化工仪表及自动化检测仪表与传感器温度检测讲稿.ppt

化工仪表及自动化检测仪表与传感器温度检测1第一页，讲稿共四十三页哦温标温标（1 1）摄氏温标摄氏温标：以水的冰点为：以水的冰点为“0 0”，水的沸点为，水的沸点为“100100”，中间，中间等分为等分为100100份，每份为份，每份为1 1度，以度，以O OC C表示。表示。（2 2）华氏温标华氏温标：冰水融体为：冰水融体为“3232”，水的沸点为，水的沸点为“212212”，中间，中间等分为等分为180180份，每份为份，每份为1 1度，以度，以O OF F表示。表示。（3 3）热力学温标热力学温标 -又称开尔文温标，单位为开尔文（又称开尔文温标，单位为开尔文（K K）。）。（4 4）国际实用温标国际实用温标 -是一种符合热力学温标又使用简单的温标。是一种符合热力学温标又使用简单的温标。最新温标最新温标是是19901990年国际温标年国际温标 (ITSITS9090)2第二页，讲稿共四十三页哦测温方式可分为测温方式可分为接触式接触式和和非接触式非接触式两大类。两大类。接触式：接触式：温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。等。比较比较简单简单、可靠可靠，测量精度较高测量精度较高；但因充分的热交；但因充分的热交换换，需要，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象延迟现象，同时，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触测温：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。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)(1)辐射式温度计辐射式温度计 ，(2)(2)光纤式温度计。不与被测物体接触，不破光纤式温度计。不与被测物体接触，不破坏原有的温度场。精度一般不高坏原有的温度场。精度一般不高。一、一、温度测量的主要方法温度测量的主要方法温度的测量：以热平衡为基础的温度的测量：以热平衡为基础的。温度最本质的性质：当两个冷热温度最本质的性质：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，则它们具有相同的温度。热平衡状态，则它们具有相同的温度。3第三页，讲稿共四十三页哦常用温度计的种类及适用温度4第四页，讲稿共四十三页哦1、膨胀式温度计t=t0t t0l玻璃液体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。l双金属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。5第五页，讲稿共四十三页哦2、压力式温度计l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）。6第六页，讲稿共四十三页哦二、二、热电偶测温热电偶测温热电偶测温系统可实现远距热电偶测温系统可实现远距离温度自动测量。离温度自动测量。它的测温范围为：它的测温范围为：v-270-270+1800+1800。是广泛应用的温度检测系统是广泛应用的温度检测系统.常用来测量中高温。常用来测量中高温。-7第七页，讲稿共四十三页哦1、工作原理与热电效应、工作原理与热电效应将两种不同的导体或半导体两端相接将两种不同的导体或半导体两端相接组成闭合回路，当两接点分别置于两组成闭合回路，当两接点分别置于两种不同的温度时，则在回路中产生热种不同的温度时，则在回路中产生热电势，形成回路电流电势，形成回路电流.这种现象称这种现象称塞塞贝克效应贝克效应，即，即热电效应热电效应.热电偶回路产生的热电势由热电偶回路产生的热电势由接触电势接触电势和和温差电势温差电势两部分组成。两部分组成。测温时，将焊接的一端置于被测温度场中，称为测量端测温时，将焊接的一端置于被测温度场中，称为测量端（或工作端、热端）。另一段一般要求恒定在某一温度，称为（或工作端、热端）。另一段一般要求恒定在某一温度，称为参考端（或自由端、冷端）。参考端（或自由端、冷端）。-8第八页，讲稿共四十三页哦热电势的产生热电势的产生扩散作用电场作用+-金属A金属Bv不同金属具有不同的电子密度；v两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生电场热电现象；v电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡；v电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散作用越强。自由电子密度大自由电子密度小9第九页，讲稿共四十三页哦接触电势与温差电势接触电势与温差电势接触电势：接触电势：温差电势：同一根导体两端处于不同的温度，导体中会产生温差电势（很小可忽略不计）。K：波尔兹曼常数，e：单位电荷电量n，N为自由电子密度。-10第十页，讲稿共四十三页哦热电偶回路的总的热电势热电偶回路的总的热电势 接触电势的大小与不同导体的电子密度及接点处温度高低接触电势的大小与不同导体的电子密度及接点处温度高低 有关有关.回路热电势的大小回路热电势的大小仅与仅与材料和端点的温度材料和端点的温度有关，与有关，与热电偶热电偶的尺寸形状无关的尺寸形状无关。当冷端温度保持不变时，热电势才是被测热端温度的单当冷端温度保持不变时，热电势才是被测热端温度的单值函数值函数-11第十一页，讲稿共四十三页哦2、热电偶基本定律、热电偶基本定律如下：中间导体定律中间导体定律：如果插入热电偶回路的第三根导线两端的温度相同，将不影响整个回路总的热电势。等值替代定律等值替代定律：在某一温度范围内如果产生的热电势相同，则两支热电偶在此温度范围内可互相代用。均质导体定律均质导体定律：由同一种均质导体组成的闭合回路不可能产生热电势。中间温度定律中间温度定律：12第十二页，讲稿共四十三页哦3、标准化热电偶与分度表、标准化热电偶与分度表热电偶的材质要求热电偶的材质要求v单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性关系；v热电性质稳定；v化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀；v具有较好的延展性，易于加工；v复现性好，便于批量生产和互换。几种型号（分度号）的国际标准化热电偶正极负极长期工作：1300 oCS：铂铑10-铂，-501768oC;K：镍铬-镍硅，-2701372oC;长期工作：900 oC13第十三页，讲稿共四十三页哦热电偶的热电特性使使冷冷端端保保持持0 0时时，得得到到热热电电偶偶的的 热热电电特特性性-14第十四页，讲稿共四十三页哦温度的计算当已知冷端温度当已知冷端温度不等于不等于0 0摄氏度时摄氏度时，如何计算所测，如何计算所测的温度值的温度值?回路的热电势差表可得热电偶的分度表见附录一：第95页15第十五页，讲稿共四十三页哦4、补偿导线补偿导线问题引出：问题引出：热电偶一般由贵金属制成，热电偶一般由贵金属制成，热电极长度有限；热电极长度有限；生产现场距控制室较远；生产现场距控制室较远；热电偶冷端暴露于空热电偶冷端暴露于空间，易受周围环境温度影响。间，易受周围环境温度影响。解决方法：解决方法：把热电偶的冷端延伸到远离被测对把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方。象且温度比较稳定的地方。选用一种具有和所连接的热电偶相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同的热电性能，其材料又是廉价金属导线。导线。补偿导线功功 能：能：v其一其一延长了热电偶的冷端延长了热电偶的冷端；v其二是降低了成本。其二是降低了成本。造成浪费造成浪费16第十六页，讲稿共四十三页哦带有补偿导线的热电偶测温原理。显示仪表AB补偿导线ABt1t217第十七页，讲稿共四十三页哦使用补偿导线应注意的问题：使用补偿导线应注意的问题：不同的热电偶配不同的补偿导线；补偿导线有正（绝缘层为红色）、负极，分别接热电偶的正、负极；补偿导线两个接点的温度应相同补偿导线的作用只是延伸了热电偶的冷端，当冷端温度不等于0时需要对冷端温度进行补偿。18第十八页，讲稿共四十三页哦5、热电偶的冷端温度补偿 热电偶的热电动势大小与热电极材料和两节点的温度有热电偶的热电动势大小与热电极材料和两节点的温度有关关,同时热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表都是以热电同时热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表都是以热电偶参考端温度等于零为条件的。但实际上偶参考端温度等于零为条件的。但实际上,冷端温度受周围温度的冷端温度受周围温度的影响不可能保持为影响不可能保持为 C C 或某一常数。因此要测出实际温度就必或某一常数。因此要测出实际温度就必须采取修正或补偿措施。须采取修正或补偿措施。常用的补偿方法有：冷端温度保持 C C法；冷端温度修正法；校正仪表零点法校正仪表零点法；补偿电桥法补偿电桥法；补偿热电偶法；补偿是相对的，因此有一定误差！补偿是相对的，因此有一定误差！19第十九页，讲稿共四十三页哦冷端温度保持C法；1 1）冷端温度保持 C C法:使冷端温度处于C。例如：将冷端放在盛有绝缘油的试管中，再置入装满冰水混合物冰水混合物的容器中,容器维持在C不变，精度高。用在实验室和精密用在实验室和精密测量，测量，“冰浴法冰浴法”20第二十页，讲稿共四十三页哦冷端温度修正法冷端温度修正法；校正仪表零点法校正仪表零点法2 2）修正法）修正法3 3）校正仪表零点法校正仪表零点法设：冷端温度恒为设：冷端温度恒为t t0 0（t t0 000）,被测温度为被测温度为t t！修正公式修正公式如下：如下：被测温度 t 的热电势测量得出的热电势 冷端 t0的热电势将显示仪表的机械零点调至将显示仪表的机械零点调至t t0 0处，相当于在输入热电偶热电处，相当于在输入热电偶热电势之前就给显示仪表输入了电势势之前就给显示仪表输入了电势E(t(t0 0 ,0),0)。21第二十一页，讲稿共四十三页哦例：例：用用S S型热电偶测温，热电偶的冷端温度型热电偶测温，热电偶的冷端温度t t0 0=20=20，测得热电势，测得热电势为为7.32 mv7.32 mv，求被测对象的实际温度，求被测对象的实际温度t t。由分度表查得由分度表查得 E(20,0)=0.113 mv E(20,0)=0.113 mv 则则 ：E(t,0)=E(t,tE(t,0)=E(t,t0 0)+E(t)+E(t0 0,0),0)=7.32+0.113 =7.32+0.113 =7.434 mv =7.434 mv 再查分度表得其对应的被测温度再查分度表得其对应的被测温度t=808t=808解：解：22第二十二页，讲稿共四十三页哦补偿电桥法；补偿电桥法；4 4）、补偿电桥法）、补偿电桥法：利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电：利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电势的变化值。偶因自由端温度变化而引起的热电势的变化值。v铜电阻v蜢铜电阻v电桥平衡时的温度v显示仪表的起始点 （机械零点）在在2020平衡，须把显示仪表的机械零点预先调整到平衡，须把显示仪表的机械零点预先调整到2020。23第二十三页，讲稿共四十三页哦补偿热电偶法；补偿热电偶法；24第二十四页，讲稿共四十三页哦6 6、热电偶的结构、热电偶的结构p普通型普通型 通常由热电极、绝缘套管、保护管和通常由热电极、绝缘套管、保护管和 接线盒等主接线盒等主要部分组成要部分组成.p2.铠装热电偶铠装热电偶 它是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接它是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体密封和装配等工艺制成的坚实的组合体.p3.薄膜热电偶薄膜热电偶.p4.表面热电偶表面热电偶.25第二十五页，讲稿共四十三页哦普通型普通型热电偶的结构热电偶的结构-26第二十六页，讲稿共四十三页哦铠装铠装热电偶的结构热电偶的结构-27第二十七页，讲稿共四十三页哦四、热电阻测温四、热电阻测温1、金属热电阻、金属热电阻(热电阻热电阻)2、半导体热电阻、半导体热电阻(热敏电阻热敏电阻)电阻的热效应电阻的热效应:利用金属电阻随温度变化的规律进行测量。T R热电阻材料要求：材料要求：电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；量要小，在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。且价格便宜。28第二十八页，讲稿共四十三页哦1、金属热电阻、金属热电阻(热电阻热电阻)铂电阻铂电阻测温范围：测温范围：200200850 850 C C ；R Rt t=R=R0 0(1+(1+AtAtBtBt2 2 CtCt3 3)；当当0 0650650 C C 由实验求得工业上常用的铂电阻有两种，一种是工业上常用的铂电阻有两种，一种是R010，对应分度号为，对应分度号为Pt10。另一种是。另一种是R0100，对应分度号为，对应分度号为Pt100。分度号：分度号：Pt10,Pt10029第二十九页，讲稿共四十三页哦1、金属热电阻、金属热电阻(热电阻热电阻)铜电阻：铜电阻：测温范围：测温范围：5050150 150 C C ；R Rt t=R=R0 0(1+(1+t t)；近似线性；近似线性；温度t时的电阻值 温度0时的电阻值 分度号：分度号：Cu50,Cu100Cu50,Cu100金属铜易加工提纯，价格便宜；它的电阻温度系数很大，且电阻与温度呈线性关系；在测温范围为-50+150内，具有很好的稳定性。30第三十页，讲稿共四十三页哦热电阻的结构热电阻的结构（1 1 1 1）普通型热电阻）普通型热电阻）普通型热电阻）普通型热电阻 主要由主要由电阻体电阻体、保护套管保护套管和和接线接线盒盒等主要部件所组成。等主要部件所组成。图3-67 热电阻的支架形状(已绕电阻丝)（2 2 2 2）铠装热电阻）铠装热电阻）铠装热电阻）铠装热电阻 将电阻体预先拉制成型并与绝缘材料和保护套管连成一体。（3 3 3 3）薄膜热电阻）薄膜热电阻）薄膜热电阻）薄膜热电阻 将热电阻材料通过真空镀膜法，直接蒸镀到绝缘基底上。31第三十一页，讲稿共四十三页哦工业热电阻工业热电阻 的的基本结构基本结构32第三十二页，讲稿共四十三页哦工业热电阻工业热电阻 的的引线形式引线形式33第三十三页，讲稿共四十三页哦2、半导体热电阻、半导体热电阻(热敏电阻热敏电阻)负负电阻温度系数的热敏电阻电阻温度系数的热敏电阻（NTC型）型）指数关系指数关系优缺点优缺点34第三十四页，讲稿共四十三页哦热敏电阻热敏电阻结构形式结构形式35第三十五页，讲稿共四十三页哦五、辐射式温度计五、辐射式温度计辐射式温度计是利用物体的辐射能随温度而变化的原理制成的。(非接触式)检测原理：温度为T的物体对外辐射的能量E可用普朗克定律来描述。E（，T），：波长。在整个波长范围内的总能量是温度的单值函数；特定波长上的辐射能是温度的单一函数；两个特定波长上的辐射能之比也是温度的单值函数。辐射测温的基本方法1.全辐射测温法：2.亮度法：3.比色法：根据辐射体的颜色与温度相对应的原理，可用光电方法测量辐射体在不同波长下的光谱辐射强度之比来实现测温。辐射温度计主要由光学系统、光电转换系统和信号处理与变换电路等部分组成。36第三十六页，讲稿共四十三页哦六、测温元件的安装611.1.1.1.测温元件的安装要求测温元件的安装要求测温元件的安装要求测温元件的安装要求（1 1）在测量管道温度时，应保证测温元件与流体在测量管道温度时，应保证测温元件与流体充分接触充分接触，以减少测量误差。见图以减少测量误差。见图3-733-73。（2 2）测温元件的测温元件的感温点感温点应处于管道中应处于管道中流速最大处流速最大处。图3-73 测温元件安装示意图之一37第三十七页，讲稿共四十三页哦图3-74 测温元件安装示意图之二62（3 3）测温元件应有足够的测温元件应有足够的插入深度插入深度，以减小测量误差。见图，以减小测量误差。见图3-3-7474。38第三十八页，讲稿共四十三页哦63（4 4）若工艺管道过小（直径小于若工艺管道过小（直径小于8080mm），安装测温元件处应接装），安装测温元件处应接装扩大管，如图扩大管，如图3-753-75所示。所示。图3-75 小工艺管道上测温元件安装示意图39第三十九页，讲稿共四十三页哦图3-76 热电偶或热电阻安装示意图64（6 6）为了）为了防止热量散失防止热量散失，测温元件应插在有，测温元件应插在有保温层保温层的管道或设的管道或设备处。备处。（7 7）测温元件安装在测温元件安装在负压管道负压管道中时，必须保证其中时，必须保证其密封性密封性，以防外界，以防外界冷空气进入，使读数降低。冷空气进入，使读数降低。（5 5）热电偶、热电阻的热电偶、热电阻的接线盒面盖应向上接线盒面盖应向上，以避免雨水或其他液，以避免雨水或其他液体、脏物进入接线盒中影响测量，如图体、脏物进入接线盒中影响测量，如图3-763-76所示。所示。40第四十页，讲稿共四十三页哦652.2.2.2.布线要求布线要求布线要求布线要求（1 1）按照规定的型号配用热电偶的补偿导线，注意热电偶的按照规定的型号配用热电偶的补偿导线，注意热电偶的正、负极正、负极与补偿导线的正、负极相连接，不要接错。与补偿导线的正、负极相连接，不要接错。（2 2）热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求。热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求。（3 3）为了保护连接导线与补偿导线不受外来的机械损伤，应为了保护连接导线与补偿导线不受外来的机械损伤，应把连接导线或补偿导线穿入钢管内或走槽板。把连接导线或补偿导线穿入钢管内或走槽板。41第四十一页，讲稿共四十三页哦（6 6）补偿导线不应有中间接头补偿导线不应有中间接头，否则应加装接线盒。另外，否则应加装接线盒。另外，最好与其他导线分开敷设。最好与其他导线分开敷设。（5 5）导线应尽量导线应尽量避开交流动力电线避开交流动力电线。（4 4）导线应尽量避免有接头。应有良好的绝缘。禁止与交流导线应尽量避免有接头。应有良好的绝缘。禁止与交流输电线合用一根穿线管，以免引起感应。输电线合用一根穿线管，以免引起感应。6642第四十二页，讲稿共四十三页哦第六节第六节 现代检测技术与传感器的发展现代检测技术与传感器的发展一、软测量技术的发展一、软测量技术的发展67解决工业过程的测量要求的两条途径：解决工业过程的测量要求的两条途径：解决工业过程的测量要求的两条途径：解决工业过程的测量要求的两条途径：沿袭传统的检测技术发展思路，通过研制新型的过程沿袭传统的检测技术发展思路，通过研制新型的过程测量仪表，以测量仪表，以硬件硬件形式实现过程参数的形式实现过程参数的直接直接在线测量；在线测量；采用采用间接测量间接测量的思路，利用易于获取的其他测量信息，通的思路，利用易于获取的其他测量信息，通过过计算计算来实现被检测量的来实现被检测量的估计估计。（。（*）43第四十三页，讲稿共四十三页哦