化工DCS温度检测-常用测温仪表

课程：化工DCS识用与操作知识点：热电偶温度计项目五：温度检测化工生产过程中温度参数检测化工生产四大参数压力P流量F物位L温度T如何检测呢？生活中我们如何测温化工生产中各种反应器、换热器、加热炉都需要对温度进行检测和控制，我们如何实现呢？化工生产中如何测温内容提要热电偶温度计热电偶热电现象及测温原理插入第三种导线的问题常用热电偶的种类热电偶的构造及结构形式补偿导线与冷端温度补偿补偿导线冷端温度的变化对测量的影响及消除方法1

热电偶温度计一、热电偶7热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。图3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4热电偶示意图图5热电偶实物图81.热电现象及测温原理

图6热电现象图7接触电势形成的过程热电偶温度计直流毫伏计有电势指示两种金属接触，自由电子从A扩散到B1、热电现象及测温原理

热端测量端冷端参比端两种不同导体（或半导体）连接成闭合回路时，若两个结点温度不同，则回路中将产生热电势。这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。

热电偶温度计热电效应（热电现象）将不同材料的金属导线A、B两端分别焊接在一起，形成闭合回路，如将其一端加热，使其一端的温度高于另一端，则在这个闭合回路中就产生了热电势，这个现象就称为热电效应。注意

由于热电极的材料不同,所产生的接触热电势亦不同,因此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。热电偶一般都是在自由端温度为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)

9热电偶温度计学习如何使用分度表来查找热电势举例今用一只镍铬-镍硅热电偶,测量小氮肥厂中转化炉的温度,已知热电偶工作端温度为800℃,自由端(冷端)温度为30℃,求热电偶产生的热电势E(800,30)。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)10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)=14.195mV，求被测介质的实际温度。解:由附录一可以查得

E(30,0)=0.173(mV)代入式(5-3)变换得

E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=0.173+14.195=14.368(mV)再由附录一可以查得14.368mV对应的温度t为1400℃。11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。

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热电偶温度计132.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。

总的热电势（5-4）能量守恒原理（5-5）（5-6）将式（5-5）5代入式（5-4）图8热电偶测温系统连接图热电偶温度计说明：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。

14热电偶温度计163.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。

热电偶温度计17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2常用热电偶热电偶温度计184.热电偶的构造及结构形式

图9热电偶的结构热电极绝缘管保护套管接线盒热电偶温度计19

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10补偿导线接线图热电偶温度计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正极负极铂铑10-铂镍铬-镍硅镍铬-铜镍铜铜镍铬铜镍铜镍铜镍0.64±0.034.10±0.156.95±0.30表3常用热电偶的补偿导线22

热电偶温度计注意

使用补偿导线时,应当注意补偿导线的正、负极必须与热电偶的正、负极各端对应相接。此外,正、负两极的接点温度t1应保持相同,延伸后的冷端温度t0应比较恒定且比较低。对于镍铬-铜镍等一类用廉价金属制成的热电偶,则可用其本身材料作补偿导线,将冷端延伸到环境温度较恒定的地方。23

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。一般采用下述几种方法。图11

热电偶冷端温度保持０℃的方法（1）冷端温度的修正方法

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

热电偶温度计实际生产中，其冷端温度为t0，即有

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）。25

热电偶温度计举例用铂铑10-铂热电偶进行温度检测,热电偶的冷端温度t0=30℃，显示仪表的温度读数(假定此仪表是不带冷端温度自动补偿且是以温度刻度的)为985℃，试求被测温度的实际值。

26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。

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。注意：只能在测温要求不太高的场合下应用。（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。

27热电偶温度计

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12具有补偿电桥的热电偶测温线路28热电偶温度计29（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14补偿热电偶连接线路

热电偶温度计例题分析举例3.用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度,在没有采取冷端温度补偿的情况下,显示仪表指示值为500℃,而这时冷端温度为60℃,试问实际温度应为多少?如果热端温度不变,设法使冷端温度保持在20℃,此时显示仪表的指示值应为多少?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)

41

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。42例题分析4.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15炉子温度测量43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。44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E

max=2E(1000,0℃)-E(100,0℃)-E(30,0℃)=2×9.585-0.645-0.173=18.352(mV)45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。46例题分析5.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℃。47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。48例题分析6.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℃)。49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,错接入K分度号热电偶,问指示值偏高还是偏低?(偏高)。

(4)铂铑10-铂热电偶,错接入铜-铜镍补偿导线(铂铑10与铜相接,铂与铜镍相接),问指示值将偏高还是偏低?(偏高)。

(5)当热电偶补偿导线极性接错时,指示值偏高还是偏低?(偏低)。50例题分析(6)当热电偶短路、断路及极性接反时,与之配套的自动电子电位差计的指针各指向哪里?(室温或指示值偏低、断偶前的温度、始端)。

(7)当热电阻短路或断路时,与之配套的动圈仪表指针将指向哪里?(始端、终端)。

(8)当用热电阻测温时,若不采用三线制接法,而连接热电阻的导线因环境温度升高而增加时,其指示值将偏高还是偏低?(偏高)。51例题分析课程：化工DCS识用与操作知识点：电阻温度计项目五：温度检测测温方式种类优点缺点使用范围／℃接触式测温仪表玻璃液体温度计结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉容易破损、读数麻烦、一般只能现场指示,不能记录与远传-100～100（150）有机液体0～350（-30～650）水银双金属温度计结构简单、机械强度大、价格低、能记录、报警与自控

精度低、不能离开测量点测量,量程与使用范围均有限

0～300（-50～600）压力式温度计结构简单、不怕震动、具有防爆性、价格低廉、能记录、报警与自控精度低、测量距离较远时,仪表的滞后性较大、一般离开测量点不超过10米0～500（-50～600）液体型0～100（-50～200）蒸汽型电阻温度计测量精度高,便于远距离、多点、集中测量和自动控制

结构复杂、不能测量高温,由于体积大,测点温度较困难

-150～500（-200～600）铂电阻0～100（-50～150）铜电阻-50～150（180）镍电阻-100～200（300）热敏电阻热电偶温度计测温范围广,精度高,便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿,在低温段测量精度较低

-20～1300（1600）铂铑10-铂-50～1000（1200）镍铬-镍硅-40～800（900）镍铬-铜镍-40～300（350）铜-铜镍非接触式测温仪表光学高温计携带用、可测量高温、测温时不破坏被测物体温度场

测量时,必须经过人工调整,有人为误差,不能作远距离测量,记录和自控900～2000（700～2000）辐射高温计测温元件不破坏被测物体温度场,能作远距离测量、报警和自控、测温范围广只能测高温,低温段测量不准,环境条件会影响测量精度,连续测高温时须作水冷却或气冷却100～2000（50～2000）表1各种温度计的优缺点及使用范围内容提要热电阻温度计测温原理结构常用热电阻 1

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。

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。

二、结构热电阻温度计是由热电阻，显示仪表以及连接导线所组成。

热电阻的结构型式工业热电阻铠装热电阻图1热电阻的结构三、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。

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=100Ω,其分度表见附录四。图2铂电阻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＝50Ω，对应的分度号为Cu50。另一种是R0＝100Ω，对应的分度号为Cu100。图3铜电阻课程：化工DCS识用与操作知识点：温度计的选用和安装项目五：温度检测一、温度计的选用1、温度计的选择原则 (1)所需测量温度的范围和精度要求； (2)所需温度计是否便于读数、记录和远传； (3)感温元件的尺寸是否适合测量现场要求； (4)对变化的被测温度，所选温度计感温元件的动态性能是否满足测温要求；(5)所选温度计在测温时是否安全、可靠、使用方便；(6)所选温度计使用寿命长短、价格高低。

测温方式种类优点缺点使用范围／℃接触式测温仪表玻璃液体温度计结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉容易破损、读数麻烦、一般只能现场指示,不能记录与远传-100～100（150）有机液体0～350（-30～650）水银双金属温度计结构简单、机械强度大、价格低、能记录、报警与自控

精度低、不能离开测量点测量,量程与使用范围均有限

0～300（-50～600）压力式温度计结构简单、不怕震动、具有防爆性、价格低廉、能记录、报警与自控精度低、测量距离较远时,仪表的滞后性较大、一般离开测量点不超过10米0～500（-50～600）液体型0～100（-50～200）蒸汽型电阻温度计测量精度高,便于远距离、多点、集中测量和自动控制

结构复杂、不能测量高温,由于体积大,测点温度较困难

-150～500（-200～600）铂电阻0～100（-50～150）铜电阻-50～150（180）镍电阻-100～200（300）热敏电阻热电偶温度计测温范围广,精度高,便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿,在低温段测量精度较低

-20～1300（1600）铂铑10-铂-50～1000（1200）镍铬-镍硅-40～800（900）镍铬-铜镍-40～300（350）铜-铜镍非接触式测温仪表光学高温计携带用、可测量高温、测温时不破坏被测物体温度场

测量时,必须经过人工调整,有人为误差,不能作远