石油大学化工仪表温测量及变送

1、测量仪表与自动化测量仪表与自动化 第一节第一节 概概 述述 温度是重要的热工参数温度是重要的热工参数, ,如热炉的温度如热炉的温度, ,温度太高温度太高, ,会导致会导致 炉子损坏炉子损坏, ,另外另外, ,温度太高温度太高, ,使得加热的物料温度太高使得加热的物料温度太高, ,影响生影响生 产正常进行产正常进行, ,所以测出温度并进行控制具有重要意义。所以测出温度并进行控制具有重要意义。 一、测温基本原理一、测温基本原理 温度是用来表示物体冷热程度的物理量温度是用来表示物体冷热程度的物理量 温度测量有接触式和非接触式测量温度测量有接触式和非接触式测量: : (1) (1) 接触式温度计接触式

2、温度计: : 利用利用:(A) :(A) 热交换热交换, ,充分接触充分接触, ,如体温计如体温计. . (B) (B) 某种物体的物理特性某种物体的物理特性, ,如热胀冷缩如热胀冷缩, ,金属温度计金属温度计. (2) (2) 非接触式温度计非接触式温度计. . 利用高温辐射等利用高温辐射等. . 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 工程上测温采用摄代温标工程上测温采用摄代温标: :用用t t表示，单位记为表示，单位记为 计算上采用国际温标：热力学温度计算上采用国际温标：热力学温度, ,用符号用符号T T表示，表示， 单位是开尔文，记为单位是开尔文，记为K.

3、K. t=T-273.15t=T-273.15 三、温度测量仪表的分类三、温度测量仪表的分类 1 1、按工作原理分：、按工作原理分： 膨胀式，热电阻、热点偶式及辐射式等膨胀式，热电阻、热点偶式及辐射式等 2 2、按测量方式分：、按测量方式分： 接触式、非接触式。接触式、非接触式。 二、温二、温 标标 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 第二节第二节 膨膨 胀胀 式式 温温 度度 计计 膨胀式温度计常见的形式有：玻璃液体式温度计、气体压膨胀式温度计常见的形式有：玻璃液体式温度计、气体压 力式温度计、双金属温度计等。力式温度计、双金属温度计等。 双金属温度计利用两种膨胀系数不同的金属来测量温度。双金

4、属温度计利用两种膨胀系数不同的金属来测量温度。 两种膨胀系数不同的金属片焊接在一起两种膨胀系数不同的金属片焊接在一起, ,受热膨胀情况不同受热膨胀情况不同, ,产产 生弯曲生弯曲: :弯曲程度与温度成比例弯曲程度与温度成比例. . 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 第三节第三节 热热 电电 偶偶 温温 度度 计计 一、组成一、组成 1 1、热电偶、热电偶: :测温元件测温元件 2 2、导线、导线: :补偿导线补偿导线 3 3、显示仪表、显示仪表: :动圈表、电位差计、数字式显示仪表动圈表、电位差计、数字式显示仪表 二、测温原理二、测温原理 热电效应热电效应-两种不同的两种不同的 导体或半导体连

5、接成一个闭合导体或半导体连接成一个闭合 回路回路, ,若两接点温度不同若两接点温度不同, ,回路回路 中会产生热电动势。这个电势中会产生热电动势。这个电势 包括温差电势和接触电势。包括温差电势和接触电势。 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 1 1、温差电势、温差电势 tttt0 0, , 热端电子能量热端电子能量 冷端电子能量冷端电子能量, , 则则V Vt t( (电子移动速度电子移动速度 )V)Vt t0 0, , 从而使热端缺电子而带正电从而使热端缺电子而带正电, ,冷端多电子带负电冷端多电子带负电, , 热冷两热冷两 端形成了电场端形成了电场e(t,te(t,t0 0),),冷端电子多

6、了之后排斥热端来的电子冷端电子多了之后排斥热端来的电子, ,则则 Vt减小减小, ,同时热端由于带正电而吸引电子同时热端由于带正电而吸引电子, , 则则VtVt0 0增大增大, ,最后最后V Vt t0 0= = V Vt t, , 即达到平衡即达到平衡, ,已形成稳定电场已形成稳定电场e(t,te(t,t0 0).). t t A dt 0 eA=(t,t0)= A-Thomson系数系数 2 2、接触电势、接触电势 两种导体两种导体A A和和B B电子密度不同，假设电子密度不同，假设N NA ANNB B， 两种导体焊接一起时电子相互扩散速度不同，两种导体焊接一起时电子相互扩散速度不同，

7、导致接触电势导致接触电势e eAB AB(t), (t),大小取决于两导体电子密大小取决于两导体电子密 度比值及接点温度。度比值及接点温度。 e kt B A N N eAB(t)= k k波尔兹曼常数；波尔兹曼常数； e e单位电荷；单位电荷； N NA A,N,NB B-在温度为在温度为t t时导体时导体A A和和B B的电子密度的电子密度 t t接触点的温度接触点的温度 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 实践证明：实践证明： 接触电势远大于温差电势，则热电势主要由接触电势决定。接触电势远大于温差电势，则热电势主要由接触电势决定。 将两导体组成闭合回路时，回路总电动势：将两导体组成闭合回路

8、时，回路总电动势： E EAB AB（ （t t，t t0 0）= e= eAB AB（ （t t）+e+eB B(t,t(t,t0 0)- e)- eAB AB（ （t t0 0）-e-eA A(t,t(t,t0 0) ) 温差电势远小于接触电势温差电势远小于接触电势, ,忽略温差电势。忽略温差电势。 Note:Note: e eAB AB(t)=-e (t)=-eBA BA(t) E (t) EAB AB(t,t (t,t0 0)=-E)=-EBA BA(t,t (t,t0 0)=-E)=-EAB AB(t (t0 0,t) ,t) (1) E (1) EAB AB（ （t t，t t0

9、0）取决于两种材料及两端温度取决于两种材料及两端温度,与导与导 体粗细体粗细 长短无关。长短无关。 (2) (2) 材料选定材料选定, ,且固定冷端温度且固定冷端温度t t0 0, ,如测得如测得E EAB AB（ （t t，t t0 0）则可）则可 知知t(t(工作端温度工作端温度). ). (3) (3) 两端温度相同或两种相同材料均无法产生热电势。两端温度相同或两种相同材料均无法产生热电势。 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 3 3、热电偶基本定律、热电偶基本定律 第三导体定律：第三导体定律： 回路中接入第三种导体回路中接入第三种导体, ,只要第三种导体两端温度相同只要第三种导体两端温度

10、相同, , 则对测量回路的总电势没有影响。这个定律说明在回路中接则对测量回路的总电势没有影响。这个定律说明在回路中接 入各种仪表或导线入各种仪表或导线, ,只要保持导体两端温度相同只要保持导体两端温度相同, ,就不会对测就不会对测 量结果产生影响量结果产生影响. . 中间温度定律：中间温度定律： E ABBA (t,tn,t0)=EAB (t,tn)+E AB(tn,t0) EAB(t,t0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,t0) 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 常用热电偶：常用热电偶： 1 1、铂铑、铂铑30-30-铂铑铂铑6 6 分度号分度号:B :B 测温范围测温范围3003001

11、6001600。 精度高精度高, ,高温测量高温测量, ,价格高价格高, ,热电势很小热电势很小 2 2、铂铑、铂铑10-10-铂铂 分度号分度号:S :S 测温范围测温范围-20-2013001300。 精度最高精度最高, ,可用于精密测量，作基准热偶可用于精密测量，作基准热偶, ,价格高价格高. . 3 3、镍铬、镍铬-镍硅镍硅 分度号分度号:K :K 测温范围测温范围-50-5010001000 热电势大热电势大, ,造价低造价低, ,应用广应用广. . 4 4、镍铬、镍铬-康铜康铜 分度号分度号:E :E 测温范围测温范围-200-200750750 电势最大电势最大, ,价格便宜价格

12、便宜, ,耐腐蚀耐腐蚀, ,应用广应用广. . 5 5、铜、铜-康铜康铜 分度号分度号:T :T 测温范围测温范围-200-200300300 精度较高精度较高, ,稳定性好稳定性好, ,低温测量灵敏度高低温测量灵敏度高. . 三三 分度号与分度表分度号与分度表 热电偶产生的热电势与温度是一种非线性关系，国家标准热电偶产生的热电势与温度是一种非线性关系，国家标准 给出了各种标准热电偶当给出了各种标准热电偶当t t0 0=0=0时的电势值的表时的电势值的表分度表。分度表。 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 五、热电偶冷端温度处理五、热电偶冷端温度处理: : 冷端

13、处于环境中冷端处于环境中, , 环境温度的变化也将导致热电势的变化环境温度的变化也将导致热电势的变化, , 保持保持t t0 0的稳定对提高温度测量准确性有重要作用的稳定对提高温度测量准确性有重要作用, ,也才能保持热也才能保持热 电势与热端温度的单值函数关系，有以下几种方法电势与热端温度的单值函数关系，有以下几种方法: : 1 1、补偿导线延伸法、补偿导线延伸法. . 热电偶造价总是比普通导线高热电偶造价总是比普通导线高, ,如果把热电偶一直接到控制如果把热电偶一直接到控制 室中室中, ,造价太高造价太高, ,我们用两种与热电偶材料热电特性相近但较便我们用两种与热电偶材料热电特性相近但较便

14、宜的导体宜的导体, ,将冷端由现场延伸到控制室内将冷端由现场延伸到控制室内, ,这种导线叫补偿导线这种导线叫补偿导线, , 补偿导线有补偿型和延伸型两种。补偿导线有不同的型号，对补偿导线有补偿型和延伸型两种。补偿导线有不同的型号，对 应于不同的热电偶分度号，补偿导应于不同的热电偶分度号，补偿导 线连接时两端必须对应于相应分度线连接时两端必须对应于相应分度 号的相应极性。然后在控制室内保号的相应极性。然后在控制室内保 持持t t0 0的稳定同样实现了热电偶冷端的稳定同样实现了热电偶冷端 的稳定的稳定. . 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 2. 2. 冰浴法冰浴法. . 冰水混合物为冰水混合物为

15、0,0,将冷端延伸到冰水混合物中将冷端延伸到冰水混合物中, ,则测得则测得 E EAB AB（ （t t，0 0），直接查分度表），直接查分度表. . 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 3 3、冷端温度修正法、冷端温度修正法. . 根据不同根据不同t t0 0分别补上分别补上E EAB AB(t (t0 0,0),0)值值, ,则可得出则可得出E EAB AB(t,0)t (t,0)t 4 4、补偿电桥法、补偿电桥法. . 方法方法: :用不平衡电桥产生的随温度变化的电压补偿热偶冷用不平衡电桥产生的随温度变化的电压补偿热偶冷 端温度变化而产生的总热电势变化端温度变化而产生的总热电势变化:R:R

16、1 1,R,R2 2,R,R3 3固定电阻固定电阻, Rc, Rcu u铜铜 丝绕制的丝绕制的, ,随温度变化的电阻随温度变化的电阻. .热电偶的冷端与热电偶的冷端与RcRcu u处于同一温处于同一温 度度t t0 0下下. .若桥路设计在若桥路设计在2020平衡平衡, ,显示仪表起始点应调到显示仪表起始点应调到20.20. 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 第四节第四节 热热 电电 阻阻 温温 度度 计计 热电偶比较适合于高温测量，温度较低热电偶比较适合于高温测量，温度较低 (-200(-200500500) ) 时时可以用热电阻温度计。可以用热电阻温度计。 一、一、 组成组成 1 1、热电

17、阻、热电阻 金属导体或半导体金属导体或半导体 2 2、导线、导线 普通导线普通导线 3 3、显示仪表、显示仪表: : 动圈动圈, ,电桥电桥. . 二、测温原理二、测温原理 利用金属导体或半导体电阻的阻利用金属导体或半导体电阻的阻 值与温度呈一定的函数关系的特性值与温度呈一定的函数关系的特性. . 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 金属导体电阻与温度关系：金属导体电阻与温度关系：R Rt t=R=Rt0 t01+ 1+ (t-t(t-t0 0) 式中：式中：R Rt t温度为温度为tt时的电阻值；时的电阻值； R Rt0 t0 温度为温度为t t0 0时的电阻值时的电阻值; ; 电阻温度系数电

18、阻温度系数, ,即温度每升高即温度每升高11时电阻相对变化值时电阻相对变化值 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 三、常用热电阻三、常用热电阻. . 1 1、铂电阻、铂电阻: : 分度号分度号P Pt t10 P10 Pt t100100 测温范围测温范围: -200-850: -200-850 P Pt t1010表示起始电阻为表示起始电阻为1010 Pt100 Pt100表示起始电阻为表示起始电阻为100100 特点特点: :精度高精度高, ,性能稳定性能稳定, ,非线性非线性 2 2、铜电阻、铜电阻: : 分度号分度号Cu50 Cu100Cu50 Cu100 测温范围测温范围: -50-1

19、50: -50-150 Cu50 Cu50表示起始电阻为表示起始电阻为5050 Cu100 Cu100表示起始电阻为表示起始电阻为100100 特点特点: :价格低价格低, ,灵敏度高灵敏度高, ,易氧化易氧化, ,线性线性 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 第五节第五节 接触式测温元件安装接触式测温元件安装 一、测温元件安装一、测温元件安装 1 1、正确选择测温点、正确选择测温点 保证测温元件与被测介质充分接触保证测温元件与被测介质充分接触, ,并保证测温元件置于温并保证测温元件置于温 度灵敏区内度灵敏区内, ,以减小测量误差以减小测量误差, ,安装要求安装要求: : 管道测温时应将测温元件

20、迎着流体流向插入管道测温时应将测温元件迎着流体流向插入, ,至少须与被至少须与被 测介质正交测介质正交. . 测温点应避开测温不灵敏区测温点应避开测温不灵敏区( (死角死角),),避免电磁干扰避免电磁干扰. . 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 3 3、安装应保证安全可靠、安装应保证安全可靠. . 保证密封保证密封, ,有压力时尤为重要有压力时尤为重要, ,高温测量时热偶应尽可能高温测量时热偶应尽可能 保持垂直保持垂直( (防变形防变形),),热偶外加装保护盖热偶外加装保护盖, ,严防雨水进入短路严防雨水进入短路. . 二、二、 连接导线安装连接导线安装 1 1、按规定型号配用热电偶、按规定型

21、号配用热电偶, ,补偿导线补偿导线, ,注意正负极性注意正负极性 2 2、导线应尽量避免有接头、导线应尽量避免有接头, ,应绝缘良好应绝缘良好, ,严禁与交流线一同严禁与交流线一同 铺设铺设, ,以免干扰以免干扰. . 3 3、应将连接导线与补偿导线穿入金属管式置于汇线槽中、应将连接导线与补偿导线穿入金属管式置于汇线槽中. . 2 2、合理确定插入深度、合理确定插入深度. . 选择原则是使感温元件能充分地感受到温度的变化选择原则是使感温元件能充分地感受到温度的变化. .管内管内 测温时测温时, ,测温元件应置于最大流速处测温元件应置于最大流速处. .故测温元件未端应过中故测温元件未端应过中 线

22、线. .若管道太细若管道太细, ,可用如下两法测温加热炉或设备测温时应使可用如下两法测温加热炉或设备测温时应使 测温元件在温度灵敏区测温元件在温度灵敏区. . 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 1 1、温差电势、温差电势 tttt0 0, , 热端电子能量热端电子能量 冷端电子能量冷端电子能量, , 则则V Vt t( (电子移动速度电子移动速度 )V)Vt t0 0, , 从而使热端缺电子而带正电从而使热端缺电子而带正电, ,冷端多电子带负电冷端多电子带负电, , 热冷两热冷两 端形成了电场端形成了电场e(t,te(t,t0 0),),冷端电子多了之后排斥热端来的电子冷端电子多了之后排斥热端

23、来的电子, ,则则 Vt减小减小, ,同时热端由于带正电而吸引电子同时热端由于带正电而吸引电子, , 则则VtVt0 0增大增大, ,最后最后V Vt t0 0= = V Vt t, , 即达到平衡即达到平衡, ,已形成稳定电场已形成稳定电场e(t,te(t,t0 0).). t t A dt 0 eA=(t,t0)= A-Thomson系数系数 2 2、接触电势、接触电势 两种导体两种导体A A和和B B电子密度不同，假设电子密度不同，假设N NA ANNB B， 两种导体焊接一起时电子相互扩散速度不同，两种导体焊接一起时电子相互扩散速度不同， 导致接触电势导致接触电势e eAB AB(t), (t),大小取决于两导体电子密大小取决于两导体电子密 度比值及接点温度。度比值及接点温度。 e kt B A N N eAB(t)= k k波尔兹曼常数；波尔兹曼常数； e e单位电荷；单位电荷； N NA A,N,NB B-在温度为在温度为t t时导体时导体A A和和B B的电子密度的电子密度 t t接触点的温度接触点的温度 测量仪表与自动化测量仪表与自动化 第五节第五节 接触式测温元件安装接触式测温元件安装 一、测温元件安装一、测温元件安装 1 1、正确选择测温点、正确