第五節(jié)溫度檢測及儀表

第五節(jié)溫度檢測及儀表第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.膨脹式溫度計—利用物體受熱體積膨脹原理。圖3-52雙金屬片圖3-53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-信號燈兩片線膨脹系數(shù)不同的金屬片疊焊在一起的。玻璃溫度計(液體);雙金屬溫度計(固體);雙金屬片制成螺旋形感溫元件。主要用于溫度檢測、控制。第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一膨脹式雙金屬溫度計(常用于工業(yè)現(xiàn)場溫度就地檢測顯示）雙金屬片螺旋形感溫元件1-指針;2-表殼;3-金屬保護管;4-指針軸;5-雙金屬感溫元件;6-固定端;7-刻度盤1.膨脹式溫度計第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一毛細管:用銅或鋼等冷拉成的無縫圓管制成,易破損,應(yīng)加保護套管。在長度相同時,越細儀表越靈敏。2.壓力式溫度計原理:基于壓力隨溫度變化原理。組成:溫包(感溫元件8).毛細管(傳遞壓力7).彈簧管。溫包:強度高,膨脹系數(shù)小,熱導(dǎo)率高,抗腐蝕等性能。第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一

第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一3.熱電偶溫度計:利用不同材料的金屬焊接在一起,當溫度發(fā)生變化時,會產(chǎn)生熱電勢,依靠熱電勢的測量來測溫度。4.熱電阻溫度計:利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度的變化而變化的原理測溫。5.熱輻射溫度計:利用物體熱輻射作用來測溫度。第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一組成:熱電偶(感溫元件)、測量儀表、連接兩者的導(dǎo)線(補償導(dǎo)線及銅導(dǎo)線)。二、熱電偶溫度計原理:以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的測溫儀表。1.熱電偶:測溫元件,由兩種不同材料的導(dǎo)體A.B焊接而成,焊接的一端插入被測介質(zhì)中,感受被測溫度,稱工作端或熱端,另一端與導(dǎo)線相連,稱冷端或自由端,導(dǎo)體A.B稱熱電極。特點:測量范圍廣(-50~1600℃),結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,測量準確可靠,便于信號遠傳、自動記錄和集中控制。第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一(1).熱電現(xiàn)象及測溫原理熱電現(xiàn)象:不同材料金屬導(dǎo)線A和B的兩端焊在一起,組成一個閉合回路,如將一端(1)加熱,即t>t0,回路中就有熱電勢產(chǎn)生,這種現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象。第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一ρA>ρB熱電勢:接觸電勢和溫差電勢。接觸電勢與兩金屬的材料和接觸點的溫度有關(guān)。當材料確定后只與接觸點的溫度有關(guān)。

eAB(t)=-eBA(t)。接觸電勢eAB(t)的產(chǎn)生:接觸電勢的方向為A→B。(1).熱電現(xiàn)象及測溫原理第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一t>t0A+-eA(t,t0)B-+eB(t,t0)溫差電勢eA(t,t0)的產(chǎn)生:同一金屬A(B),兩端t不同,自由電子具有不同的動能,就產(chǎn)生一個電動勢。金屬A.B的等效電阻為R1.R2,則圖(a)等效為圖(b)。此閉合回路中總的熱電勢E(t,t0)應(yīng)為：

E(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)或E(t,t0)=eAB(t)+eBA(t0)(1).熱電現(xiàn)象及測溫原理eA(t,t0)≈0,eB(t,t0)≈0。第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一E(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)或E(t,t0)=eAB(t)+eBA(t0)測溫原理:材料確定后,熱電勢是兩接點溫度的函數(shù),當冷端t0不變,即eAB(t0)為常數(shù),熱電勢與熱端t成單值的函數(shù)關(guān)系。注:如A.B材料相同,兩點溫度不同,則E(t,t0)=0;如果A.B材料不同,兩點溫度相同,則E(t,t0)=0。不同熱電極材料制成的熱電偶在相同溫度下產(chǎn)生的熱電勢是不同的。(1).熱電現(xiàn)象及測溫原理熱電偶的中間溫度定律:分度表:在t0=0℃條件下,用實驗的方法測各種熱電偶在不同溫度下熱端所產(chǎn)生的熱電勢值,列出對應(yīng)的各種熱電偶熱電勢與溫度的標準數(shù)據(jù)表。第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一(2).插入第三種導(dǎo)線的問題用熱電偶測溫時,需接儀表測熱電勢,而儀表要遠離測溫點,就需接第三種導(dǎo)線C。回路中接入導(dǎo)線C,就構(gòu)成新的接點,只要保證引線兩端的溫度相同,熱電偶的總熱電勢就不變。第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一E(t,t0)=eAB(t)+eBC(t1)+eCB(t1)+eBA(t0)=eAB(t)+eBC(t1)-eBC(t1)+eBA(t0)=eAB(t)+eBA(t0)=eAB(t)-eAB(t0)(2).插入第三種導(dǎo)線的問題可見,與沒有接入第三種導(dǎo)線時總熱電勢相等。若A.B.C組成閉合回路,各點溫度為t0時,則eAB(t0)+eBC(t0)+eCA(t0)=0，eBC(t0)+eCA(t0)=-eAB(t0)E(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0)E(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)=eAB(t)+eBA(t0)同理,如回路中串接多種導(dǎo)線,只要引線兩端的溫度相同,不影響總熱電勢值。第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一工業(yè)上對熱電極材料的要求:對溫度反應(yīng)靈敏;熱電勢與溫度盡量成線性關(guān)系;物理和化學(xué)的穩(wěn)定性高;材料組織均勻,有韌性,易加工成絲;價廉;復(fù)現(xiàn)性好,且有良好的互換性,便于成批生產(chǎn)。(3).常用熱電偶的種類鉑銠30-鉑銠6熱電偶(雙鉑銠)(分度號B):測量范圍為300-1600℃,短期可測1800℃。鉑銠10-鉑熱電偶(S):測量范圍-20-1300℃,短期可測1600℃。作標準偶。鎳鉻-鎳硅熱電偶(K):測量范圍-50-1000℃,短期可測1200℃。鎳鉻-考銅熱電偶(XK):(鎳鉻-銅鎳E)測量范圍-50-600℃,短期可測800℃。第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一熱電極:貴金屬的直徑0.3-0.65mm,普通金屬的直徑0.5-3.2mm,長度由安裝條件及插入深度而定,一般為350-2000mm。按結(jié)構(gòu)分為普通型、鎧裝型、表面型和快速型。①普通型:熱電極,絕緣管,保護套管及接線盒。(4).熱電偶的結(jié)構(gòu)保護套管:保護熱電極不受化學(xué)腐蝕和機械損傷。接線盒:是供熱電極和補償導(dǎo)線連接用的,常用鋁合金制成。絕緣管(絕緣子):防止熱電極短路。第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一普通型熱電偶第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一②鎧裝熱電偶:由金屬套管.絕緣材料.熱電偶絲一起經(jīng)過復(fù)合拉伸成型。圖3-64鎧裝熱電偶工作端結(jié)構(gòu)(a)單芯結(jié)構(gòu);(b)雙芯碰底型;(c)雙芯不碰底型;(d)雙芯露頭型;(e)雙芯帽型第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一鎧裝熱電偶第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一③表面型:利用真空鍍膜法將兩電極材料蒸鍍在絕緣基底上的薄膜熱電偶。第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一在選熱電偶時,注意三個方面:熱電極材料;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。④快速型:是測量高溫熔融物體一種專用熱電偶。鋼水測溫儀,測溫槍,快速熱電偶,補償導(dǎo)線。第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一補償導(dǎo)線的要求: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;2)廉價金屬。2.補償導(dǎo)線的選用熱電偶的冷端t0不變時,熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù)。但實際冷端t0難保持恒定。為了使冷端t0恒定,將熱電偶做長,但不經(jīng)濟。用補償導(dǎo)線代替熱電極,使冷端遠離工作端。不同的熱電偶所用的補償導(dǎo)線也不同。第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1)與熱電偶的型號相配;2)極性不能接錯;3)與熱電偶連接處的溫度不應(yīng)超過100℃。4)與熱電偶連接的兩接點溫度必須保持相同,以免引起測量誤差。使用補償導(dǎo)線的注意事項:冷端E(t,t0)第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一原因:分度表是t0=0oC時得到的,儀表刻度是根據(jù)分度表進行刻度的。熱電偶使用時冷端在操作室,但操作室的溫度高于0oC,這時熱電偶的熱電勢偏低,且隨著冷端t0的變化而變化,會引起測量誤差。因此用熱電偶測溫時,如不能保持t0=0oC,則要修正才能得到準確的測量結(jié)果。3.熱電偶冷端溫度補償冷端溫度補償方法：(1).冷端溫度保持為0℃的方法:常用在實驗室中,如圖。第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一(2).冷端溫度修正方法:冷端t0=t1≠0℃時,會引起測量誤差,必須進行修正。利用中間溫度定律進行修正,即:E(t,0)=E(t,t1)+E(t1,0)適用于實驗室或臨時測溫,在連續(xù)測量中不使用。冷端溫度補償方法：例:用E型熱電偶測某加熱爐的溫度,冷端t1=30℃。測得EE(t,t1)=66782μV,求被測的實際溫度t。解:查表得:EE(30,0)=1801μV,則:E(t,0)=E(t,30)+EE(30,0)=66782+1801=68583μV查表得:EE(890,0)=68015μV,EE(900,0)=68783μV而不是66782μV對應(yīng)的溫度t’再加上30℃。第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一(3).校正儀表零點一般儀表未工作時指針應(yīng)指在零位(機械零點),若測溫元件為熱電偶,且冷端不為零度,則將儀表的零點調(diào)至室溫(冷端所在溫度)。常用在工業(yè)上,但在測溫要求不高的場合上。如動圈表使用時需要校正儀表機械零點;電子電位差計則自動調(diào)零。冷端溫度補償方法：第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一t0=0℃時,R1=R2=R3=Rt,Uab=0,對熱電勢無影響;t0≠0℃時,Rt變化R,Uab≠0,Uab=E(t0,0)。(4).補償電橋法:原理:電橋輸出電壓Uab=E

(t0,0),自動補償。U=E(t,t0)+Uab=E(t,0)冷端溫度補償方法：第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一(5).補償熱電偶法用多支熱電偶配用一臺測溫儀表。為了使多支熱電偶的冷端溫度恒定,設(shè)置補償熱電偶且恒溫(t0)。儀表的指示值為E(t,t0)對應(yīng)的溫度。冷端溫度補償方法：CD第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一例:用K分度號熱電偶與顯示儀表配合測爐溫,熱電偶自由端t0=30oC,測得E(t,t0)=39.17mV,求爐溫為多少度？解:根據(jù)題意求爐溫即應(yīng)求E(t,0)查K型分度表可知:EK(30,0)=1203μV,已知EK(t,t0)=39170μV,由:EK(t,0)=EK(t,t0)+EK(t0,0)則:EK(t,0)=39170+1203=40373μV即爐溫為977oC。查表得:EK(977,0)=40371μV,EE(978,0)=40410μV第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.測溫原理:電阻值與溫度關(guān)系：Rt=Rt0[1+α(t-t0)],ΔRt=αRt0ΔtRt,Rt0-分別為溫度t,t0(0℃)時的電阻值；α-電阻溫度系數(shù);ΔRt-電阻變化量;Δt

-溫度變化量；三、熱電阻溫度計原理:用導(dǎo)體阻值隨溫度變化而變化的原理來測溫。特點:300℃下的靈敏度高于熱電偶,測量范圍在中、低溫(-200℃~500℃)。組成:熱電阻.顯示儀表.連接導(dǎo)線(采用三線制接法)。測出電阻值變化,就可達到溫度測量。第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一熱電阻材料的要求:1)電阻溫度系數(shù).電阻率大;2)熱容量小;3)物理和化學(xué)穩(wěn)定性高;4)復(fù)現(xiàn)性好;5)電阻隨溫度的變化盡量成線性關(guān)系。熱電阻材料是鉑(Pt)和銅(Cu)。2.工業(yè)常用熱電阻(1).鉑電阻:在氧化性介質(zhì)和高溫下性質(zhì)穩(wěn)定,測量精度高。在0~650℃范圍內(nèi),電阻與溫度的關(guān)系為：Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)工業(yè)上用的鉑電阻有兩種,R0=10Ω(Pt10);R0=100Ω(Pt100)。第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一在-50~+150℃范圍內(nèi),電阻與溫度的關(guān)系為:

Rt=R0[1+α(t-t0)]α-銅電阻溫度系數(shù)(4.25×10-3/℃)工業(yè)上用的銅電阻有兩種:R0=50Ω(Cu50);R0=100Ω(Cu100)。(2).銅電阻特點:價格便宜;溫度系數(shù)大;與溫度呈線性關(guān)系;穩(wěn)定性好。用于測量精度不高,溫度較低的場合。第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一電阻體:電阻絲雙線無感的繞制在具有一定形狀的支架上,這個整體稱為電阻體。支架有平板形(鉑電阻體)、圓柱形(銅電阻體)、螺旋形(標準或?qū)嶒炗勉K電阻體)。保護管和接線盒:與熱電偶相同。3.熱電阻的結(jié)構(gòu):普通型、鎧裝型和薄膜型。(1).普通型:電阻體、保護管、接線盒組成。熱電阻的結(jié)構(gòu)第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一普通型熱電阻第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一3.熱電阻的結(jié)構(gòu):普通型、鎧裝型和薄膜型。(2).鎧裝熱電阻:將電阻體預(yù)先拉制成型與絕緣材料和保護管連成一體。特點體積小.抗震性強.可彎曲.使用壽命長。第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一3.熱電阻的結(jié)構(gòu):普通型、鎧裝型和薄膜型。(3).薄膜熱電阻:將熱電阻材料通過真空鍍膜法,直接蒸鍍到絕緣基底上。特點體積小、靈敏度高。第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一DDZ—III型溫度變送器的特點:線路上采取安全火花防爆措施,用于危險場合。在結(jié)構(gòu)上采用線性化電路,使變送器輸出信號和被測溫度信號成線性關(guān)系。在線路中采用了集成電路,因而提高了變送器的可靠性及穩(wěn)定性。溫度變送器類型:熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器和直流毫伏溫度變送器。四、電動溫度變送器與熱電偶配套使用,將溫度轉(zhuǎn)換成4-20mA(1-5V)標準信號,再與顯示或控制單元配合,實現(xiàn)溫度的顯示或控制。組成:輸入橋路、放大電路及反饋電路。如下圖。1.熱電偶溫度變送器第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一Et輸入電橋放大電路反饋電路e-+efε輸出電流I04~20mA熱電偶t被測溫度(1).輸入橋路:作用是冷端溫度補償、調(diào)整零點。1.熱電偶溫度變送器冷端溫度補償:RCu與熱電偶的冷端安裝在一起;t↑→RCu↑,I1恒定,調(diào)RCu,使E(t0,0)=I1ΔRCu。U=E(t,t0)+I1RCu=E(t,0)-E(t0,0)+I1RCu=E(t,0)但熱電偶溫度特性是非線性的,銅電阻的特性是線性的,則不可能完全補償。R1R2R4RCuI1I2Et++--調(diào)整零點:R4上電壓抵消RCu上的起始電壓,可改變電橋輸出的零點。熱電勢為0時,輸出為4mA。冷端溫度補償調(diào)零電阻第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一方法:以反饋電路的非線性補償熱電偶的非線性,使輸出電流與溫度成線性關(guān)系。但使用時,量程變換時,重新調(diào)整反饋的非線性特性。使輸出信號與被測溫度成線性關(guān)系,在反饋回路加入線性化電路,對熱電偶的非線性給予修正。(2).反饋電路第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一用特殊的低漂移、高增益集成運算放大器。熱電偶產(chǎn)生較小的熱電勢(幾十或十幾毫伏)→大電壓(運放放大電壓)→電流(功率放大器將電壓轉(zhuǎn)換電流)。(3).放大電路第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一熱電阻溫度變送器與熱電阻配套使用,將溫度轉(zhuǎn)換成4-20mA和1-5V的統(tǒng)一標準信號。再與顯示儀表或控制儀表配合,實現(xiàn)對溫度的顯示或控制。組成:輸入電橋、放大電路及反饋電路。放大電路與熱電偶溫度變送器的放大電路通用。如下圖。Ω輸入電橋放大電路反饋電路e-+efε輸出電流I04~20mA熱電阻t被測溫度2.熱電阻溫度變送器熱電阻溫度變送器的輸出信號I0與輸入信號t成線性關(guān)系。第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一將變送器模塊安裝在測溫元件接線盒或?qū)I(yè)接線盒內(nèi)的一種溫度變送器。變送器模塊與測溫元件形成一個整體,其結(jié)構(gòu)如圖。

五、一體化溫度變送器Io∝t。適用于-20~100℃的環(huán)境溫度,精確度可達0.2％。第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.確定儀表測量范圍及量程根據(jù)工藝測溫要求選擇測溫范圍,在滿足工藝要求的前提下盡可能縮小范圍,但測溫上限應(yīng)稍高于工藝要求的上限。2.選取儀表的精度根據(jù)生產(chǎn)上允許的最大測量誤差來確定儀表的精度等級,在滿足工業(yè)要求的情況下盡可能選用精度較低、經(jīng)濟實用的測溫元件。3.儀表類型的確定考慮被測介質(zhì)、現(xiàn)場條件和工藝要求。接觸式溫度計的選擇第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.測溫元件的安裝要求(1).測管道溫度時,保證測溫元件與流體充分接觸,以減少測量誤差。元件應(yīng)迎著被測介質(zhì)流向插入,應(yīng)選圖a和b。正確選擇測溫元件和二次儀表后,如不正確安裝測溫元件,仍然不能保證測量精度。(2).測量元件的感溫點應(yīng)處于管道中流速最大處。熱電偶、鉑電阻、銅電阻保護套管的末端應(yīng)分別過中心線5-10mm、50-70mm、25-30mm。七、測溫元件的安裝第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一(4).若工藝管道過小(直徑小于80mm),安裝測溫元件處應(yīng)接裝擴大管。如圖3-75。(3).測溫元件應(yīng)有足夠的插入深度,減小測量誤差。則元件應(yīng)斜插或在彎頭處安裝。如圖3-74。1.測溫元件的安裝要求第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一(7).測溫元件安裝在負壓管道中時,必須保證其密封性,以防外界空氣進入,使讀數(shù)降低。(5).熱電偶、熱電組的接線盒面蓋應(yīng)向上,以避免雨水或其他液體、臟物進入接線盒中影響測量。如圖3-76。(6).防止熱量散失,測溫元件應(yīng)插在有保溫層的管道或設(shè)備處。1.測溫元件的安裝要求第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一溫度儀表的常見安裝方法第46頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一(1).按熱電偶的型號配用補償導(dǎo)線,注意熱電偶的正.負極與補償導(dǎo)線的正.負極相接,不要接錯。(2).熱電阻的線路電阻一定要符合所配二次儀表的要求。(3).保護連接導(dǎo)線與補償導(dǎo)線不受外來的機械損傷,應(yīng)把連接導(dǎo)線或補償導(dǎo)線穿入鋼管內(nèi)或走槽板。(4).導(dǎo)線應(yīng)盡量避免有接頭,應(yīng)有良好的絕緣。禁止與交流輸電線合用一根穿線管,以免引起感應(yīng)。(5).導(dǎo)線應(yīng)盡量避開交流動力電線。(6).補償導(dǎo)線不應(yīng)有中間