《热工仪表》PPT课件.ppt

第二章第二章 温度检测仪表温度检测仪表本章要点n n温度、温标的概念n n温度的测量及各种温度计n n热电效应、热电偶的原理、性质n n热电偶冷端温度补偿常用的方法n n常用热电偶有几种、它们的测温范围n n温度变送器的作用温标及温度的测量温标及温度的测量温标n n 温度：表征物体冷热程度的物理量表征物体冷热程度的物理量。n n 温标：温度测量的标准，衡量温度高低的标尺。温度测量的标准，衡量温度高低的标尺。目前所用的温标：目前所用的温标：1、华氏温标，1724年华氏（Daniel Fahrenheit）提出在1个大气压下，水的冰点为32度，沸点为212度，中间分为180等份，每份为1度，以“”表示。2、摄氏温标，1742年摄氏（Anders Celsius）提出，水的冰点为0度，沸点定位100度，等份100份，每份为1度，以“”表示。两者的关系两者的关系:3 3、热力学温标，热力学温标是根据热力学第二定、热力学温标，热力学温标是根据热力学第二定律建立起来的。律建立起来的。卡诺循环式：卡诺循环式：热力学温标所定义：温度只与热量有关，而与物热力学温标所定义：温度只与热量有关，而与物质的性质无关。质的性质无关。n n热力学温标规定：分子运动停止时的温度为绝对热力学温标规定：分子运动停止时的温度为绝对零度，单位为零度，单位为“K”“K”，符号，符号“T”“T”表示，又称绝对表示，又称绝对温标或开尔文温标。温标或开尔文温标。4 4、国际协议温标（国际温标），国际计量委员会、国际协议温标（国际温标），国际计量委员会2020年修改一次，自年修改一次，自19901990年年1 1月月1 1日起，凡是涉及日起，凡是涉及温度量的值一律以温度量的值一律以ITS-90ITS-90为准（热为准（热P30P30），），用用 替代替代 ，水的冰点，水的冰点273.16K,273.16K,沸点。沸点。温度的测量n n用于测量温度的仪表称为测温仪表，简称温度计。用于测量温度的仪表称为测温仪表，简称温度计。n n温度不能直接加以测量，只能借助：温度不能直接加以测量，只能借助：冷热不同物体之间的热交换，温度平衡时，温冷热不同物体之间的热交换，温度平衡时，温度相同，知一个得另一个（平衡原理）；度相同，知一个得另一个（平衡原理）；物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性：物体的热膨胀，气体、液体成蒸汽的压力，特性：物体的热膨胀，气体、液体成蒸汽的压力，导体的电阻随温度变化，热电势，热辐射等。导体的电阻随温度变化，热电势，热辐射等。n n测量时传感器中有无电信号 分为非电量测量和电量测量两种。n n测量时传感器与被测对象的接触方式不同 分为接触式和非接触式两种。1 1、接触式温度计、接触式温度计 A A、热膨胀式温度计、热膨胀式温度计液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计:酒精酒精红红 色，色，测温范围：测温范围：-80-808080；n n水银电节点温度计 固体膨胀式温度计 固体膨胀式温度计有多种形式，主要分 为:膨胀杆式温度计和双金属温度计两种。温范围：0600。测平均温度。气体膨胀式温度计：气体压力式温度计80550。固体膨胀式温度计常用双金属温度计结构图 B、热电偶温度计 C、热电阻温度计 接触式温度计特点：测量精度高，测量温度上限及使用寿命受到限制（测温材料耐温高低），不易侧运动物体。2、非接触式温度计 热辐射原理，利用物体辐射能随温度变化的性质。特点：测量精度低。热电偶传感器热电偶传感器热电偶n n热电偶温度检测仪表的组成：热电偶、补偿导线、显示仪构成。n n与被测对象接触的一端：热端、测量端、工作段；n n与显示仪表连接的一端：冷端、自由端、参考端。1、热电偶的测温原理n n把两种性质不同的导体A和B的两端连接起来，形成一个闭合回路。如果他们的两个接点处的温度分别为t和t0，当tt0时，回路中就有电动势EAB（t,t0）产生，这一现象成为热电效应。该电势称为热电势，热电势由接触电势和温差电势两部分组成。EAB(t)EAB(t0)EB(t，t0)EA(t，t0)热电偶接触点(如下图)产生接触电势接触电势，接触电势，当当N NA AN NB B,且且tttt0 0式中：式中：N NAtAt N NBt Bt N NAt0 At0 N NBt0Bt0 分别分别表示导体表示导体A A和和B B接触点温度为接触点温度为 t t 和和t t0 0时自由子密度；时自由子密度；e e 单位电荷量单位电荷量 e=1.60210e=1.60210-19-19C C；K K 波尔兹曼常数波尔兹曼常数K=1.3810K=1.3810-23-23J/KJ/K。tEAB(t)温差电势温差电势:t:tt t0 0 E EA A（t,tt,t0 0）=E EB B（t,tt,t0 0）=根据图得：两种不同材料的热电极根据图得：两种不同材料的热电极A A、B B组成的组成的闭合回路，当闭合回路，当t tt t0 0 且且N NA AN NB B时，回路的总热电势时，回路的总热电势E EABAB(t,t(t,t0 0)是两个接触电势及两个温差电势之代数和。是两个接触电势及两个温差电势之代数和。即：热电势即：热电势=温差电势温差电势+接触电势接触电势 E EABAB(t,t(t,t0 0)=E)=EABAB（t t）-E-EA A（t,tt,t0 0）-E-EABAB(t)+E(t)+EB B（t t,t,t0 0）代入整理后得：代入整理后得：E EABAB(t,t(t,t0 0)=)=E(t，t0)tt02 2、热电偶的性质、热电偶的性质A A、当热电偶的材料一定时、当热电偶的材料一定时 只是温度的函只是温度的函数数 。设：。设：得得 即即:热电偶的热电势是热电偶热端温度热电偶的热电势是热电偶热端温度t t和冷端和冷端温度温度 的函数差。的函数差。注意注意注意注意：不是温度差的函数：不是温度差的函数。即即:B B、当两种材料性质相同时：、当两种材料性质相同时：两种材料相同的金属制作的热电偶，两种材料相同的金属制作的热电偶，则不能构成热电偶。则不能构成热电偶。C、若自由端温度 恒定,则 为常数，即：则：n n可见，热电偶回路中的热电势是温度的单值函数，这就是热电偶的测温原理。注意注意：不同材料A和B组成的热电偶，其热电势 大小不相同；自由端温度 必须保持恒定，否则会带来测温误差。D、当若自由端温度 =0 在实际应用中，做出冷端温度为0的各种热端温度的试验制成表格，供使用者查用，此表格即为“热电偶的分度表热电偶的分度表”。镍铬镍铬-镍硅热电偶分度表（镍硅热电偶分度表（ITS-90ITS-90）分度号：分度号：K K铂铑铂铑1010-铂热电偶分度表铂热电偶分度表(ITS-90)(ITS-90)分度号：分度号：S S E、当t=t0 时，由不同的导体组成的闭合回路，只要各接点的温度相同，则回路中也不会产生热电势。推论推论：当热电回路中接入第三种导体时，只要保证第三种导体（如仪表）两端的温度相同，则不会影响热电偶产生的热电势。此为“中间导体定律中间导体定律”。t0ttt0t0t1t1t0t0tn n综上所述结论：结论：n n1、热电偶必须由两种不同导体组成，产生的热电势只与热电偶的材料和两接点处温度有关，与材料的长短、粗细及中间温度的分布无关。n n贵金属热电偶：细；n n贱金属热电偶：粗。n n2 2、中间温度定律、中间温度定律、中间温度定律、中间温度定律 热电偶在接点热电偶在接点（t t ，t t0 0 ）时的热电势，等于时的热电势，等于该热电偶在接点温度为该热电偶在接点温度为（t t，t t0 0 ）和（）和（t t0 0 ，t t0 0 ）时相应得热电势的代数和）时相应得热电势的代数和。可见可见：只要有了冷端为0的热电偶分度表，在已知自由端温度t0和工作端温度t的情况下，用此式即可求出自由端为t0，工作端温度为t时热电偶的热电势。3、热电偶的基本结构及类型热电偶的基本结构及类型热电偶的基本结构及类型n n热电偶的结构热电偶的结构:有四部分组成，即热电极、绝缘管、有四部分组成，即热电极、绝缘管、保护套管、接线盒。保护套管、接线盒。n n热电偶的材料要求：热电偶的材料要求：A A、热电势要足够大，与温度呈线性或近似线性关、热电势要足够大，与温度呈线性或近似线性关系；系；B B、在使用温度范围内，物理、化学性能稳定；、在使用温度范围内，物理、化学性能稳定；C C、热电性能稳定，易于复现，同类型热电偶互换、热电性能稳定，易于复现，同类型热电偶互换性好；性好；DD、电导率高，比热与电阻温度系数要小；、电导率高，比热与电阻温度系数要小；E E、加工方便，价格便宜。、加工方便，价格便宜。热电偶实际外形图1热电偶实际外形图2保护套管（硅碳棒）陶瓷保护套管热电偶的类型热电偶的类型：（1）标准热电偶，能成批生产，性能稳定，具有统一的分度表，可以互换，有配套的显示仪表。A A、T T型型 WRC WRC 铜铜-康铜康铜 -200 -200350350B B、K K型型 WRN WRN 镍鉻镍鉻-镍硅镍硅 -200 -20011001100C C、E E型型 WRK WRK 镍鉻镍鉻-康铜康铜 -40 -40800800DD、J J型型 WRF WRF 铁铁-康铜康铜 -40 -40700700 E E、N N型型 镍鉻硅镍鉻硅-镍硅镍硅 -200 -20012001200 最高最高13001300 注注注注：国际上：国际上8686年推荐，我国年推荐，我国8888年制定工业标准，高年制定工业标准，高温度稳定性比温度稳定性比K K型高，与型高，与S S型接近，价格是型接近，价格是S S型型1/10,1/10,有全面替代有全面替代T T、K K、E E、J J四种热电偶。四种热电偶。F F、S S型型 WRP WRP 铂铑铂铑10-10-铂铂 0 014001400 最高最高 1600 1600 G G、B B型型 WRR WRR 铂铑铂铑30-30-铂铑铂铑6 06 016001600 最高最高 1800 1800 H H、R R型型 铂铑铂铑13-13-铂铂 0 016001600 最高最高 1800 1800（2）非标准热电偶（特殊热电偶）A A、凯装热电偶、凯装热电偶凯装热电偶实际外形图B B、表面热电偶、表面热电偶 测量固体表面，炉壳表面的温度测量固体表面，炉壳表面的温度 300 300以下以下C、快速热电偶 测量铁水、钢水或其他熔融金属1600DD、钨、钨-铼系热电偶，适用于惰性气体或氢气及真空铼系热电偶，适用于惰性气体或氢气及真空 中使用，上限温度中使用，上限温度2400240028002800E E、镍鉻、镍鉻-金铁热电偶：金铁热电偶：-270-2700 0F F、非金属热电偶：高温盐浴炉测温、非金属热电偶：高温盐浴炉测温25002500左右，左右，目前还在研究状态。目前还在研究状态。GG、抽气热电偶：测量气流温度。、抽气热电偶：测量气流温度。4 4、热电偶冷端温度补偿、热电偶冷端温度补偿n n 为什么须对冷端温度进行补偿？为什么须对冷端温度进行补偿？为什么须对冷端温度进行补偿？为什么须对冷端温度进行补偿？要求冷端温度恒定或为零度，是因为热电偶所产生要求冷端温度恒定或为零度，是因为热电偶所产生的热电势不仅与被测温度有关，而且还和冷端的温度有的热电势不仅与被测温度有关，而且还和冷端的温度有关，只有冷端温度恒定后，热电势才能和被测温度成单关，只有冷端温度恒定后，热电势才能和被测温度成单值函数关系；保持冷端为值函数关系；保持冷端为00，是因为热电偶分度表和，是因为热电偶分度表和显示仪表都是以冷端为显示仪表都是以冷端为00制定和设计的；实际测量时，制定和设计的；实际测量时，冷端温度受设备温度和环境温度影响不能恒定和维持冷端温度受设备温度和环境温度影响不能恒定和维持00，从而造成测量误差，故须对冷端温度进行补偿，从而造成测量误差，故须对冷端温度进行补偿。常用的补偿方法：补偿导线法（延伸导线法）n n补偿导线的作用：将热电偶的冷端延长到温度恒定补偿导线的作用：将热电偶的冷端延长到温度恒定或波动小地方。或波动小地方。n n补偿导线：廉价的金属导线；在一定温度范围（补偿导线：廉价的金属导线；在一定温度范围（0 0100100）补偿导线与所配的热电偶有相同或相近）补偿导线与所配的热电偶有相同或相近的热电特性。的热电特性。常用补偿导线补偿导线 使用补偿导线时，必须注意以下几点：（1）补偿导线必须与相应型号的热电偶配用；（2）补偿导线在与热电偶、仪表连接时，正负极不能接错，两对连接点要处于相同温度；（3）补偿导线与热电偶连接点温度不得超过规定使用的温度范围；（4）要根据所配仪表的不同要求选有补偿导线的线径。计算校正法（最常见的方法）例：用镍铬例：用镍铬-镍硅热电偶测温，冷端温度镍硅热电偶测温，冷端温度t t0 0=35=35 时，测得时，测得E Ek k（t,tt,t0 0），问被测温），问被测温度度t=t=？解：解：E Ek k（t,0t,0）=E=E（t,tt,t0 0）+E+E（t t0 0,0,0）=E(t,35)+E(35,0)=E(t,35)+E(35,0)=33.339+1.407 =33.339+1.407 查表得查表得:t=836:t=836 注：注：注：注：用计算法来补偿冷端温度变化的影响，只适于用计算法来补偿冷端温度变化的影响，只适于用计算法来补偿冷端温度变化的影响，只适于用计算法来补偿冷端温度变化的影响，只适于实验室测温，在工业中采用了直读式仪表，此方法实验室测温，在工业中采用了直读式仪表，此方法实验室测温，在工业中采用了直读式仪表，此方法实验室测温，在工业中采用了直读式仪表，此方法不方便。不方便。不方便。不方便。冷端恒温法：冰点槽冰点槽冰点槽冰点槽：当冰水混合：当冰水混合物物 t t0 0=0=0，此时，此时，用毫伏计测量的毫伏用毫伏计测量的毫伏值、直接查表、不须值、直接查表、不须修正；用显示仪表则修正；用显示仪表则直接读数。直接读数。当恒温器温度当恒温器温度t t0 0=C =C 则如步骤则如步骤补偿电桥法（冷端补偿器）我国工业用补偿器有：平衡点温度为0和20两种。对温度补偿只能近似补偿，参比端温度变化会带来附加误差。5、常用热电偶的测量线路常用热电偶的测量线路基本测量线路基本测量线路热电偶的串联n n测温度和：测温度和：t t1 1+t+t2 2+t+t3 3+t+t4 4n n测温度差：测温度差：t t1 1-t-t2 2t1t2t3t4(a)热电偶得并联测平均温度测平均温度：t1t2t3t4热电偶的反向串联双表测量回路双表测量回路可能产生以下问题双表测量回路可能产生以下问题双表测量回路可能产生以下问题双表测量回路可能产生以下问题：n n双表回路中两指显示仪表会相互干扰，使示值产双表回路中两指显示仪表会相互干扰，使示值产生误差。生误差。A A、若显示仪表若显示仪表GG1 1 和和GG2 2都是电位差计，当电位差都是电位差计，当电位差计平衡时，回路中无电流，则无影响；计平衡时，回路中无电流，则无影响；B B、若显示仪表若显示仪表GG1 1和和GG2 2都是动圈仪表，由于输入每都是动圈仪表，由于输入每只显示仪表的电流比单独一只表的小，所以仪表只显示仪表的电流比单独一只表的小，所以仪表显示的温度偏低；不能采用这种回路；显示的温度偏低；不能采用这种回路；C C、若若GG1 1是动圈表，是动圈表，GG2 2是电位计，但电桥平衡时回是电位计，但电桥平衡时回路中无电流，路中无电流，GG2 2不影响不影响GG1 1，但由于，但由于GG1 1中有电流流中有电流流过，过，GG2 2得指示值偏低。得指示值偏低。6、热电偶的使用与安装A、热电偶在使用中应注意的事项 测温点的选择 外保护套管的考虑 绝缘 避免附加电势的影响干扰：屏蔽线接地 B、热电偶的安装 消除导热误差7、热电偶的校验n n热电偶在出厂或使用一段时间后，热端氧化、腐蚀或者高热电偶在出厂或使用一段时间后，热端氧化、腐蚀或者高温下热电偶材料发生再结晶等都要进行校验。温下热电偶材料发生再结晶等都要进行校验。常用热电偶校验温度点常用热电偶校验温度点8、热电偶的使用与安装A A、热电偶在使用中应注意的事项、热电偶在使用中应注意的事项n n测温点的选择测温点的选择n n外保护套管的的考虑外保护套管的的考虑n n绝缘绝缘n n避免附加电势的影响干扰：屏蔽线接地。避免附加电势的影响干扰：屏蔽线接地。B B、热电偶的安装、热电偶的安装 为消除导热误差为消除导热误差屏蔽导线的屏蔽层接地应注意的问题 n n屏蔽层应一端接地，另一端浮空，接地处可设在电子装置处或检测元件处，视具体抗干扰效果而定。若两侧均接地，屏蔽层与大地形成回路，共模干扰信号将经导线与屏蔽层间的分布电容进入电子设备，引进干扰，而一端接地，仅与一侧保持同电位，则屏蔽层与大地不构成回路，就无干扰信号进入电子设备，从而避免大地共模干扰电压的侵入。补充作业：1、用K型热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mv，冷端（室温）为25，求设备的温度？如果改用S型热电偶来测温，在相同的条件下，S型热电偶测得的热电势为多少？2、现用一支镍铬-镍硅热电偶（K型）测某换热器内的温度，其冷端温度为30，显示仪表的机械零位在0时，这时指示值为400，则认为换热器内的温度为430对不对？为什么？正确值为多少度？2.4 电动温度变送器电动温度变送器 热电偶的毫伏信号及热电阻的阻值变化信号，经热电偶的毫伏信号及热电阻的阻值变化信号，经温度变送器被转换成统一的电流信号。此信号若输温度变送器被转换成统一的电流信号。此信号若输入到显示、记录仪表中，可进行温度的自动检测；入到显示、记录仪表中，可进行温度的自动检测；若输入到调节器中，可组成自动调节系统，进行自若输入到调节器中，可组成自动调节系统，进行自动调节；经过转换输入到电子计算机中，可进行温动调节；经过转换输入到电子计算机中，可进行温度巡回检测、计算机控制等。度巡回检测、计算机控制等。n n变送器是将检测元件中输出的信号转换成标准信号变送器是将检测元件中输出的信号转换成标准信号的仪表。电动温度变送器是将测温元件（热电偶、的仪表。电动温度变送器是将测温元件（热电偶、热电阻）的输出信号（毫伏或电阻变化信号），转热电阻）的输出信号（毫伏或电阻变化信号），转换成为标准的电信号换成为标准的电信号（DC 010mADC 010mA或或DC DC I I0 0=420mA=420mA、U U0 0=15V=15V）的一种电动单元组合的一种电动单元组合式仪表。式仪表。市场供应的温度变送器市场供应的温度变送器DDZ-DDZ-型型 半导体半导体 DC 0 DC 010mA 6010mA 60年代产品年代产品DDZ-DDZ-型型 集成电路集成电路 DC 4 DC 420mA DC 15V 7020mA DC 15V 70年年代产品代产品DDZ-SDDZ-S系列系列 传感器与变送器合为一体传感器与变送器合为一体 80 80年代产品年代产品2.4.1DDZ-2.4.1DDZ-温度变送器的工作原理温度变送器的工作原理n n如图所示，主要由量程单元和放大单元两部分组成如图所示，主要由量程单元和放大单元两部分组成。1、量程单元A A、输入回路如图：、输入回路如图：B B、冷端温度补偿和零位、满度调整冷端温度补偿和零位、满度调整回路回路由由得得 当自由端温度当自由端温度t t1 1=0=0时，时，式代入式代入式得式得 当自由端温度当自由端温度t t1 10 0时时 式中：所以：一体化温度变送器一体化温度变送器n n热电偶+变送器=一体化温度变送器n n 所谓一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温元件（热电偶或热电阻）接线盒或专用接线盒内的温度变送器。n n它的优点：体积小、重量轻、现场安装方便以及输出信号抗干扰能力强，省补偿导线等优点。热电偶（阻）在工作状态下所测得的热电势（电热电偶（阻）在工作状态下所测得的热电势（电阻）的变化，经过温度变送器的电桥产生不平衡信阻）的变化，经过温度变送器的电桥产生不平衡信号，经放大后转换成为号，经放大后转换成为420mA420mA电信号给工作仪表，电信号给工作仪表，工作仪表便显示所对应的温度值。工作仪表便显示所对应的温度值。复习题：复习题：n n1 1在热电偶测温回路中，只要显示仪表和连接导在热电偶测温回路中，只要显示仪表和连接导线两端温度相同，热电偶（线两端温度相同，热电偶（）不会因他）不会因他们的接入而改变，这是根据（们的接入而改变，这是根据（）定律而）定律而得出的结论。得出的结论。n n2 2热电偶产生热电势的条件是（热电偶产生热电势的条件是（）、（）、（）。）。n n3 3分度号分度号S S、K K、E E三种热偶中，三种热偶中，100100时的电势时的电势分别为（分别为（）、（）、（）、（）、（）。）。n n4 4用热偶测量温度时，其连接导线应该使用（用热偶测量温度时，其连接导线应该使用（）。）。铂铑铂铑3030-铂铑铂铑6 6热电偶分度表热电偶分度表(ITS-90)(ITS-90)分度号：分度号：B B镍铬镍铬-康铜热电偶分度表（康铜热电偶分度表（ITS-90ITS-90）分度号：分度号：E E铜铜-康铜热电偶分度表（康铜热电偶分度表（ITS-90ITS-90）分度号：分度号：T Tn n练习练习n n1 1、什么是温度、温标？、什么是温度、温标？n n2 2、什么是热电偶的热点效应？、什么是热电偶的热点效应？n n3 3、补偿导线的作用是什么？、补偿导线的作用是什么？n n4 4、用热电偶测温时需对冷端温度进行处理，常用、用热电偶测温时需对冷端温度进行处理，常用的方法有哪几种？的方法有哪几种？n n5 5、铂铑、铂铑铂热电偶的正极材料是什么？铂热电偶的正极材料是什么？n n6 6、