第二章 温度测量
第一节 概述
一、 测温基础知识
1、 温度
温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业生产和科学实验中最普遍、最重要的热工参数之一。温度不能直接加以测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性，来进行间接测量。
温度测量范围很广，种类很多。按工作原理分，有膨胀式、热电阻、热电偶、及辐射式等，按测量方式分，有接触式和非接触式两种。
测量方式
仪表名称
测温原理
精度范围
特点
测量范围/℃
接
触
式
双金属温度计
金属热膨胀变形随温度变化
1～2.5
结构简单，精度清楚，读数方便，精度较低，不能远传
-100～600
一般-80～600
压力式温度计
气（汽）体，液体在定容条件下，压力随温度变化
1～2.5
结构简单可靠，可较远距离传送（<50m），精度较低，受环境温度影响大
0～600
一般0～300
玻璃管液体温度计
液体热膨胀体积量随温度变化
0.1～2.5
结构简单，精度高，读数不便，不能远传
-200～600
一般-100～600
热电阻温度计
金属或半导体电阻随温度变化
0.5～3.0
精度高，便于远传；需外加电源
-258～1200
一般-200～650
热电偶温度计
热电效应
0.5～1.0
测温范围大，精度高，便于远传，低温精度差
-269～2800
一般-200～1800
非接触式
光学高温计
物体单色辐射强度及亮度随温度变化
1.0～1.5
结构简单，携带方便，不破坏对象温度场；易产生目测误差，外界反射辐射会引起测量误差
200～3200
一般600～2400
辐射高温计
物体会辐射随温度变化
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
100～3200
一般700～2000
2、温度测量仪表的分类
温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温仪表测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，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，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；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。
二、热电偶
1、热电偶测温基本原理
将两种不同成分的导体组合成一个闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电动势。该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”。两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势称为“热电动势”。热电偶的两个接点，一个称为热端，一个称为自由端或冷端。热电动势包括：接触电动势和温差电动势。
2、热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：
①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。
②测量范围广。常用的热电偶从-50～+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。
③构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开口的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
3、热电偶的种类及结构形成
（1）热电偶的种类
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶：我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
(2)热电偶的结构形式 为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：
① 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；
② 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；
③ 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；
④ 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
4、热电偶冷端的温度补偿
由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端延长到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。
在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
三、热电阻
1、热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。
2、热电阻测温原理及材料
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
3、热电阻的结构
（1）普通型热电阻
从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制，
（2）铠装热电阻
铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体它的外径一般为φ2～φ8mm，最小可达φmm。
与普通型热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。
（3）端面热电阻
端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。
（4）隔爆型热电阻
隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于Bla～B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。
4、热电阻测温系统的组成
热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点： ①热电阻和显示仪表的分度号必须一致；②为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。
四、热电偶、热电阻特点
热电偶
热电阻
热电偶同其它种温度计相比具有如下特点：
a、优点
·热电偶可将温度量转换成电量进行检测，对于温度的测量、控制，以及对温度信号的放大、变换等都很方便；
·结构简单，制造容易；
·价格便宜；
·惰性小；
·准确度高；
·测温范围广；
·能适应各种测量对象的要求（特定部位或狭小场所），如点温和面温的测量；
·适于远距离测量和控制。
b、缺点
·测量准确度难以超过0.2℃；
·必须有参考端，并且温度要保持恒定；
·在高温或长期使用时，因受被测介质影响或气氛腐蚀作用（如氧化、还原）等而发生劣化。
热电阻同其它种温度计相比具有如下特点：
a、优点
·准确度高。在所有常用温度计中，准确度最高，可达1mk。
·输出信号大，灵敏度高。如在0℃用Pt100铂热电阻测温，当温度变化1℃时，其电阻值约变化0.4Ω，如果通过电流为2mA，则其电压输出量变化为800μV。在相同条件下，即使灵敏度比较高的K型热电偶，其热电动势变化也只有40μV左右。由此可见，热电阻的灵敏度较热电偶高一个数量级。
·测温范围广，稳定性好。在振动小而适宜的环境下，可在很长时间内保持0.1℃以下的稳定性。
·无需参考点。温度值可由测得的电阻值直接求出。
·输出线性好。只用简单的辅助回路就能得到线性输出，显示仪表可均匀刻度。
b、缺点
·采用细金属丝的热电阻元件抗机械冲击与振动性能差。
·元件结构复杂，制造困难大，尺寸较大，因此，热响应时间长。·不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域。
第二节 选型及设计要求
一、单位和量程：
1） 温度仪表的标度（刻度）单位，应采用摄氏度（℃）。
2） 温度标度（刻度）应采用直读式。
3） 温度仪表正常使用温度应为量程的50％～70％，最高测量值不应超过量程的90％。多个测量元件共用一台显示表时，正常使用温度应为量程的20％～90％，个别点可低到量程的10％。
二、 就地测温度仪表：
就地温度仪表应根据工艺要求的测温范围、精确度等级、检测点的环境、工作压力等因素选用。
一般情况下，就地温度仪表宜选用带外保护套管双金属温度计，温度范围为-80～500℃。刻度盘直径宜为100mm；在照明条件较差、安装位置较高或观察距离较远的场合，可选用150mm。需要位式控制和报警的，可选用耐气候型或防爆型电接点双金属温度计。仪表外壳与保护管连接方式，宜按便于观察的原则选用轴向式或径向式，也可选用万向式。
在精确度要求较高、振动较小、观察方便的场合，可选用玻璃液体温度计，其温度范围：有机液体为 -80～100 ℃。需要位式控制及报警，且为恒温控制时，可需要电接点温度计。
被测温度在 -200～50 ℃ 或 –80～500 ℃ 范围内，在无法近距离读数、有振动、低温且精确度要求不高的场合，可选用压力式温度计。压力式温度计的毛细管应有保护措施，长度应小于20m。
就地测量、调节，宜选用基地式温度仪表。关键的温度联锁、报警系统，需接点信号输出的场合，宜选用温度开关。安装在爆炸危险场所的就地带电接点的温度仪表、温度开关，应选用隔爆型或本安型。
三、 集中检测温度仪表：
1、要求以标准信号传输的场合，应采用温度变送器。在满足设计要求的情况下，可选用测量和变送一体化的温度变送器。
检测元件及保护套管，应根据温度测量范围、安装场所等条件选择（不同检测元件的温度测量范围见表1.1），且应符合下列规定：
A ）热电偶适用于一般场合；热电阻适用于精确度要求较高、无振动场合；热敏电阻适用于要求测量反应速度快的场合。
B） 采用热电阻温度检测元件时，宜采用Pt100热电阻。
C） 测量设备或管道的外壁温度，应选用表面热电偶或表面热电阻。
D） 测量流动的含固体颗粒介质的温度，应选用耐磨热电偶。
E） 下列情况，可选用铠装热电阻、热电偶：
a）测量部位比较狭小，测温元件需要弯曲安装；
b）被测物体热容量非常小；
c）设备结构复杂；
d）对检测元件有快速响应的要求；
e）为节省特殊保护管材料；
f）用多点热电偶的场合。
F ）一个测量点需要在两地显示或要求备用或既要控制又要报警联锁时，应选用双支检测元件或二支安装检测元件。
G ）一个测温取源口需要测量多点温度（如触媒层）时，应选用多点（支）式铠装热电偶。
2、热电阻、热电偶的连接方式，一般介质的管道上宜选用螺纹连接，亦可选用法兰连接。下列场合宜采用法兰连接：
A ）设备上安装；
B ）在衬里管道或有色金属管道上；
C ）测量高温、强腐蚀介质，结晶、结焦、堵塞、粉状和剧毒介质，以及测触媒层多点温度时；
D） 烟道或烟囱上；
E ）公称直径大于500mm 的管道上。
热电偶、热电阻时间常数，应根据系统对响应速度的要求分别选普通型、小惰性型或铠装型。
3、根据使用环境条件，按下列原则选用接线盒：
A） 普通式：条件较好的场所；
B） 防溅式、防水式：潮湿或露天的场所；
C）隔爆式：易燃、易爆的场所；
D） 插座式：仅适用于特殊场合。
4、在爆炸危险场所，可选用隔爆型温度变送器、热电偶、热电阻；也可选用本安型温度变送器、热电偶、热电阻，配安全栅构成本安型回路。
5、设备、管道上安装的检测元件的插入长度，应使检测元件插至被测介质温度变化灵敏、具有代表性的位置。
6、检测元件保护管材质不应低于相应设备或管道材质。不同材质保护套管适用的环境条件及介质，见表1.2。
7、温度显示仪表的选用，应符合下列要求：
A）当测温精确度等级要求高（0.5级以上）时，宜选用数字式温度指示仪；
B）在振动较大的场合（如压缩机的就地组盘），应选用防振性能良好的仪表；
C）记录仪表应根据测量点数和生产的需要，分别选用大、中、小型自动平衡记录仪。
8、检测元件与显示仪表的连接，应符合下列规定：
A） 单支热电偶，不宜并联两台仪表；
B） 显示仪表的分度号，应与检测元件的分度号一致。
9、测温元件为热电偶时，应采用冷端温度补偿；测温元件为热电偶时，温度仪表应设置断偶保护机构；测温元件可直接与DCS的温度输入卡连接。
10、补偿导线：
A） 根据热电偶的支数、分度号和使用环境条件，应选用符合要求的补偿导线或补偿电缆。
B） 按使用环境温度选用不同级别补偿导线或补偿电缆：
a） –20～+100 ℃ 选用普通级；
b) –40～+250 ℃ 选用耐热级。
C） 有间断电加热或强电、磁场的场所，应选用屏蔽补偿导线或屏蔽补偿电缆。
D） 补偿导线的截面积，应按其敷设长度的往复电阻值，以及配套显示仪表、变送器或计算机接口允许输入外部电阻来确定。
四、一点建议：
1） 温度仪表的直形（或角形）连接头根据管道公称通径、保温厚度，一般可选其高度为：H＝60，90，120，150
（注：最好在一个装置中统一到一到二个规格较好）
2） 热电阻、热电偶或双金属温度计的插入深度选择：
A． 容器、塔上的一般选 l＝500 mm；
B. 储运部分罐上的一般选 l＝600 mm；
C. 管道上的，根据其公称通径，一般选择 l＝150，200，250，300，350，400，450，500 等，尽量避免选择其它的尺寸。
D. 根据装置的需要，一般选的规格越少越好。
表 1 不同检测元件的温度测量范围
检测元件名称
分度号
温度范围（℃）
铜热电阻 R0=50Ω
Cu50
-50～+150
R0=100Ω
Cu100
铂热电阻 R0=10Ω
Pt10
-200～+650
R0=50Ω
Pt50
R0=100Ω
Pt100
镍铬-镍硅热电偶
K
0～1000
镍铬-康铜热电偶
E
0～750
铁-康铜热电偶
J
0～600
铜-康铜热电偶
T
-200～+350
铂铑10-铂热电偶
S
0～1300
铂铑13-铂热电偶
R
0～1300
铂铑30-铂铑6热电偶
B
0～1600
表1.2 不同材质保护套管适用的环境条件及介质
材 质
最高使用
温度（℃）
适 用 场 合
碳钢
450
无腐蚀性介质
不锈钢
800
一般腐蚀性介质及低温场合
15Cr钢及12CrMoV不锈钢
800
耐高压，适用高压蒸汽
Cr25Ti不锈钢及Cr25Si2
不锈钢
1000
高温钢，适用于硝酸、磷酸等腐蚀性介质及磨损较强的场合
GH39不锈钢
1200
耐高温
28Cr铁（高铬铸铁）
1100
耐腐蚀和耐机械磨损，用于硫铁矿焙烧炉
耐高温工业陶瓷及氧化铝
1400～1800
耐高温，但气密性差，不耐压
莫来石刚玉及纯刚玉
1600
耐高温，气密性、耐温度聚变性好，并有一定防腐性
蒙乃尔合金
200
氢氟酸
Ni镍
200
浓碱（纯碱、烧碱）
Ti钛
150
湿氯气、浓硝酸
Zr锆、Nb铌、Ta钽
120
耐腐蚀性能超过钛、蒙乃尔、哈氏合金
Pb铅
常温
10％硝酸、80％硫酸、亚硫酸、磷酸
第三节 练习题
一．填空
1． 热电偶基于热电效应原理工作。
2． 热电偶主要由热电偶元件、保护套管和接线盒构成。
3． 热电偶元件将温度的变化转换成热电势的变化。
4． 保护套管用于隔离工艺介质，保护热电偶；接线盒用于与二次仪表连接。
5． 热电偶补偿导线的作用为延长热电偶的冷端。
6． 热电偶产生热电势的条件是两热电极材料不同、两接点温度不同。
7． 热电偶电势与热电偶材料和结点温度有关，与偶丝的长度和粗细无关。
8． 双金属温度计的常见故障检测元件坏，插入深度不够，表头转。
9．双金属温度计的回差不大于基本误差限的绝对值。
10. 双金属温度计的重复性极限范围应不大于基本误差限绝对值的1/2。
11.双金属温度计的精度为1.5级，必要时可达到1.0级。
二．判断
1． 只有当热电偶冷端温度不变时，热电势才与被测温度成单位函数的关系。（√）
2． 各种补偿导线可以通用，因为它们都起补偿作用。（×）
3． 补偿导线接反时，测量结果不影响。（×）
4． 为提高热电偶测量精度，在使用时可延长热点偶丝来实现。（×）
5． 同型热电偶偶丝越细、越长，则输出电势越高。（×）
6． 更换热电偶时，与补偿导线接反了，使温度偏低，这时可将温度表出处两补偿导线对换一下即可。（×）
7． 热电偶E(200℃，100℃)等于E(300℃,200℃).(×)
8． 因补偿导线是热电偶的延长，因此热电偶热电势只和热端、冷端的温度有关，和补偿导线与热电偶连接处的温度无关。（×）
9． 当用热电偶测温时，若连接导线使用的是补偿导线，就可以不考虑热电偶冷端的补偿。（×）
三．选择
1.热电偶输出电压与（c）有关
a. 热电偶两端温度 b.热电偶热端温度 c.热电偶两端温度和电极材料
d.热电偶两端温度、电极材料及长度
2.热电偶测温原理基于（c）
a,热阻效应 b.热磁效应 c.热电效应 d.热压效应
3.下列热电偶中热电势最大，灵敏度最高的是（c）型热电偶
a.K b.S c.E d.J
4.偶丝越细，则（b）
a.灵敏度越高 b.反应越快 c.越耐用 d.灵敏度越低
5.当热电偶与工艺管道呈倾斜安装时，热电偶应（b）介质流向插入。
a.顺着 b.逆着 c.不受上述规定限制
6.热电偶一般应插入管道（b）
a.5～10mm b.越过管道中心5～10mm c.100mm d.任意长
四．简答
1.热电偶的常见故障及处理方法？
答：①热电势值偏低：
原因：a.热电偶受潮，绝缘不良；
处理：清洗烘干或更换热电偶。
b.热电偶电极材料变质或热端损坏；
处理：更换热电偶。
c.补偿导线与热电偶极性接反；
处理：正确接线。
②热电势值偏高：
原因：a.补偿导线与热电偶种类不符；
处理：更换补偿导线。
b.热电偶电极材料变质；
处理：更换热电偶
③热电势不稳定：
原因：a.端子接触不良；
处理：拧紧接线端子。
b.绝缘不良或局部接地；
处理：清洗烘干或处理接地故障。
2.铠装热电偶得到广泛应用，请说明它的优点？
答：①动态响应快，时间常数最快可达0.01s；
②挠性好，套管退火后弯曲半径可为套管直径的2倍；
③可按需制成不同长度，可直接引到仪表，可不加补偿导线；
④有很好的防震、防冲击性能，强度好；
⑤工作端热容量小，对被测物影响小。
3.简述热电偶补偿导线性质和作用？
答：补偿导线就是用热电性质与工作热电偶相近的材料制成导线，用它将热电偶的参比端延长到所需要的地方，而不会对工作热电偶回路引入超出允许的附加测量误差。
4.热电偶为什么要检定？
答：热电偶在工作中，会受到环境、温度、保护套管等影响，使用一段后，其热电输出特性会变化，对高温、高腐蚀下特殊测量中影响更大，当输出特性变化超过允许值时，即超出误差范围，会使指示值偏差增大，会导致所控制产品质量下降，因此，要定期检定，防止事故发生。
5.简述热电偶的特点？
答：①测量精确度高；
②结构简单，制造方便，可适应各种测量对象的要求；
③动态响应快；
④可进行远距离测量；
⑤测温范围广。
6．热电偶是根据热电效应而制成的，请说明什么叫热电效应？
答：两种不同材料的导体组成一个封闭回路，如果两端结点温度不同，则回路中就会产生一定大小的电流，这个电流的大小与导体材料和结点温度有关，此现象叫热电效应。
7.请说明几种常用工业热电偶的型号、分度号、测量范围？
答：①镍铬－镍硅热电偶，分度号K，测量范围0～1300℃，分度曲线更接近线性，热电势高。
②镍铬－铜镍热电偶，分度号E，测量范围－200～900℃，特点是稳定性好，灵敏度高和价格低廉。
③铜－康铜热电偶，分度号T，测量范围－200～400℃,特点是精度高，稳定性好，低温时灵敏度高。
8.热电偶在管道、设备上安装时，固定方式有几种？适用于什么场合？
答：一般有螺纹连接固定和法兰固定两种方式。
螺纹连接固定方式一般适用于在无腐蚀性介质的管道上安装测温元件，具有体积小，安装紧凑的优点。
法兰固定方式适用于在设备上安装测温元件。在高温强腐蚀性介质、结焦淤浆介质、剧毒介质、粉状以及测触媒层多点温度时，也应采用法兰固定方式，方便维护。
双金属温度计
9、说明双金属双金属温度计的型号含义
WSS-401 W:温度仪表
S:金属膨胀式
S:双金属片
４：表示表壳的公称直径100（另3表示公称直径60，5表示公称直径150）
0：表示轴向（直型）（另1表示径向（角型）
１：表示可动的外螺纹
10、 双金属温度计的使用范围。
双金属温度计是一种测量中低温的现场检测仪表。可以直接测量各种生产过程中的－80－＋500℃的范围内的液体，蒸汽和气体介质温度。
11、双金属温度计的工作原理。
双金属温度计是利用两种不同温度膨胀系数，绕成环性弯曲状的双金属片组成。一端焊接在固定点，另一端受热膨胀时，带动指针旋转，工作仪表便显示出所对应的温度值。
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