ppt课件第3章检测仪表及传感器第4节.pptx
第第3章检测仪表及传感器第章检测仪表及传感器第4节节3.4 温度测量仪表 化工仪表及自动控制Chemical Industry Instrument and Automation control第三章 检测仪表及传感器化工仪表及自动化内容提要n 温度测量仪表的分类n 热电偶温度计n热电偶n补偿导线与冷端温度补偿n 热电阻温度计n 测温原理n 常用热电阻n 新型温度传感器及变送器n光纤温度传感器n红外温度传感器化工仪表及自动化n电动温度变送器n一体化温度变送器n智能式温度变送器n 温度测量仪表的选用及安装n测温仪表的选用原则n测温元件的安装内容提要化工仪表及自动化 在化工生产中，许多工艺的控制指标都与温度有关，所以温度的测量与控制是保障生产正常运行和产品质量的关键环节。温度的高低采用温标来表征，目前，我国常用的是摄氏温标、热力学温标和国际实用温标，华氏温标也会偶尔用到。1.摄氏温标 摄氏温标就是我们平时所说的摄氏温度，符号为。2.热力学温标 热力学温标又称为开尔文温标，简称为开氏温标。热力学温标是以热力学原理确定的温标，规定分子运动停止时的温度为绝对零度。3.国际实用温标 国际实用温标是一种用来复现热力学温标的国际协议性温标。一、温度测量仪表的分类化工仪表及自动化 温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间温度不能直接测量，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。而变化的特性来加以间接测量。 分类分类 接触式与非接触式接触式与非接触式 一、温度测量仪表的分类化工仪表及自动化表3-6 常见温度仪表及性能测温测温方式方式测温原理测温原理温度计名称温度计名称温度范围温度范围/特点及应用场合特点及应用场合接触接触式测式测温仪温仪表表膨膨胀胀式式固体热膨固体热膨胀胀双金属温度计双金属温度计-50+60结构简单、使用方便，与玻璃液体温度计相比，坚固、耐震、耐冲结构简单、使用方便，与玻璃液体温度计相比，坚固、耐震、耐冲击、体积小，但精度低，广泛应用于有振动且精度要求不高的机械击、体积小，但精度低，广泛应用于有振动且精度要求不高的机械设备上，并可直接测量气体、液体、蒸汽的温度设备上，并可直接测量气体、液体、蒸汽的温度液体热膨液体热膨胀胀玻璃液体温度计玻璃液体温度计-30+600水银水银-100+150有机液有机液体体结构简单、使用方便、价格便宜、测量准确，但结构脆弱易损坏，结构简单、使用方便、价格便宜、测量准确，但结构脆弱易损坏，不能自动记录本和远传，适用于生产过程和实验室中各种介质温度不能自动记录本和远传，适用于生产过程和实验室中各种介质温度就地测量就地测量气体热膨气体热膨胀胀压力式温度计压力式温度计0 +500液体型液体型0 +200蒸汽型蒸汽型机械强度高，不怕震动，输出信号可以自动记录和控制，但热惯性机械强度高，不怕震动，输出信号可以自动记录和控制，但热惯性大，维修困难，适于测量对铜及铜合金不起腐蚀作用的各种介质的大，维修困难，适于测量对铜及铜合金不起腐蚀作用的各种介质的温度温度热热电电阻阻金属热电金属热电阻阻铜电阻、铂电阻铜电阻、铂电阻-200+600铂电阻铂电阻-50+150铜电阻铜电阻-60+180镍电阻镍电阻测温范围宽，物理化学性能稳定，测量精度高，输出信号易于远传测温范围宽，物理化学性能稳定，测量精度高，输出信号易于远传和自动记录，适于生产过程中测量各种液体、气体，蒸汽介质温度和自动记录，适于生产过程中测量各种液体、气体，蒸汽介质温度半导体热半导体热电偶电偶锗、碳、金属氧化锗、碳、金属氧化物热敏电阻物热敏电阻-90+200变化灵敏、响应时间短、力学性能强，但复现性和互换性差，非线变化灵敏、响应时间短、力学性能强，但复现性和互换性差，非线性严重，常用于温度补偿元件性严重，常用于温度补偿元件一、温度测量仪表的分类化工仪表及自动化测温测温方式方式测温原理测温原理温度计名称温度计名称温度范围温度范围/特点及应用场合特点及应用场合接触接触式测式测温仪温仪表表热热电电偶偶金属热电偶金属热电偶铂铑铂铑30-铂铑铂铑6，铂铑铂铑-铂，镍铂，镍铬铬-镍硅，铜镍硅，铜-康铜等电偶康铜等电偶-200+1600测量精度较高，输出信号易于远传和自动记录，结构简单，使用方便，测量精度较高，输出信号易于远传和自动记录，结构简单，使用方便，测量范围宽，但输出信号和温度示值呈非线性关系，下限灵敏度较低，测量范围宽，但输出信号和温度示值呈非线性关系，下限灵敏度较低，需冷端温度补偿，被广泛地应用于化工、冶金、机械等部门的液体、气需冷端温度补偿，被广泛地应用于化工、冶金、机械等部门的液体、气体、蒸汽等介质的温度测量体、蒸汽等介质的温度测量难熔金属热难熔金属热电偶电偶钨铼，钨钨铼，钨-钼，钼，镍镍 铬铬-金铁热金铁热电偶电偶02000-2700钨铼系及钨钨铼系及钨-钼系热电偶可用于超高温的测量，镍铬钼系热电偶可用于超高温的测量，镍铬-金铁热电偶可用于金铁热电偶可用于超高低温的测量，但未进行标准化，因而使用时需特别标定超高低温的测量，但未进行标准化，因而使用时需特别标定非接非接触式触式测温测温仪表仪表辐辐射射测测量量辐射法辐射法辐射式高温计辐射式高温计+20+2000全辐射式温度计，结构简单、结实价廉、反应速度快，但测量误差较大全辐射式温度计，结构简单、结实价廉、反应速度快，但测量误差较大;部分辐射温度计结构复杂，测量精度及稳定性也较高，输出信号均可自部分辐射温度计结构复杂，测量精度及稳定性也较高，输出信号均可自动记录及远传，适宜测量静止或运动中不宜安装热电偶的物体表面温度动记录及远传，适宜测量静止或运动中不宜安装热电偶的物体表面温度亮度法亮度法光学高温计光学高温计+800+2000测量精度高，使用方便，测量结果容易引起人为主观误差，无法实现自测量精度高，使用方便，测量结果容易引起人为主观误差，无法实现自动记录，广泛应用于金属熔炼、浇铸、热处理等不能直接测量的高温场动记录，广泛应用于金属熔炼、浇铸、热处理等不能直接测量的高温场合合比色法比色法比色高温计比色高温计+50+2000 仪表示值准确仪表示值准确表3-6 常见温度仪表及性能一、温度测量仪表的分类化工仪表及自动化按测量范围 高温计和温度计按工作原理 膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计一、温度测量仪表的分类化工仪表及自动化1.膨胀式温度计 膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀变大的性质膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀变大的性质制成的。制成的。p最常用到的玻璃液体温度计是水银温度计和体温计。最常用到的玻璃液体温度计是水银温度计和体温计。p玻璃液体温度计是由装有液体的玻璃温包、毛细管和刻玻璃液体温度计是由装有液体的玻璃温包、毛细管和刻度标尺三部分构成。度标尺三部分构成。（1）液体膨胀式温度计）液体膨胀式温度计p优点：结构简单、测量方便、价格便宜、结果准确等优点：结构简单、测量方便、价格便宜、结果准确等，广泛应用于工业生产科学研究及生活中的各个领域。，广泛应用于工业生产科学研究及生活中的各个领域。p缺点：玻璃易碎易损坏，不能自动记录和远程传输，缺点：玻璃易碎易损坏，不能自动记录和远程传输，只能用于就地显示。只能用于就地显示。化工仪表及自动化图3-32 双金属片受热变形示意图图3-33 双金属温度信号器示意图1双金属片；2调节螺钉；3绝缘子；4信号灯固体膨胀式温度计中双金属温度计将两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起制成感温元件。如图3-32和3-33。（2）固体膨胀式温度计）固体膨胀式温度计化工仪表及自动化2.压力式温度计（1）温包 它是直接与被测介质相接触通过热传递感受被测温度高低的元件，因此要求它具有强度高，膨胀系数小，热导率高以及抗腐蚀等特性，所以制造温包常用的材料主要是铜合金、钢或不锈钢。（2）毛细管 它是用铜或钢等材料冷拉成的无缝圆管，用来传递压力的变化。毛细管的直径越细，长度越长，则传递压力的滞后就越严重。然而，在长度固定的前提下毛细管越细，仪表的精度就越高。（3）弹簧管 它是普通压力表使用的弹性元件，用来指示压力的大小。 压力式温度计就是利用在密闭体系中，压力会随着温度的变化而变化来测温。图3-34压力式温度计结构示意图1刻度盘；2指针；3弹簧管；4毛细管；5温包；6.填充物质化工仪表及自动化二、热电偶温度计热电偶温度计热电偶温度计是以热电效应为基础，将温度变化转换成热电势变化进行测温的仪表。图3-35 热电偶温度计构成示意图1热电偶；2导线；3测量仪表热电偶温度计热电偶温度计通常由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。 化工仪表及自动化1.热电偶测温原理 热电偶测温原理源自1821年塞贝克（Seebeck）发现的热点现象。他发现将两种材料不同的导体或半导体设计成如图3-36所示的闭合回路，当两个连接点分别处于t、t0不同的温度时，回路中会产生一个微弱的热电势，这就是热电效应。图3-36热电偶测温原理图化工仪表及自动化1.热电偶测温原理 当两金属两端接点温度不同时，假设t t0，由于两金属两端的接点温度不同，就产生了两个大小不等、方向相反的热电势 eAB(t ) 和 eAB(t0) 。 这样在图3-36所示闭合回路中的总热电势E(t, t0)应为 E (t, t0) = eAB(t) - eAB(t0) （3-36） 这样，闭合回路中的热电势 E (t, t0) 就等于热电偶两接点热电势的代数和。当两材料确定后，热电势就是两接点温度t和t0的函数差。如果一端温度t0固定，即eAB(t0)为定值，则热电势 E (t, t0) 就只是温度t的单值函数了。这样，只要测出热电势的大小，就能判断测温点温度的高低，这就是利用热电现象来测温的原理。化工仪表及自动化2.连接导线对热电势的影响 使用热电偶测量温度时，必须通过导线连接测量热电势的仪表，如图（3-37）所示。总的热电势Et = eAB(t) + eBC(t0) + eCA(t0) （3-37）能量守恒原理 eAB (t0) + eBC(t0) + eCA(t0) = 0则 - eAB (t0) = eBC(t0) + eCA(t0)（3-38）（3-39）将式（3-38）代入式（3-37）得 Et = eAB(t) - eAB (t0) 图3-37 热电偶导线连接示意图化工仪表及自动化3.热电偶的分类工业上对热电极材料的要求工业上对热电极材料的要求物理、化学稳定性要好。这样才能够保证在测温范围内热电性质保持稳定，同时即使在高温下也不被氧化和腐蚀;电阻温度系数小，灵敏度高;线性好。温度与热电势之间尽可能呈现良好的线性关系，这样不但能够提高精度，还可以便于仪表盘刻度均匀;韧性好，便于加工。要求材料的结构均匀，韧性好，便于加工成丝; 重现性好。便于厂家批量生产。 化工仪表及自动化表3-7 标准化热电偶表所配热电偶所配热电偶名称名称热电偶分度热电偶分度号号测量范围测量范围/所配热电偶所配热电偶名称名称热电偶分度热电偶分度号号测量范围测量范围/铂铑铂铑30-铂铂6热电偶热电偶B01700镍铬硅镍铬硅-镍硅镍硅热电偶热电偶N-2001300铂铑铂铑10-铂铂热电偶热电偶S01600镍铬镍铬-铜镍铜镍热电偶热电偶E-200900铂铑铂铑13-铂铂热电偶热电偶R01600铁铁-铜镍（康铜镍（康铜）热电偶铜）热电偶J-200750镍铬镍铬-镍硅镍硅热电偶热电偶K-2001200铜铜-康铜康铜热电偶热电偶T-2003503.常热电偶的分类化工仪表及自动化下面简单介绍一下工业上最常用的几种标准化热电偶。（1）镍铬-镍硅热电偶 该热电偶分度号为K，以镍铬为正极，镍硅为负极；常用测量范围为01000，短期可超过1000。这种热电偶造价低，稳定性好，线性好，重现性好且热电势大，灵敏度高，因而应用十分广泛。（2）铂铑10 -铂热电偶 该热电偶分度号为S，铂铑10丝（铂90%，铑10%）作为正极，纯铂丝作为负极；测量范围为0-1300，短期测量可高达1600。优点是化学稳定性好，耐高温，不易氧化，精度高，重现性好，一般用于精密温度测量或用作基准热电偶；缺点是造价太高。3.热电偶的分类化工仪表及自动化（3）铂铑30 -铂铑6热电偶 该热电偶分度号为B，以铂铑30丝（铂70%，铑30%）为正极，铂铑6丝（铂94%，铑6%）为负极；其常用测量范围为300-1600，短期可测1800 。该热电偶的优点是高温下物理、化学稳定性好，测量精度高。缺点是测量温度较低时热电势小，价格昂贵。（4）镍铬-铜镍热电偶 该热电偶分度号为E，以镍铬为正极，铜镍为负极；量范围为-200900。这种热电偶的灵敏度高，价格便宜，在中低温测量时应用广泛。3.热电偶的分类化工仪表及自动化4.热电偶的结构图图3-38 普通热电偶结构图普通热电偶结构图热电极热电极绝缘子绝缘子保护套管保护套管接线盒接线盒（1）普通型热电偶）普通型热电偶化工仪表及自动化4.热电偶的结构（2）铠装热电偶 铠装热电偶是将金属套管、绝缘材料、热电偶丝一起经过整体复合拉伸而成的一体化组合体。（3）薄膜型热电偶 薄膜型热电偶由两种非金属薄膜固定在绝缘基板上构成的一种特殊结构的热电偶。（4）快速型热电偶 它是测量高温熔融物体一种专用的热电偶，整个热偶元件的尺寸很小，也称为消耗式热电偶。化工仪表及自动化 采用一种专用导线，拉大热电偶的参考端与工作端之间的距离，使参考端的温度保持恒定，如图（3-39）所示。这种专用导线就称为“补偿导线”。图3-39 补偿导线示意图5.热电偶冷端补偿（1）补偿导线补偿导线是由两种不同性质的金属材料制成，在一定温度范围内（通常100以下）与所连接的热电偶具有相同或相近的热电特性，关键还必须是廉价金属。化工仪表及自动化在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。表表3-8 常用热电偶补偿导线常用热电偶补偿导线热电偶名称补偿导线正极负极工作端为100，冷端为0时的标准电势/mV材料颜色材料颜色铂铑10-铂铜红铜镍绿0.6450.037镍铬-镍硅（镍铝）铜红铜镍蓝4.0950.105镍铬-铜镍镍铬红铜镍棕6.3170.170铜-铜镍铜红铜镍白4.2770.047（1）补偿导线化工仪表及自动化（2）冷端补偿方法 在应用热电偶测温时，为保证测量结果的准确性，应该想办法让冷端温度保持为0，或者是对测量结果进行修正，这就是热电偶的冷端温度补偿。一般采用下述几种方法。冰点恒温法把热电偶的两个冷端分别插入浸在冰水混合物里且装有绝缘油的容器中，就能够保证冷端温度始终保持在0 ，这种方法多数用在实验室中。化工仪表及自动化 实际测量时，如果冷端温度无法保证0，而是某一温度t0，势必会造成误差。假设待测物质的实际温度为 t ，冷端温度为 t0 ,测得的热电势为E(t , t0 )。则 E (t , 0) = E(t , t0 ) + E(t0 , 0) （3-40） 值得注意的是，使用冷端修正的方法进行冷端补偿时，要求冷端温度必须恒定。因此该方法只适用于实验室或临时测温，无法应用于工业中的连续测温。冷端修正法（2）冷端补偿方法化工仪表及自动化仪表零点校正法 当冷端温度相对恒定时，可直接将仪表机械零点调至冷端温度处，以减小冷端温度造成的误差。这种方法比较简单，容易实现，在工业上经常使用。只是当冷端温度变化时，机械零点需要重新调整，所以当冷端温度变化频繁时，无法使用该方法。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，如图3-40所示。 （2）冷端补偿方法化工仪表及自动化 只是如果电桥是在只是如果电桥是在20时时达到平衡，使用这种补偿电桥达到平衡，使用这种补偿电桥时应把仪表的机械零位调到时应把仪表的机械零位调到20处。如果补偿电桥是在处。如果补偿电桥是在0时达到平衡，仪表的机械时达到平衡，仪表的机械零位应调至零位应调至0处。处。注意！注意！图图3-40 补偿电桥示意图补偿电桥示意图（2）冷端补偿方法化工仪表及自动化 在实际生产中，如果测温点较多，为了节省开支，可以用一台测温仪表带多支热电偶。如图3-41所示，多支热电偶共用一支补偿电偶AB。 共用补偿热电偶法（2）冷端补偿方法图3-41 共用补偿热电偶示意图化工仪表及自动化三、热电阻温度计 热电阻温度计是由热电阻，显示仪表以及连接导线等几部分构成。其中热电阻是温度计的感温元件，是该类温度计的核心部分。 化工仪表及自动化1、测温原理 基于金属导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行测量的。感温元件的电阻值与温度之间的关系为 Rt = Rt01+ (t t0) （3-41） Rt = Rt - Rt0 = Rt0 t （3-42）三、热电阻温度计与热电偶温度计相比，热电阻的输出信号更大，所以适合于中、低温（500）液体、气体、蒸汽及固体表面的温度测量，同样具有远传、自动记录和实现多点测量的优点。化工仪表及自动化2、工业常用热电阻作为热电阻的材料一般要求是： 良好的物理化学稳定性，即使在高温等恶劣环境下依旧稳定；电阻温度系数大，灵敏度高；电阻率高，可以减小体积；电阻值与温度之间最好有一定的线性关系，且范围较宽；热容量小，复现性高；价格便宜，方便加工。化工仪表及自动化（1）铂电阻在不同的温度范围内，电阻值与温度之间存在不同的关系。在-2000的温度范围内，关系为 Rt = R0 1 + At + Bt2 + C(t - 100 )t3 （3-43）在0850的温度范围内，关系为 Rt = R0 (1+At + Bt2 ） （3-44） 2、工业常用热电阻化工仪表及自动化（2）铜电阻 金属铜电阻温度系数大，灵敏度高；易加工提纯，价格便宜；电阻值与温度呈线性关系；在150以下，稳定性好。缺点是铜的电阻率小，且温度超过150后易被氧化。所以铜电阻温度计通常在测量较低温度时使用。在-50+150的范围内，铜电阻值与温度的关系为 Rt = R0 (1+(t t0 ) （3-45）2、工业常用热电阻化工仪表及自动化3、热电阻的结构 热电阻的结构形式有普通型热电阻、铠装热电阻和薄膜热电阻三种。（1）普通型热电阻的结构外形与热电偶相似，主要由感温元件（电阻体）、保护套管和接线盒等几部分构成。 （2）铠装热电阻由电阻体、绝缘材料、保护套管等整体拉值而成，小型电阻体装在热电阻底部作为感温元件。 （3）薄膜热电阻是将热电阻材料直接蒸镀到绝缘基底上形成的厚度很薄的热电阻。化工仪表及自动化 光纤温度传感器是利用光纤传输能量或光信号来实现温度测量的新型温度传感器。 传统传感器是以机电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。 优点：体积小、重量轻、响应快、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、测量范围大等。四、新型温度传感器及变送器1、光纤温度传感器化工仪表及自动化红外温度传感器是基于物体红外辐射的能量大小及其波长分布，与物体表面温度呈现一一对应关系的原理制成的辐射式温度传感器。红外温度传感器的结构原理如图3-43所示，其工作原理采用光学反馈结构。 图3-43 红外温度传感器结构原理图1红外检测器；2放大器；3相敏整流器；4控制放大器；5反馈光源；6显示器；7调制器；8透镜；9同步电机 2、红外温度传感器化工仪表及自动化3、电动温度变送器温度变送器是电动单元组合仪表的一个重要组成部分，它与各种类型的热电偶、热电阻配套使用，将温度或两点间的温差转换成420mA和1-5V的统一标准信号，作为指示、记录仪表或控制机构的输入信号，来实现温度、温差的显示、记录及控制功能。化工仪表及自动化 （1）DDZ-型温度变送器 主要有三种类型，分别是热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器。目前，温度变送器已经从一代的DDZ-型升级到DDZ-型及一体化温度变送器。DDZ-型热电偶温度变送器和热电阻温度变送器的结构大体上可以分为温度检测元件、输入电路、放大电路和反馈电路,其原理框图如图3-44所示。热电偶（热电阻）输入电路放大器非线性反馈电路被测温度t输出电流I0 图3-44 DDZ-型温度变送器结构示意图Et+-Uf3、电动温度变送器化工仪表及自动化测量电路、稳压电路、电压放大器、非线性校正装置、反极性测量电路、稳压电路、电压放大器、非线性校正装置、反极性保护、电压保护、电压/电流转换装置电流转换装置 （2）一体化温度变送器 它是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器。图3-45一体化温度变送器组成结构图3、电动温度变送器化工仪表及自动化 智能式温度变送器是以为微处理器为核心部件，使用智能式温度变送器是以为微处理器为核心部件，使用智能终端对变送器施行远程组态、调整及控制的智能化智能终端对变送器施行远程组态、调整及控制的智能化温度变送器。温度变送器。 效率高；效率高； 精度高；精度高； 兼容性好；兼容性好； 体积小、重量轻、结构紧凑、方便安装。体积小、重量轻、结构紧凑、方便安装。 由硬件部分和软件部分两部分构成。由硬件部分和软件部分两部分构成。4、智能温度变送器化工仪表及自动化五、温度测量仪表的选用及安装目前市售测温仪表种类繁多，选用时应根据生产工艺的具体要求，被测对象的状态及特性，测温范围等，结合测温仪表的特性及技术指标进行选择。如确定测温仪表的精度等级时，遵从一般工业用温度计选用1.5级或1级；精密测量用温度计选用0.5级或0.25级的原则。1、测温仪表的选用原则化工仪表及自动化p （1）测量管道中流动的介质温度时，应保证测温元件与流体充分接触，图3-46测温元件安装方向示意图。p （2）测温元件的感温点应处于管道中流速最大处。 （a） （b） （c） 图3-46 测温元件安装方向示意图2、测温元件的安装化工仪表及自动化p （3）为减小测量误差，测温元件应插到足够深的位置。如图3-47所示。p （4）热电偶、热电阻的接线盒面盖应向上 。p （5）为了防止热量散失，测温元件应插在有保温层的管道或设备处。 （a） （b）图3-47 管道过细时测量元件安装示意图2、测温元件的安装化工仪表及自动化p （6）测温元件安装在负压管道中时，并保证其密封性p （7）测温元件的安装应便于工作人员维护、保养和校验。p （8）补偿导线与热电偶的型号要匹配，并注意正、负极不要接错。2、测温元件的安装化工仪表及自动化
