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温度测量原理及接线方法 1 热电偶的相关知识 相关介绍热电偶的安装要求热电偶的正确使用故障处理案例温度补偿常见问题 基本介绍概述特点结构工作原理种类常见热电偶材料类别 2 热电偶是一种感温元件 是一种仪表 它直接测量温度 并把温度信号转热电偶换成热电动势信号 通过电气仪表 二次仪表 转换成被测介质的温度 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路 当两端存在温度梯度时 回路中就会有电流通过 此时两端之间就存在电动势 热电动势 这就是所谓的塞贝克效应 Seebeckeffect 两种不同成份的均质导体为热电极 温度较高的一端为工作端 温度较低的一端为自由端 自由端通常处于某个恒定的温度下 根据热电动势与温度的函数关系 制成热电偶分度表 分度表是自由端温度在0 时的条件下得到的 不同的热电偶具有不同的分度表 3 在热电偶回路中接入第三种金属材料时 只要该材料两个接点的温度相同 热电偶所产生的热电势将保持不变 即不受第三种金属接入回路中的影响 因此 在热电偶测温时 可接入测量仪表 测得热电动势后 即可知道被测介质的温度 热电偶测量温度时要求其冷端 测量端为热端 通过引线与测量电路连接的端称为冷端 的温度保持不变 其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系 若测量时 冷端的 环境 温度变化 将严重影响测量的准确性 在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿 4 结构 为了保证热电偶可靠 稳定地工作 对它结构要求如下 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固 两个热电极彼此之间应很好地绝缘 以防短路 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离 5 工作原理 两种不同成份的导体 称为热电偶丝材或热电极 两端接合成回路 当两个接合点的温度不同时 在回路中就会产生电动势 这种现象称为热电效应 而这种电动势称为热电势 热电偶是利用这种原理进行温度测量的 其中 直接用作测量介质温度的一端叫做工作端 也称为测量端或热端 另一端叫做冷端 也称为补偿端 冷端与显示仪表或配套仪表连接 显示仪表会指出热电偶所产生的热电势 热电偶实际上是一种能量转换器 它将热能转换为电能 用所产生的热电势测量温度 对于热电偶的热电势 应注意如下几个问题 1 热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差 而不是热电偶冷端与工作端 两端温度差的函数 6 常用热电偶材料 热电偶分度号热电极材料使用温度范围 S铂铑合金 铑含量10 纯铂0 1400R铂铑合金 铑含量13 纯铂0 1400B铂铑合金 铑含量30 铂铑合金 铑含量6 0 1400K镍铬镍硅 200 1000T纯铜铜镍 200 300J铁铜镍 200 600N镍铬硅镍硅 200 1200E镍铬铜镍 200 700 7 类别 热电偶类别代号分度号测温范围允许偏差限铂铑30 铂铑6WRRB0 1800 0 25 t铂铑10 铂WRPS0 1600 0 25 t镍铬 镍硅WRNK0 1300 0 75 t镍铬 康铜WREE0 800 0 75 t铂铑13 铂WRBR0 1600 0 25 t 8 热电偶的安装要求 对热电偶与热电阻的安装 应注意有利于测温准确 安全可考及维修方便 而且不影响设备运行和生产操作 要满足以上要求 在选择对热电偶和热电阻的安装部位和插入深度时要注意以下几点 1 为了使热电偶和热电阻的测量端与被测介质之间有充分的热交换 应合理选择测点位置 尽量避免在阀门 弯头及管道和设备的死角附近装设热电偶或热电阻 2 带有保护套管的热电偶和热电阻有传热和散热损失 为了减少测量误差 热电偶和热电阻应该有足够的插入深度 1 对于测量管道中心流体温度的热电偶 一般都应将其测量端插入到管道中心处 垂直安装或倾斜安装 如被测流体的管道直径是200毫米 那热电偶或热电阻插入深度应选择100毫米 2 对于高温高压和高速流体的温度测量 如主蒸汽温度 为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂 可采取保护管浅插方式或采用热套式热电偶 浅插式的热电偶保护套管 其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm 热套式热电偶的标准插入深度为100mm 3 假如需要测量是烟道内烟气的温度 尽管烟道直径为4m 热电偶或热电阻插入深度1m即可 4 当测量原件插入深度超过1m时 应尽可能垂直安装 或加装支撑架和保护套管 9 热电偶的正确使用 1 安装不当引入的误差如热电偶安装的位置及插入深度不能反映炉膛的真实温度等 换句话说 热电偶不应装在太靠近阀门和加热的地方 插入的深度至少应为保护管直径的8 10倍 热电偶的保护套管与壁间的间隔未填绝热物质致使炉内热溢出或冷空气侵入 因此热电偶保护管和炉壁孔之间的空隙应用耐火泥或石棉绳等绝热物质堵塞以免冷热空气对流而影响测温的准确性 热电偶冷端太靠近炉体使温度超过100 热电偶的安装应尽可能避开强磁场和强电场 所以不应把热电偶和动力电缆线装在同一根导管内以免引入干扰造成误差 热电偶不能安装在被测介质很少流动的区域内 当用热电偶测量管内气体温度时 必须使热电偶逆着流速方向安装 而且充分与气体接触 10 2 绝缘变差而引入的误差如热电偶绝缘了 保护管和拉线板污垢或盐渣过多致使热电偶极间与炉壁间绝缘不良 在高温下更为严重 这不仅会引起热电势的损耗而且还会引入干扰 由此引起的误差有时可达上百度 3 热阻误差高温时 如保护管上有一层煤灰 尘埃附在上面 则热阻增加 阻碍热的传导 这时温度示值比被测温度的真值低 因此 应保持热电偶保护管外部的清洁 以减小误差 11 4 热惰性引入的误差由于热电偶的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化 在进行快速测量时这种影响尤为突出 所以应尽可能采用热电极较细 保护管直径较小的热电偶 测温环境许可时 甚至可将保护管取去 由于存在测量滞后 用热电偶检测出的温度波动的振幅较炉温波动的振幅小 测量滞后越大 热电偶波动的振幅就越小 与实际炉温的差别也就越大 当用时间常数大的热电偶测温或控温时 仪表显示的温度虽然波动很小 但实际炉温的波动可能很大 为了准确的测量温度 应当选择时间常数小的热电偶 时间常数与传热系数成反比 与热电偶热端的直径 材料的密度及比热成正比 如要减小时间常数 除增加传热系数以外 最有效的办法是尽量减小热端的尺寸 使用中 通常采用导热性能好的材料 管壁薄 内径小的保护套管 在较精密的温度测量中 使用无保护套管的裸丝热电偶 但热电偶容易损坏 应及时校正及更换 12 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 使热电偶的冷端移动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差不能超过100 13 常见问题 对于热电偶的热电势 应注意如下几个问题 装配热电偶1 热电偶的热电势是热电偶工作端与冷端两端温度函数的差 而不是热电偶冷端与工作端 两端温度差的函数 2 热电偶所产生的热电势的大小 当热电偶的材料是均匀时 与热电偶的长度和直径无关 3 当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后 热电偶热电势的大小 只与热电偶的温度差有关 若热电偶冷端的温度保持一定 这热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数 将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来 构成一个闭合回路 如图所示 当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时 两者之间便产生电动势 因而在回路中形成一个大小的电流 这种现象称为热电效应 热电偶就是利用这一效应来工作的 14 热电阻 15 工作原理 热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性 热电阻大都由纯金属材料制成 目前应用最多的是铂和铜 现在已开始采用镍 锰和铑等材料制造热电阻 热电阻通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上 16 热电阻种类 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 热电阻的引出线或各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响 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 2 8mm 与普通型热电阻相比 它有下列优点 体积小 内部无空气隙 热惯性上 测量滞后小 机械性能好 耐振 抗冲击 能弯曲 便于安装 使用寿命长 铠装热电阻是利用物质在温度变化时 其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的 当阻值变化时 工作仪表便显示出阻值所对应的温度值 常温绝缘电阻热电阻在环境温度为15 35 C 相对湿度不大于80 试验电压为10 100V 直流 电极与外套管之间的绝缘电阻 100M 除此之外 还有端面热电阻 隔爆型热电阻等 17 实际应用 目前热电阻应用最广泛的热电阻材料是铂和铜 铂电阻精度高 适用于中性和氧化性介质 稳定性好 具有一定的非线性 温度越高电阻变化率越小 铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系 温度线数大 适用于无腐蚀介质 超过150易被氧化 中国最常用的有R0 10 R0 100 和R0 1000 等几种 它们的分度号分别为Pt10 Pt100 Pt1000 铜电阻有R0 50 和R0 100 两种 它们的分度号为Cu50和Cu100 其中Pt100和Cu50的应用最为广泛 18 信号连接 目前热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件 通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上 工业用热电阻安装在生产现场 与控制室之间存在一定的距离 因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响 热电阻的引线主要有三种方式二线制 在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制 这种引线方法很简单 但由于连接导线必然存在引线电阻r r大小与导线的材质和长度的因素有关 因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合三线制 在热电阻的根部的一端连接一根引线 另一端连接两根引线的方式称为三线制 这种方式通常与电桥配套使用 可以较好的消除引线电阻的影响 是工业过程控制中的最常用的 四线制 在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制 其中两根引线为热电阻提供恒定电流I 把R转换成电压信号U 再通过另两根引线把U引至二次仪表 可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响 主要用于高精度的温度检测 19 热电阻接线 1 两线制热点阻 一点接a线 另一点接两根线 2 三线制如三点必须找出a线 用万用表测对另两个有电阻那就是a线 a线接在仪表端标有电阻一端 电阻为0的两根线短接 实际为一小阻值 该值是线阻 用以消除线阻对测量值的影响 接测量仪表的另一头 2 热电阻采用三线制接法 采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差 这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥 热电阻作为电桥的一个桥臂电阻 其连接导线 从热电阻到中控室 也成为桥臂电阻的一部分 这一部分电阻是未知的且随环境温度变化 造成测量误差 采用三线制 将导线一根接到电桥的电源端 其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上 这样消除了导线线路电阻带来的测量误差 20 热电阻的安装要求 对热电阻的安装 应注意有利于测温准确 安全可考及维修方便 而且不影响设备运行和生产操作 要满足以上要求 在选择对热电阻的安装部位和插入深度时要注意以下几点 1 为了使热电阻的测量端与被测介质之间有充分的热交换 应合理选择测点位置 尽量避免在阀门 弯头及管道和设备的死角附近装设热电阻 2 带有保护套管的热电阻有传热和散热损失 为了减少测量误差 热电偶和热电阻应该有足够的插入深度 1 对于测量管道中心流体温度的热电阻 一般都应将其测量端插入到管道中心处 垂直安装或倾斜安装 如被测流体的管道直径是200毫米 那热电阻插入深度应选择100毫米 2 对于高温高压和高速流体的温度测量 如主蒸汽温度 为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂 可采取保护管浅插方式或采用热套式热电阻 浅插式的热电阻保护套管 其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm 热套式热电阻的标准插入深度为100mm 3 假如需要测量是烟道内烟气的温度 尽管烟道直径为4m 热电阻插入深度1m即可 4 当测量原件插入深度超过1m时 应尽可能垂直安装 或加装支撑架和保护套管 21 热电偶和热电阻的区别 热电偶与热电阻均属于温度测量中的接触式测温 尽管其作用相同都是测量物体的温度 但是他们的原理与特点却不尽相同 首先 介绍一下热电偶 热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件 他的主要特点就是测温范围宽 性能比较稳定 同时结构简单 动态响应好 更能够远传4 20mA电信号 便于自动控制和集中控制 热电偶的测温原理是基于热电效应 闭合回路中产生的热电势有两种电势组成 温差电势和接触电势 温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电势 不同的导体具有不同的电子密度 所以他们产生的电势也不相同 而接触电势顾名思义就是指两种不同的导体相接触时 因为他们的电子密度不同所以产生一定的电子扩散 当他们达到一定的平衡后所形成的电势 接触电势的大小取决于两种不同导体的材料性质以及他们接触点的温度 热电偶的结构有两种 普通型和铠装型 热电偶的电信号却需要一种特殊的导线来进行传递 这种导线我们称为补偿导线 不同的热电偶需要不同的补偿导线 其主要作用就是与热电偶连接 使热电偶的参比端远离电源 从而使参比端温度稳定 补偿导线又分为补偿型和延长型两种 延长导线的化学成分与被补偿的热电偶相同 但是实际中 延长型的导线也并不是用和热电偶相同材质的金属 一般采用和热电偶具有相同电子密度的导线代替 补偿导线与热电偶的连线一般都是很明了 热