检测技术与自动化仪表温度检测.ppt

第二篇过程参数检测技术 4温度检测 4 1测温方法及温标4 2接触式测温4 3非接触式测温4 4光纤温度传感器4 5测温实例 概述 温度检测的基本原理 应用热膨胀原理测温应用压力随温度变化的原理测温应用热阻效应测温应用热电效应测温应用热辐射原理测温 概述 测温仪表分类 各种温度计的优缺点及使用范围 概述 测温仪表分类 温度检测仪表的选用 工业上常见的温度检测仪表主要有 双金属温度计热电偶热电阻辐射式温度计等 选择使用热电阻 热电偶时还应该根据相应的要求确定合适的分度号 概述 概述 便携式红外辐射温度计 热电偶 热电阻 双金属温度计 温度检测仪表的选用 一 热电偶温度计 二 热电阻温度计 三 热电偶和热电阻温度计的安装及布线 四 非接触式测温 五 光纤温度传感器 概述 温度检测仪表综合内容 一 热电偶温度计 1 热电效应和热电偶2 热电偶的应用定则 定律 3 标准化热电偶和分度表4 热电偶的结构型式5 热电偶冷端温度的处理6 热电偶测量线路 热电现象 一 热电偶温度计 1 热电效应和热电偶 热电效应 热电偶测温的基本原理 任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路 如果将它们的两个接点分别置于温度各为t及t0的热源中 则在该回路内就会产生热电势 热电偶示意图 t端称为工作端又称测量端或热端 假定该端置于热源中 t0端称为自由瑞 又称参考端或冷端 这两种不同导体或半导体的组合称为热电偶每根单独的导体或半导体称为热电极 一 热电偶温度计 1 热电效应和热电偶 闭合回路中所产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成 下标a表示正电极 b表示负电极 热电效应 热电偶测温的基本原理 任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路 如果将它们的两个接点分别置于温度各为t及t0的热源中 则在该回路内就会产生热电势 一 热电偶温度计 1 热电效应和热电偶 闭合回路中所产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成 由于温差电势比接触电势小很多 其忽略不计 这样热电偶的电势可表示为 下标a表示正电极 b表示负电极 一 热电偶温度计 1 热电效应和热电偶 一 热电偶温度计 1 热电效应和热电偶 重要结论 一 热电偶温度计 2 热电偶的应用定则 定律 一 热电偶温度计 2 热电偶的应用定则 定律 当t t0时 有 根据热电效应 于是可得 一 热电偶温度计 2 热电偶的应用定则 定律 为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础 一 热电偶温度计 3 标准化热电偶和分度表 工业上对热电极材料的要求 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 一 热电偶温度计 3 标准化热电偶和分度表 标准化热电偶工艺上比较成熟 能批量生产 性能稳定 应用广泛 具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶 标准化热电偶可以互相交换 精度有一定的保证 国际电工委员会 iec 共推荐了8种标准化热电偶 分度表在t0 0 条件下 用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同热端温度下所产生的热电势值 可以列出对应的分度表 非标准化热电偶 具有某些特殊性能 能满足一些特殊条件下测温的需要 如超高温 极低温 高真空或核辐射环境 一 热电偶温度计 3 标准化热电偶和分度表 标准化热电偶技术数据 一 热电偶温度计 3 标准化热电偶和分度表 常用热电偶 一 热电偶温度计 3 标准化热电偶和分度表 标准化热电偶热电势和温度的关系 在实际应用中 采用热电偶分度表 考虑了冷端温度后 根据热电势值可以确定被测温度值 一 热电偶温度计 3 标准化热电偶和分度表 一 热电偶温度计 3 标准化热电偶和分度表 镍铬 镍硅热电偶 k型 分度表 一 热电偶温度计 4 热电偶的结构型式 热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量 尤其适用于500 以上较高温度的测量 普通型热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构 普通型热电偶 普通型热电偶主要由热电极 绝缘管 保护套管和接线盒等主要部分组成 安装方式主要有法兰式和螺纹式两种 一 热电偶温度计 4 热电偶的结构型式 常见普通工业装配式热电偶的外形结构 一 热电偶温度计 4 热电偶的结构型式 铠装型热电偶 铠装型热电偶是由热电极 绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的 具有动态响应快 机械强度高 抗震性好 可弯曲等优点 可安装在结构较复杂的装置上 应用十分广泛 铠装型热电偶可以做得很细 一般为2 8mm 可以随测量需要任意弯曲 一 热电偶温度计 4 热电偶的结构型式 铠装型热电偶可长达上百米 铠装型热电偶 一 热电偶温度计 5 热电偶冷端温度的处理 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 一般采用下述几种方法 补偿导线法 热电势的修正方法 计算修正法 冷端温度恒温法 补偿电桥法 校正仪表零点法 一 热电偶温度计 5 热电偶冷端温度的处理 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 补偿导线由两种不同性质的廉价金属材料制成 在一定的温度范围内 0 100 与所连接的热电偶具有相同的热电特性 补偿导线法 补偿导线接线图 以k型热电偶为例 一 热电偶温度计 5 热电偶冷端温度的处理 补偿导线法 补偿导线外形 一 热电偶温度计 5 热电偶冷端温度的处理 补偿导线法 在使用热电偶补偿导线时 要注意型号相配 常用热电偶的补偿导线 一 热电偶温度计 5 热电偶冷端温度的处理 补偿导线法 补偿导线的型号 线芯材质和绝缘层着色 一 热电偶温度计 5 热电偶冷端温度的处理 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 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 补偿导线法 一 热电偶温度计 热电势的修正方法 计算修正法 5 热电偶冷端温度的处理 一 热电偶温度计 解 由分度表可以查得e 800 0 33 277 mv e 30 0 1 203 mv 将上述数据代入式e t t0 e t 0 e t0 0 即得e 800 30 e 800 0 e 30 0 32 074 mv 热电势的修正方法 计算修正法 5 热电偶冷端温度的处理 例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 由分度表可以查得e 30 0 0 173 mv 代入式e t t0 e t 0 e t0 0 变换得e t 0 e t 30 e 30 0 14 195 0 173 14 368 mv 再由附表可以查得14 368mv对应的温度t为1400 热电势的修正方法 计算修正法 5 热电偶冷端温度的处理 一 热电偶温度计 5 热电偶冷端温度的处理 解 由分度号为s的铂铑10 铂热电偶分度表查出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e t t0 e t 0 e t0 0 变换得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 热电势的修正方法 计算修正法 一 热电偶温度计 一 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 热电势的修正方法 计算修正法 5 热电偶冷端温度的处理 一 热电偶温度计 5 热电偶冷端温度的处理 热电偶冷端温度保持 的方法 冷端温度恒温法 适用于实验室中的精确测量检定热电偶 一 热电偶温度计 5 热电偶冷端温度的处理 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 是测温仪表中最常用的一种处理方法 一 热电偶温度计 5 热电偶冷端温度的处理 校正仪表零点法 机械调零法 若采用测温元件为热电偶时 要使测温时指示值不偏低 可预先将仪表指示值调整到相当于室温的数值上 调整仪表的机械零位 一 热电偶温度计 6 热电偶测量线路 实用测量系统 一 热电偶温度计 6 热电偶测量线路 测量两点之间温差 测量平均温度 注意热电偶非线性带来的影响 并联法测量平均温度 一 热电偶温度计 6 热电偶测量线路 测量几点温度之和 若干只热电偶共用一台仪表 串联法测量平均温度 若干只热电偶通过切换开关共用一台测量仪表 二 热电阻温度计 热电阻1 热电阻的测温原理2 工业上常用的金属热电阻3 热电阻的结构型式4 热电阻的信号连接方式 热敏电阻1 热敏电阻的分类及特点2 热敏电阻的应用 二 热电阻温度计 二 热电阻温度计 热电阻 1 热电阻的测温原理 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 热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的 即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性 测出感温热电阻的阻值变化 就可以测量出被测温度 金属热电阻的电阻值和温度一般可用以下近似关系式表示 式中 rt为温度t时对应的电阻值rt0为温度t0 通常为0 时对应的电阻值 为温度系数 作为热电阻的材料一般要求是 电阻温度系数 电阻率要大 在测温范围内 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 热电阻 2 工业上常用的金属热电阻 使用最广泛的热电阻材料是铂和铜 常用的铂热电阻有r0 100 分度号为pt100 测温范围 150 500 200 600 常用的铜热电阻有r0 50 分度号为cu50 测温范围 0 100 50 150 铜热电阻有r0 50 和r0 100 两种 分度号分别为cu50和cu100 二 热电阻温度计 工业应用中热电阻的电阻和温度关系 热电阻 3 热电阻的结构型式 装配式热电阻的结构 铂电阻感温元件 铜电阻感温元件 二 热电阻温度计 热电阻 4 热电阻的信号连接方式 二线制 热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件 把电阻信号通过引线传递到二次仪表或计算机控制装置上 常用的引线方式有三种 二线制 三线制 四线制 三线制 二 热电阻温度计 热电阻 二 热电阻温度计 4 热电阻的信号连接方式 铜导线 铜电缆 热电阻 4 热电阻的信号连接方式 二线制 三线制 热电阻的二线制接法 这种接法两根导线的电阻都加在电桥的一个桥臂上 显然当导线电阻也随温度变化时 不平衡电桥自然反映的不仅仅是热电阻的变化 如配铂电阻和铜导线 显然两者的变化不同 所以此接法必然影响测量精度 解决的办法 二 热电阻温度计 热电阻 4 热电阻的信号连接方式 热电阻的三线制接法 在热电阻根部的一端连接一根引线 另一端连接两根引线 这种方式通常与电桥配套使用 能较好地消除引线电阻的影响 是工业过程中最常用的引线方式 最好的办法 二 热电阻温度计 热电阻 4 热电阻的信号连接方式 热电阻的四线制接法 在热电阻根部两端各连接两根导线 两根引线为热电阻提供恒定电流is 另两根引线把ui引至二次仪表 此方式能完全消除引线电阻的影响 主要用于高精度的温度检测 四线制 二 热电阻温度计 二 热电阻温度计 热敏电阻 1 热敏电阻的分类及特点 最常见的热敏电阻是由金属氧化物半导体材料在不同的条件下烧制而成的 如锰 钴 铁 镍 铜等多种氧化物混合烧结而成 热敏电阻的结构形式 二 热电阻温度计 热敏电阻 热敏电阻的温度系数分为 正温度系数 ptc 负温度系数 ntc 临界温度系数 ctr 热敏电阻的电阻值与温度之间的特性曲线如图所示 1 热敏电阻的分类及特点 二 热电阻温度计 热敏电阻 1 热敏电阻的分类及特点 正温度系数热敏电阻 ptc 正温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而增大 且有斜率最大的区域 当温度超过某一数值时 其电阻值朝正的方向快速变化 其电阻值与温度之间的关系为 b 热敏电阻常数 是温度系数 的函数 b t2 rt 任意温度t时的电阻值 r0 基准温度t0时的电阻值 二 热电阻温度计 热敏电阻 1 热敏电阻的分类及特点 负温度系数热敏电阻 ntc 负温度系数热敏电阻具有很高的负电阻温度系数 是应用最广泛的半导体热敏电阻之一 具有灵敏度高 响应速度快 寿命长 价格低等优点 其电阻值与温度之间的关系为 二 热电阻温度计 热敏电阻 1 热敏电阻的分类及特点 临界温度系数热敏电阻 ctr 临界温度系数热敏电阻也具有负温度系数 但在某个温度范围内电阻值急剧下降 曲线斜率在此区段特别陡 灵敏度极高 由于具有开关特性和一个温度突变点 主要用作温度开关或各种电子电路中抑制浪涌电流 起保护作用 二 热电阻温度计 热敏电阻 1 热敏电阻的分类及特点 各种热敏电阻的阻值在常温下很大 通常在数千欧以上 因此连接导线的阻值几乎对测温没有影响 不必采用三线制或四线制接法 给使用带来了方便 另外 热敏电阻的阻值随温度改变显著 只要很小的电流流过热敏电阻 就能产生明显的电压变化 而电流对热敏电阻自身有加热作用 所以应注意不要使电流过大 防止带来测量误差 二 热电阻温度计 热敏电阻 2 热敏电阻的应用 热敏电阻常被用来对温度进行测量 可用来作为补偿元器件 也可作为控制开关来应用 还可用来对流量进行测量 对电路进行保护等 温度测量 温度控制 温度补偿 流量测量 二 热电阻温度计 热敏电阻 2 热敏电阻的应用 热敏电阻点温计 温度测量 二 热电阻温度计 热敏电阻 2 热敏电阻的应用 简易温度控制器 温度控制 二 热电阻温度计 热敏电阻 2 热敏电阻的应用 仪表中的电阻温度补偿电路 金属一般具有正的温度系数 采用负温度系数的热敏电阻进行补偿 可以抵消由于温度变化所产生的误差 温度补偿 二 热电阻温度计 热敏电阻 2 热敏电阻的应用 热敏电阻流量计 流量测量 利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量流量 流速 风速等 三 热电偶和热电阻温度计的安装及布线 一般来说 温度检测仪表的检测元件安装 需要遵循以下原则 应确保测量的准确性 选择有代表性的安装位置 应确保安全 可靠 选择合适的安装方式 应综合考虑仪表维修 校验的方便 检测元件安装 三 热电偶和热电阻温度计的安装及布线 应确保测量的准确性 选择有代表性的安装位置 检测元件安装 应该有足够的插入深度 不应该插入介质的死角 以确保能进行充分的热交换 工作端应位于管道中心流速最大之处 应该迎着流体流动方向安装 否则容易产生测量误差 测量负压管道 或设备 上的温度时 必须保证有密封性 以免外界空气的吸入而降低精度 三 热电偶和热电阻温度计的安装及布线 检测元件安装 为避免检测元件的损坏 保护套管应该具有足够的机械强度 根据现场的工作压力 温度 腐蚀性等特性 合理地选择保护套管的材质 壁厚 当介质压力超过10mpa时 必须安装保护外套 确保安全 为了减小测量的滞后 可在保护套管内部加装传热良好的填充物 如硅油 石英砂等等 接线盒出线孔应该朝下 以免因密封不良使水汽 灰尘等进入而降低测量精度 应确保安全可靠 选择合适的安装方式 三 热电偶和热电阻温度计的安装及布线 热电偶的插入方式 热电偶在扩大管上的安装 检测元件安装 应确保安全可靠 选择合适的安装方式 三 热电偶和热电阻温度计的安装及布线 布线要求 三 热电偶和热电阻温度计的安装及布线 检测元件的安装位置 检测元件的固定装置 检测元件的型号 分度号 长度 保护套管 固定方式 补偿导线或铜导线的型号规格和长度 保护管或线槽的规格和长度 温度显示仪表的型号规格 温度显示仪表的安装接线 常用测温系统的设计内容 自动测控系统的设计内容 四 非接触式测温 辐射测温原理 非接触式测温方法以辐射测温为主 具有一定温度的物体都会向外辐射能量 其辐射强度与物体的温度有关 通过测量辐射强度来确定物体的温度 辐射测温时 辐射感温元件不与被测介质相接触 不会破坏被测温度场 可实现遥测 测量元件不必达到与被测对象相同的温度 测量上限可以很高 辐射测温适用于很宽的测量范围 可达 50 6000 但是 影响其测量精度的因素较多 应用技术较复杂 四 非接触式测温 辐射测温仪表的组成 主要由光学系统 检测元件 转换电路和信号处理等部分组成 光学高温计 光电高温计 辐射温度计 比色温度计 光学高温计 四 非接触式测温 精密光学高温计用于科学实验中的精密测试 标准光学高温计用于量值的传递 例如 在物质熔点 热容量和相变点的测定中使用 光学高温计可用来测量800 3200 的高温 因采用肉眼进行色度比较 故测量误差与人的经验有关 光学高温计测量的温度称为亮度温度 tl 被测对象为非黑体时 要通过修正才能得到非黑体的真实温度 1 物镜 2 吸收玻璃 3 灯泡 4 红色滤波片 5 目镜 6 指示仪器 7 滑线电阻 e 电源 k 开关 r1 刻线调整电阻 光学高温计 四 非接触式测温 wgg2 201型光学高温计 光电高温计 四 非接触式测温 光学高温计是由人工操作来完成亮度平衡工作的 其测量结果带有操作者的主观误差 它不能进行连续测量和记录 当被测温度低于800 时 光学高温计对亮度无法进行平衡 光电高温计是在光学高温计测量理论的基础上发展起来的一种新型测温仪表 它采用新型的光电器件 自动进行平衡 达到连续测量的目的 光电高温计 四 非接触式测温 wdl 31型光电高温计 辐射温度计 四 非接触式测温 组成 辐射感温器和显示仪表两部分根据全辐射强度定理 即根据物体的总辐射强度与物体温度的四次方成正比的关系来进行测量 辐射高温计测量的温度称为辐射温度 被测对象为非黑体时 要通过修正才能得到非黑体的真实温度 可用于测量400 2000 的高温 多为现场安装式结构 为适应现场高温环境要求 在辐射感温器外加装水冷夹套 辐射温度计 四 非接触式测温 辐射温度计 四 非接触式测温 1 物镜 2 外壳 3 补偿光阑 4 座架 5 热电堆 6 接线柱 7 穿线套 8 盖 9 目镜 10 校正片 11 小齿轴 wft 202型辐射感温器结构 比色温度计 四 非接触式测温 原理 通过测量热辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度 特点 准确度高 响应快 可观察小目标 最小可到2mm 因为实际物体的单色黑度系数和全辐射黑度系数的数值相差很大 但是对同一物体的不同波长的单色黑度系数和来说 其比值的变化却很小 所以用比色温度计测得的温度称为比色温度 它与物体的真实温度很接近 一般可以不进行校正 比色温度计 四 非接触式测温 可用于测量550 3200 的高温 比色温度计原理结构 比色温度计 四 非接触式测温 光导纤维的结构和导光原理 光导纤维 简称光纤 是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的 每一根光导纤维由一个圆柱形纤芯和包层组成 而且纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2 五 光纤温度传感器 各种装饰性光导纤维 五 光纤温度传感器 发光二极管产生多种颜色的光线 通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面 在计算机控制下 可产生动态图案 五 光纤温度传感器 装饰性光导纤维的应用 光纤传感器用光作为敏感信息的载体 用光纤作为传递敏感信息的媒质 因此 它同时具有光纤及光学测量的特点 灵敏度较高 几何形状具有多方面的适应性 可以制成任意形状的光纤传感器 可以制造传感各种不同物理信息 声 磁 温度 旋转等 的器件 光纤传感器 可以用于高压 电气噪声 高温 腐蚀 或其它的恶劣环境 而且具有与光纤遥测技术的内在相容性 五 光纤温度传感器 光纤传感器可测量 位移 速度 加速度 液位