温度测量仪表及工作原理

2023-10-11 理论教育版权反馈

【摘要】：温度测量仪表分为接触式和非接触式两大类，常用的测温仪表主要有热电偶、测温三角锥、测温环、光学高温计和表面温度计等。热电偶就是利用这一原理进行温度测量的。它的工作原理是根据测温环在吸收热量时即发生收缩，在规定的工作温度范围内的线性收缩，从而给出测温环和烧成品的实际累积热量，对照换算表得出测试温度。

温度测量仪表分为接触式和非接触式两大类，常用的测温仪表主要有热电偶、测温三角锥、测温环、光学高温计和表面温度计等。

（一）热电偶

1.热电偶的结构、型号和技术参数

测温用的热电偶，其基本构造包括接线盒、保护管、绝缘管和热电偶丝材等，如图7-1所示。

图7-1　热电偶结构图

热电偶的测温原理：两种不同成分的导体（称为热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这一原理进行温度测量的。其中直接用作测量介质温度的一端称为热端，另一端为冷端（或称补偿端）。冷端与显示仪表连接，显示热电偶热端和冷端之间的热电势。数字显示仪表直接把这个热电势转换成热端的温度。

常用标准热电偶的型号及技术参数见表7-1。

一般来说，热电偶的冷端离工作端较远，而热电偶又不可能做得很长，所以有必要用合适的补偿导线将两者连接起来。补偿导线要求在0℃～100℃范围内具有和所连接的热电偶相同的热电特性，其材料又是廉价的金属。

使用补偿导线时，补偿导线的正负极必须与热电偶的正负极对应连接，如果接反，则所测得的热电势将比实际热电势要低，从而引起很大的测量误差。此外，补偿导线正负极与热电偶正负极两个接点温度也应相同，而新的冷端温度应当恒定或配用冷端自动恒温装置。

表7-1　常用标准热电偶的型号及技术参数

表中：W表示感温材料，R表示热电偶；S、B为贵金属热电偶，其余为廉价金属热电偶。

还应指出，热电偶补偿导线连接点的温度不能超过100℃，否则会由于热电特性的不同而带来新的误差。常用热电偶补偿导线见表7-2。

表7-2　常用补偿导线

2.热电偶在陶瓷窑炉中的应用

对于连续窑炉，如陶瓷砖辊道窑，不同型号热电偶进行合理布置可测定窑内的温度曲线，在窑墙（有的在窑顶、窑底）上每隔一定距离特别是烧成的关键温度点开有测温孔，将热电偶插入测温孔中显示测点处的温度，将窑内各测点温度与其位置关系制成沿窑长的温度曲线，从而判断窑的设计和操作是否合理。一般地，在窑内不同温度处应采用相应型号的热电偶。

对于间歇窑炉，如倒焰燃气窑，热电偶一般只设一个且设置于窑顶中间测温孔处，约深入窑内数厘米，烧成时应选择和制品烧成温度相应型号的热电偶。

由于热电偶所测温度受对应的温度显示仪、补偿导线、热电偶分度号及使用范围的误差等影响，热电偶所测温度并不能真实反映窑内产品实际情况，只能通过其显示的温度变化判断其升温速率来作为烧成操作调控时的参考，若要更加准确的测温，还应采用测温锥、测温环、光学高温计等测温仪器进行配合测量。

（二）测温三角锥

测温锥是用特定材料制成的三角锥，它是根据瓷釉熔融规律及软化点设计的。由于它与待烧结物十分类似，所以测温准确，价格也便宜。

其工作原理为：在一定的温度下锥内复相体系因重力作用而变形，在烧成过程中可通过观察温锥弯倒情况来确定窑内温度（测温锥弯倒情况见图7-2）。测温锥的等效温度是在恒定的烧结温度下烧制的时间综合值。不同号的测温锥有不同的恒定的等效温度，直接反映在锥体的弯曲程度上。特别注意的是：测温锥的等效温度不是单一的温度值，也不是单一的时间值，是温度和时间的组合。例如：加热速率会严重影响测温锥开始发生变形弯曲的温度、弯曲的速率以及测温锥的终点温度（即测温锥的时效温度）。一般来说，测温锥加热速度越快，测温锥的变形弯曲温度也越高。实践表明：测温三角锥的软化温度以每分钟上升10℃的速率为宜。另外，陶瓷烧成过程中高火保温时间也会影响测温锥的变形或弯曲。一般地，保温1～2小时，相应升高一个锥号；保温4～6小时必须提高两个锥号。标准测温三角锥的锥号及所对应的指示温度见表7-3。

图7-2　测温锥弯倒图

表7-3　标准测温锥编号及指示温度对照表

注：表中的SK指塞格锥。

测温锥的使用方法如下（如图7-3所示）：

图7-3　测温锥插入底座图

（1）测温锥使用时，必须插入耐火泥座内；(www.chuimin.cn)

（2）测温三角锥与耐火泥座的平面成80度角；

（3）测温三角锥插入深度约10mm；

（4）耐火泥座放置应平正，使测温三角锥软化时受到标准之压力。

在实际使用过程中，每次放置3个相邻锥号为一组，低号的为导锥，高号的为后备锥，中间锥号为烧制锥，当烧成接近预设温度时，低号锥全弯倒为警戒，中间号锥弯倒50°～90°为测定时效温度，高号锥略弯为超温指示。

在倒焰燃气窑内，测温三角锥虽测温准确，但却无法反映烧成过程中升温速率的变化情况，这样，就难以判断每个烧成变化阶段的物化反应是否充分进行，无法保证制品质量，所以，倒焰燃气窑内除放置测温三角锥外，还同时安装热电偶，二者配合使用，效果较好。在辊道窑内，主要用热电偶测温，为观察高温区窑内横向水平温差情况，可左、中、右布置同锥号的相应测温三角锥于窑内制品上或特定承载物上，待出窑时，观察测温锥的弯倒情况判断水平温差。若要观察加热段某处的温度是否准确，也可设置相应锥号的测温锥，待测温锥从窑头移动至所测位置，通过观察孔观察其弯倒程度来判断该处的温度。

（三）测温环

测温环是一种高精密度的陶瓷温度指示器，如图7-4所示。它的工作原理是根据测温环在吸收热量时即发生收缩，在规定的工作温度范围内的线性收缩，从而给出测温环和烧成品的实际累积热量，对照换算表得出测试温度。

图7-4　测温环及测量卡尺

测温环的使用方法为：使用常见的千分尺或游标卡尺测量烧后测温环的直径，参照包装上所附的温度转换表（随产品提供），转换成环温度。为了使用时精确和方便，每个温度表都是为该批环而特别制定的。为保证正确使用，要注意测温环上所标的生产批号必须与温度换算表上的保持一致。表7-4为某厂提供的测温环的型号和使用温度范围。

测温环可简易、方便、迅速地测定窑内各测试点的温度分布，并可根据需要任意摆放在不同的位置，能准确反映烧成过程中不同位置上的实际测试温度及不同测点的温度差异。可贴近制品，精确测定烧成制品受热状态，判定实际烧成温度。

表7-4　测温环型号和使用温度范围

在倒焰燃气窑，测温环既无法反映升温速率的快慢，又无法即时判定最高烧成温度，只是在最高烧成温度时判断窑内温差时效果较好偶尔使用外，平时很少使用。

在辊道窑内，使用测温环比测温三角锥在测定高温区水平温差效果更好。若要判断某一位置的实际温度，也可使用测温环，当测温环从窑头移至该处时，通过观察孔采用自制夹具将测温环夹出，测量环直径，并比对温度表，确定该位置的温度。由于测温环只是在确定温度或温差时采用，所以日常生产时很少使用。

（四）光学高温计

陶瓷窑炉中使用的光学高温计有普通光学高温计和比色高温计，如图7-5、图7-6所示。比色高温计结合不同温度下受热物体（如窑墙、坯体）的呈色不同的原理，通过比色高温计内灯丝不同电流下呈色不同，两者进行比色分析，认为窑内被测物体颜色与光学高温计内灯丝颜色相同，然后根据高温计的电流不同对应显示温度不同从而确定窑内温度。

图7-5　光学高温计

图7-6　比色高温计

比色高温计的测量范围为800℃～2000℃，测量精度可接近量程上限的±1%。比色高温计的优点是测量的色温度值很接近真实温度。在有烟雾、灰尘或水蒸气等环境中使用时，误差很小。

实际生产测量时，为了找出窑内不同区域窑墙或坯体等的实际温度（正常生产下窑墙对坯体辐射换热），可使用光学高温计在窑炉外测量。这种测温仪灵活方便，窑内，特别是辊道窑的观察孔较多，可测不同区域的温度，但它的呈色受肉眼对颜色（通常为红色系中的不同红色）的灵敏度影响。不同的人肉眼对颜色的灵敏度不同，即便是同一个人，也因眼睛的疲劳度不同而影响对色彩的感应。所以，测量结果因人而异，有的差别较大。光学高温计多作为辅助测量手段，相对比较不同位置的温度变化。

（五）表面温度计

表面温度计是专门用于精确测量物体表面温度的测温仪器，如图7-7所示。它由表面温度传感器和显示仪表构成。

图7-7　表面温度计

表面温度计是通过金属片受热感应，不同温度下感应度不同，对应显示的温度数字不同，从而对物体表面进行精确测温。目前，表面温度计只能测量较低环境温度下（0℃～300℃）的物体表面温度，所以它主要用于测量窑体表面温度及管道表面温度等。

操作使用时将测温探头插入仪表下方的插座里，并注意探头的极性是否正确。等待1～2分钟，按下开关键，选择相应的显示方式。将测量探头与被测量物体相接触，仪表即可显示出被测物体的温度值。

温度测量仪表及工作原理

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