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化工仪表自动化 化工仪表及自动化 第五章温度检测 概述测温仪表的分类温度检测的基本原理热电偶温度计热电偶补偿导线与冷端温度补偿热电阻温度计测温原理常用热电阻 1 目录 温度变送器电动温度变送器一体化温度变送器智能式温度变送器 第一节概述 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 3 WZ系列装配式热电阻 sz 22热电阻信号输入数字面板表 温度变送器 WSSX电接点双金属温度计 4 第一节概述 表5 1各种温度计的优缺点及使用范围 5 第一节概述 1 应用热膨胀原理测温 图5 1双金属片 6 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 应用压力随温度变化的原理测温 3 应用热阻效应测温 4 应用热电效应测温 5 应用热辐射原理测温 7 第二节热电偶温度计 一 热电偶 8 热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表 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 铠装热电偶 法国KIMOTK102S精密型热电偶温度仪 9 第二节热电偶温度计 10 1 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 图5 7热电偶原理 第二节热电偶温度计 11 第二节热电偶温度计 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 12 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 13 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 14 第二节热电偶温度计 15 2 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 图3 58热电偶测温系统连接图 第二节热电偶温度计 16 图5 9开路热电偶的应用 17 第二节热电偶温度计 第二节热电偶温度计 18 3 常用热电偶的种类 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 第二节热电偶温度计 19 表5 2常用热电偶 第二节热电偶温度计 20 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 21 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 0 100 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 补偿导线 图5 11补偿导线接线图 第二节热电偶温度计 22 第二节热电偶温度计 因为 23 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 表5 3常用热电偶的补偿导线 24 第二节热电偶温度计 25 第二节热电偶温度计 2 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 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 26 第二节热电偶温度计 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 27 第二节热电偶温度计 28 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 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 29 第二节热电偶温度计 图5 13具有补偿电桥的热电偶测温线路 30 第二节热电偶温度计 31 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 32 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 热电阻温度计是由热电阻 显示仪表以及连接导线所组成 WZ系列装配式热电阻 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 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 33 第三节热电阻温度计 二 工业常用热电阻 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 34 第三节热电阻温度计 35 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Rt t的关系 首先要确定R0的大小 R0不同 Rt t的关系也不同 这种Rt t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 36 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R0 50 对应的分度号为Cu50 另一种是R0 100 对应的分度号为Cu100 第四节温度变送器 一 电动温度变送器 37 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 38 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 39 第四节温度变送器 二 一体化温度变送器 40 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 SBW系列一体化温度变送器 二 一体化温度变送器 41 第四节温度变送器 三 智能式温度变送器 42 以SMART公司的TT302温度变送器为例加以介绍 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 由硬件部分和软件部分两部分构成 第四节温度变送器 43 例题分析 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 44 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t 557 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 45 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 46 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 2 9 585 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 47 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Emax 2E 1000 0 E 100 0 E 30 0 2 9 585 0 645 0 173 18 352 mV 48 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 2 9 585 2 0 173 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 49 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 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 7 909 mV 查表可得实际温度约为851 2 50 例题分析 在 c 情况时 由于2E t 0 15 2E 30 0 15 2 0 173 15 346 mV 即E t 0 7 673 mV 查表可得实际温度约为830 由上述例子可以看出 虽然采用了补偿导线 但并不能完全克服冷端温度变化对测量的影响 补偿导线只是将冷端由温度变化比较剧烈的地方移至温度变化较小的地方 如果这时冷端的温度仍不为0 那么还必须考虑如何进行冷端温度补偿的问题 51 例题分析 4 在用热电偶测量温度时 除了要考虑冷端温度的影响外 还要注意热电偶极性不能接错 热电偶与补偿导线要配套 热电偶分度号与指示仪表要配套等问题 在用热电阻测量温度时 同样要考虑热电阻分度号与测量仪表配套 三线制接法等 下面给出几个思考题及其结论 请大家自行证明 或说明 1 如果热电偶热端为600 冷端为30 仪表的机械零点为0 没有加以冷端温度补偿 问该仪表的指示值将高于还是低于600 低于600 52 例题分析 2 采用镍铬 镍硅热电偶测量温度 将仪表机械零点调至25 但实际上室温 冷端温度为10 问这时仪表指示值将偏高还是偏低 偏高 3 有S分度号动圈仪表一台 错接