化工仪表及自动化之温度检测及仪表(ppt 75页).ppt

化工仪表及自动化 第五节温度检测及仪表 内容提要 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 内容提要 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 一 概述 一 测温仪表的分类 反映了物体冷热的程度 与自然界中的各种物理和化学过程相联系 温度概念的建立及测量 以热平衡为基础的温度最本质的性质 当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热 换热结束后两物体处于热平衡状态 则它们具有相同的温度 分类 按测量方式 接触式与非接触式 一 概述 表5 1各种温度计的优缺点及使用范围 4 接触式测温 温度敏感元件与被测对象接触 经过换热后两者温度相等 常用的接触式测温仪表 1 膨胀式温度计 2 热电阻温度计 3 热电偶温度计 4 其他原理的温度计 特点 优点 直观 可靠 测量仪表也比较简单 缺点 由于敏感元件必须与被测对象接触 在接触过程中就可能破坏被测对象的温度场分布 从而造成测量误差 有的测温元件不能和被测对象充分接触 不能达到充分的热平衡 使测温元件和被测对象温度不一致 也会带来误差 在接触过程中 介质腐蚀性 高温时对测温元件的影响 影响测温元件的可靠性和工作寿命 非接触测温 温度敏感元件不与被测对象接触 而是通过辐射能量进行热交换 由辐射能的大小来推算被测物体的温度 常用的非接触式测温仪表 1 辐射式温度计 基于普朗克定理光电高温计 辐射传感器 比色温度计 2 光纤式温度计 光纤的温度特性 传光介质 光纤温度传感器 光纤辐射温度计 优点 不与被测物体接触 不破坏原有的温度场 在被测物体为运动物体时尤为适用 缺点 精度一般不高 一 概述 1 应用热膨胀原理测温 图3 50双金属片 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 一 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 二 热电偶温度计 热电偶 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3 54热电偶示意图 热电偶也叫温差电偶是最早出现的一种热电探测器件赛贝克 Seebeck 效应 热点效应 1821年赛贝克发现了铜 铁这两种金属的温差电现象 即在这两种金属构成的闭合回路中 对两个接头的中一个加热即可产生电流 在冷接头处 电流从铁流向铜 由于冷 热两个端 接头 存在温差而产生的电势差e 就是温差热电势 这种由两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶 二 热电偶温度计 1 热电现象及测温原理 图3 55热电现象 热电偶 两种不同的金属A和B构成闭合回路当两个接触端T T0时 回路中会产生热电势 热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定 1 接触电势 不同金属材料内部的自由电子密度不同 当A和B材料接触是 自由电子要从密度大的地方扩散到密度小的地方 从而产生自由电子扩散现象 自由电子从A扩散到B 扩散平衡时 A失去电子带正电荷 B得到电子带负电荷 因此在A B接触处形成一定电位差 即接触电势 帕尔帖电势 接触电势 帕尔帖电势大小为 k 玻耳兹曼常数 K 1 38 10 23T 接触面的绝对温度 e 单位电荷量 e 1 6 10 19CNA 金属电极A的自由电子密度NA 金属电极B的自由电子密度 2 温差电势 在同一金属材料A中 当金属材料两端的温度不同时 两端电子能量不同 温度高的一端电子能量大 则电子从高温端向低温扩散的数量多 直至平衡 即在A两端形成一定电位差 即温差电势 汤姆逊电势 温差电势 汤姆逊电势 汤姆逊电势大小为 汤姆逊系数 它表示温度为1 时所产生的电动势值 它与材料的性质有关 3 热电偶回路的总热电势 结论 热电势存在必须具备两个条件 两种不同的金属材料组成热电偶它的两端存在温差 图3 56接触电势形成的过程 左图闭合回路中总的热电势 或 图3 57热电偶原理 二 热电偶温度计 二 热电偶温度计 解 由附录四可以查得E 800 0 33 277 mV E 30 0 1 203 mV 将上述数据代入 即得E 800 30 E 800 0 E 30 0 32 074 mV 二 热电偶温度计 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 7 172mV 求被测介质的实际温度 二 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 标准化热电偶热电势和温度的关系 二 热电偶温度计 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 3 76 二 热电偶温度计 中间导体定律 此定律具有特别重要的实用意义 因为用热电偶测温时必须接入仪表 第三种材料 根据此定律 只要仪表两接入点的温度保持一致 T0 根据中间导体定律 仪表的接入就不会影响热电势 二 热电偶温度计 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 二 热电偶温度计 表3 4常用热电偶 1 铂铑30 铂铑6 B型 为贵金属热电偶 热偶丝线径规定为0 5mm 正极 BP 和负极 BN 的名义化学成分均为铂铑合金 只是含量不同 故俗称为双铂铑热电偶 长期最高使用温度为1600 短期最高使用温度为1800 优点 准确度高 稳定性好 测温温区宽 使用寿命长等 适用于氧化性和惰性气氛中 也可短期用于真空中 但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中 参比端不需进行冷端补偿 因为在0 50 范围内热电势小于3 V 缺点 热电率较小 灵敏度低 高温下机械强度下降 抗污染能力差 贵金属材料昂贵 2 铂铑10 铂热电偶 S型 贵金属热电偶 电极线径规定为0 5mm 正极 SP 的名义化学成分为铂铑合金负极 SN 为纯铂 故俗称为单铂铑热电偶 长期最高使用温度为1300 短期最高使用温度为1600 优点 准确度高 稳定性好 测温温区和使用寿命长 物理化学性能良好 在高温下抗氧化性能好 适用于氧化和惰性气氛中 缺点 热电率较小 灵敏度低 高温下机械强度下降 对污染敏感 贵金属材料昂贵 因此一次性投资较大 3 镍铬 镍硅热电偶 K型 使用量最大的廉金属热电偶 用量为其他热电偶的总和正极 KP 的名义化学成分为 Ni Cr 90 10 负极 KN 的名义化学化学成分为Ni Si 97 3 其使用温度为 50 1000 优点 线性度好 热电势较大 灵敏度较高 稳定性和复现性均好 抗氧化性强 价格便宜 能用于氧化性和惰性气氛中 K型热电偶不能在高温下直接用于硫 还原性或还原 氧化交替的气氛中 也不能用于真空中 4 镍铬 铜镍热电偶 E型 称为镍铬 康铜热电偶 也是一种廉价金属热电偶 其正极 EP 为镍铬10合金 化学成分与KP相同 负极 EN 为铜镍合金 名义化学成分为55 的铜 45 的镍以及少量的钴 锰 铁等元素 该热电偶电动势之大 灵敏度之高属所有标准热电偶之最 宜制成热电偶堆来测量微小温度变化 E型热电偶可用于湿度较大的环境里 具有稳定性好 抗氧化性能高 价格便宜等优点 但不能在高温下用于硫 还原性气氛中 二 热电偶温度计 4 热电偶的构造及结构形式 图3 59热电偶的结构 热电极绝缘管保护套管接线盒 普通装配型热电偶的外形 安装螺纹 安装法兰 普通装配型热电偶的结构放大图 接线盒 引出线套管 固定螺纹 出厂时用塑料包裹 热电偶工作端 热端 不锈钢保护管 柔性安装型铠装结构 它可以做得很细很长 使用中随需要能任意弯曲 测量端的热容量小 响应速度快 绕性好 可弯曲 可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合 耐压 耐振 耐冲击 铠装型热电偶外形 法兰 铠装型热电偶可长达上百米 薄壁金属保护套管 铠体 铠装型热电偶横截面 二 热电偶温度计 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3 60补偿导线接线图 二 热电偶温度计 如果假定各接点温度全为t1 代入式上式 则有 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 二 热电偶温度计 将此式代入式 便有 因为 故 二 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3 7常用热电偶的补偿导线 二 热电偶温度计 二 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3 61热电偶冷端温度保持 的方法 1 冷端温度保持为0 的方法 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 二 热电偶温度计 由此可知 冷端温度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 2 冷端温度修正法 二 热电偶温度计 解 由分度号为S的铂铑10 铂热电偶分度表 附录二 查出979 时的热电势值为9 343mV 也就是E t t0 9 343mV 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EAB t t0 EAB t 0 EAB t0 0 得E t 0 9 343mV 0 173mV 9 516 mV 再查分度表可知 对应于9 516mV的温度t 994 这就是该支铂铑10 铂热电偶所测得的温度实际值 二 热电偶温度计 3 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 4 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 二 热电偶温度计 图3 62具有补偿电桥的热电偶测温线路 二 热电偶温度计 5 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3 63补偿热电偶连接线路 第三节热电阻温度计 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 利用导体或半导体材料的电阻率随温度变化的特性制成的传感器叫做热电阻式传感器 应用 对温度和与温度有关的参量进行检测 测温范围 中 低温区域 200 650 低温方面也应用于1K 3K的温度测量 高温也有用于1000 1300 测温元件可分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类 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 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 以提高热电阻的灵敏度 电阻率要大 以便减小电阻体尺寸 热容量要小 以便提高热电阻的响应速度 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 应有良好的可加工性 价格便宜 实践证明 纯金属 铂 铜 铁和镍是比较适合的材料 其中主要应用的是铂和铜 铂是一种贵重金属 其物理和化学性能非常稳定 是制造热电阻的最好材料 主要作标准电阻温度计 铜可用来制造 50 150 范围内工业用电阻温度外 特点是价格低廉 缺点是电阻率低 且容易氧化 一般用在较低温度和没有水分和浸蚀性的介质之中 第三节热电阻温度计 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 其分度表见附录七 第三节热电阻温度计 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 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 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 第四节温度变送器 二 一体化温度变送器 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 第四节温度变送器 三 智能式温度变送器 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 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 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 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 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 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 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 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