遼寧石油化工大學(xué)化工自動化及儀表第5章 溫度檢測及儀表

第5章溫度檢測及儀表

5.1

溫度檢測方法及溫標

5.2常用溫度檢測儀表5.3溫度檢測儀表的選用及安裝

5.1溫度檢測方法及溫標

在石油化工生產(chǎn)過程中，溫度是普遍存在又十分重要的參數(shù)。溫度的測量是保證生產(chǎn)正常進行，確保產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

5.1.1溫度及溫度檢測方法

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是物體分子運動平均動能大小的標志。溫度不能直接加以測量，只能借助于冷熱不同的物體之間的熱交換,或物體的某些物理性質(zhì)隨著冷熱程度不同而變化的特性間接測量。根據(jù)測溫元件與被測物體接觸與否，溫度測量可以分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。

1.接觸式測溫

接觸式測溫選擇合適的物體作為溫度敏感元件，其某一物理性質(zhì)隨溫度而變化的特性為已知，通過溫度敏感元件與被測對象的熱交換，測量相關(guān)的物理量，即可確定被測對象的溫度。

2.非接觸式測溫

應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理進行測溫。物體輻射能量的大小與溫度有關(guān)，當(dāng)選擇合適的接收檢測裝置時，便可測得被測對象發(fā)出的熱輻射能量并且轉(zhuǎn)換成可測量和顯示的各種信號，實現(xiàn)溫度的測量。

表5-1常見測溫儀表及性能5.1.2溫標

為了保證溫度量值的統(tǒng)一和準確而建立的衡量溫度的標尺，稱為溫標。溫標即為溫度的數(shù)值表示法，它定量地描述溫度的高低，規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點（零點）和基本單位。各種溫度計的刻度數(shù)值均由溫標確定。

1.經(jīng)驗溫標

借助于某種物質(zhì)的物理量與溫度變化的關(guān)系，用實驗方法或經(jīng)驗公式所確定的溫標，稱為經(jīng)驗溫標。它主要指攝氏溫標和華氏溫標，這兩種溫標都是根據(jù)液體（水銀）受熱后體積膨脹的性質(zhì)建立起來的。

（1）攝氏溫標規(guī)定標準大氣壓下，純水的冰點為零度，沸點為100度，兩者之間分成100等份，每一份為1攝氏度，用表示，符號為℃。它是中國目前工業(yè)測量上通用的溫度標尺。

（2）華氏溫標

規(guī)定標準大氣壓下，純水的冰點為32度，沸點為212度，兩者之間分成180等份，每一份為1華氏度，符號為℉。目前，只有美國、英國等少數(shù)國家仍保留華氏溫標為法定計量單位。

由攝氏和華氏溫標的定義，可得攝氏溫度與華氏溫度的關(guān)系為：

（5-1）經(jīng)驗溫標是根據(jù)液體（如水銀）在玻璃管內(nèi)受熱后體積膨脹這一性質(zhì)建立起來的，其溫度數(shù)值會依附于所用測溫物質(zhì)的性質(zhì)，如水銀的純度和玻璃管材質(zhì)，因而不能保證世界各國測量值的一致性。

2.熱力學(xué)溫標熱力學(xué)溫標又稱開爾文溫標。開爾文溫標的單位為開爾文，符號為K，用T表示。規(guī)定水的三相點溫度為273.16K，1開爾文為1/273.16。有一個絕對0K，低于0K的溫度不可能存在。它是以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的一種理論溫標，其特點是不與某一特定的溫度計相聯(lián)系，并與測溫物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)，是由卡諾定理推導(dǎo)出來的，是最理想的溫標。但由于卡諾循環(huán)是無法實現(xiàn)的，所以熱力學(xué)溫標是一種理想的純理論溫標，無法真正實現(xiàn)。3.國際實用溫標

國際實用溫標又稱為國際溫標，是一個國際協(xié)議性溫標。它是一種即符合熱力學(xué)溫標又使用方便、容易實現(xiàn)的溫標。它選擇了一些純物質(zhì)的平衡態(tài)溫度（可復(fù)現(xiàn)）作為基準點，規(guī)定了不同溫度范圍內(nèi)的標準儀器，建立了標準儀器的示值與國際溫標關(guān)系的標準內(nèi)插公式，應(yīng)用這些公式可以求出任何兩個相鄰基準點溫度之間的溫度值。第一個國際實用溫標自1927年開始采用，記為ITS-27。目前國際實用溫標定義為1990年的國際溫標ITS-90。4.ITS-90國際溫標

ITS-90國際溫標中規(guī)定，熱力學(xué)溫度用表示，單位為開爾文，符號為K。它規(guī)定水的三相點熱力學(xué)溫度為273.16K，1K為1/273.16。同時使用的國際攝氏溫度用表示，單位是攝氏度，符號為℃。每一個攝氏度和每一個開爾文量值相同，它們之間的關(guān)系為：

（5-2）

實際應(yīng)用中，一般直接用和代替和。

5.2常用溫度檢測儀表

石油化工生產(chǎn)過程中的溫度檢測一般都采用接觸式測溫。常用的儀表有膨脹式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計等，又以后兩者最為常用。

5.2.1膨脹式溫度計

基于物體受熱體積膨脹的性質(zhì)而制成的溫度計稱為膨脹式溫度計。

膨脹式溫度計分為液體膨脹、氣體膨脹和固體膨脹三大類。1.玻璃液體溫度計

玻璃液體溫度計是利用液體受熱后體積隨溫度膨脹的原理制成的。玻璃溫包插入被測介質(zhì)中，被測介質(zhì)的溫度升高或降低，使感溫液體膨脹或收縮，進而沿毛細管上升或下降，由刻度標尺顯示出溫度的數(shù)值。大多數(shù)玻璃液體溫度計的液體為水銀或酒精。

玻璃液體溫度計是應(yīng)用最廣泛的一種溫度計。其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、精度高、價格低廉。2.壓力式溫度計

壓力式溫度計是根據(jù)密閉容器中的液體、氣體和低沸點液體的飽和蒸汽受熱后體積膨脹或壓力變化的原理工作的，用壓力表測量此變化，故又稱為壓力表式溫度計。按所用工作介質(zhì)不同，分為液體壓力式、氣體壓力式和蒸汽壓力式溫度計。

圖5-1壓力式溫度計結(jié)構(gòu)原理圖

1—傳動機構(gòu)；2—刻度盤；3—指針；4—彈簧管；5—連桿；6—接頭；7—毛細管；8—溫包；9—工作物質(zhì)3.雙金屬溫度計雙金屬溫度計是一種固體膨脹式溫度計，它是利用兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片來測量溫度的。其結(jié)構(gòu)簡單，可用于氣體、液體及蒸汽的溫度測量。

圖5-2雙金屬片圖5-3

雙金屬溫度信號器1—雙金屬片；2—調(diào)節(jié)螺釘；3—絕緣子；4—信號燈圖5-4徑向雙金屬溫度計

5.2.2熱電偶溫度計

熱電偶溫度計是將溫度量轉(zhuǎn)換成電勢的熱電式傳感器。

熱電偶溫度計由熱電偶、測量儀表、連接熱電偶和測量儀表的導(dǎo)線三部分組成。圖5-5熱電偶溫度計測溫系統(tǒng)1—熱電偶；2—導(dǎo)線；3—測量儀表熱電偶示意圖兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體所組成的回路稱為“熱電偶”，組成熱電偶的導(dǎo)體或半導(dǎo)體稱為“熱電極”。置于溫度為T的被測介質(zhì)中的接點稱為測量端，又稱工作端或熱端。置于參考溫度為的溫度相對固定處的另一接點稱為參考端，又稱固定端、自由端或冷端。1.熱電偶測溫原理熱電偶的基本工作原理是基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體(A，B)連接在一起構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)兩接點處溫度不同時(>)，回路中將產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，亦稱賽貝克效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動勢稱為熱電勢或賽貝克電勢。

圖5-6熱電偶原理示意圖

1-工作端；2-熱電極；3-指南針；4-參考端

熱電偶回路產(chǎn)生的熱電勢由兩部分構(gòu)成，接觸電勢和溫差電勢。

圖5-7熱電效應(yīng)示意圖

-

+-

+(a)(b)(c)接觸電勢：兩種不同導(dǎo)體接觸時產(chǎn)生的電勢。溫差電勢：在同一導(dǎo)體中，由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的電勢熱電偶回路的總熱電勢：

圖5-8熱電偶回路的總熱電勢示意圖（5-3）可以看出，熱電偶回路的總電動勢為和兩個分電動勢的代數(shù)和?？傠妱觿萦膳c有關(guān)和與有關(guān)的兩部分組成，它由電極材料和接點溫度而定。當(dāng)材質(zhì)選定后，將固定，即

（常數(shù)），則

（5-4）它只與有關(guān)，A、B選定后，回路總電動勢就只是溫度的單值函數(shù)，只要測得，即可得到溫度，這就是熱電偶測溫的基本原理。

注意：(1)如果組成熱電偶的兩電極材料相同，兩接點溫度不同，熱電偶回路不會產(chǎn)生熱電勢，即回路電動勢為零。

(2)如果組成熱電偶的兩電極材料不同，但兩接點溫度相同，熱電偶回路也不會產(chǎn)生熱電勢，即回路電動勢也為零。簡而言之，熱電偶回路產(chǎn)生熱電勢的基本條件是：兩電極材料不同，兩接點溫度不同。2.熱電偶應(yīng)用定則

1)均質(zhì)導(dǎo)體定則

兩種均質(zhì)導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶，其熱電勢大小與熱電極材料的幾何形狀、直徑、長度及沿?zé)犭姌O長度上的溫度分布無關(guān)，只與電極材料和兩端溫度差有關(guān)。

2)中間導(dǎo)體定則

在熱電偶測溫回路中接入中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，則它的接入對回路的總熱電勢值沒有影響。即回路中總的熱電勢與引入第三種導(dǎo)體無關(guān)，這就是中間導(dǎo)體定則。

26利用熱電偶測量溫度時，必須要用某些儀表來測量熱電勢的數(shù)值，見下圖。

熱電偶測溫系統(tǒng)連接圖圖（a）總的熱電勢由于圖（b）總的熱電勢故得3)中間溫度定則

圖5-9采用連接導(dǎo)體的熱電偶回路

熱電偶A、B在接點溫度為、時的電動勢，等于熱電偶A、B在接點溫度為、和、時的電動勢和的代數(shù)和。中間溫度定則為工業(yè)測溫中使用補償導(dǎo)線提供了理論基礎(chǔ)。

（5-5）3.常用工業(yè)熱電偶及其分度表

1)熱電極材料的基本要求

溫度每增加１℃時所能產(chǎn)生的熱電勢要大，而且熱電勢與溫度應(yīng)盡可能成線性關(guān)系；物理穩(wěn)定性要高；化學(xué)穩(wěn)定性要高；材料組織要均勻，要有韌性，便于加工成絲；復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，而且在應(yīng)用上也可保證良好的互換性。價格要便宜。

2)標準化熱電偶及其分度表

表5-2標準化熱電偶特性表

根據(jù)國際溫標規(guī)定，在℃（即冷端為0℃）時，用實驗的方法測出各種不同熱電極組合的熱電偶在不同的工作溫度下所產(chǎn)生的熱電勢值，列成一張張表格，就是熱電偶分度表。①℃時，所有型號熱電偶的熱電勢值均為零；溫度越高，熱電勢值越大；＜0℃時，熱電勢為負值。

②不同型號的熱電偶在相同溫度下，熱電勢值有較大的差別；在所有標準化熱電偶中，B型熱電偶熱電勢值最小，E型熱電偶為最大。③溫度與熱電勢的關(guān)系一般為非線性。

4.工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu)型式

1)普通型熱電偶普通型熱電偶為裝配式結(jié)構(gòu)，又稱為裝配式熱電偶。一般由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等部分組成，如圖5-10所示。

圖5-10普通型熱電偶的典型結(jié)構(gòu)

2)鎧裝型熱電偶

鎧裝型熱電偶是將熱電偶絲、絕緣材料和金屬保護套管三者組合裝配后，經(jīng)拉伸加工而成的一種堅實的組合體。它的結(jié)構(gòu)形式和外表與普通型熱電偶相仿，如圖5-11所示。

圖5-11鎧裝型熱電偶的典型結(jié)構(gòu)

1-接線盒；2-金屬套管；3-固定裝置；4-絕緣材料；5-熱電極

3)表面型熱電偶

專門用來測量物體表面溫度的一種特殊熱電偶。4)快速熱電偶測量高溫熔融物體的一種專用熱電偶。熱電偶的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)它的用途和安裝位置來確定。在熱電偶選型時，要注意三個方面：熱電極的材料；保護套管的結(jié)構(gòu)，材料及耐壓強度；保護套管的插入深度。5.熱電偶冷端的延長

采用一種專用導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸出來，這既能保證熱電偶冷端溫度保持不變，又經(jīng)濟。這種專用導(dǎo)線稱為補償導(dǎo)線。圖5-12用補償導(dǎo)線延長熱電偶的冷端

1-測量端；2-補償導(dǎo)線；3-冷端；4-銅導(dǎo)線；5-顯示儀表可見，用補償導(dǎo)線延伸后，其回路電勢只與新冷端溫度有關(guān)，而與原冷端溫度變化無關(guān)。補償導(dǎo)線也是熱電偶，只不過是廉價金屬組成的熱電偶。不同的熱電偶因其熱電特性不同，必須配以不同的補償導(dǎo)線，見表5-3常用熱電偶補償導(dǎo)線。

使用補償導(dǎo)線應(yīng)注意：①補償導(dǎo)線與熱電偶型號相匹配；②補償導(dǎo)線的正負極與熱電偶的正負極要相對應(yīng)，不能接反，且連接點溫度相同；③原冷端和新冷端溫度在0～100℃范圍內(nèi)；④當(dāng)新冷端溫度不為0℃時，還需進行其它補償和修正。（5-6）由中間導(dǎo)體定則可知表5-3常用熱電偶補償導(dǎo)線

6.熱電偶的冷端溫度補償在應(yīng)用熱電偶測溫時，只有將冷端溫度保持為０℃，或者是進行一定的修正才能得出準確的測量結(jié)果。這樣做，就稱為熱電偶的冷端溫度補償。一般采用下述幾種方法。1)冷端溫度保持0℃法

圖5-13

熱電偶冷端溫度保持０℃法2)冷端溫度計算校正法在實際生產(chǎn)中，采用補償導(dǎo)線將熱電偶冷端移到溫度處，通常為環(huán)境溫度而不是0℃。根據(jù)中間溫度定則，有

（5-7）將儀表測出的回路電勢值與相加，求得后，再反查分度表求出，就得到了實際被測溫度。用計算校正法來補償冷端溫度的變化需要計算、查表，僅適用于實驗室測溫，不能應(yīng)用于生產(chǎn)過程的連續(xù)測量。

例5-1采用E分度號熱電偶測量某加熱爐的溫度，測得的熱電勢=66982μV，冷端溫度=30℃。求被測的實際溫度。解：由E型熱電偶分度表查得=1801μV

則=+=66982+1801=68783μV

再反查E型熱電偶分度表，得實際溫度為900℃。

由于熱電偶所產(chǎn)生的電動勢與溫度之間的關(guān)系都是非線性的，因此在冷端溫度不為零時，將所測得的電動勢對應(yīng)的溫度加上冷端溫度，并不等于實際溫度。如例5-1中，可得溫度為906.6℃

。實際熱電勢與溫度之間的非線性程度越嚴重，誤差就越大。

3)校正儀表零點法若采用測溫元件為熱電偶時，要使測溫時指示值不偏低，可預(yù)先將儀表指針調(diào)整到相當(dāng)于室溫的數(shù)值上。此法只能在測溫要求不太高的場合下應(yīng)用。4)補償電橋法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢，來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。如圖5-14所示。使用補償電橋時應(yīng)注意：(1)由于電橋是在20℃時平衡，需將顯示儀表機械零點預(yù)先調(diào)至20℃。如果補償電橋是按0℃時平衡設(shè)計的，則零點應(yīng)調(diào)至0℃。

圖5-14補償電橋法示意圖

(2)補償電橋、熱電偶、補償導(dǎo)線和顯示儀表型號必須匹配。(3)補償電橋、熱電偶、補償導(dǎo)線和顯示儀表的極性不能接反，否則將帶來測量誤差。5)補償熱電偶法圖5-15補償熱電偶連接線路在實際生產(chǎn)中，為了節(jié)省補償導(dǎo)線和投資費用，常用多支熱電偶而配用一臺測溫儀表。5.2.3熱電阻溫度計

物質(zhì)的電阻率隨溫度的變化而變化的特性稱為熱電阻效應(yīng)，利用熱電阻效應(yīng)制成的檢測元件稱為熱電阻（RTDs）。

在中、低溫區(qū)，一般是使用熱電阻溫度計來進行溫度的測量較為適宜。熱電阻溫度計是由熱電阻（感溫元件），顯示儀表（不平衡電橋或平衡電橋）以及連接導(dǎo)線所組成。如圖5-16所示。

熱電阻式溫度檢測元件分為兩大類，由金屬或合金導(dǎo)體制作的金屬熱電阻和由金屬氧化物或半導(dǎo)體制作的半導(dǎo)體熱敏電阻。一般把金屬熱電阻稱為熱電阻，而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。大多數(shù)金屬電阻具有正的電阻溫度系數(shù)，溫度越高電阻值越大。一般溫度每升高1℃，電阻值約增加0.4%～0.6%。半導(dǎo)體熱敏電阻大多具有負溫度系數(shù)，溫度每升高1℃，電阻值約減少2%～6%。圖5-16熱電阻溫度計1.金屬熱電阻

金屬熱電阻測溫基于導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的特性

熱電阻測溫的優(yōu)點是信號可以遠傳、輸出信號大、靈敏度高、無需進行冷端補償。金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準確度高，可以用作基準儀表。其缺點是需要電源激勵、不能測高溫和瞬時變化的溫度。測溫范圍為－200～+850℃，一般用在500℃以下的測溫，適用于測量－200～+500℃范圍內(nèi)液體、氣體、蒸汽及固體表面的溫度。目前工業(yè)上應(yīng)用最多的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。

(1)鉑電阻一般工業(yè)上使用的鉑熱電阻，國標規(guī)定的分度號有Ptl0和Ptl00兩種，即相應(yīng)的0℃時的電阻值分別為R0=10Ω和R0=100Ω。不同分度號的鉑電阻因為R0不同，在相同溫度下的電阻值是不同的，因此電阻與溫度的對應(yīng)關(guān)系，即分度表也是不同的。(2)銅電阻

國內(nèi)工業(yè)用銅熱電阻的分度號為Cu50和Cu100，即相應(yīng)的0℃時的電阻值分別為=50和R0=100。表5-4工業(yè)熱電阻分類及特性

工業(yè)熱電阻主要有普通型、鎧裝型和薄膜型三種結(jié)構(gòu)形式。(1)普通型熱電阻普通型熱電阻結(jié)構(gòu)如圖5-17所示，主要由電阻體、內(nèi)引線、絕緣套管、保護套管和接線盒等部分組成。

圖5-17普通熱電阻結(jié)構(gòu)圖

(2)鎧裝型熱電阻

鎧裝熱電阻用鎧裝電纜作為保護管-絕緣物-內(nèi)引線組件，前端與感溫元件連接，外部焊接短保護管，組成鎧裝熱電阻。鎧裝熱電阻外徑一般為2～8mm，其特點是體積小，熱響應(yīng)快，耐振動和沖擊性能好，除感溫元件部分外，其他部分可以彎曲，適合于在復(fù)雜條件下安裝。(3)薄膜型熱電阻將熱電阻材料通過真空鍍膜法，直接蒸鍍到絕緣基底上。這種熱電阻的體積小、熱慣性小、靈敏度高，可緊貼物體表面測量，多用于特殊用途。

2.半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻又稱為熱敏電阻，它是用金屬氧化物或半導(dǎo)體材料作為電阻體的溫敏元件。其工作原理也是基于熱電阻效應(yīng)，即熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化。熱敏電阻的測溫范圍為－100～300℃。與金屬熱電阻比，熱敏電阻具有靈敏度高、體積小（熱容量?。磻?yīng)快等優(yōu)點，熱敏電阻作為工業(yè)用測溫元件，在汽車和家電領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用。

熱敏電阻有正溫度系數(shù)、負溫度系數(shù)和臨界溫度系數(shù)三種。溫度檢測用熱敏電阻主要是負溫度系數(shù)NTC熱敏電阻，PTC和CTR熱敏電阻則利用在特定溫度下電阻值急劇變化的特性構(gòu)成溫度開關(guān)器件。

5.3溫度檢測儀表的選用及安裝

溫度檢測儀表有就地溫度檢測儀表和遠傳式溫度檢測儀表，后者一般稱為溫度檢測元件。1.就地溫度儀表的選用就地溫度儀表的選用要從精度等級、測量范圍等方面來考慮。

5.3.1溫度檢測儀表的選用

1)精度等級(1)一般工業(yè)用溫度計，選用2.5、1.5或1.0級。(2)精密測量用溫度計，選用0.5級或以上儀表。2)測量范圍(1)最高測量值不大于儀表測量范圍上限值的90%，正常測量值在儀表測量范圍上限值的1/2左右。(2)壓力式溫度計測量值應(yīng)在儀表測量范圍上限值的1/2～3/4之間。3)雙金屬溫度計在滿足測量范圍、工作壓力和精度等級的要求時，應(yīng)被優(yōu)先選用于就地顯示。4)壓力式溫度計適用于－80℃以下低溫、無法近距離觀察、有振動及精度要求不高的就地或就地盤顯示。5)玻璃溫度計僅用于測量精確度較高、振動較小、無機械損傷、觀察方便的特殊場合。不得使用玻璃水銀溫度計。

2.溫度檢測元件的選用溫度檢測元件的選用包括熱電偶、熱電阻和熱敏熱電阻的選用。

1)根據(jù)溫度測量范圍，選用相應(yīng)分度號的熱電偶、