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溫度的度量單位與溫度傳感器、溫度變送器

發布時間:2015-12-19      發布人:向日葵破解版ioses科技      點擊:

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度隻能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量,而用來量度物體溫度數值的標尺叫溫標。它規定了溫度的讀數起點(零點)和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標有華氏溫標、攝氏溫標、熱力學溫標和國際實用溫標。

華氏溫標(oF)規定:在標準大氣壓下,冰的熔點為32度,水的沸點為212度,中間劃分180等分,每第分為報氏1度,符號為oF。

攝氏溫度(℃)規定:在標準大氣壓下,冰的熔點為0度,水的沸點為100度,中間劃分100等分,每第分為報氏1度,符號為℃。

熱力學溫標又稱開爾文溫標,或稱絕對溫標,它規定分子運動停止時的溫度為絕對零度,記符號為K。

國際實用溫標是一個國際協議性溫標,它與熱力學溫標相接近,而且複現精度高,使用方便。目前國際通用的溫標是1975年第15屆國際權度大會通過的《1968年國際實用溫標-1975年修訂版》,記為:IPTS-68(Rev-75)。但由於IPTS-68溫示存在一定的不足,國際計量委員會在18屆國際計量大會第七號決議授權予1989年會議通過了1990年國際溫標ITS-90,ITS-90溫標替代IPTS-68。我國自1994年1月1日起全麵實施ITS-90國際溫標。1990年國際溫標(ITS-90)簡介如下。

1.溫度單位

熱力學溫度(符號為T)是基本功手物理量,它的單位為開爾文(符號為K),定義為水三相點的熱力學溫度的1/273.16。由於以前的溫標定義中,使用了與273.15K(冰點)的差值來表示溫度,因此現在仍保留這各方法。

根據定義,攝氏度的大小等於開爾文,溫差亦可以用攝氏度或開爾文來表示。

國際溫標ITS-90同時定義國際開爾文溫度(符號為T90)和國際攝氏溫度(符號為t90)

2.國際溫標ITS-90的通則

ITS-90由0.65K向上到普朗克輻射定律使用單色輻射實際可測量的最高溫度。ITS-90是這樣製訂的,即在全量程中,任何溫度的T90值非常接近於溫標采納時T的最佳估計值,與直接測量熱力學溫度相比,T90的測量要方便得多,而且更為精密,並具有很高的複現性。

3.ITS-90的定義

第一溫區為0.65K到5.00K之間, T90由3He和4He的蒸氣壓與溫度的關係式來定義。

第二溫區為3.0K到氖三相點(24.5661K)之間T90是用氦氣體溫度計來定義。

第二溫區為平衡氫三相點(13.8033K)到銀的凝固點(961.78℃)之間,T90是由鉑電阻溫度計來定義.它使用一組規定的定義固定點及利用規定的內插法來分度。

銀凝固點(961.78℃)以上的溫區,T90是按普朗克輻射定律來定義的,複現儀器為光學高溫計。

溫度被定義為反映物質分子的平均動能高低的一個參數,以帶單位的數字進行量化,數字越大表示平均動能越大。然而僅有這些還是遠遠不夠的,距離實現溫度測量的標準化人們還有很長的路要走。

根據曆史學家的研究,人們第一次嚐試建立溫標(溫度的量綱)的時間可以追溯到公元前130~200年(130~200BC)。當時希臘的學者Galeano建議采用四個分區來表示對冷/熱程度的感覺,就這樣人類曆史上的第一個溫標誕生了。此後又經過了好幾個世紀,世界上才出現定義完善的溫標體係。直到1592年,隨著Galileo Galilei發明了第一支溫度計,溫度測量的前進步伐才開始加快起來。

在接下來的幾十年裏,人們構思了許多種溫度的度量方法。所有這些溫度的度量方法都是以一個或多個人為指定的固定參考點為基礎的,但是沒有一種方法能夠得到人們的普遍接受。1714年,荷蘭的精密儀器製造商Gabriel Fahrenheit製作出了第一種高精確度的、具有良好重複性的水銀溫度計,他采用的溫度量綱“華氏度”才成為曆史上第一種普遍為人們接受的溫度量綱。最初Gabriel Fahrenheit以一種冰和鹽的混合物的溫度作為華氏度的固定零點,以人類的平均體溫作為華氏度的參考溫度的高點。後來Gabriel Fahrenheit對華氏度溫標進行了一些調整,把比較為人們熟知的水的凝固點指定為華氏32度。

1742年,瑞典人Anders Celsius創立了另一種溫標。Anders Celsius用水的凝固點和沸點來定義他的溫度量綱。他選擇0度作為水的沸點,選擇100度作為水的凝固點。後來這些點被倒換了一下,“百分度溫標”就此誕生。1948年第九屆世界度量衡大會將“百分度溫標”改名為“攝氏溫標”以紀念Anders Celsius的貢獻。

“攝氏溫標”和“華氏溫標”都是相對溫標;他們所選用的參考點的數值都是任意指定的。由於在科學實踐中需要與物理現實更加一致的溫度參考點,人們又發展了另外的溫標如“開氏溫標”和“蘭金刻度”。這些溫標把熱力學中的絕對零度作為溫標的零度,這是理論上分子動能為零的溫度點。

隨著為大家普遍接受的溫標係統的建立,科學家現在可以自由地研究溫度對於各種物質的影響了。1821年Thomas Seebeck發現:把兩根不同金屬的導線的兩頭分別連接起來並且加熱其中一頭,在這個金屬導線環路中就會產生電流。就是這個發現導致了工業應用中最常用的溫度測量元件-熱電偶的發明和現代化發展。

到了20世紀,製定大家公認的各種材料的溫度特性標準的必要性已經變得十分清楚了。這樣可以促進科學研究領域的一致性和重複性並且科學的發展。最近的一次批準溫度標準是在1990年1月1日,在國際溫度量綱ITS-90的統一下,所有這些量綱和數值都實現了完全的標準化。另外在溫度測量中還有一些地方標準仍在使用:ANSI (美國標準)、DIN (德國標準)、JIS (日本)、BS (英國標準)。

在溫度測量的發展上所取得的巨大進步同時也促進了自動化和過程控製工業領域中溫度變送器精確度、可靠性和重複性的提高。這些發展同各種溫度傳感器的進步和有效性的提高結合在一起為過程控製質量和最終產品質量的不斷提高作出了貢獻。

4、智能化溫度變送器

智能化的溫度變送器指的是將溫度傳感器技術和附加的電子部件結合在一起的一種溫度變送器。總的來說這些電子部件使得溫度變送器的參數可以被遠程監視和組態。縱觀目前的溫度變送器市場,主要有3大類不同的智能溫度變送器產品。從應用和成本的角度來看,每一類智能溫度變送器都有其優點和不足之處。

防爆型和防風雨型溫度變送器。這類溫度變送器通常使用在對變送器性能有很高要求的、苛刻的應用場合。這類溫度變送器被封裝在密封的、防爆的殼體內。這種殼體通常由不鏽鋼製成,但是也可以采用其它任何經過防爆認證的材料進行製造。防爆殼體內通常包含有2個腔體,用來分隔電子部分和傳感器部分。這類溫度變送器的優點是精度高、安全性好、可靠性高、防風雨。它的主要缺點是價格較高。這種溫度變送器通常都帶有現場指示表頭,還可以在現場對變送器進行調整。這樣就可以在現場監視溫度值、調整溫度變送器的組態。

DIN導軌安裝、儀表盤安裝型溫度變送器。這類溫度變送器可以采用DIN導軌安裝,通常在中央控製室內安裝使用。盤裝溫度變送器價格便宜、安裝和維護簡單,可以通過改變組態來匹配不同類型的溫度傳感器。這類變送器的缺點是缺少防爆能力,由於同遠程安裝的傳感器之間的連接導線較長導致測量精度較低。

一體化溫度變送器。這類溫度變送器可以直接安裝在溫度傳感器的DIN連接頭上。它的優點是安裝費用低廉、體積小巧、兼容各種類型的溫度傳感器。由於這種溫度變送器直接安裝在溫度傳感器的接頭上,所以電氣連接和傳感器接線都非常簡單。

溫度變送器所采用的通訊協議也同過程工業中其它現場設備通訊協議的發展趨勢相同,處於支配地位的通訊協議有HART、基金會現場總線和Profibus。采用上述各種通訊協議的智能溫度變送器產品都可以在市場上找到。