第五单元-炉用仪表

主讲人：于永波温度检测及仪表温度检测的基本知识温度：描述系统不同自由度之间能量分布状况的基本物理量，是决定一系统是否与其他系统处于热平衡的宏观性质。反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。温度概念的建立及测量：以热平衡为基础。温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具相同的温度。最新温标是1990年国际温标(ITS－90)摄氏温标---------是把标准大气压下纯水的冰融点定为0度，纯水的沸点定为100度的一种温标。在0度和100度之间分成100等分，每一分为一摄氏度，符号为℃。华氏温标---------规定在标准大气压下，纯水的冰融点为32度，纯水的沸点为212度，中间划分为180等分，每一分为一华氏度，符号为℉。热力学温标---------又称开尔文温标，单位为开尔文（K）。国际实用温标---------是一种符合热力学温标又使用简单的温标。温标接触式测温温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。(1)膨胀式温度计(2)热电效应测温（热电偶）(3)热电阻温度计(4)其他原理的温度计非接触测温温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。(1)辐射式温度计(2)光电温度计(3)比色温度计(4)红外温度计温度检测方式应用热膨胀原理测温测量原理物体受热时产生膨胀液体膨胀式温度计固体膨胀式温度计玻璃管温度计双金属温度计双金属温度计结构双金属温度计是利用两种膨胀系数不同的金属薄片叠焊在一起制成的测温元件，结构简单、牢固，可取代部分水银温度计，用于气体、液体及蒸汽的温度测量。其中双金属片的一端为固定端，另一端为自由端。当t=t0时，两金属片都处于水平位置；当tt0时，双金属片受热后由于两种金属片的膨胀系数不同而使自由端产生弯曲变形，弯曲的程度与温度的高低成正比。应用热电效应测温（热电偶）测量原理两种不同的金属A和B构成闭合回路当两个接触端T≠T0时，回路中会产生热电势热电极)(0tAB)(tAB)()(),(00ttttABABAB闭和回路电势如果能使冷端温度t0固定，则总电势就只与温度t成单值函数关系CtttABAB)(),(0长期短期铂铑10-铂S0~13001700测量精度高、热电势小，线性差价格高，用于精密测量铂铑13-铂R0~13001700与S型性能几乎相同，只是热电势同比大15%铂铑30-铂铑6B0~16001800测量上限高，热电势小，线性差价格高，使用寿命远高于S和R镍铬-镍硅K-270~10001300热电势大，线性好，价格便宜，广泛用于中高温测量镍铬硅-镍硅N-270~12001300相同条件下，特别在1100~1300℃高温条件下，稳定性及寿命较K成倍提高，在-200~1300℃范围内，有全面代替廉价金属热电偶和S型的趋势铜-铜镍（康铜）T-270~350400准确度高，价格便宜，多用于低温测量镍铬-铜镍E-270~8701000热电势大，耐腐蚀，用于中低温测量铁-铜镍J-210~7501200价格便宜，耐H2和CO2腐蚀热电偶名称分度号温度范围/℃特点及应用场合标准化热电偶分度表-----热电势与热端温度之间关系列成表格分度表结论：①t=0时，所有型号的热电偶的热电势均为0，温度越高，热电势越大；但t0℃时，热电势为负值；②不同型号的热电偶在相同温度下，热电势一般有较大的差别；在所有标准化热电偶中，B型热电偶的热电势为最小，E型热电偶为最大；③如果把温度和热电势做成曲线，可以看出温度与热电势之间的关系是一般为非线性。因此，自由端温度t0≠0时，则不能用测得的热电势E(t,t0)直接查分度表,而应该根据下列公式先求出E(t,0)，然后再查分度表，得到温度t。)0,(),()0,(00tttEt在实际的使用过程中，自由端温度t0往往不能维持在0℃，且受环境影响较大。当工作端温度为t时，在分度表所对应的热电势E(t,0)与热电偶实际输出电势E(t,t0)之间的误差为E(t0,0),需对自由端温度进行处理。补偿导线法计算修正法自由端恒温法自动补偿法（补偿电桥法）问题引出解决方法热电极长度有限，冷端受到被测温度变化的影响把热电偶的冷端延伸到温度恒定或温度波动比较造成浪费补偿导线其一实现了冷端迁移；其二是降低了成本。功能小的地方，选用一种具有和所连接的热电偶相同的热电性能，其材料又是廉价金属导线导线补偿导线法补偿导线只能在规定的温度范围内，一般为（0~100℃）与热电偶的热电势相等或相近不同型号的热电偶所配用的补偿导线不同热电偶和补偿导线的两个接点处要保持同温度补偿导分正负极，需分别与热电偶的正负极相连补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，当自由端温度t0≠0时，还需要进行其他补偿与修正使用补偿导线注意问题计算修正法设：冷端温度恒为t0（t0≠0）被测温度为t修正公式)0,(),()0,(00tEttEt冷端t0的热电势测量得出的热电势被测温度t的热电势主要应用于实验室的测温，由于需要人工计算、查表，不能应用于生产过程的连续测温。由分度表查得E(20,0)=0.113mv则E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=7.32+0.113=7.434mv再查分度表得其对应的被测温度t=808℃例用S型热电偶测温，热电偶的冷端温度t0=20℃，测得热电势为7.32mv，求被测对象的实际温度t。(已知:E(20,0)=0.113mv)解：自由端恒温法适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用，俗称冰浴法自动补偿法（补偿电桥法）根据各类热电偶的型号选择配套的补偿电桥例有一个实际的K型热电偶测温系统，配有K型热电偶的补偿导线，测量系统配有K型热电偶的温度显示仪表（带补偿电桥）来显示被测温度的大小。设t=300℃,tc=50℃,t0=20℃,①求测量回路的总电势以及温度显示仪表的读数②如果补偿导线为普通铜导线；或显示仪表为E型热电偶的，则测量回路的总电势和温度的显示值又各是多少？①由题意得回路总电势：E=Ek(t,tc)+Ek补(tc,t0)+E补(t0,0)补偿导线和补偿电桥均是K型，因此，两部分电势可近似为Ek(tc,t0)+Ek(t0,0)总电势可以进一步写成：E=Ek(t,tc)+Ek(tc,t0)+Ek(t0,0)=Ek(t,0)=Ek(300,0)查K型热电偶分度表得E=12.209mV,显示温度显然为300℃②当补偿导线为普通铜导线时（显示仪表为K型）则Ek补(tc,t0)=0;则总电势为E=Ek(t,tc)+E补（t0,0）=Ek(300,50)+Ek(20,0)=Ek(300)-Ek(50)+Ek(20)-0=12.209-2.023+0.798-0=10.984mV查表得t显示=270.3℃但显示仪表配E型总电势E=Ek(t,tc)+Ek(tc,t0)+EE(t0,0)=Ek(t,t0)+EE(t0,0)=12.209-0.798+1.192=12.603mV显示仪表为E型，查分度表得t显示=188.9℃解：热电偶的结构如图所示，通常由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成热电偶结构形式1.普通型装配式结构通常由热电极、绝缘材料、保护套管和接线盒等主要部分构成。绝缘材料通常采用带孔的耐高温陶瓷管，热电极从陶瓷管的孔中穿过保护套管的材料应具有耐高温、耐腐蚀、气密性好、机械强度高、热导率高等性能，目前有金属、非金属、金属陶瓷3类，其中不锈钢是常用的一种，可用于温度在900℃以下的场合。2.铠装热电偶铠装热电偶是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的组合体，可做的很细很长，可任意弯曲。套管材料一般为铜、不锈钢或镍基高温合金等，热电极与套管间填满绝缘材料粉末，常用绝缘材料为氧化镁、氧化铝等。铠装热电偶特点：测量端热容小，动态响应快，机械强度高，扰性好。广泛应用于工业部门应用热电阻原理测温导体或半导体的电阻值随温度变化测量原理TR热电阻分类一、金属热电阻（大多数具有正的热阻温度系数，二、半导体热敏电阻（大多具有负温度系数，温度温度升高电阻值增大，一般温度每升高1℃，电阻值约增加4%~6%）每升高1℃，电阻约减少2%~6%）金属电阻（1）铂电阻(WZP)要求：电阻温度系数大，工作范围内，物理和化学性质稳定，不易被介质腐蚀，电阻随变化保持单值函数，最好是线性关系。易于得到高纯物质，复现性好，价格较便宜。目前使用最广泛的是铂、铜材料。测温范围：-200~850℃，高温下只适合氧化气氛使用。铂电阻阻值与温度的关系是一个典型非线性函数，一般工业用的铂电阻值可以用下式表示：Rt=R0(1+At+Bt2)(0℃≤t850℃)Rt=R0{1+At+Bt2+C[t3(t-100)]}(-200℃t0℃)Rt为温度在t℃时铂电阻的电阻值；A、B、C为常数。中国规定工业用铂电阻R0=10Ω和R0=100Ω,分度号为Pt10和Pt100金属电阻（2）铜电阻(WZC)测温范围：-50~150℃。铜电阻容易加工和提纯，线性较好，价格便宜。铜电阻的电阻值和Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3)Rt为温度在t℃时铜电阻的电阻值；A、B、C为常数。温度的关系可以表示为中国规定工业用铜电阻R0=50Ω和R0=100Ω,分度号为Cu50和Cu100热电阻＝电阻体（最主要部分）＋绝缘套管＋保护套管＋接线盒一般是将电阻丝绕在云母或石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上固定后套上保护套管，在热电阻丝与套管间填上导热材料即成。热电阻结构热电阻结构形式：普通型、铠装型、专用型铠装型热电阻与铠装热电偶相似无固定装置热电阻固定螺纹式热电阻活动法兰式热电阻端面热电阻（适用于测量电厂汽轮机电厂轴瓦或其他机体表面温度）防腐热电阻（外包覆聚四氟乙烯F46，适合于石油化工各种腐蚀性介质中测温。是氯碱行业的专用测温仪表）