力表的種類繁多，對壓力表的分類也常采用不同的方法。 如表48 所示。為了測量方便， 根據(jù)所測壓力高低不同， 習(xí)慣上把壓力劃分成不同的區(qū)間。 在各個區(qū)間內(nèi)， 壓力的發(fā)生和測量都有很大差別，壓力范圍的劃分對儀表分類也很有影響。下面首先介紹常用的壓力范圍的劃分方法。,表4-8 壓力儀表的

56、分類,1）壓力范圍的劃分 （1）微壓壓力在00.1MPa以內(nèi)； （2）低壓壓力在0.110MPa以內(nèi)； （3）高壓壓力在10600MPa以內(nèi)； （4）超高壓壓力高于600MPa；,（5）真空（以絕對壓力表示）： 粗真空：1.33321031.0133105Pa； 低真空：0.133321.3332103Pa； 高真空：1.333210-60.13332Pa； 超高真空：1.333210-101.333210-6 Pa； 極高真空：<1.333210-10Pa。,2）壓力儀表的分類 （1）按敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的特性不同分類。 液柱式壓力計。根據(jù)液體靜力學(xué)原理，把被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱的高度來實現(xiàn)測量

57、。如U形管壓力計、單管壓力計和斜管壓力計等； 彈性式壓力計。根據(jù)彈性元件受力變形的原理，把被測壓力轉(zhuǎn)換為位移來實現(xiàn)測量。如彈簧管壓力計、膜片壓力計和波紋管壓力計等； 負(fù)荷式壓力計?；陟o力平衡原理測量。如活塞式壓力計、浮球式壓力計等；,電測式壓力儀表。利用敏感元件將被測壓力轉(zhuǎn)換為各種電量，根據(jù)電量的大小間接進(jìn)行檢測。 電阻、電感、感應(yīng)式壓力計是把彈性元件的變形轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感或者感應(yīng)電勢的變化，再通過對電阻、電感或電勢的測量來測量壓力；霍爾式壓力計是彈性元件的變形經(jīng)霍爾元件的變換，變成霍爾電勢輸出，再根據(jù)電勢大小測量壓力；應(yīng)變式壓力計是應(yīng)用應(yīng)變片（絲）直接測量彈性元件的應(yīng)變來測量壓力；電

58、容式壓力計是把彈性膜片作為測量電容的一個極，當(dāng)壓力變化時使極向電容發(fā)生變化，根據(jù)電容變化測量壓力；振弦式壓力計是用測量彈性元件位移的方法通過測量一端固定在膜片（彈性元件）中心的鋼弦頻率，從而測量出壓力；壓電式壓力計是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)測量壓力。,4.2.2液柱式壓力計 1.形管壓力計 U形管壓力計可以測量表壓、真空以及壓力差，其測量上限可達(dá)1500mm液柱高度。U形管壓力計的示意圖如圖4-21所示，它由U形玻璃管、刻度盤和固定板三部分組成。根據(jù)液體靜力平衡原理可知，在U形管的右端接入待測壓力，作用在其液面上的力為左邊一段高度為的液柱，和大氣壓力P0作用在液面上的力所平衡，即,P絕（hgP0

59、）,（4-31）,如將上式左右部分的消去，得,或,P表hg,（4-32）,式中:為U形管截面積；為U形管內(nèi)所充入的工作液體密度；P絕、P0分別為絕對壓力和大氣壓力；P表為被測壓力的表壓力，P=P絕-P0；h為左右兩邊液面高度差。,圖4-21 U形管壓力計,2.單管壓力計 U形管壓力計在讀數(shù)時，需讀取兩邊液位高度，將其相減，使用起來比較麻煩。為了能夠直接從一邊讀出壓力值，人們將U形壓力計改成單管壓力計形式，其結(jié)構(gòu)如圖4-22所示。即把U形管壓力計的一個管改換成杯形容器，就成為單管壓力計。杯內(nèi)充有水銀或水，當(dāng)杯內(nèi)通入待測壓力時，杯內(nèi)液柱下降的體積與玻璃管內(nèi)液柱上升的體積是相等的。這樣，就可以用杯形

60、容器液面作為零點，液柱差可直接從玻璃管刻度上讀出。,圖4-22單管壓力計,由于左邊杯的內(nèi)徑遠(yuǎn)大于右邊管子的內(nèi)徑，當(dāng)壓力P絕加于杯上，杯內(nèi)液面由00截面下降到22截面處，其高度為h2，玻璃管內(nèi)液柱由00截面上升到11截面處，其高度為h1，而杯內(nèi)減少的工作液的體積等于玻璃管內(nèi)增加的工作液的體積，即,（4-33）,或,（4-34）,因為,（435）,故,（4-36）,（4-37）,被測壓力P表可寫成,P表gh1,（4-38）,單管壓力計的“零”位刻度在刻度標(biāo)尺的下端，也可以在上端。液柱高度只需一次讀數(shù)。使用前需調(diào)好零點，使用時要檢查是否垂直安裝。單管壓力計的玻璃管直徑，一般選用35mm。,3.斜管壓

61、力計 一般當(dāng)測量的壓力較低，并要求有較高的測量精確度時，不應(yīng)采用形或單管壓力計。這時，通常改用斜管壓力計。 斜管壓力計就是將單管壓力計的玻璃管傾斜放置，如圖4-23所示。由于h1讀數(shù)標(biāo)尺連同單管一起被傾斜放置，使刻度標(biāo)尺的分度間距離得以放大，這樣就可以測量到1/10mm水柱的微壓，所以有時又把斜管壓力計叫做微壓力計。,圖4-23傾斜管壓力計,斜管壓力計有傾斜角固定的和變動的兩種。使用時注入容器內(nèi)的液體密度一定要和刻度時所用的液體密度一致，否則要加以校正。為了使用方便，通常把標(biāo)尺直接制成毫米水柱的刻度。 傾斜管壓力計的“零”位刻度在刻度標(biāo)尺的下端。傾斜管角度是可以根據(jù)生產(chǎn)需要改變的，固定的斜管壓

62、力計的液面變化范圍比單管壓力計放大倍。使用前需放置水平調(diào)好零位。更換工作液時，其密度與原刻度標(biāo)尺時的密度要一致。,若將被測壓力P通入容器，則玻璃管中液面的位置將移動為l。如忽視容器中波面的降低，則測得的壓力可用下式表示,（4-39）,式中：l為液體自標(biāo)尺零位向上移動的毫米數(shù)；為玻璃管的傾斜角；為液體密度。 可見，斜管壓力計所測量的壓力等于傾斜管中液面移動的距離，與該液體密度和玻璃管傾斜角的正弦之乘積。,4.2.3彈性式壓力計 彈性式壓力表是以彈性元件受壓產(chǎn)生彈性變形作為測量基礎(chǔ)的，它結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用方便、測量范圍寬、易于維修，在工程中得到應(yīng)用的廣泛。 1.彈性元件 不同材料、不同形狀的

63、彈性元件適配于不同場合、不同范圍的壓力測量。常用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等，圖4-24為一些彈性元件的示意圖。,圖4-24彈簧管與波紋管,1）彈簧管 它是一端封閉并且彎成圓弧形的管子，管子的截面為扁圓形或橢圓形。當(dāng)被測壓力從固定端輸入后，它的自由端會產(chǎn)生彈性位移，通過位移大小進(jìn)行測壓。彈簧管式壓力計測量范圍最高可達(dá)109Pa，在工業(yè)上應(yīng)用普遍。這一類壓力計的彈簧管又有單圈管和多圈管之分，多圈彈簧管自由端的位移量較大，測量靈敏度也較單圈彈簧管高。,2）波紋管 這是一種表面上有多個同心環(huán)形狀波紋的薄壁筒體，用金屬薄管制成。當(dāng)輸入壓力時，其自由端產(chǎn)生伸縮變形，籍此測取壓力大小。波紋管對壓力靈

64、敏度較高，可以用來測量較低的壓力或壓差。,3）波紋膜片和膜盒 波紋膜片由金屬薄片或橡皮膜做成，在外力作用下膜片中心產(chǎn)生一定的位移，反映外力的大小。薄膜式壓力計中膜片又分為平膜片、波紋膜片和撓性膜片。其中，平膜片可以承受較大被測壓力，平膜片變形量較小，靈敏度不高，一般在測量較大的壓力而且要求變形不很大的場合使用。波紋膜片測壓靈敏度較高，常用在小量程的壓力測量中。 平膜片在壓力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜，這就是波紋膜片。其波紋形狀有正弦形、梯形和鋸齒形，如圖4-25（a）所示。膜片的厚度在0.050.3mm之間，波紋的高度在0.71mm之間。波紋膜片中心部

65、分留有一個平面，可焊上一塊金屬片，便于同其他部件連接。當(dāng)膜片兩面受到不同的壓力作用時，膜片將彎向壓力低的一面，其中心部分產(chǎn)生位移。,圖4-25波紋膜片與薄壁圓筒 （a）波紋膜片；（b）薄壁圓筒,4）薄壁圓筒 薄壁圓筒彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)如圖4-25（b）所示。圓筒的壁厚一般小于圓筒直徑的1/20，當(dāng)筒內(nèi)腔受流體壓力時，筒壁均勻受力，并均勻地向外擴(kuò)張，所以在筒壁的軸線方向產(chǎn)生拉伸力和應(yīng)變。薄壁圓筒彈性敏感元件的靈敏度取絕于圓筒的半徑和壁厚，與圓筒長度無關(guān)。,2.彈簧管壓力表 彈簧管壓力表的應(yīng)用歷史悠久，其敏感元件是彈簧管，彈簧管的橫截面呈非圓形（橢圓形或扁形），彎成圓弧形的空心管子，其中一端封閉為

66、自由端、另一端開口為輸入被測壓力的固定端，如圖4-26所示。當(dāng)開口端通入被測壓力P后，非圓橫截面在壓力作用下將趨向圓形，并使彈簧管有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，同時改變中心角。中心角的相對變化量與被測壓力有如下的函數(shù)關(guān)系：,（4-40）,圖4-26單圈彈簧管結(jié)構(gòu),圖4-27彈簧管壓力計,彈簧管壓力計測量范圍寬，包括負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓的測量。彈簧管的材料因被測介質(zhì)的性質(zhì)、被測壓力的大小而不同。一般在p20MPa時采用磷銅；p20MPa時，則采用不銹鋼或合金鋼。使用壓力表時，必須注意被測介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。例如，測量氨氣壓力時必須采用不銹鋼彈簧管，而不能采用銅質(zhì)材料；測量氧氣壓力時，嚴(yán)禁沾有油脂，以免著火甚至爆炸。 彈性式壓力表價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，堅實牢固，因此得到廣泛應(yīng)用。其測量范圍從微壓或負(fù)壓到高壓，精確度等級一般為12.5級，精密型壓力表可達(dá)0.1級。它可直接安裝在各種設(shè)備上或用于露天作業(yè)場合，制成特殊形式的壓力表還能在惡劣的環(huán)境（如高溫、低溫、振動、沖擊、腐蝕、黏稠、易堵和易爆）條件下工作。但因其頻率響應(yīng)低，所以不宜用于測量動態(tài)壓力。,4.2.4負(fù)荷