化工仪表及自动化第五章温度检测.ppt

化工仪表及自动化,第五章温度检测,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,第一节概述,温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数。所有的过程都是在一定的温度条件下进行的；温度决定一些反应能否进行和反应方向；温度决定一些反应的进程程度；温度显示反应的能量变化。,温标,1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。,几种温标的对比,正常体温为37C，相当于华氏温度多少度？,1990国际温标(ITS-90),从1990年1月1日开始在全世界范围内采用1990年国际温标，简称ITS-90。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K（0.01C）等。,第一节概述,一、测温仪表的分类,温度不能直接测量。温度的测量都是通过温度传递到敏感元件后，该敏感元件的物理性质随温度变化而进行的。传递温度的方式：热交换热辐射分类：600C以上-高温计600C以下-温度计接触式、非接触式,1、物体受热，体积膨胀V-T2、压力随温度变化P-T3、金属导体电阻随温度变化R-T4、热电效应原理E-T5、热辐射原理,二、温度检测的基本原理,第一节概述,第一节概述,表5-1各种温度计的优缺点及使用范围,第一节概述,1.应用热膨胀原理测温,图5-1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。,双金属温度计,2、压力式温度计,利用液体的蒸发或气体的膨胀而引起的压力变化进行测量。温包：传热、容纳膨胀介质；毛细管：传递压力；弹簧管：显示压力（温度）。,第一节概述,3、辐射式温度计,通过特定波长光波的强度或热辐射强度来确定光源温度。辐射式温度计：测定热辐射强度；光学温度计：采用光学分频法，测定不同频率光波的强度比值；比色法：直接通过可见光颜色的对比，确定光源温度。辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特别是光学温度计和比色温度计需要利用物体在高温下发射的可见光进行检测。,第一节概述,1.红外线辐射温度计,红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。,一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度。,红外辐射温度计测温依据,红外线辐射温度计外形,激光仅用于瞄准,红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用,耳温仪,集成IC温度测量,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用,利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）,温度采集系统,光学高温计隐丝式光学高温计测量方法：调节电阻R以改变灯丝亮度,当它与待测光源像的亮度相等时，灯丝在光源的像上消失,这时由电表G上读出物体的亮度温度；或用补偿法由电位差计测量电流的精确值，再通过计算求出亮度温度，后一方法适用于精密测量温度。,CIT比色在线式红外测温仪,测温范围-203500,比色式温度传感器,比色式温度传感器采用比色式（双波段）测温原理实现对被测目标的非接触测温，用户不需知道物质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄准,测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可准确测量。,比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如:烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。,非接触式光纤传感测温仪,热电偶测温的主要优点,1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2、测温范围广：下限可达-270C，上限可达1800C以上；3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。,第二节热电偶温度计,第二节热电偶温度计,一、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；补偿导线。,图5-4热电偶示意图,热电效应,1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点)，发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么?)，如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。,指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。,1.热电现象及测温原理,热电偶工作原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,右端称为：自由端(参考端、冷端）,左端称为：测量端(工作端、热端),热电极B,热电势,A,B,1.热电现象及测温原理,热电势的产生,不同金属具有不同的电子密度；两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生电场；电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡；电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散作用越强。,+,-,扩散作用,电场作用,金属A,金属B,+,-,金属A,金属B,接触电势eAB,eAB(t)t,对于一定材料,1.热电现象及测温原理,图5-7热电偶原理,1.热电现象及测温原理,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，常常把它忽略不计，这样热电偶的电势可表示为：,注意：如果下标次序改为eBA，则热电势e前面的符号也应相应改变，即,式(i)当冷端温度t0一定时，对于确定的热电偶来说，eAB(t0)为常数，因此，其总热电势EAB(t,t0)就与温度t成单值函数对应关系，和热电偶的长短、直径无关。只要测量出热电势大小，就能判断被测温度的高低，这就是热电偶的温度测量原理。,=eAB(t)+eBA(t0),1.热电现象及测温原理,重要结论：1.如果组成热电偶的两种电极材料相同，则无论热电偶冷、热两端的温度如何，闭合回路中的总热电势为零；2.如果热电偶冷、热两端的温度相同，则无论两电极材料如何，闭合回路中的总热电势也为零3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有关之外，还与电极材料有关，也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的。,热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势EAB(T,T0)等于热电偶AB在接点温度为T、TC和TC、T0的热电势EAB(T,TC)和EAB(TC,T0)的代数和EAB(T,T0)=EAB(T,TC)+EAB(TC,T0),热电偶的“中间温度定律”,第二节热电偶温度计,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,当tt0时，有,第二节热电偶温度计,图5-9开路热电偶的应用,第二节热电偶温度计,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。,第二节热电偶温度计,表5-2常用热电偶,几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析,哪几种热电偶的测温上限较高？,结论：,哪几种热电偶的线性较差？,哪一种热电偶的灵敏度高？,哪一种热电偶的灵敏度较低？,为什么所有的曲线均过原点（零度点）？,热电偶的分度表,热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法,我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。,直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为C。,分度表：当t0=0时，与温度t对应的数值表。（非线性）,分度号：与分度表所对应的热电偶的代号。,第二节热电偶温度计,热电偶是在自由端温度为0时进行分度的,因此,若自由端温度不为0而为t0时,则热电势与温度之间的关系可用下式进行计算。EAB(t,t0)=EAB(t,0)-EAB(t0,0),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),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)=13.034mV，求被测介质的实际温度。,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。,第二节热电偶温度计,4.热电偶的构造及结构形式,图5-10热电偶的结构,热电极绝缘子保护套管接线盒,常用热电偶类型：普通型热电偶铠装型热电偶多点式热电偶防爆型热电偶表面型热电偶,普通装配型热电偶的外形,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,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,铠装型热电偶的三种结构,铠装型热电偶,铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。,热响应时间少，减小动态误差；可弯曲安装使用,解决微小、狭窄场合的测温问题.测量范围大；机械强度高，耐压性能好；,多点热电偶适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中。,图3.4多点热电偶,隔爆型热电偶外形,厚壁保护管,压铸的接线盒,电缆线,隔爆型热电偶,结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。,其他热电偶外形,小形K型热电偶,第二节热电偶温度计,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。,1.补偿导线,图5-11补偿导线接线图,在0100C范围内与所接热电偶有相同的热电特性的廉价金属制成,其作用是将热电偶的冷端延伸到温度恒定的操作室.,解决参比端温度的恒定问题。,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,补偿导线外形,A,B,屏蔽层,保护层,第二节热电偶温度计,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。,24,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）。,第二节热电偶温度计,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。,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,电桥补偿法,电桥由R1、R2、R3（均为锰铜电阻）和RCu（热敏铜电阻）组成。在设计的冷端温度（例如t00）时，满足R1R2，R3RCu，这时电桥平衡，无电压输出，即Uab=0，回路中的输出电势就是热电偶产生的热电势,当冷端温度由t0变化到t0时，不妨设t0t0，热电偶输出的热电势减小，但电桥中RCu随温度的上升而增大，于是电桥两端会产生一个不平衡电压Uab(t0),此时回路中输出的热电势为:,经过设计，可使电桥的不平衡电压等于因冷端温度变化引起的热电势变化，即,于是实现了冷端温度的自动补偿。实际的补偿电桥一般是按t020设计的，即t020时，补偿电桥平衡无电压输出。,第二节热电偶温度计,（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,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三部分所组成。,取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。,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,金属导体的电阻值随温度变化而变化,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。,目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。其他有镍、铁。,热电特性:精度高、稳定性好、性能可靠,所以得到了广泛应用。按IEC标准,铂热电阻的使用温度范围为-200+850。,铂电阻的特性方程为在-2000的温度范围内:,在0850的温度范围内:,式中Rt和R0分别为t和0时铂电阻值;A、B和C为常数。,1.铂电阻,第三节热电阻温度计,热电阻在温度t时的电阻值与R0有关。目前我国规定工业用铂热电阻有两种,其中以Pt100为常用。铂电阻不同分度号亦有相应分度表,即Rt-t的关系表,这样在实际测量中,只要测得热电阻的阻值Rt,便可从分度表上查出对应的温度值。,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,铜热电阻线性好,价格便宜,但它易氧化,不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。电阻率低,电阻体大,普通型铂热电阻,热电阻的结构形式：普通型、铠装型、专用型,固定螺纹式热电阻,活动法兰式热电阻,固定螺纹锥式热电阻,薄膜型,防水式铠装热电阻,圆接插式铠装热电阻,防喷式铠装热电阻,端面热电阻适合于测量电厂汽轮机及电机轴瓦或其它机体表面温度。,防腐热电阻采用新型防腐材料，外包覆聚四氟乙烯F46，适合于石油化工各种腐蚀性介质中测温。是氯碱行业的专用测温仪表。,端面热电阻,防腐热电阻,微型热电偶/热电阻适用于狭小场所的温度测量与控制。是纺织、绦纶等行业业不可缺少的温度测量装置。炉壁热电偶/热电阻适合于电厂锅炉炉壁，管壁及其它圆柱体表面测量。,微型热电偶/热电阻,特殊热电偶/热电阻,炉壁热电偶/热电阻,防爆型铂热电阻,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,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。,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t557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=29.585=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)=29.585-0.645-0.173=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)=29.585-20.173=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