化工仪表及自动化（厉玉鸣）（第三版） 第5章 温度检测.ppt

化工仪表及自动化 第五章 温度检测 内容提要 n 概述 n测温仪表的分类 n温度检测的基本原理 n 热电偶温度计 n热电偶 n补偿导线与冷端温度补偿 n 热电阻温度计 n 测温原理 n 常用热电阻 1 内容提要 n 温度变送器 n电动温度变送器 n一体化温度变送器 n智能式温度变送器 2 第一节 概述 n 一、测温仪表的分类 温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之 间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不 同而变化的特性来加以间接测量。 分类分类 按测量方式按测量方式 接触式与非接触式 3 第一节 概述 测测温温 方式方式 温度温度计计 种种类类 优优点点 缺点缺点 使用使用范范围围 接 触 式 测 温 仪 表 玻璃液体 温度计 结构简单 、使用方便、测 量准确、价格低廉 容易破损、读数麻烦、一般只 能现场 指示 ,不能记录 与远 传 -100100（150）有机液体 0 350（-30 650）水银 双金属温 度计 结构简单 、机械强度大、 价 格低、能记录 、报警与自 控 精度低、不能离开测量点测量 ,量程与使用范围均有限 0 300（-50 600） 压力式温 度计 结构简单 、不怕震动、具 有防爆性、价格低廉、能 记录 、报警与自控 精度低、测量距离较远时 ,仪 表的滞后性较大、一般离开测 量点不超过 10米 0 500（-50 600）液体型 0 100（-50 200）蒸汽型 电阻温度 计 测量精度高 ,便于远距离、 多点、集中测量和自动控 制 结构复杂、不能测量高温 ,由 于体积大 ,测点温度较困难 -150 500（-200 600）铂电 阻 0 100（-50 150）铜电 阻 -50 150（180）镍电 阻 -100 200（300）热敏电阻 热电 偶温 度计 测温范围广 ,精度高 ,便于 远距离、多点、集中测量 和自动控制 需冷端温度补偿 ,在低温段测 量精度较低 -20 1300（1600）铂铑 10-铂 -50 1000（1200）镍铬 -镍硅 -40 800（900）镍铬 -铜镍 -40 300（350）铜-铜镍 非接 触式 测温 仪表 光学高温 计 携带用、可测量高温、测 温时不破坏被测物体温度 场 测量时 ,必须经过 人工调整 , 有人为误 差 ,不能作远距离测 量 ,记录 和自控 900 2000（700 2000） 辐射高温 计 测温元件不破坏被测物体 温度场 ,能作远距离测量、 报警和自控、测温范围广 只能测高温,低温段测量不准, 环境条件会影响测量精度,连 续测 高温时须 作水冷却或气冷 却 100 2000（50 2000） 表表5-1 5-1 各种温度计的优缺点及使用范围各种温度计的优缺点及使用范围 4 第一节 概述 1.1.应用热膨胀原理测温应用热膨胀原理测温 图5-1 双金属片 5 图5-2 双金属温度信号器 1双金属片；2调节螺钉 ；3绝缘子；4信号灯 利用液体或固体受热时产生热膨胀的原理,可以制成膨胀 式温度计。 第一节 概述 2.2.应用压力随温度变化的原理测温应用压力随温度变化的原理测温 3.3.应用热阻效应测温应用热阻效应测温 4.4.应用热电效应测温应用热电效应测温 5.5.应用热辐射原理测温应用热辐射原理测温 6 第二节 热电偶温度计 n 一、热电偶 7 热电偶温度计热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。 图5-3 热电偶温度计测温系统示意图 1热电偶；2导线；3测量仪表 热电偶温度计热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热 电偶和测量仪表的导线。 图5-4 热电偶示意图 第二节 热电偶温度计 8 1.1.热电现象及测温原理热电现象及测温原理 图5-5 热电现象 图5-6 接触电势形成的过程 左图闭合回路中总的热电势 或 图5-7 热电偶原理 第二节 热电偶温度计 注意注意 由于热电极的材料不同,所产生的接触热电势亦不 同,因此不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产 生的热电势是不同的。 热电偶一般都是在自由端温度为0时进行分度的 ,因此,若自由端温度不为0而为t0时,则热电势与温 度之间的关系可用下式进行计算。 EAB(t,t0) = EAB(t,0) -EAB(t0,0) 9 第二节 热电偶温度计 举例 例5-1 今用一只镍铬-镍硅热电偶,测量小氮肥厂中转 化炉的温度,已知热电偶工作端温度为800,自由端( 冷端)温度为30,求热电偶产生的热电势 E(800,30)。 解：由附录三可以查得 E(800,0)=33.277(mV) E(30,0)=1.203(mV) 将上述数据代入式(5-3),即得E(800,30)=E(800,0) - E(30,0)=32.074 ( mV) 10 第二节 热电偶温度计 例5-2 某支铂铑10-铂热电偶在工作时，自由端温度t0= 30,测得热电势 E(t,t0) =14.195mV，求被测介质的 实际温度。 解:由附录一可以查得 E(30,0)=0.173(mV) 代入式(5-3)变换得 E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=0.173+14.195=14.368(mV) 再由附录一可以查得14.368mV对应的温度t为1400。 11 第二节 热电偶温度计 注意：由于热电偶所产生的热电势与温度的关系都 是非线性的 (当然各种热电偶的非线性程度不同), 因此在自由端温度不为零时,将所测热电势对应的 温度值加上自由端温度,并不等于实际的被测温度 。 12 第二节 热电偶温度计 13 2.2.插入第三种导线的问题插入第三种导线的问题 利用热电偶测量温度时，必须要用某些仪表来测量热电势 的数值，见下图。 总的热电势 （5-4） 能量守恒原理 （5-5） （5-6） 将式（5-5）5代入式（5-4） 图3-58 热电偶测温系统连接图 第二节 热电偶温度计 说明：在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶 所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两 端的温度相同。 14 第二节 热电偶温度计 图5-9 开路热电偶的应用 15 第二节 热电偶温度计 16 3.常用热电偶的种类 工业工业 上对上对 热电热电 极材极材 料的料的 要求要求 在测温范围内其热电性质要稳定,不随时间变化; 在测温范围内要有足够物理、化学稳定性,不易 被氧化或腐蚀; 电阻温度系数要小,电导率要高,组成热电偶后产 生的热电势要大,其值与温度成线性关系或有简单 的函数关系; 复现性要好,这样便于成批生产,而且在应用上也 可保证良好的互换性; 材料组织均匀、要有韧性,便于加工成丝。 第二节 热电偶温度计 17 热电偶名称代号分度号热电极材料测温范围/ 新 旧正热电极负热电 极长期使用短期使用 铂铑 30-铂铑 6 铂铑 10-铂 镍铬-镍硅 镍铬-铜镍 铁-铜镍 铜-铜镍 WRR WRP WRN WRE WRF WRC B S K E J T LL-2 LB-3 EU-2 - - CK 铂铑 30合 金 铂铑 10合 金 镍铬合金 镍铬合金 铁 铜 铂铑 6合金 纯铂 镍硅合金 铜镍合金 铜镍合金 铜镍合金 3001600 -201300 -501000 -40800 -40700 -400300 1800 1600 1200 900 750 350 表表5-2 5-2 常用热电偶常用热电偶 第二节 热电偶温度计 18 4.热电偶的构造及结构形式 图5-10 热电偶的结构 热电极 绝缘管 保护套管 接线盒 第二节 热电偶温度计 19 n 二、补偿导线与冷端温度补偿 采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这 既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。 它也是由两种不同性质 的金属材料制成，在一定温 度范围内（0100）与所 连接的热电偶具有相同的热 电特性，其材料又是廉价金 属。见左图。 1.1.补偿导线补偿导线 图5-11 补偿导线接线图 第二节 热电偶温度计 假设将镍铬记为A、镍硅记为B、铜记为C、铜镍记 为D,并考虑到引入铜导线对回路的总热电势没有影响 ( 因其两端温度均为t0)，则图5-11所示回路的总热电势为 (5-7) 如果假定各接点温度全为t1，代入式(5-7)，则有 (5-8) (5-9)或 由于t1一般是在100以下,在此温度范围内,根据补 偿导线的性质,有 (5-10) 20 第二节 热电偶温度计 将此式代入式(5-9) (5-11) 将式(5-11)代入式(5-7),便有 (5-12) 因为 故 (5-13) 21 第二节 热电偶温度计 在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。 热电偶名称补偿导线工作端为100，冷端为0时 的标准热电势 mV正极负极 铂铑 10-铂 镍铬-镍硅 镍铬-铜镍 铜 铜 镍铬 铜镍 铜镍 铜镍 0.640.03 4.100.15 6.950.30 表5-3 常用热电偶的补偿导线 22 第二节 热电偶温度计 注意 使用补偿导线时,应当注意补偿导线的正、 负极必须与热电偶的正、负极各端对应相接。 此外,正、负两极的接点温度t1应保持相同,延伸 后的冷端温度 t0应比较恒定且比较低。对于镍 铬-铜镍等一类用廉价金属制成的热电偶,则可 用其本身材料作补偿导线,将冷端延伸到环境温 度较恒定的地方。 23 第二节 热电偶温度计 2.2.冷端温度的变化对测量的影响及消除方法冷端温度的变化对测量的影响及消除方法 在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为，或 者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就 称为热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿。一般采用下述几种方法。 图5-12 热电偶冷端温度保持 的方法 （1）热电势的修正方法 在实际生产中，冷端 温度往往不是0，而是某 一温度t0，这就引起测量误 差。因此，必须对冷端温 度进行修正。 24 第二节 热电偶温度计 实际生产中，其冷端温度为t0，即有 或 由此可知，热电势的修正方法是把测得的热电势 EAB（t，t0），加上热端为室温t0，冷端为0时的热电偶 的热电势EAB（t0，0），才能得到实际温度下的热电势 EAB（t，0）。 25 第二节 热电偶温度计 举例举例 例5-3 用铂铑10-铂热电偶进行温度检测,热电偶的冷 端温度t0=30，显示仪表的温度读数 (假定此仪表 是不带冷端温度自动补偿且是以温度刻度的)为 985，试求被测温度的实际值。 26 解：由分度号为S的铂铑10-铂热电偶分度表 (附录一)查 出985时的热电势值为9.412mV。也就是E(t,t0)=9.412mV, 又从分度表中查得 E(t0 ,0) = E(30 ,0) = 0.173mV。将此两 个数值代入式 (5-14),得 E(t,0)=9.412mV+0.173mV=9.585(mV) 再查分度表可知,对应于9.585mV的温度t=1000,这 就是该支铂铑10-铂热电偶所测得的温度实际值。 第二节 热电偶温度计 （2）校正仪表零点法 若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不 偏低，可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上。 注意：只能在测温要求不太高的场合下应用。 （3）补偿电桥法 利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端 温度变化而引起的热电势变化值。 27 第二节 热电偶温度计 由于电桥是在20时平衡 的，所以采用这种补偿电桥时 须把仪表的机械零位预先调到 20处。如果补偿电桥是在 0时平衡设计的（DDZ-型 温度变送器中的补偿电桥）， 则仪表零位应调在0处。 注意！注意！ 图5-13 具有补偿电桥的热电偶 测温线路 28 第二节 热电偶温度计 29 （4）补偿热电偶法 在实际生产中，为了节省补偿导线和投资费用， 常用多支热电偶而配用一台测温仪表。 图5-14 补偿热电偶连接线路 第三节 热电阻温度计 30 在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温 度的测量较为适宜。 热电阻温度计热电阻温度计是由热电阻，显示仪表以及连接导 线所组成。 第三节 热电阻温度计 对于线性变化的热电阻来说，其电阻值与温度关 系如下式 热电阻温度计适用于测量-200+500范围内液体 、气体、蒸汽及固体表面的温度。 n 一、测温原理 利用热电阻的电阻值随温度变化而变化的特性来 进行温度测量的。 31 第三节 热电阻温度计 n 二、工业常用热电阻 作为热电阻的材料一般要求是：作为热电阻的材料一般要求是： 电阻温度系数、电阻率要大； 热容量要小； 在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质和 良好的复制性； 电阻值随温度的变化关系，最好呈线性； 价格便宜。 32 第三节 热电阻温度计 33 1.铂电阻 金属铂容易提纯,在氧化性介质中具有很高的物理 化学稳定性,有良好的复制性。但价格较贵。 要确定 Rtt的关系,首先要确定 R0的大小。R0不 同, Rtt的关系也不同。这种Rtt的关系称为分度表, 用分度号来表示。 工业上使用的铂电阻主要有分度号为 Pt100 ,它的 R0 = 100,其分度表见附录四。 第三节 热电阻温度计 34 2.铜电阻 金属铜易加工提纯，价格便宜；它的电阻温度系数很 大，且电阻与温度呈线性关系；在测温范围为-50 +150内，具有很好的稳定性。 在-50+150的范围内，铜电阻与温度的关系是 线性的。即 工业上常用的铂电阻有两种，一种是R050，对 应的分度号为Cu50。另一种是R0100，对应的分度号 为Cu100。 第四节 温度变送器 n 一、电动温度变送器 35 电动温度变送器是工业生产过程中应用最广泛的 一种模拟式温度变送器,它能与常用的各种热电偶和 热电阻配合使用,将某点的温度或某两点的温差转换 成相应的标准直流电流信号输出。 第四节 温度变送器 DDZ-型温度 (温差)变送器是电动单元组合仪 表中的一个变送单元。 根据输入信号的不同，DDZ-型温度变送器主 要有热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫 伏变送器三种类型。 36 第四节 温度变送器 DDZ-型热电偶温度变送器和热电阻温度变送器的结 构大体上可以分为温度检测元件、输入电路、放大电路 和反馈电路,其原理框图如图5-15所示。 温度检测元件输入电路放大电路 反馈电路 被测温度输出电流I0 图5-15 温度变送器原理框图 37 第四节 温度变送器 n 二、一体化温度变送器 38 它是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专 用接线盒内的一种温度变送器。 图5-16 一体化温度变送器 结构框图 结构结构 测温元件和变送器模块 常用的变送器芯片常用的变送器芯片： AD693、XTR101、 XTR103、IXR100等 变送器模块的正常工作温度变送器模块的正常工作温度 -20+80 第四节 温度变送器 n 三、智能式温度变送器 39 以以SMARTSMART公司的公司的TT302TT302温度变送器为例加以介绍。温度变送器为例加以介绍。 优点优点 可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度； 具有量程范围宽、精度高； 环境温度和振动影响小、抗干扰能力强； 质量轻； 安装维护方便。 结构结构 由硬件部分和软件部分两部分构成。 第四节 温度变送器 输入板主电路板 液晶显示器 信号输入信号输出 图5-17 TT302温度变送器基本构成框图 40 例题分析 举例举例 1.用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度,在没有采 取冷端温度补偿的情况下,显示仪表指示值为500,而 这时冷端温度为60,试问实际温度应为多少?如果热端 温度不变,设法使冷端温度保持在20,此时显示仪表的 指示值应为多少? 解：解：显示仪表指示值为500时,由附录三可以查得这时显 示仪表的实际输入电势为20.64mV,由于这个电势是由热 电偶产生的,即 E(t,t0) = 20.64 (mV) 由附录三同样可以查得 E(t0 ,0) = E(60,0) = 2.436 (mV) 41 例题分析 由式 (5-14)可以得到 E(t,0) = E(t,t0) + E(t0 ,0) = 20.64 + 2.436 = 23.076 (mV) 由23.076mV,查附录三,可得 t557 即被测实际温度为557。 当热端为557,冷端为20时,由于E(20 ,0) = 0.798mV, 故有 E(t,t0) = E(t,0) - E(t0 ,0) = 23.076 - 0.798 = 22.278 (mV) 由此电势,查附录三,可得显示仪表指示值约为538.4。 由此可见,当冷端温度降低时,显示仪表的指示值更接近于 被测温度实际值。 42 例题分析 2.如果用两支铂铑10-铂热电偶串联来测量炉温,连接方式 分别如图5-18(a)、(b)、(c)所示。已知炉内温度均匀,最 高温度为1000,试分别计算测量仪表的测量范围 (以最大 毫伏数表示)。 图5-18 炉子温度测量 43 例题分析 解: (a)由于这时热电偶的冷端均为0,每支热电偶对 应于1000时的热电势可以由附录一查得 E(1000 ,0) = 9. 585 (mV) 两支热电偶串联,测量仪表所测信号的最大值为 Emax = 29.585 = 19.17 (mV) 根据这个数值可以确定仪表的测量范围。 (b)由于这时不仅要考虑补偿导线引出来以后的冷 端温度(30),而且要考虑炉旁边补偿导线与热电偶的 接线盒内的温度(100)对热电势的影响。 44 例题分析 假定补偿导线 C、D与热电偶 A、B本身在100以 下的热电特性是相同的,所以在冷端处形成的热电势为 E(30 ,0) = 0.173 (mV) 在补偿导线C、D与热电偶的连接处1、4两点可以认 为不产生热电势,但在接线盒内2、3两点形成的热电偶 相当于热电偶在100时形成的热电势,即 E(100 ,0) = 0.645 (mV) 由于该电势的方向与两支热电偶在热端产生的电势 方向是相反的,所以这时总的热电势为 E max = 2E(1000 ,0) - E(100 ,0) - E(30 ,0) = 29.585 - 0.645 - 0.173 = 18.352 (mV) 45 例题分析 根据这个数值可以确定仪表的测量范围。在这种情况 下,如果炉旁边接线盒内的温度变化,会以测量产生较大的 影响,造成较大的测量误差。 (c)由于这时两支热电偶冷端都用补偿导线引至远离 炉子处,冷端温度为30,故总的热电势为 Emax = 2E(1000 ,0) - 2E(30 ,0) = 29.585 - 20.173 = 18.824 (mV) 由此可知,在同样都是用两支热电偶串联来测量炉温 时,由于接线不同,产生的热电势也是不相同的,在选择测 量仪表时,一定要考虑这种情况。 46 例题分析 3.在上题所述三种情况时,如果由测量仪表得到的信号都 是15mV,试分别计算这时炉子的实际温度。 解：解：在(a)情况时,由于2E(t,0) =15mV,即E(t,0) = 7.5mV, 查表(附录一)可得实际温度约为814.3。 在(b)情况时,由于 2E(t,0) = 15 + E(30 ,0) + E(100 ,0) =15 + 0.173 + 0.645 = 15. 818 ( mV) E(t,0) = 7.