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化工仪表及自动化第五章温度检测内容提要概述测温仪表的分类温度检测的基本原理热电偶温度计热电偶补偿导线与冷端温度补偿热电阻温度计测温原理常用热电阻内容提要温度变送器电动温度变送器一体化温度变送器智能式温度变送器第一节概述温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数。所有的过程都是在一定的温度条件下进行的;温度决定一些反应能否进行和反应方向;温度决定一些反应的进程程度;温度显示反应的能量变化。温标1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点(即零点)以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。2、国际上规定的温标有:摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。几种温标的对比正常体温为37C,相当于华氏温度多少度?1990国际温标(ITS-90)从1990年1月1日开始在全世界范围内采用1990年国际温标,简称ITS-90。它定义了一系列温度的固定点,测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式,例如水的三相点为273.16K(0.01C)等。第一节概述一、测温仪表的分类温度不能直接测量。温度的测量都是通过温度传递到敏感元件后,该敏感元件的物理性质随温度变化而进行的。传递温度的方式:热交换热辐射分类:600ºC以上-------高温计600ºC以下-------温度计接触式、非接触式1、物体受热,体积膨胀V--T2、压力随温度变化P--T3、金属导体电阻随温度变化R--T4、热电效应原理E--T5、热辐射原理二、温度检测的基本原理第一节概述第一节概述测温方式温度计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5-1各种温度计的优缺点及使用范围第一节概述1.应用热膨胀原理测温图5-1双金属片图5-2双金属温度信号器1—双金属片;2—调节螺钉;3—绝缘子;4—信号灯利用液体或固体受热时产生热膨胀的原理,可以制成膨胀式温度计。双金属温度计2、压力式温度计利用液体的蒸发或气体的膨胀而引起的压力变化进行测量。温包:传热、容纳膨胀介质;毛细管:传递压力;弹簧管:显示压力(温度)。第一节概述3、辐射式温度计通过特定波长光波的强度或热辐射强度来确定光源温度。1.辐射式温度计:测定热辐射强度;2.光学温度计:采用光学分频法,测定不同频率光波的强度比值;3.比色法:直接通过可见光颜色的对比,确定光源温度。辐射式温度计,通常用于测量高温条件,特别是光学温度计和比色温度计需要利用物体在高温下发射的可见光进行检测。第一节概述1.红外线辐射温度计红外辐射温度计既可用于高温测量,又可用于冰点以下的温度测量,市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-30℃~3000℃,中间分成若干个不同的规格,可根据需要选择适合的型号。一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。因此,通过对物体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定它的表面温度。红外辐射温度计测温依据红外线辐射温度计外形激光仅用于瞄准红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用耳温仪集成IC温度测量红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用利用红色激光瞄准被测物(电控柜、天花板内的布线层)温度采集系统光学高温计隐丝式光学高温计测量方法:调节电阻R以改变灯丝亮度,当它与待测光源像的亮度相等时,灯丝在光源的像上消失,这时由电表G上读出物体的亮度温度;或用补偿法由电位差计测量电流的精确值,再通过计算求出亮度温度,后一方法适用于精密测量温度。CIT比色在线式红外测温仪测温范围-20~3500℃比色式温度传感器比色式温度传感器采用比色式(双波段)测温原理实现对被测目标的非接触测温,用户不需知道物质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强,不受窗口玻璃影响,能瞄准,测量小目标,可不考虑距离系数,可以不完全被目标充满,不需调焦就可准确测量。比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用,如:烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。非接触式光纤传感测温仪热电偶测温的主要优点1、它属于自发电型传感器:测量时可以不需外加电源,可直接驱动动圈式仪表;2、测温范围广:下限可达-270C,上限可达1800C以上;3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。第二节热电偶温度计第二节热电偶温度计一、热电偶热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。图5-3热电偶温度计测温系统示意图1—热电偶;2—补偿导线;3—测量仪表热电偶温度计由三部分组成:热电偶;测量仪表;补偿导线。图5-4热电偶示意图热电效应1821年,德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路,并用酒精灯加热其中一个接触点(称为结点),发现放在回路中的指南针发生偏转(说明什么?),如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热,指南针的偏转角反而减小(又说明什么?)。指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动,电流的强弱与两个结点的温差有关。1.热电现象及测温原理热电偶工作原理演示结论:当两个结点温度不相同时,回路中将产生电动势。热电极A右端称为:自由端(参考端、冷端)左端称为:测量端(工作端、热端)热电极B热电势AB1.热电现象及测温原理热电势的产生不同金属具有不同的电子密度;两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生电场;电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡;电子的扩散与温度相关,温度越高,扩散作用越强。++--扩散作用电场作用金属A金属B++++----金属A金属B接触电势eABeAB(t)∝t对于一定材料1.热电现象及测温原理ABeAB(t)eAB(t0)eA(t,t0)eBt,t0)图5-7热电偶原理1.热电现象及测温原理ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)闭合回路中所产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成:0000(,)()()(,)(,)ABABABBAEttetetettett接触电势温差电势由于温差电势比接触电势小很多,常常把它忽略不计,这样热电偶的电势可表示为:00(,)()()(i)ABABABEttetet注意:如果下标次序改为eBA,则热电势e前面的符号也应相应改变,即()()ABBAetet式(i)当冷端温度t0一定时,对于确定的热电偶来说,eAB(t0)为常数,因此,其总热电势EAB(t,t0)就与温度t成单值函数对应关系,和热电偶的长短、直径无关。只要测量出热电势大小,就能判断被测温度的高低,这就是热电偶的温度测量原理。=eAB(t)+eBA(t0)1.热电现象及测温原理重要结论:1.如果组成热电偶的两种电极材料相同,则无论热电偶冷、热两端的温度如何,闭合回路中的总热电势为零;2.如果热电偶冷、热两端的温度相同,则无论两电极材料如何,闭合回路中的总热电势也为零3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有关之外,还与电极材料有关,也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的。热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势EAB(T,T0)等于热电偶AB在接点温度为T、TC和TC、T0的热电势EAB(T,TC)和EAB(TC,T0)的代数和EAB(T,T0)=EAB(T,TC)+EAB(TC,T0)热电偶的“中间温度定律”第二节热电偶温度计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,见下图。00teteteECABCABt总的热电势(5-4)0000000teteteteteteCABCABCABCAB(5-5)0teteEABABt(5-6)将式(5-5)5代入式(5-4)图3-58热电偶测温系统连接图tABCt0t0当t=t0时,有第二节热电偶温度计说明: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。图5-9开路热电偶的应用第二节热电偶温度计3.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。第二节热电偶温度计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5-2常用热电偶几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析哪几种热电偶的测温上限较高?结论:哪几种热电偶的线性较差?哪一种热电偶的灵敏度高?哪一种热电偶的灵敏度较低?为什么所有的曲线均过原点(零度点)?热电偶的分度表——热电偶的线性较差,多数情况下采用查表法我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”(简称ITS-90)的新标准。按此标准,制定了相应的分度表,并且有相应的线性化集成电路与之对应。直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是:自由端(冷端)温度必须为C。分度表:当t0=0℃时,与温度t对应的数值表。(非线性)),(0ttEAB分度号:与分度表所对应的热电偶的代号。第二节热电偶温度计热电偶是在自由端温度为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)第二节热电偶温度计举例例5-1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)第二节热电偶
本文标题:化工仪表及自动化第5章
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