热工仪表及自动控制

化学与材料工程学院一、热工测量仪表二、自动调节系统三、自动调节仪表四、热工参数的自动调节系统总目录热工测量仪表重点难点：热电偶的测温原理、冷端温度补偿及热电偶的校验；电子电位差计工作原理；光学高温计的原理及构造；非接触测温的特点；弹性式压力计的工作原理；节流装置测量流量的原理；硅酸盐工业烟气分析的目的。下一页热工测量仪表下一页硅酸盐工业主要的热工测量项目1.温度测量：物料及制品温度、气体温度、设备表面温度等。2.压力测量：设备及管道内气体压力。3.流速和流量的测量：流体的流速和流量、物料流量等。4.物位测量：液位气体、料位和相界位置的测量。5.气体成分分析：主要是烟气分析。§1-1测量仪表分类及基本技术性能§1-2温度测量仪表§1-3压力测量仪表§1-4流量测量仪表§1-5物位测量仪表§1-6气体成分分析仪表第1章目录一、热工测量仪表下一页章目录§1-1测量仪表分类及基本技术性能测量仪表的分类1、根据被测参数来分：温度计、压力表、流量计、物位计、成分分析仪等；2、根据仪表显示方式来分：指示型、数字显示型、记录型、累积型、信号型、调节型等；3、按仪表的用途分：标准仪表、工业仪表、实验仪表、便携仪表等；4、根据仪表是否安装于工艺对象分：就地仪表、远方仪表等。一、热工测量仪表下一页章目录测量仪表的基本技术性能§1-1测量仪表分类及基本技术性能1、精确度（精度或准确度）绝对误差：仪表的指示值xi与被测参数的真实间xt的差值。即：△＝xi-xt＝x-x0相对误差：某测量点的绝对误差与标准仪表在该点的指示值之比。即：△＝000xxxx相对百分误差：仪表的最大绝对误差与仪表量程百分比。即：%100max量程范围一、热工测量仪表下一页章目录测量仪表的基本技术性能§1-1测量仪表分类及基本技术性能2、恒定度（变差）变差：在相同的外界条件下同一仪表读数的稳定程度。一般用在同一被测参数值下，正、反程时仪表指示值的绝对误差的最大值与仪表量程范围之比的百分数表示。即：%100|x|max量程范围－变差反正x造成变差的原因很多，如：传动机构的间隙，运动件间的摩擦，弹性件的弹性滞后影响等。一、热工测量仪表章目录测量仪表的基本技术性能§1-1测量仪表分类及基本技术性能3、灵敏度灵敏度：单位被测参数的变化引起仪表指示机构的角位移或线位移。即：xS仪表的灵敏度反映了仪表对被测参数变化的灵敏程度，灵敏度越高，就越能观测微小的被测参数变化。要提高仪表的灵敏度，可以采取增加放大系统的放大倍数的方法来实现。仪表的其它技术性能如：分辨率、线性度、反应时间等从略一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表1、国际实用温标以热力学温度为基本单位。2、常用测温方法热膨胀：固体、液体、气体的膨胀位移。电阻变化：导体或半导体受热后电阻值发生变化。热电效应：两种不同性质的导体（或半导体）构成闭合回路，两接点温度不同时，回路中就产生电势。（帕尔贴效应）热辐射：物体的热辐射能随温度的变化而变化。另外还有一些新型测温方法，如：射流测温、激光测温等。一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表热电偶温度计热电偶测温的特点：1.能测量较高温度；2.热电偶将温度信号转化为电信号，便于远传和记录，也利于集中检测和控制；3.性能稳定，结构简单，经济耐用，维护方便；4.可做得很小很薄、热容和热惯性都很小，能测量点的温度或表面温度，也能用于快速测温。右图为热电偶测温系统组成：1－热电偶2－导线3－显示仪表一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律热电现象（热电效应或帕尔贴效应））：由两种不同的导体或半导体A、B组成的闭合回路中，如果使两个接点1、2处于不同的温度，回路就会出现电动势，这一现象即为热电现象。该电势即为热电势。热电势由接触电势和温差电势组成。高温一端为热端，低温的一端为冷端或自由端。热端感测温度，冷端连接仪表。一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律温差电势：在同一导体的两端因温度不同而产生的电势。（汤姆逊效应）当同一导体的两端温度不同时，热端的电子能量比冷端的大，电子从热端跑向冷端的数量比冷端跑向热端的多，结果热端带正电，而冷端带负电。从而在热端和冷端间形成一个从热端指向冷端的静电场，该电场阻止电子继续大量从热端跑向冷端，同时加速电子从冷端跑向热端，最后达到平衡。此时在导体的两端便形成一个电势，该电势就是温差电势。一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律接触电势：当两种不同的导体接触时，由于两种导体的电子密度不同，电子在两个方向上的扩散速度就不一样，从密度高的向密度低的扩散数目多，高密度端带正电，低密度端带负电，因而在接触面上形成一静电场，该电场又将阻止电子的继续大量扩散，最终达到平衡状态，在接触面间就形成一电势，即为接触电势。接触电势与两导体的性质及接触点的温度有关。热电势为温差电势和接触电势的代数和。一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律均质导体定律：由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论其截面积如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。结论：（1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成；（2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，则说明该材料是不均匀的。一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律中间导体定律：由不同材料组成的闭合回路中，当各种材料接触点的温度都相同时，则回路中热电势的总和等于零。结论：（1）在热电回路中加入第三种均质材料，只要其两端温度相同，则对回路的热电势没有影响。一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律结论：（2）如果两种导体A、B对另一种参考导体C的热电势为已知，则这两种导体组成热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和。参考电极通常为铂标准电极。一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律连接温度或中间温度定义：接点温度为t1和t3的热电偶的热电势等于接点温度分别为t1、t2和t2、t3的两支相同性质热电偶的热电势的代数和。一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律结论：（1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可以在另外一个冷端温度下使用。该结论是制订热电偶的热电势－温度关系分度表的理论依据，同时为热电偶的冷端温度补偿提供理论支持。（2）和热电偶具有相同热电性质的补偿导线可以引入热电偶的回路中，相当于延长了热电偶而不影响热电偶的热电势。该结论为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律图为使用补偿导线的热电偶测温系统t为热端；t0’为热电偶原冷端；t0为新冷端；A、B为热电偶的热电极；A’、B’为补偿导线一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律常用热电偶的补偿导线热电偶名称补偿导线t=100℃、t0=0℃时的标准热电势（mV）正极负极材料颜色材料颜色铂铑10－铂铜红铜镍绿0.645±0.037镍铬－镍硅（镍铝）铜红铜镍蓝4.095±0.105镍铬－铜镍镍铬红铜镍棕6.317±0.170铜－铜镍铜红铜镍白4.277±0.047一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表2、标准热电偶及非标准热电偶对热电极材料的要求：（1）物理稳定性要高，即在测温范围内其热电特性不随时间改变，以保证与其配套的显示仪表刻度的稳定。（2）化学稳定性要高，即在高温下不受周围气氛的氧化和腐蚀而变质。（3）电阻温度系数要小，导电率要高，组成热电偶后产生的热电势要大。（4）热电势和温度成线性关系，或有简单的函数关系，这样可提高显示仪表的精度，刻度工作简单。（5）复现性好。要求同种材料组成的热电偶其热电特性都相同，在使用中可以保证良好的互换性。（6）具有一定的机械强度。一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表2、标准热电偶及非标准热电偶标准热电偶：是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入工业标准化文件中的那些热电偶。（1）铂铑30－铂铑6热电偶：分度号为LL-2（老）、B（新），1600℃以下可长期使用，短期可测1800℃。适于氧化及中性介质。特点：产生的热电势小，价格贵，低温时热电势极小，故冷端温度在40℃以下时可不进行温度补偿而直接使用。一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表2、标准热电偶及非标准热电偶（2）铂铑10－铂热电偶：分度号为LB-3（老）、S（新），1300℃以下可长期使用，短期可测1600℃。适于氧化及中性介质。特点：耐高温、不易氧化、有较好的化学稳定性，具有较高的测量精度，可用于精密测量和用作标准热电偶；灵敏度较低，不能用于还原气氛及侵蚀性的气体中等。（3）镍铬－镍硅（镍铬－镍铝）热电偶：分度号为EU-2（老）、K（新），1000℃以下可长期使用，短期可测1200℃。适于氧化及中性介质。特点：材料复现性好，线性好，热电势大，灵敏度较高，价格便宜，精度较低。一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表2、标准热电偶及非标准热电偶非标准热电偶也称为特殊热电偶，不能批量生产，只能定做，不能互换。（1）钨铼（W-Re）系热电偶：是一种较好的超高温热电偶，其最高使用温度受绝缘材料的限制，一般测量的最高温度为2400℃。国产钨铼5-钨铼20使用范围为300℃~2000℃，分度精度为±1%。在氢气中连续使用100小时，氩气中50小时，真空中8小时。工作端损坏后可将原接点剪掉后重新制作新热接点。与此类似的还有铱铑（Ir-Rh）系热电偶。一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表2、标准热电偶及非标准热电偶（2）薄膜热电偶：主要用于快速测量表面温度，通常是用真空蒸镀等方法使两种热电极材料（金属）蒸镀到绝缘基板上，并牢固地结合在一起，形成薄膜状热接点。特点：其接点很薄（0.01～0.1mm），尺寸很小，故热容量很小，反应时间很快（几ms），可用来测量瞬变的温度及极小物体的表面温度。目前国内主要有铁-镍、铁-康铜、铜-康铜三类，测温范围为-200～300℃，反应时间通常为10ms到1s。图为铁-镍薄膜热电偶1－热端；2－衬架；3－Fe膜；4－Ni膜；5－Fe丝；6－Ni丝；7－接头夹具一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表2、标准热电偶及非标准热电偶（3）非金属热电偶：利用石墨和难熔化合物制成的高温热电偶。通常有碳－石墨，石墨（c轴）－石墨（a轴），石墨－碳化硅等。特点：热电势比金属高得多，熔点很高，稳定，可测量超高温。复现性极差，脆性大，石墨易吸潮而改变其热电特性。（4）铠装热电偶（套管热电偶）：由金属套管、绝缘材料、热电极丝一起复合拉伸成型，将端部接点焊成光滑球状结构。特点：反应速度快、使用方便、可弯曲、气密性好、不怕振、耐高压等。一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表2、标准热电偶及非标准热电偶图为铠装热电偶热接点形式（a）-碰底型；（b）-不碰底型；（c）-露头型；（d）-帽型图为铠装热电偶断面结构1－金属套管；2－绝缘材料；3－热电极一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表3、热电偶的结构常用热电偶组成：热电极、绝缘管、保护套管、接线盒一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表3、热电偶的结构热电极直径由材料价格、强度、导电率及用途、测温范围等决定：贵金属d=0.3～0.65mm，廉金属d=0.5～3.2mm。其长度根据工作端在介质中的插入深度来决定，工业热电偶一般为350～2000mm。其焊接形式有三种：见下图；对焊接点的要求为：焊点直径不超过两倍的热电极直径，以减少传热误差和滞后。(a)-点焊；(b)-对焊；(c)-绞接点焊一、热工测量仪表下一页章目录§1-2温度测量仪表3、热电偶的结构绝缘