化工仪表及自动化

1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第五章第五章 温度检测温度检测内容提要内容提要n 概述概述n测温仪表的分类测温仪表的分类n温度检测的基本原理温度检测的基本原理n 热电偶温度计热电偶温度计n热电偶热电偶n补偿导线与冷端温度补偿补偿导线与冷端温度补偿n 热电阻温度计热电阻温度计n 测温原理测温原理n 常用热电阻常用热电阻1内容提要内容提要n 温度变送器温度变送器n电动温度变送器电动温度变送器n一体化温度变送器一体化温度变送器n智能式温度变送器智能式温度变送器2第一节第一节 概述概述n 一、测温仪表的分类一、测温仪表的分类 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

2、随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。 接触式与非接触式 3第一节第一节 概述概述接接触触式式测测温温仪仪表表玻璃液体玻璃液体温度计温度计 结构简单、使用方便、测结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉量准确、价格低廉 容易破损、读数麻烦、一般只容易破损、读数麻烦、一般只能现场指示能现场指示 , ,不能记录与远传不能记录与远传-100-100100100（150150）有机液体）有机液体0 0 350350（-30 -30 650650）水银）水银双金属温双金属温度计度计结构简单、机械强度大、结构简单、机械强度大、价价格低、能记录、报警与自格低、能记录、报警与自控控 精度低、不能离开测量点测

3、量精度低、不能离开测量点测量 ,量程与使用范围均有限量程与使用范围均有限 0 0 300300（-50 -50 600600）压力式温压力式温度计度计结构简单、不怕震动、具结构简单、不怕震动、具有防爆性、价格低廉、能有防爆性、价格低廉、能记录、报警与自控记录、报警与自控 精度低、测量距离较远时精度低、测量距离较远时 ,仪仪表的滞后性较大、一般离开测表的滞后性较大、一般离开测量点不超过量点不超过 10米米 0 0 500500（-50 -50 600600）液体型）液体型0 0 100100（-50 -50 200200）蒸汽型）蒸汽型电阻温度电阻温度计计测量精度高测量精度高 ,便于远距离、便于

4、远距离、多点、集中测量和自动控多点、集中测量和自动控制制 结构复杂、不能测量高温结构复杂、不能测量高温 ,由由于体积大于体积大 ,测点温度较困难测点温度较困难 -150 -150 500500（-200 -200 600600）铂电阻）铂电阻0 0 100100（-50 -50 150150）铜电阻）铜电阻-50 -50 150150（180180）镍电阻）镍电阻-100 -100 200200（300300）热敏电阻）热敏电阻热电偶温热电偶温度计度计测温范围广测温范围广 ,精度高精度高 ,便于便于远距离、多点、集中测量远距离、多点、集中测量和自动控制和自动控制 需冷端温度补偿需冷端温度补偿

5、,在低温段测在低温段测量精度较低量精度较低 -20 -20 13001300（16001600）铂铑）铂铑1010- -铂铂-50 -50 10001000（12001200）镍铬）镍铬- -镍硅镍硅-40 -40 800800（900900）镍铬）镍铬- -铜镍铜镍-40 -40 300300（350350）铜）铜- -铜镍铜镍非接非接触式触式测温测温仪表仪表光学高温光学高温计计携带用、可测量高温、测携带用、可测量高温、测温时不破坏被测物体温度温时不破坏被测物体温度场场 测量时测量时 ,必须经过人工调整必须经过人工调整 ,有有人为误差人为误差 ,不能作远距离测量不能作远距离测量 ,记录和自控

6、记录和自控 900 900 20002000（700 700 20002000）辐射高温辐射高温计计测温元件不破坏被测物体测温元件不破坏被测物体温度场温度场 ,能作远距离测量、能作远距离测量、报警和自控、测温范围广报警和自控、测温范围广 只能测高温只能测高温,低温段测量不准低温段测量不准,环境条件会影响测量精度环境条件会影响测量精度,连续连续测高温时须作水冷却或气冷却测高温时须作水冷却或气冷却 100 100 20002000（50 50 20002000）4第一节第一节 概述概述图5-1 双金属片5图5-2 双金属温度信号器1双金属片；2调节螺钉；3绝缘子；4信号灯 利用液体或固体受热时产生

7、热膨胀的原理,可以制成膨胀式温度计。第一节第一节 概述概述6第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计n 一、热电偶一、热电偶7是以热电效应为基础的测温仪表。图5-3 热电偶温度计测温系统示意图1热电偶；2导线；3测量仪表由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。 图5-4 热电偶示意图第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计8图5-5 热电现象图5-6 接触电势形成的过程 0000,tetettEtetettEBAABABAB左图闭合回路中总的热电势左图闭合回路中总的热电势或或图5-7 热电偶原理第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计 由于热电极的材料不同,所产生的接触热电势亦不

8、同,因此不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的。 热电偶一般都是在自由端温度为0时进行分度的,因此,若自由端温度不为0而为t0时,则热电势与温度之间的关系可用下式进行计算。 EAB(t,t0) = EAB(t,0) -EAB(t0,0) 9第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计举例举例例5-1 今用一只镍铬-镍硅热电偶,测量小氮肥厂中转化炉的温度,已知热电偶工作端温度为800,自由端(冷端)温度为30,求热电偶产生的热电势 E(800,30)。 解：由附录三可以查得 E(800,0)=33.277(mV) E(30,0)=1.203(mV) 将上述数据代入式(5-3),即得

9、E(800,30)=E(800,0) -E(30,0)=32.074 ( mV)10第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计例5-2 某支铂铑10-铂热电偶在工作时，自由端温度t0= 30,测得热电势 E(t,t0) =14.195mV，求被测介质的实际温度。解:由附录一可以查得 E(30,0)=0.173(mV)代入式(5-3)变换得 E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=0.173+14.195=14.368(mV)再由附录一可以查得14.368mV对应的温度t为1400。11第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计注意：注意：由于热电偶所产生的热电势与温度的关系都是非线性的 (当然各

10、种热电偶的非线性程度不同),因此在自由端温度不为零时,将所测热电势对应的温度值加上自由端温度,并不等于实际的被测温度。12第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计13利用热电偶测量温度时，必须要用某些仪表来测量热电势利用热电偶测量温度时，必须要用某些仪表来测量热电势的数值，见下图。的数值，见下图。 00teteteECABCABt总的热电势（5-4） 0000000teteteteteteCABCABCABCAB能量守恒原理（5-5） 0teteEABABt（5-6）将式（5-5）5代入式（5-4）图3-58 热电偶测温系统连接图第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计说明：说明：在热电偶回路中接

11、入第三种金属导线对原热电偶在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。端的温度相同。 14第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计图5-9 开路热电偶的应用15第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计163.3.常用热电偶的种类常用热电偶的种类在测温范围内其热电性质要稳定在测温范围内其热电性质要稳定, ,不随时间变化不随时间变化; ;在测温范围内要有足够物理、化学稳定性在测温范围内要有足够物理、化学稳定性, ,不易被不易被氧化或腐蚀氧化或腐蚀; ;电阻温度系数要小电阻温度系数要小, ,电导率

12、要高电导率要高, ,组成热电偶后产组成热电偶后产生的热电势要大生的热电势要大, ,其值与温度成线性关系或有简单其值与温度成线性关系或有简单的函数关系的函数关系; ;复现性要好复现性要好, ,这样便于成批生产这样便于成批生产, ,而且在应用上也而且在应用上也可保证良好的互换性可保证良好的互换性; ; 材料组织均匀、要有韧性材料组织均匀、要有韧性, ,便于加工成丝。便于加工成丝。 第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计17热电偶名称热电偶名称代号代号分度号分度号热电极材料热电极材料测温范围测温范围/新新 旧旧正热电极正热电极负热电极负热电极长期使用长期使用短期使用短期使用铂铑铂铑3030- -铂铑

13、铂铑6 6铂铑铂铑1010- -铂铂镍铬镍铬- -镍硅镍硅镍铬镍铬- -铜镍铜镍铁铁- -铜镍铜镍铜铜- -铜镍铜镍WRRWRRWRPWRPWRNWRNWREWREWRFWRFWRCWRCB BS SK KE EJ JT TLL-2LL-2LB-3LB-3EU-2EU-2- - -CKCK铂铑铂铑3030合金合金铂铑铂铑1010合金合金镍铬合金镍铬合金镍铬合金镍铬合金铁铁铜铜铂铑铂铑6 6合金合金纯铂纯铂镍硅合金镍硅合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金30030016001600-20-2013001300-50-5010001000-40-40800800-40-407007

14、00-400-400300300180018001600160012001200900900750750350350第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计184.4.热电偶的构造及结构形式热电偶的构造及结构形式图5-10 热电偶的结构热电极热电极绝缘管绝缘管保护套管保护套管接线盒接线盒第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计19n 二、补偿导线与冷端温度补偿二、补偿导线与冷端温度补偿 采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。 它也是由两种不同性质的金属材料制成，在一定温

15、度范围内（0100）与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金属。见左图。 图5-11 补偿导线接线图第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计 101teteteteECADCBDAB 假设将镍铬记为A、镍硅记为B、铜记为C、铜镍记为D,并考虑到引入铜导线对回路的总热电势没有影响 (因其两端温度均为t0)，则图5-11所示回路的总热电势为 (5-7) 01111teteteteECADCBDAB 1111teteteteCABDDCAB如果假定各接点温度全为t1，代入式(5-7)，则有(5-8)(5-9)或 由于t1一般是在100以下,在此温度范围内,根据补偿导线的性质,有 111te

16、teteDCCDAB(5-10)20第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计 011teteCABD将此式代入式(5-9)(5-11) 00teteteteECDABDCAB将式(5-11)代入式(5-7),便有(5-12) 00teteCDAB因为 0teteEABAB故(5-13)21第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计热电偶名称热电偶名称补偿导线补偿导线工作端为工作端为100，冷端为，冷端为00时时的标准热电势的标准热电势mVmV正极正极负极负极铂铑铂铑10-铂铂镍铬镍铬-镍硅镍硅镍铬镍铬-铜镍铜镍铜铜铜铜镍铬镍铬铜镍铜镍铜镍铜镍铜镍铜镍0.640.030.034.104.100.150

17、.156.956.950.300.30表表5-3 5-3 常用热电偶的补偿导线常用热电偶的补偿导线22第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计注意 使用补偿导线时,应当注意补偿导线的正、负极必须与热电偶的正、负极各端对应相接。此外,正、负两极的接点温度t1应保持相同,延伸后的冷端温度 t0应比较恒定且比较低。对于镍铬-铜镍等一类用廉价金属制成的热电偶,则可用其本身材料作补偿导线,将冷端延伸到环境温度较恒定的地方。 23第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计 在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为。一般采用下述几种方法。图5-12 热电

18、偶冷端温度保持的方法（1 1）热电势的修正方法）热电势的修正方法 在实际生产中，冷端温度往往不是0，而是某一温度t0，这就引起测量误差。因此，必须对冷端温度进行修正。 24第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计0 ,0 ,00tEtEttEABABAB实际生产中，其冷端温度为实际生产中，其冷端温度为t0 0，即有，即有 0 ,0 ,00tEttEtEABABAB或或 由此可知，热电势的修正方法是把测得的热电势由此可知，热电势的修正方法是把测得的热电势 EAB（t，t0），加上热端为室温，加上热端为室温t0，冷端为，冷端为00时的热电偶时的热电偶的热电势的热电势EAB（t0，0），才能得到实际温

19、度下的热电势，才能得到实际温度下的热电势EAB（t，0）。 25第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计例例5-3 5-3 用铂铑用铂铑1010- -铂热电偶进行温度检测铂热电偶进行温度检测, ,热电偶的冷热电偶的冷端温度端温度t0=30，显示仪表的温度读数显示仪表的温度读数 ( (假定此仪表假定此仪表是不带冷端温度自动补偿且是以温度刻度的是不带冷端温度自动补偿且是以温度刻度的) )为为985985，试求被测温度的实际值。，试求被测温度的实际值。 26解解：由分度号为S的铂铑10-铂热电偶分度表 (附录一)查出985时的热电势值为9.412mV。也就是E(t,t0)=9.412mV,又从分度表中

20、查得 E(t0 ,0) = E(30 ,0) = 0.173mV。将此两个数值代入式 (5-14),得 E(t,0)=9.412mV+0.173mV=9.585(mV) 再查分度表可知,对应于9.585mV的温度t=1000,这就是该支铂铑10-铂热电偶所测得的温度实际值。 第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计（2 2）校正仪表零点法）校正仪表零点法 若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不偏低，可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上。 注意：注意：只能在测温要求不太高的场合下应用。（3 3）补偿电桥法）补偿电桥法 利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化

21、值。 27第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计 由于电桥是在由于电桥是在2020时平衡时平衡的，所以采用这种补偿电桥时的，所以采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到须把仪表的机械零位预先调到2020处。如果补偿电桥是在处。如果补偿电桥是在00时平衡设计的（时平衡设计的（DDZ-DDZ-型型温度变送器中的补偿电桥），温度变送器中的补偿电桥），则仪表零位应调在则仪表零位应调在00处。处。图5-13 具有补偿电桥的热电偶测温线路28第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计29（4 4）补偿热电偶法）补偿热电偶法 在实际生产中，为了节省补偿导线和投资费用，常用多支热电偶而配用一台测温仪表。 图5

22、-14 补偿热电偶连接线路第三节第三节 热电阻温度计热电阻温度计30 在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温度的测量较为适宜。度的测量较为适宜。 是由热电阻，显示仪表以及连接导线所组成。 第三节第三节 热电阻温度计热电阻温度计001ttRRt 对于线性变化的热电阻来说，其电阻值与温度关系如下式 tRRtt0 热电阻温度计适用于测量热电阻温度计适用于测量-200-200+500+500范围内液体、范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度。气体、蒸汽及固体表面的温度。n 一、测温原理一、测温原理 利用热电阻的电阻值随温度变化而变化的特性来利用热电阻的

23、电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。进行温度测量的。 31第三节第三节 热电阻温度计热电阻温度计n 二、工业常用热电阻二、工业常用热电阻 电阻温度系数、电阻率要大； 热容量要小； 在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质和良好的复制性； 电阻值随温度的变化关系，最好呈线性； 价格便宜。 32第三节第三节 热电阻温度计热电阻温度计331.1.铂电阻铂电阻 金属铂容易提纯,在氧化性介质中具有很高的物理化学稳定性,有良好的复制性。但价格较贵。 要确定 Rtt的关系,首先要确定 R0的大小。R0不同, Rtt的关系也不同。这种Rtt的关系称为分度表,用分度号来表示。 工业上使用的铂电阻主

24、要有分度号为 Pt100 ,它的 R0 = 100,其分度表见附录四。 第三节第三节 热电阻温度计热电阻温度计342.2.铜电阻铜电阻 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。 tRRt10 在-50+150的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的。即 工业上常用的铂电阻有两种，一种是R050，对应的分度号为Cu50。另一种是R0100，对应的分度号为Cu100。第四节第四节 温度变送器温度变送器n 一、电动温度变送器一、电动温度变送器35 电动温度变送器是工业生产过程中应用最广泛的一种模拟式温度变送器,它能与常用的

25、各种热电偶和热电阻配合使用,将某点的温度或某两点的温差转换成相应的标准直流电流信号输出。 第四节第四节 温度变送器温度变送器 DDZ-型温度 (温差)变送器是电动单元组合仪表中的一个变送单元。 根据输入信号的不同，DDZ-型温度变送器主要有热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器三种类型。 36第四节第四节 温度变送器温度变送器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5-15所示。温度检测元件温度检测元件输入电路输入电路放大电路放大电路反馈电路反馈电路被测温度被测温度输出电流输出电流I0 0 图5-15

26、 温度变送器原理框图37第四节第四节 温度变送器温度变送器n 二、一体化温度变送器二、一体化温度变送器38 它是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专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。用接线盒内的一种温度变送器。 图5-16 一体化温度变送器结构框图测温元件和变送器模块AD693、XTR101、 XTR103、IXR100等-20+80第四节第四节 温度变送器温度变送器n 三、智能式温度变送器三、智能式温度变送器39 可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度；可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度； 具有量程范围宽、精度高；具有量程范围宽、精度高； 环境温

27、度和振动影响小、抗干扰能力强；环境温度和振动影响小、抗干扰能力强； 质量轻；质量轻； 安装维护方便。安装维护方便。 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。第四节第四节 温度变送器温度变送器输入板输入板主电路板主电路板液晶显示器液晶显示器信号输入信号输入信号输出信号输出图5-17 TT302温度变送器基本构成框图40例题分析例题分析1.1.用分度号为用分度号为K的镍铬的镍铬- -镍硅热电偶测量温度镍硅热电偶测量温度, ,在没有采在没有采取冷端温度补偿的情况下取冷端温度补偿的情况下, ,显示仪表指示值为显示仪表指示值为500,500,而而这时冷端温度为这时冷端温度为60,

28、60,试问实际温度应为多少试问实际温度应为多少? ?如果热端如果热端温度不变温度不变, ,设法使冷端温度保持在设法使冷端温度保持在20,20,此时显示仪表的此时显示仪表的指示值应为多少指示值应为多少? ? 显示仪表指示值为500时,由附录三可以查得这时显示仪表的实际输入电势为20.64mV,由于这个电势是由热电偶产生的,即 E(t,t0) = 20.64 (mV) 由附录三同样可以查得 E(t0 ,0) = E(60,0) = 2.436 (mV) 41例题分析例题分析 由式 (5-14)可以得到 E(t,0) = E(t,t0) + E(t0 ,0) = 20.64 + 2.436 = 23

29、.076 (mV) 由23.076mV,查附录三,可得 t557 即被测实际温度为557。 当热端为557,冷端为20时,由于E(20 ,0) = 0.798mV,故有 E(t,t0) = E(t,0) - E(t0 ,0) = 23.076 - 0.798 = 22.278 (mV) 由此电势,查附录三,可得显示仪表指示值约为538.4。 由此可见,当冷端温度降低时,显示仪表的指示值更接近于被测温度实际值。 42例题分析例题分析2.2.如果用两支铂铑如果用两支铂铑1010- -铂热电偶串联来测量炉温铂热电偶串联来测量炉温, ,连接方式连接方式分别如图分别如图5-18(a)5-18(a)、(b

30、)(b)、(c)(c)所示。已知炉内温度均匀所示。已知炉内温度均匀, ,最最高温度为高温度为1000,1000,试分别计算测量仪表的测量范围试分别计算测量仪表的测量范围 ( (以最大以最大毫伏数表示毫伏数表示) )。 图5-18 炉子温度测量43例题分析例题分析解解: : (a)由于这时热电偶的冷端均为0,每支热电偶对应于1000时的热电势可以由附录一查得 E(1000 ,0) = 9. 585 (mV) 两支热电偶串联,测量仪表所测信号的最大值为 Emax = 29.585 = 19.17 (mV) 根据这个数值可以确定仪表的测量范围。 (b)由于这时不仅要考虑补偿导线引出来以后的冷端温度(

31、30),而且要考虑炉旁边补偿导线与热电偶的接线盒内的温度(100)对热电势的影响。44例题分析例题分析 假定补偿导线 C、D与热电偶 A、B本身在100以下的热电特性是相同的,所以在冷端处形成的热电势为E(30 ,0) = 0.173 (mV) 在补偿导线C、D与热电偶的连接处1、4两点可以认为不产生热电势,但在接线盒内2、3两点形成的热电偶相当于热电偶在100时形成的热电势,即E(100 ,0) = 0.645 (mV) 由于该电势的方向与两支热电偶在热端产生的电势方向是相反的,所以这时总的热电势为E max = 2E(1000 ,0) - E(100 ,0) - E(30 ,0) = 29

32、.585 - 0.645 - 0.173 = 18.352 (mV)45例题分析例题分析 根据这个数值可以确定仪表的测量范围。在这种情况下,如果炉旁边接线盒内的温度变化,会以测量产生较大的影响,造成较大的测量误差。 (c)由于这时两支热电偶冷端都用补偿导线引至远离炉子处,冷端温度为30,故总的热电势为Emax = 2E(1000 ,0) - 2E(30 ,0) = 29.585 - 20.173 = 18.824 (mV) 由此可知,在同样都是用两支热电偶串联来测量炉温时,由于接线不同,产生的热电势也是不相同的,在选择测量仪表时,一定要考虑这种情况。 46例题分析例题分析3.3.在上题所述三种情况时在上题所述三种情况时, ,如果由测量仪表得到的信号都如果由测量仪表得到的信号都是是1515mV, ,试分别计算这时炉子的实际温度。试分别计算这时炉子的实际温度。在(a)情况时,由于2E(t,0) =15mV,即E(t,0) = 7.5mV,查表(附录一)可得实际温度约为814.3。 在(b)情况时,由于 2E(t,0) = 15 +