第三章第五节温度检测及仪表.ppt

第五节温度检测及仪表 温度是表征物体冷热程度的物理量 温度的测量与控制在工业生产中有着重要的作用 一 温度检测方法 一 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 及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来间接测量 二 温度计的分类按测温范围分 高温计 600 以上 和普通温度计 按测量方法分 接触式和非接触式温度计 按用途分 实用温度计和标准温度计 按工作原理分 膨胀式温度计 压力式温度计 热电偶温度计 热电阻温度计 辐射高温计 1 膨胀式温度计 利用物体受热体积膨胀原理 图3 52双金属片 图3 53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 两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起的 玻璃温度计 液体 双金属温度计 固体 双金属片制成螺旋形感温元件 主要用于温度检测 控制 膨胀式双金属温度计 常用于工业现场温度就地检测显示 双金属片螺旋形感温元件 1 指针 2 表壳 3 金属保护管 4 指针轴 5 双金属感温元件 6 固定端 7 刻度盘 1 膨胀式温度计 毛细管 用铜或钢等冷拉成的无缝圆管制成 易破损 应加保护套管 在长度相同时 越细仪表越灵敏 2 压力式温度计 原理 基于压力随温度变化原理 组成 温包 感温元件8 毛细管 传递压力7 弹簧管 温包 强度高 膨胀系数小 热导率高 抗腐蚀等性能 3 热电偶温度计 利用不同材料的金属焊接在一起 当温度发生变化时 会产生热电势 依靠热电势的测量来测温度 4 热电阻温度计 利用导体或半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的原理测温 5 热辐射温度计 利用物体热辐射作用来测温度 组成 热电偶 感温元件 测量仪表 连接两者的导线 补偿导线及铜导线 二 热电偶温度计 原理 以热电效应为基础的测温仪表 1 热电偶 测温元件 由两种不同材料的导体A B焊接而成 焊接的一端插入被测介质中 感受被测温度 称工作端或热端 另一端与导线相连 称冷端或自由端 导体A B称热电极 特点 测量范围广 50 1600 结构简单 使用方便 测量准确可靠 便于信号远传 自动记录和集中控制 1 热电现象及测温原理 热电现象 不同材料金属导线A和B的两端焊在一起 组成一个闭合回路 如将一端 1 加热 即t t0 回路中就有热电势产生 这种现象称为热电现象 A B 热电势 接触电势和温差电势 接触电势与两金属的材料和接触点的温度有关 当材料确定后只与接触点的温度有关 eAB t eBA t 接触电势eAB t 的产生 接触电势的方向为A B 1 热电现象及测温原理 t t0 温差电势eA t t0 的产生 同一金属A B 两端t不同 自由电子具有不同的动能 就产生一个电动势 金属A B的等效电阻为R1 R2 则图 a 等效为图 b 此闭合回路中总的热电势E t t0 应为 E t t0 eAB t eAB t0 或E t t0 eAB t eBA t0 1 热电现象及测温原理 eA t t0 0 eB t t0 0 E t t0 eAB t eAB t0 或E t t0 eAB t eBA t0 测温原理 材料确定后 热电势是两接点温度的函数 当冷端t0不变 即eAB t0 为常数 热电势与热端t成单值的函数关系 注 如A B材料相同 两点温度不同 则E t t0 0 如果A B材料不同 两点温度相同 则E t t0 0 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 1 热电现象及测温原理 热电偶的中间温度定律 分度表 在t0 0 条件下 用实验的方法测各种热电偶在不同温度下热端所产生的热电势值 列出对应的各种热电偶热电势与温度的标准数据表 2 插入第三种导线的问题 用热电偶测温时 需接仪表测热电势 而仪表要远离测温点 就需接第三种导线C 回路中接入导线C 就构成新的接点 只要保证引线两端的温度相同 热电偶的总热电势就不变 E t t0 eAB t eBC t1 eCB t1 eBA t0 eAB t eBC t1 eBC t1 eBA t0 eAB t eBA t0 eAB t eAB t0 2 插入第三种导线的问题 可见 与没有接入第三种导线时总热电势相等 若A B C组成闭合回路 各点温度为t0时 则eAB t0 eBC t0 eCA t0 0 eBC t0 eCA t0 eAB t0 E t t0 eAB t eBC t0 eCA t0 E t t0 eAB t eAB t0 eAB t eBA t0 同理 如回路中串接多种导线 只要引线两端的温度相同 不影响总热电势值 工业上对热电极材料的要求 对温度反应灵敏 热电势与温度尽量成线性关系 物理和化学的稳定性高 材料组织均匀 有韧性 易加工成丝 价廉 复现性好 且有良好的互换性 便于成批生产 3 常用热电偶的种类 铂铑30 铂铑6热电偶 双铂铑 分度号B 测量范围为300 1600 短期可测1800 铂铑10 铂热电偶 S 测量范围 20 1300 短期可测1600 作标准偶 镍铬 镍硅热电偶 K 测量范围 50 1000 短期可测1200 镍铬 考铜热电偶 XK 镍铬 铜镍E 测量范围 50 600 短期可测800 热电极 贵金属的直径0 3 0 65mm 普通金属的直径0 5 3 2mm 长度由安装条件及插入深度而定 一般为350 2000mm 按结构分为普通型 铠装型 表面型和快速型 普通型 热电极 绝缘管 保护套管及接线盒 4 热电偶的结构 保护套管 保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤 接线盒 是供热电极和补偿导线连接用的 常用铝合金制成 绝缘管 绝缘子 防止热电极短路 普通型热电偶 铠装热电偶 由金属套管 绝缘材料 热电偶丝一起经过复合拉伸成型 图3 64铠装热电偶工作端结构 a 单芯结构 b 双芯碰底型 c 双芯不碰底型 d 双芯露头型 e 双芯帽型 铠装热电偶 表面型 利用真空镀膜法将两电极材料蒸镀在绝缘基底上的薄膜热电偶 在选热电偶时 注意三个方面 热电极材料 保护套管的结构 材料及耐压强度 保护套管的插入深度 快速型 是测量高温熔融物体一种专用热电偶 钢水测温仪 测温枪 快速热电偶 补偿导线 补偿导线的要求 在一定温度范围内 0 100 与所连接的热电偶具有相同的热电特性 2 廉价金属 2 补偿导线的选用 热电偶的冷端t0不变时 热电势才是被测温度的单值函数 但实际冷端t0难保持恒定 为了使冷端t0恒定 将热电偶做长 但不经济 用补偿导线代替热电极 使冷端远离工作端 不同的热电偶所用的补偿导线也不同 1 与热电偶的型号相配 2 极性不能接错 3 与热电偶连接处的温度不应超过100 4 与热电偶连接的两接点温度必须保持相同 以免引起测量误差 使用补偿导线的注意事项 冷端 E t t0 原因 分度表是t0 0 C时得到的 仪表刻度是根据分度表进行刻度的 热电偶使用时冷端在操作室 但操作室的温度高于0 C 这时热电偶的热电势偏低 且随着冷端t0的变化而变化 会引起测量误差 因此用热电偶测温时 如不能保持t0 0 C 则要修正才能得到准确的测量结果 3 热电偶冷端温度补偿 冷端温度补偿方法 1 冷端温度保持为0 的方法 常用在实验室中 如图 2 冷端温度修正方法 冷端t0 t1 0 时 会引起测量误差 必须进行修正 利用中间温度定律进行修正 即 E t 0 E t t1 E t1 0 适用于实验室或临时测温 在连续测量中不使用 冷端温度补偿方法 例 用E型热电偶测某加热炉的温度 冷端t1 30 测得EE t t1 66782 V 求被测的实际温度t 解 查表得 EE 30 0 1801 V 则 E t 0 E t 30 EE 30 0 66782 1801 68583 V 查表得 EE 890 0 68015 V EE 900 0 68783 V 而不是66782 V对应的温度t 再加上30 3 校正仪表零点一般仪表未工作时指针应指在零位 机械零点 若测温元件为热电偶 且冷端不为零度 则将仪表的零点调至室温 冷端所在温度 常用在工业上 但在测温要求不高的场合上 如动圈表使用时需要校正仪表机械零点 电子电位差计则自动调零 冷端温度补偿方法 t0 0 时 R1 R2 R3 Rt Uab 0 对热电势无影响 t0 0 时 Rt变化 R Uab 0 Uab E t0 0 4 补偿电桥法 原理 电桥输出电压Uab E t0 0 自动补偿 U E t t0 Uab E t 0 冷端温度补偿方法 5 补偿热电偶法用多支热电偶配用一台测温仪表 为了使多支热电偶的冷端温度恒定 设置补偿热电偶且恒温 t0 仪表的指示值为E t t0 对应的温度 冷端温度补偿方法 例 用K分度号热电偶与显示仪表配合测炉温 热电偶自由端t0 30 C 测得E t t0 39 17mV 求炉温为多少度 解 根据题意求炉温即应求E t 0 查K型分度表可知 EK 30 0 1203 V 已知EK t t0 39170 V 由 EK t 0 EK t t0 EK t0 0 则 EK t 0 39170 1203 40373 V 即炉温为977 C 查表得 EK 977 0 40371 V EE 978 0 40410 V 1 测温原理 电阻值与温度关系 Rt Rt0 1 t t0 Rt Rt0 tRt Rt0 分别为温度t t0 0 时的电阻值 电阻温度系数 Rt 电阻变化量 t 温度变化量 三 热电阻温度计 原理 用导体阻值随温度变化而变化的原理来测温 特点 300 下的灵敏度高于热电偶 测量范围在中 低温 200 500 组成 热电阻 显示仪表 连接导线 采用三线制接法 测出电阻值变化 就可达到温度测量 热电阻材料的要求 1 电阻温度系数 电阻率大 2 热容量小 3 物理和化学稳定性高 4 复现性好 5 电阻随温度的变化尽量成线性关系 热电阻材料是铂 Pt 和铜 Cu 2 工业常用热电阻 1 铂电阻 在氧化性介质和高温下性质稳定 测量精度高 在0 650 范围内 电阻与温度的关系为 Rt R0 1 At Bt2 Ct3 工业上用的铂电阻有两种 R0 10 Pt10 R0 100 Pt100 在 50 150 范围内 电阻与温度的关系为 Rt R0 1 t t0 铜电阻温度系数 4 25 10 3 工业上用的铜电阻有两种 R0 50 Cu50 R0 100 Cu100 2 铜电阻 特点 价格便宜 温度系数大 与温度呈线性关系 稳定性好 用于测量精度不高 温度较低的场合 电阻体 电阻丝双线无感的绕制在具有一定形状的支架上 这个整体称为电阻体 支架有平板形 铂电阻体 圆柱形 铜电阻体 螺旋形 标准或实验用铂电阻体 保护管和接线盒 与热电偶相同 3 热电阻的结构 普通型 铠装型和薄膜型 1 普通型 电阻体 保护管 接线盒组成 热电阻的结构 普通型热电阻 3 热电阻的结构 普通型 铠装型和薄膜型 2 铠装热电阻 将电阻体预先拉制成型与绝缘材料和保护管连成一体 特点体积小 抗震性强 可弯曲 使用寿命长 3 热电阻的结构 普通型 铠装型和薄膜型 3 薄膜热电阻 将热电阻材料通过真空镀膜法 直接蒸镀到绝缘基底上 特点体积小 灵敏度高 DDZ III型温度变送器的特点 线路上采取安全火花防爆措施 用于危险场合 在结构上采用线性化电路 使变送器输出信号和被测温度信号成线性关系 在线路中采用了集成电路 因而提高了变送器的可靠性及稳定性 温度变送器类型 热电偶温度变送器 热电阻温度变送器和直流毫伏温度变送器 四 电动温度变送器 与热电偶配套使用 将温度转换成4 20mA 1 5V 标准信号 再与显示或控制单元配合 实现温度的显示或控制 组成 输入桥路 放大电路及反馈电路 如下图 1 热电偶温度变送器 1 输入桥路 作用是冷端温度补偿 调整零点 1 热电偶温度变送器 冷端温度补偿 RCu与热电偶的冷端安装在一起 t RCu I1恒定 调RCu 使E t0 0 I1 RCu U E t t0 I1RCu E t 0 E t0 0 I1RCu E t 0 但热电偶温度特性是非线性的 铜电阻的特性是线性的 则不可能完全补偿 调整零点 R4上电压抵消RCu上的起始电压 可改变电桥输出的零点 热电势为0时 输出为4mA 冷端温度补偿 调零电阻 方法 以反馈电路的非线性补偿热电偶的非线性 使输出电流与温度成线性关系 但使用时 量程变换时 重新调整反馈的非线性特性 使输出信号与被测温度成线性关系 在反馈回路加入线性化电路 对热电偶的非线性给予修正 2 反馈电路 用特殊的低漂移 高增益集成运算放大器 热电偶产生较小的热电势 几十或十几毫伏 大电压 运放放大电压 电流 功率放大器将电压转换电流 3 放大电路 热电阻温度变送器与热电阻配套使用 将温度转换成4 20mA和1 5V的统一标准信号 再与显示仪表或控制仪表配合 实现对温度的显示或控制 组成 输入电桥 放大电路及反馈电路 放大电路与热电偶温度变送器的放大电路通用 如下图 2 热电阻温度变送器 热电阻温度变送器的输出信号I0与输入信号t成线性关系 将变送器模块安装在测温元件接线盒或专业接线盒内的一种温度变送器 变送器模块与测温元件形成一个整体 其结构如图 五 一体化温度变送器 Io t 适用于 20 100 的环境温度 精确度可达0 2 1 确定仪表测量范围及量程根据工艺测温要求选择测温范围 在满足工艺要求的前提下尽可能缩小范围 但测温上限应稍高于工艺要求的上限 2 选取仪表的精度根据生产上允许的最大测量误差来确定仪表的精度等级 在满足工业要求的情况下尽可能选用精度较低 经济实用的测温元件 3 仪表类型的确定考虑被测介质 现场条件和工艺要求 接触式温度计的选择 1 测温元件的安装要求 1 测管道温度时 保证测温元件与流体充分接触 以减少测量误差 元件应迎着被测介质流向插入 应选图a和b 正确选择测温元件和二次仪表后 如不正确安装测温元件 仍然不能保证测量精度 2 测量元件的感温点应处于管道中流速最大处 热电偶 铂电阻 铜电阻保护套管的末端应分别过中心线5 10mm 50 70mm 25 30mm 七 测温元件的安装 4 若工艺管道过小 直径小于80mm 安装测温元件处应接装扩大管 如图3 75 3 测温元件应有足够的插入深度 减小测量误差 则元件应斜插或在弯头处安装 如图3 74 1 测温元件的安装要求 7 测温元件安装在负压管道中时 必须保证其密封性 以防外界空气进入 使读数降低 5 热电偶 热电组的接线盒面盖应向上 以避免雨水或其他液体 脏物进入接线盒中影响测量 如图3 76 6 防止热量散失 测温元件应插在有保温层的管道或设备处 1 测温元件的安装要求 温度仪表的常见安装方法 1 按热电偶的型号配用补偿导线 注意热电偶的正 负极与补偿导线的正 负极相接 不要接错 2 热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求 3 保护连接导线与补偿导线不受外来的机械损伤 应把连接导线或补偿导线穿入钢管内或走槽板 4 导线应尽量避免有接头 应有良好的绝缘 禁止