11 溫度檢測(cè)及儀表

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《化工儀表及過(guò)程控制》

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可再生能源學(xué)院

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授課教師：朱紅路

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第三章檢測(cè)儀表與傳感器

溫度檢測(cè)及儀表

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內(nèi)容提要

?概述

–測(cè)溫儀表的分類

–溫度檢測(cè)的基本原理

?熱電偶溫度計(jì)

–熱電偶

–補(bǔ)償導(dǎo)線與冷端溫度補(bǔ)償

?熱電阻溫度計(jì)

–測(cè)溫原理

–常用熱電阻

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?溫度變送器

–電動(dòng)溫度變送器

–一體化溫度變送器

–智能式溫度變送器

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一、測(cè)溫檢測(cè)方法

溫度不能直接測(cè)量，只能借助于冷熱不同物體之間的熱交換，以及物體的某些物理性質(zhì)隨冷熱程度不同而變化的特性來(lái)加以間接測(cè)量。

分類

按測(cè)量方式

接觸式與非接觸式

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測(cè)溫方式

種類

優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

接

觸

式

測(cè)

溫

儀

表

玻璃液體溫度計(jì)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量準(zhǔn)確、價(jià)格低廉

容易破損、讀數(shù)麻煩、一般只能現(xiàn)場(chǎng)指示,不能記錄與遠(yuǎn)傳

雙金屬溫度計(jì)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度大、價(jià)格低、能記錄、報(bào)警與自控

精度低、不能離開(kāi)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量,量程與使用范圍均有限

壓力式溫度計(jì)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不怕震動(dòng)、具有防爆性、價(jià)格低廉、能記錄、報(bào)警與自控

精度低、測(cè)量距離較遠(yuǎn)時(shí),儀表的滯后性較大、一般離開(kāi)測(cè)量點(diǎn)不超過(guò)10米

電阻溫度計(jì)

測(cè)量精度高,便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中測(cè)量和自動(dòng)控制

結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不能測(cè)量高溫,由于體積大,測(cè)點(diǎn)溫度較困難

熱電偶溫度計(jì)

測(cè)溫范圍廣,精度高,便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中測(cè)量和自動(dòng)控制

需冷端溫度補(bǔ)償,在低溫段測(cè)量精度較低

非接

觸式

測(cè)溫

儀表

光學(xué)高溫計(jì)

攜帶用、可測(cè)量高溫、測(cè)溫時(shí)不破壞被測(cè)物體溫度場(chǎng)

測(cè)量時(shí),必須經(jīng)過(guò)人工調(diào)整,有人為誤差

,不能作遠(yuǎn)距離測(cè)量,記錄和自控

輻射高溫計(jì)

測(cè)溫元件不破壞被測(cè)物體溫度場(chǎng),能作遠(yuǎn)距離測(cè)量、報(bào)警和自控、測(cè)溫范圍廣

只能測(cè)高溫,低溫段測(cè)量不準(zhǔn),環(huán)境條件會(huì)影響測(cè)量精度,連續(xù)測(cè)高溫時(shí)須作水冷卻或氣冷卻

各種溫度計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍

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1.膨脹式溫度計(jì)

利用液體或固體受熱時(shí)產(chǎn)生熱膨脹的原理,可以制成膨脹式溫度計(jì)。

?液體膨脹式(玻璃管溫度計(jì))：

應(yīng)用液體膨脹測(cè)量溫度常用的有水銀玻璃溫度計(jì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但結(jié)構(gòu)脆弱易損壞。

?固體膨脹式(雙金屬溫度計(jì))：

應(yīng)用固體受熱膨脹測(cè)量溫度的方法一般是利用兩片線膨脹系數(shù)不同的金屬片疊焊在一起，構(gòu)成雙金屬溫度計(jì)。

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水銀溫度計(jì)—液體膨脹式溫度計(jì)

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雙金屬片

雙金屬溫度信號(hào)器

1—雙金屬片；2—調(diào)節(jié)螺釘；3—絕緣子；4—信號(hào)燈

雙金屬溫度計(jì)

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2.應(yīng)用壓力隨溫度變化的原理測(cè)溫

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3.應(yīng)用熱輻射原理測(cè)溫

任何物體，其溫度超過(guò)絕對(duì)零度，都會(huì)以電磁波的形式向周圍輻射能量。這種電磁波是由物體內(nèi)部帶電粒子在分子和原子內(nèi)振動(dòng)產(chǎn)生的，其中與物體本身溫度有關(guān)傳播熱能的那部分輻射，稱為熱輻射。而把能對(duì)被測(cè)物體熱輻射能量進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而確定被測(cè)物體溫度的儀表，通稱為輻射式溫度計(jì)。輻射式溫度計(jì)的感溫元件不需和被測(cè)物體或被測(cè)介質(zhì)直接接觸，所以其感溫元件不需達(dá)到被測(cè)物體的溫度，從而不會(huì)受被測(cè)物體的高溫及介質(zhì)腐蝕等影響；它可以測(cè)量高達(dá)攝氏幾千度的高溫。而感溫元件不會(huì)破壞被測(cè)物體原來(lái)的溫度場(chǎng)；可以方便地用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度是此類儀表的突出優(yōu)點(diǎn)。

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1.熱電偶的組成

ABCC熱電偶

測(cè)量?jī)x表

導(dǎo)線

感溫元件為熱電偶

熱端

冷端

熱端

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(1)熱電現(xiàn)象及測(cè)溫原理

AB1eAB(t0)

21ABB2t0

t0

eAB(t)

取兩根不同材料的金屬導(dǎo)線A和B,如上圖將兩端焊在一起，這樣就組成了一個(gè)閉合回路。將接點(diǎn)1處加熱，使其溫度t高于接點(diǎn)2處的溫度t0，那么在此回路中就有電勢(shì)產(chǎn)生，如果將金屬B斷開(kāi)，在回路中串聯(lián)一只直流毫伏計(jì)，如上圖右，就可看到毫伏計(jì)中有電勢(shì)指示，這就是熱電現(xiàn)象。

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–不同金屬具有不同的電子密度；

–電子在擴(kuò)散作用和電場(chǎng)力作用下最終達(dá)到平衡；

–兩種金屬接觸面因?yàn)殡娮拥臄U(kuò)散作用而產(chǎn)生電場(chǎng)—熱電現(xiàn)象；

–電場(chǎng)強(qiáng)度僅僅與金屬A、B的材料及接觸面溫度t有關(guān),溫度越高，電子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度越劇烈，形成的熱電勢(shì)越大。

擴(kuò)散作用

電場(chǎng)作用

金屬A金屬B熱電勢(shì)（eAB)金屬A金屬B++--平衡時(shí)

eABClicktoeditMastertitlestyle14華北電力大學(xué)

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測(cè)量原理

E(t、t0)=eAB(t)-eAB(t0)(3-64)

R1等效電路圖

R1----熱偶絲A的等效電阻

R2----熱偶絲B的等效電阻

eAB(t)---1點(diǎn)的熱電勢(shì)

eAB(t0)---2點(diǎn)的熱電勢(shì)

21eAB(t0)

AB++-

eAB(t)+-+-R2

eAB(t)eAB(t0)ClicktoeditMastertitlestyle15華北電力大學(xué)

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(3)常用熱電偶的種類

工業(yè)上對(duì)熱電極材料的要求

在測(cè)溫范圍內(nèi)其熱電性質(zhì)要穩(wěn)定,不隨時(shí)間變化;

在測(cè)溫范圍內(nèi)要有足夠物理、化學(xué)穩(wěn)定性,不易被氧化或腐蝕;

電阻溫度系數(shù)要小,電導(dǎo)率要高,組成熱電偶后產(chǎn)生的熱電勢(shì)要大,其值與溫度成線性關(guān)系或有簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系;復(fù)現(xiàn)性要好,這樣便于成批生產(chǎn),而且在應(yīng)用上也可保證良好的互換性;材料組織均勻、要有韌性,便于加工成絲。

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熱電偶名稱

代號(hào)

分度號(hào)

熱電極材料

測(cè)溫范圍/℃

新

舊

正熱電極

負(fù)熱電極

長(zhǎng)期使用

短期使用

鉑銠30-鉑銠6鉑銠10-鉑

鎳鉻-鎳硅

鎳鉻-銅鎳

鐵-銅鎳

銅-銅鎳

WRRWRPWRNWREWRFWRCBSKEJTLL-2LB-3EU-2--CK鉑銠30合金

鉑銠10合金

鎳鉻合金

鎳鉻合金

鐵

銅

鉑銠6合金

純鉑

鎳硅合金

銅鎳合金

銅鎳合金

銅鎳合金

300～1600-20～1300-50～1000-40～800-40～700-400～300180016001200900750350常用熱電偶

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關(guān)于分度表：

例1：熱電偶分度表的用法？例如：查表求E型E（1023，0）

E（1020，0）=9.816E（1023，0）=？E（1030，0）=9.93210201023103010201030816.9932.910201023816.9)0,1023(E?????E（1023，0）=9.8508mV解:ClicktoeditMastertitlestyle18華北電力大學(xué)

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(4)熱電偶的構(gòu)造及結(jié)構(gòu)形式

熱電偶的結(jié)構(gòu)

?熱電極

?絕緣管

?保護(hù)套管

?接線盒

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采用一種專用導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸出來(lái)，這既能保證熱電偶冷端溫度保持不變，又經(jīng)濟(jì)。

它也是由兩種不同性質(zhì)的金屬材料制成，在一定溫度范圍內(nèi)（0～100℃）與所連接的熱電偶具有相同的熱電特性，其材料又是廉價(jià)金屬。見(jiàn)左圖。

補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖

(2)插入第三種導(dǎo)線的問(wèn)題

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利用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，必須要用某些儀表來(lái)測(cè)量熱電勢(shì)的數(shù)值，見(jiàn)下圖。

??????00teteteECABCABt???總的熱電勢(shì)

（3-69）

????????????0000000teteteteteteCABCABCABCAB??????能量守恒原理

（3-70）

????0teteEABABt??（3-71）

將式（3-70）代入式（3-65）

熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)連接圖

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說(shuō)明：在熱電偶回路中接入第三種金屬導(dǎo)線對(duì)原熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)數(shù)值并無(wú)影響。不過(guò)必須保證引入線兩端的溫度相同。

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????????110ABBCCBBAEetetetet????則上圖(a)所示回路的總熱電勢(shì)為

(3-65)????????11110ABBCCBBAEetetetet?????如果假定各接點(diǎn)溫度全為t1，代入式(3-65)，則有

第二種分析方法：

????0000()()ABBABCCBetetetet???因?yàn)?/p>

????0teteEABAB??帶入3-65(3-68)ClicktoeditMastertitlestyle23華北電力大學(xué)

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在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，要注意型號(hào)相配。

熱電偶名稱

補(bǔ)償導(dǎo)線

工作端為100℃，冷端為0℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì)mV正極

負(fù)極

鉑銠10-鉑

鎳鉻-鎳硅

鎳鉻-銅鎳

銅

銅

鎳鉻

銅鎳

銅鎳

銅鎳

0.64±0.034.10±0.156.95±0.30常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線

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注意

使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí),應(yīng)當(dāng)注意補(bǔ)償導(dǎo)線的正、負(fù)極必須與熱電偶的正、負(fù)極各端對(duì)應(yīng)相接。

此外,正、負(fù)兩極的接點(diǎn)溫度t1應(yīng)保持相同,延伸后的冷端溫度

t0應(yīng)比較恒定且比較低。

其本身材料作補(bǔ)償導(dǎo)線,將冷端延伸到環(huán)境溫度較恒定的地方。

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3.冷端溫度的補(bǔ)償

在應(yīng)用熱電偶測(cè)溫時(shí)，只有將冷端溫度保持為０℃，或者是進(jìn)行一定的修正才能得出準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。這樣做，就稱為熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償。一般采用下述幾種方法。

圖5-12

熱電偶冷端溫度保持０℃的方法

（1）熱電勢(shì)的修正方法

在實(shí)際生產(chǎn)中，冷端溫度往往不是0℃，而是某一溫度t0，這就引起測(cè)量誤差。因此，必須對(duì)冷端溫度進(jìn)行修正。

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??????0,0,,00tEtEttEABABAB??實(shí)際生產(chǎn)中，其冷端溫度為t0，即有

??????0,,0,00tEttEtEABABAB??或

由此可知，熱電勢(shì)的修正方法是把測(cè)得的熱電勢(shì)

EAB（t，t0），加上熱端為室溫t0，冷端為0℃時(shí)的熱電偶的熱電勢(shì)EAB（t0，0），才能得到實(shí)際溫度下的熱電勢(shì)EAB（t，0）。

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例2今用一只鎳鉻-鎳硅熱電偶,測(cè)量小氮肥廠中轉(zhuǎn)化爐的溫度,已知熱電偶工作端溫度為800℃,自由端(冷端)溫度為30℃,求熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)

E(800,30)。(溫度是已知的)

解：由附錄三可以查得

E(800,0)=33.277(mV)

E(30,0)=1.203(mV)

將上述數(shù)據(jù)代入式(5-3),即得E(800,30)=E(800,0)-E(30,0)=32.074(mV)ClicktoeditMastertitlestyle28華北電力大學(xué)

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例3某支鉑銠10-鉑熱電偶在工作時(shí)，自由端溫度t0=30℃,測(cè)得熱電勢(shì)E(t,t0)=14.195mV，求被測(cè)介質(zhì)的實(shí)際溫度。

（也就是求E(t,0)，再查表求實(shí)際溫度）

解:由附錄一可以查得

E(30,0)=0.173(mV)代入式(5-3)變換得

E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=0.173+14.195=14.368(mV)再由附錄一可以查得14.368mV對(duì)應(yīng)的溫度t為1400℃。

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（2）校正儀表零點(diǎn)法

若采用測(cè)溫元件為熱電偶時(shí)，要使測(cè)溫時(shí)指示值不偏低，可預(yù)先將儀表指針調(diào)整到相當(dāng)于室溫的數(shù)值上。

注意：

只能在測(cè)溫要求不太高的場(chǎng)合下應(yīng)用。

（3）補(bǔ)償電橋法

利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)，來(lái)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值。

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由于電橋是在20℃時(shí)平衡的，此時(shí)對(duì)儀表的讀書(shū)無(wú)影響。環(huán)境溫度高于20℃，熱電偶因冷端溫度上升，熱電勢(shì)減弱，熱敏電阻阻值增大，電橋不平衡電壓將會(huì)補(bǔ)償熱電勢(shì)的損失。

注意！

具有補(bǔ)償電橋的熱電偶測(cè)溫線路

??????0,0,,00tEtEttEABABAB??ClicktoeditMastertitlestyle31華北電力大學(xué)

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三、熱電阻溫度計(jì)

????001ttRRt????

對(duì)于線性變化的熱電阻來(lái)說(shuō)，其電阻值與溫度關(guān)系如下式

tRRtt???0?

熱電阻溫度計(jì)適用于測(cè)量-200～+500℃范圍內(nèi)液體、氣體、蒸汽及固體表面的溫度。

1.測(cè)溫原理

利用熱電阻的電阻值隨溫度變化而變化的特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。

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2.工業(yè)常用熱電阻

作為熱電阻的材料一般要求是：

?

電阻溫度系數(shù)、電阻率要大；

?

熱容量要小；

?

在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)和良好的復(fù)制性；

?

電阻值隨溫度的變化關(guān)系，最好呈線性；

?

價(jià)格便宜。

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(1)鉑電阻

金屬鉑容易提純,在氧化性介質(zhì)中具有很高的物理化學(xué)穩(wěn)定性,有良好的復(fù)制性。但價(jià)格較貴。

要確定Rt～t的關(guān)系,首先要確定R0的大小。R0不同,Rt～t的關(guān)系也不同。這種Rt～t的關(guān)系稱為分度表,用分度號(hào)來(lái)表示。

工業(yè)上使用的鉑電阻主要有分度號(hào)為Pt100,它的R0

=100Ω,其分度表見(jiàn)附錄五。

在0～630.7