化工仪表自动化【第三章】温度、显示

化工仪表自动化【第三章】温度、显示第一页，共61页。第三章检测仪表及传感器

3.5温度检测及仪表第二页，共61页。3.5温度检测及仪表第三页，共61页。3.5温度检测及仪表第四页，共61页。3.5温度检测及仪表第五页，共61页。3.5温度检测及仪表一、温度检测方法

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。第六页，共61页。3.5温度检测及仪表分类按测量范围按用途

高温计、温度计标准仪表、实用仪表按工作原理

膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计按测量方式

接触式与非接触式600℃第七页，共61页。3.5温度检测及仪表1.膨胀式温度计

膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。第八页，共61页。3.5温度检测及仪表图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—信号灯第九页，共61页。3.5温度检测及仪表第十页，共61页。3.5温度检测及仪表2.压力式温度计

应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计。

第十一页，共61页。3.5温度检测及仪表

它是根据在封闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制成的，并用压力表来测量这种变化，从而测得温度。图3-54压力式温度计结构原理图

1—传动机构；2—刻度盘；3—指针；4—弹簧管；5—连杆；6—接头；7—毛细管；8—温包；9—工作物质

温包毛细管弹簧管（或盘簧管）

第十二页，共61页。3.5温度检测及仪表3.辐射式高温计辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。800℃第十三页，共61页。3.5温度检测及仪表二、热电偶温度计

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。第十四页，共61页。3.5温度检测及仪表图3-55热电偶温度计测温系统示意图1—热电偶；2—导线；3—测量仪表1.热电偶图3-56热电偶示意图第十五页，共61页。3.5温度检测及仪表第十六页，共61页。（1）热电现象及测温原理

3.5温度检测及仪表图3-57热电现象图3-58接触电势形成的过程图3-59热电偶原理及电路图左图闭合回路中总的热电势或第十七页，共61页。3.5温度检测及仪表注意如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无论两接点温度如何，闭合回路的总热电势为零；如果热电偶两接点温度相同，尽管两导体材料不同，闭合回路的总热电势也为零；热电偶产生的热电势除了与两接点处的温度有关外，还与热电极的材料有关。也就是说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。第十八页，共61页。3.5温度检测及仪表（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，见图3-60。图3-60热电偶测温系统连接图图（a）总的热电势（3-65）由于（3-64）（3-67）将式（3-66）、式（3-67）代入式（3-64）（3-66）（3-71）第十九页，共61页。3.5温度检测及仪表说明：在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。

故得（3-69）图（b）总的热电势（3-71）（3-70）第二十页，共61页。3.5温度检测及仪表（3）常用热电偶的种类

工业上对热电极材料的要求温度每增加１℃时所能产生的热电势要大，而且热电势与温度应尽可能成线性关系；物理稳定性要高；化学稳定性要高；材料组织要均匀，要有韧性，便于加工成丝；复现性好，便于成批生产，而且在应用上也可保证良好的互换性。第二十一页，共61页。3.5温度检测及仪表热电偶名称代号分度号热电极材料测温范围/℃新旧正热电极负热电极长期使用短期使用铂铑30-铂铑6铂铑10-铂镍铬-镍硅镍铬-铜镍铁-铜镍铜-铜镍WRRWRPWRNWREWRFWRCBSKEJTLL-2LB-3EU-2--CK铂铑30合金铂铑10合金镍铬合金镍铬合金铁铜铂铑6合金纯铂镍硅合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金300～1600-20～1300-50～1000-40～800-40～700-400～300180016001200900750350表

工业用热电偶第二十二页，共61页。3.5温度检测及仪表（4）热电偶的结构①普通型热电偶图3-61热电偶的结构热电极绝缘管保护套管接线盒②铠装热电偶

由金属套管、绝缘材料（氧化镁粉）、热电偶丝一起经过复合拉伸成型，然后将端部偶丝焊接成光滑球状结构。优点反应速度快、使用方便、可弯曲、气密性好、不怕振、耐高压等。第二十三页，共61页。3.5温度检测及仪表③表面型热电偶

专门用来测量物体表面温度的一种特殊热电偶。优点反应速度极快、热惯性极小。

④快速热电偶

测量高温熔融物体一种专用热电偶。

热电偶的结构形式可根据它的用途和安装位置来确定。在热电偶选型时，要注意三个方面：热电极的材料；保护套管的结构，材料及耐压强度；保护套管的插入深度。第二十四页，共61页。3.5温度检测及仪表

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。2.补偿导线的选用图3-62补偿导线接线图

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。第二十五页，共61页。3.5温度检测及仪表在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。热电偶名称补偿导线工作端为100℃，冷端为0℃时的标准热电势/mV正极负极材料颜色材料颜色铂铑10-铂镍铬-镍硅（镍铝）镍铬-铜镍铜-铜镍铜铜镍铬铜红红红红铜镍铜镍铜镍铜镍绿蓝棕白0.645±0.0374.095±0.1056.317±0.1704.277±0.047表3-10常用热电偶的补偿导线第二十六页，共61页。3.5温度检测及仪表

在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为0℃，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5种方法。3.冷端温度的补偿第二十七页，共61页。3.5温度检测及仪表（1）冷端温度保持为0℃的方法图3-63

热电偶冷端温度保持0℃的方法（2）冷端温度修正方法

在实际生产中，冷端温度往往不是0℃，而是某一温度t1，这就引起测量误差。因此，必须对冷端温度进行修正。热电偶的冷端补偿方法第二十八页，共61页。3.5温度检测及仪表某一设备的实际温度为t，其冷端温度为t1，这时测得的热电势为E（t，t1）。为求得实际t的温度，可利用下式进行修正，即因为由此可知，冷端温度的修正方法是把测得的热电势E（t，t1），加上热端为室温t１，冷端为0℃时的热电偶的热电势E（t1，0），才能得到实际温度下的热电势E（t，0）。第二十九页，共61页。3.5温度检测及仪表例6用镍铬-铜镍热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势E（t，t1）＝66982μV，而自由端的温度t1＝30℃，求被测的实际温度。解

由附录三可以查得

则再查附录三可以查得68783μV对应的温度为900℃。第三十页，共61页。3.5温度检测及仪表

由于热电偶所产生的热电势与温度之间的关系都是非线性的（当然各种热电偶的非线性程度不同），因此在自由端的温度不为零时，将所测得热电势对应的温度值加上自由端的温度，并不等于实际的被测温度。譬如在上例中，测得的热电势为66982μV，由附录三可查得对应温度为876.6℃，如果再加上自由端温度30℃，则为906.6℃，这与实际被测温度有一定误差。其实际热电势与温度之间的非线性程度越严重，则误差就越大。第三十一页，共61页。3.5温度检测及仪表（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。注意：只能在测温要求不太高的场合下应用。（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。

第三十二页，共61页。3.5温度检测及仪表

由于电桥是在20℃时平衡的，所以采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到20℃处。

如果补偿电桥是在0℃时平衡设计的（DDZ-Ⅱ型温度变送器中的补偿电桥），则仪表零位应调在0℃处。注意！图3-64具有补偿电桥的热电偶测温线路第三十三页，共61页。3.5温度检测及仪表（5）补偿热电偶法

图3-65补偿热电偶连接线路

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。第三十四页，共61页。3.5温度检测及仪表三、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（感温元件），显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）以及连接导线所组成。图3-66热电阻温度计第三十五页，共61页。3.5温度检测及仪表

对于呈线性特性的电阻来说，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。1.测温原理

利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性（电阻温度效应）来进行温度测量的。

第三十六页，共61页。3.5温度检测及仪表2.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。第三十七页，共61页。3.5温度检测及仪表（1）铂电阻

在0～650℃的温度范围内，铂电阻与温度的关系为

工业上常用的铂电阻有两种，一种是R0＝10Ω，对应分度号为Pt10。另一种是R0＝100Ω，对应分度号为Pt100。（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。

工业上常用的铂电阻有两种，一种是R0＝50Ω，对应的分度号为Cu10。另一种是R0＝100Ω，对应的分度号为Cu100。第三十八页，共61页。3.5温度检测及仪表３.热电阻的结构（1）普通型热电阻

主要由电阻体、保护套管和接线盒等主要部件所组成。图3-65热电阻的支架形状(已绕电阻丝)（2）铠装热电阻

将电阻体预先拉制成型并与绝缘材料和保护套管连成一体。

（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。第三十九页，共61页。3.5温度检测及仪表四、光纤温度传感器

采用光纤作为敏感元件或能量传输介质。1.组成：光发送器、光源、光纤（含敏感元件）、光接收器、信号处理系统和各种连接件等部分。2.分类：（1）接触型和非接触型（2）功能型和非功能型（传光型）

功能型：利用光纤的各种特性，由光纤本身感受被测量的变化，光纤即是传输介质，又是敏感元件；

光的强度、偏振态、频率和相位

非功能型：由其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光信号的传输介质。图3-68光纤传感器原理图第四十页，共61页。3.5温度检测及仪表实用化的非功能光纤传感器：

1.液晶光纤测温2.荧光光纤测温3.半导体光纤测温4.光纤辐射测温第四十一页，共61页。3.5温度检测及仪表五、电动温度变送器

DBW型温度（温差）变送器是DDZ-Ⅲ系列电动单元组合式检测调节仪表中的一个主要单元。

它既可与各种类型的热电偶、热电阻配套使用，又可与具有毫伏输出的各种变送器配合，然后，它和显示单元、控制单元配合，实现对温度或温差及其他各种参数进行显示、控制。第四十二页，共61页。3.5温度检测及仪表温度变送器有三种类型：

热电偶温度变送器；

热电阻温度变送器；

直流毫伏变送器。

第四十三页，共61页。3.5温度检测及仪表六、一体化温度变送器

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3-73一体化温度变送器结构框图结构测温元件和变送器模块常用的变送器芯片：AD693、XTR101、XTR103、IXR100等变送器模块的正常工作温度-20～+80℃第四十四页，共61页。3.5温度检测及仪表七、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。第四十五页，共61页。3.5温度检测及仪表1.TT302温度变送器的硬件构成输入板主电路板液晶显示器图3-72TT302温度变送器硬件构成原理框图2.TT302温度变送器的软件构成系统程序，功能模块第四十六页，共61页。3.5温度检测及仪表八、测温仪表的选用与安装1.温度测量仪表的选用（1）就地温度仪表的选择

①精确度等级 ②测量范围③双金属温度计在满足测量范围、工作压力和精确度的要求时，应被优先选用于就地显示。④压力式温度计适用于-80℃以下低温、无法近距离观察、有振动及精确度要求不高的就地或就地盘显示。⑤玻璃温度计仅用于测量精确度较高、振动较小、无机械损伤、观察方便的特殊场合。不得使用玻璃水银温度计。第四十七页，共61页。3.5温度检测及仪表（2）温度检测元件的选用①根据温度测量范围，参照表3-12选用相应分度号的热电偶、热电阻或热敏热电阻。②铠装式热电偶适用于一般场合；铠装式热电阻适用于无振动场合；热敏热电阻适用于测量反应速度快的场合。（3）在特殊场合适用的热电偶、热电阻：

第四十八页，共61页。3.5温度检测及仪表2.测温元件的安装（1）测温元件的安装要求

①在测量管道温度时，应保证测温元件与流体充分接触，以减少测量误差。见图3-76。②测温元件的感温点应处于管道中流速最大处。③测温元件应有足够的插入深度，以减小测量误差。见图3-77。图3-76测温元件安装示意图之一图3-77测温元件安装示意图之二第四十九页，共61页。3.5温度检测及仪表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3-78所示。⑤热电偶、热电阻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3-79所示。⑥为了防止热量散失，测温元件应插在有保温层的管道或设备处。⑦测温元件安装在负压管道中时，必须保证其密封性，以防外界冷空气进入，使读数降低。图3-78小工艺管道上测温元件安装示意图图3-79热电偶或热电阻安装示意图第五十页，共61页。3.5温度检测及仪表（2）布线要求①按照规定的型号配用热电偶的补偿导线，注意热电偶的正、负极与补偿导线的正、负极相连接，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为了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。禁止与交流输电线合用一根穿线管，以免引起感应。⑤导线应尽量避开交流动力电线。

⑥补偿导线不应有中间接头，否则应加装接线盒。另外，最好与其他导线分开敷设。第五十一页，共61页。3.6现代检测技术与传感器的发展一、软测量技术的发展解决工业过程的测量要求的两条途径：

沿袭传统的检测技术发展思路，通过研制新型的过程测量仪表，以硬件形式实现过程参数的直接在线测量；采用间接测量的思路，利用易于获取的其他测量信息，通过计算来实现被检测量的估计。第五十二页，共61页。3.6现代检测技术与传感器的发展定义：

依据易测过程变量与难以直接测量的待测过程变量之间的数学关系，通过各种数学计算和估计方法，实现对待测过程变量的测量。

分类：

机理建模、回归分析、状态估计、模式识别、人