3.5温度检测及仪表

§3.5温度检测及仪表•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。一、测温原理•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，其物理性质随温度变化而进行的。热交换热辐射§3.5.1概述二、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37C，相当于华氏温度多少度？热力学温标（K）热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K）。威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像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（0.01C）等。•600ºC以上-------高温计600ºC以下-------温度计•接触式、非接触式三、温度测量仪表的种类四、温度测量的基本原理及方法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、热辐射原理常用温度计的种类及适用温度CCCCCCCCCCCCCCC2000~200:3500~0:1700~900:3200~700:2000~400:150~50:600~200:600~50:1000~50:1600~0:250~0:350~20:600~30:600~80:600~50:热电式光电式红外线比色光辐射热辐射辐射式非接触式、铜热电阻：铂考铜镍铬镍硅镍铬铂铂铑热电偶蒸汽气体液体压力式双金属玻璃液体膨胀式接触式温度计1、膨胀式温度计•玻璃液体温度计–利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度•双金属温度计–不同金属受热膨胀不同，双金属片在受热情况下发生弯曲而显示温度t=t0tt0双金属温度计图3-51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）。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。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系统：红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。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红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用集成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。WFT-202辐射温度计•根据物体的热辐射效应原理来测量物体表面温度。•测量范围400~2000℃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-270C，上限可达1800C以上；3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。§3.5.2热电偶温度计热电偶温度计分三部分•热电偶•补偿导线•测温仪表热电效应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。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）一、热电偶（1）.热电现象及测温原理左端称为：测量端(工作端、热端)热电极B热电势AB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)eB(t,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”(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）tABCt0t0当t＝t0时，有热电偶回路中接入第三种导体后，只要该导体两端温度相同，热电偶回路中所产生的总热电势与没有接入第三种导体时热电偶所产生的总热电势相同；同理，如果回路中接入更多种导体时，只要同一导体两端温度相同，也不影响热电偶所产生的热电势值。因此热电偶回路可以接入各种显示仪表、变送器、连接导线等。•热电偶的材质要求：–单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性关系；–热电性质稳定；–化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀；–具有较好的延展性，易于加工成丝；–复现性好，便于批量生产和互换。•不同材质的热电偶有不同的特性，应根据实际需要选择–测量范围、放大系数（以分度值表示）、测量精度、抗腐蚀能力、价格等。(3).热电偶的种类八种国际标准化热电偶：B:铂铑30—铂铑6、R:铂铑13—铂、S:铂铑10—铂、K:镍铬—镍硅、N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍、J:铁—铜镍、T:铜—铜镍用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝几种常用热电偶的测温范围及热电势分度号名称测量温度范围1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1800C4.834R铂铑13—铂-40～1600C10.506S铂铑10—铂-40～1600C9.587K镍铬－镍硅(铝)-270～1300C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C76.3735种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？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。(4).热电偶的结构•热电极–工作部分•绝缘子–防止电极与电极、套管短路•保护套管–保护•接线盒常用热电偶类型：普通型热电偶铠装型热电偶多点式热电偶防爆型热电偶表面型热电偶普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰普通装配型热电偶的结构放大图接线盒引出线套管固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面铠装型热电偶的三种结构铠装型热电偶铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。·热响应时间少，减小动态误差；·可弯曲安装使用,解决微小、狭窄场合的测温问题.·测量范围大；·机械强度高，耐压性能好；多点热电偶适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中。