化工仪表及自动化(厉玉鸣)(第三版)第5章

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1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2第一节概述一、测温仪表的分类温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。分类按测量方式接触式与非接触式3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4第一节概述1.应用热膨胀原理测温图5-1双金属片5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。第一节概述2.应用压力随温度变化的原理测温3.应用热阻效应测温4.应用热电效应测温5.应用热辐射原理测温6第二节热电偶温度计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5-3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5-4热电偶示意图第二节热电偶温度计81.热电现象及测温原理图5-5热电现象图5-6接触电势形成的过程0000,,tetettEtetettEBAABABAB左图闭合回路中总的热电势或图5-7热电偶原理第二节热电偶温度计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)10第二节热电偶温度计例5-2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第二节热电偶温度计注意：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。12第二节热电偶温度计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。00teteteECABCABt总的热电势（5-4）0000000teteteteteteCABCABCABCAB能量守恒原理（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。14第二节热电偶温度计图5-9开路热电偶的应用15第二节热电偶温度计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。第二节热电偶温度计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5-2常用热电偶第二节热电偶温度计184.热电偶的构造及结构形式图5-10热电偶的结构热电极绝缘管保护套管接线盒第二节热电偶温度计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5-11补偿导线接线图第二节热电偶温度计101teteteteECADCBDAB假设将镍铬记为A、镍硅记为B、铜记为C、铜镍记为D,并考虑到引入铜导线对回路的总热电势没有影响(因其两端温度均为t0)，则图5-11所示回路的总热电势为(5-7)01111teteteteECADCBDAB1111teteteteCABDDCAB如果假定各接点温度全为t1，代入式(5-7)，则有(5-8)(5-9)或由于t1一般是在100℃以下,在此温度范围内,根据补偿导线的性质,有111teteteDCCDAB(5-10)20第二节热电偶温度计011teteCABD将此式代入式(5-9)(5-11)00teteteteECDABDCAB将式(5-11)代入式(5-7),便有(5-12)00teteCDAB因为0teteEABAB故(5-13)21第二节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5-3常用热电偶的补偿导线22第二节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第二节热电偶温度计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5-12热电偶冷端温度保持０℃的方法（1）热电势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第二节热电偶温度计0,0,,00tEtEttEABABAB实际生产中，其冷端温度为t0，即有0,,0,00tEttEtEABABAB或由此可知，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第二节热电偶温度计举例例5-3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。第二节热电偶温度计（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第二节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5-13具有补偿电桥的热电偶测温线路28第二节热电偶温度计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5-14补偿热电偶连接线路第三节热电阻温度计30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。热电阻温度计是由热电阻，显示仪表以及连接导线所组成。第三节热电阻温度计001ttRRt对于线性变化的热电阻来说，其电阻值与温度关系如下式tRRtt0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。31第三节热电阻温度计二、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。32第三节热电阻温度计331.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