C2255温度的检测与变送课件

1、第二节温度的检测与变送第2章 过程参数检测与变送第1页，共65页。概述测温仪表的分类温度检测的基本原理热电偶温度计热电偶补偿导线与冷端温度补偿热电阻温度计测温原理常用热电阻目录：温度变送器电动温度变送器一体化温度变送器智能式温度变送器第2页，共65页。第一节 概述一、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随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。 分类按测量范围 按用途 高温计、温度计标准仪表、实用仪表 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 按测量方式 接触式与非接触式 第3页，共65页。WZ系列装

2、配式热电阻 sz-22热电阻信号输入数字面板表 温度变送器 WSSX 电接点双金属温度计 第4页，共65页。第一节 概述测温方式温度计种类 优点 缺点 使用范围接触式测温仪表玻璃液体温度计 结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉 容易破损、读数麻烦、一般只能现场指示 ,不能记录与远传-100100（150）有机液体0 350（-30 650）水银双金属温度计结构简单、机械强度大、价格低、能记录、报警与自控 精度低、不能离开测量点测量 ,量程与使用范围均有限 0 300（-50 600）压力式温度计结构简单、不怕震动、具有防爆性、价格低廉、能记录、报警与自控 精度低、测量距离较远时 ,仪表的滞后

3、性较大、一般离开测量点不超过 10米 0 500（-50 600）液体型0 100（-50 200）蒸汽型电阻温度计测量精度高 ,便于远距离、多点、集中测量和自动控制 结构复杂、不能测量高温 ,由于体积大 ,测点温度较困难 -150 500（-200 600）铂电阻0 100（-50 150）铜电阻-50 150（180）镍电阻-100 200（300）热敏电阻热电偶温度计测温范围广 ,精度高 ,便于远距离、多点、集中测量和自动控制 需冷端温度补偿 ,在低温段测量精度较低 -20 1300（1600）铂铑10-铂-50 1000（1200）镍铬-镍硅-40 800（900）镍铬-铜镍-40 3

4、00（350）铜-铜镍非接触式测温仪表光学高温计携带用、可测量高温、测温时不破坏被测物体温度场 测量时 ,必须经过人工调整 ,有人为误差 ,不能作远距离测量 ,记录和自控 900 2000（700 2000）辐射高温计测温元件不破坏被测物体温度场 ,能作远距离测量、报警和自控、测温范围广 只能测高温,低温段测量不准,环境条件会影响测量精度,连续测高温时须作水冷却或气冷却 100 2000（50 2000）表5-1 各种温度计的优缺点及使用范围第5页，共65页。第一节 概述2.应用压力随温度变化的原理测温5.应用热阻效应测温 4.应用热电效应测温 3.应用热辐射原理测温 1.应用热膨胀原理测温第

5、6页，共65页。第一节 概述1.应用热膨胀原理测温图5-1 双金属片图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热膨胀的原理,可以制成膨胀式温度计。第7页，共65页。2.压力式温度计 它是根据在封闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制成的，并用压力表来测量这种变化，从而测得温度。图3-52 压力式温度计结构原理图 1传动机构；2刻度盘； 3指针；4弹簧管；5连杆；6接头；7毛细管；8温包；9工作物质 应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计。 第一节 概述第8页，共65页。3.辐射式温度计辐射式高温

6、计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。压力式温度计的构造由以下三部分组成 温包 毛细管 弹簧管（或盘簧管） 第一节 概述第9页，共65页。第一节 概述2.应用压力随温度变化的原理测温5.应用热阻效应测温 4.应用热电效应测温 3.应用热辐射原理测温 1.应用热膨胀原理测温第10页，共65页。第二节 热电偶温度计一、热电偶热电偶温度计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测量仪表热电偶温度计由三部分组成：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11页，共65页。铠装热电偶 法国KIMO TK102S精密型热电偶温度

7、仪 第12页，共65页。第二节 热电偶温度计1.热电现象及测温原理图5-5 热电现象图5-6 接触电势形成的过程左图闭合回路中总的热电势或图5-7 热电偶原理第13页，共65页。第二节 热电偶温度计注意 由于热电极的材料不同,所产生的接触热电势亦不同,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)（式A） 第14页，共65页。第二节 热电偶温度计举例例5-1 今用一只镍铬-镍硅热电偶,测量小

8、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B3可以查得 E(800,0)=33.277(mV) E(30,0)=1.203(mV) 将上述数据代入（式A） ,即得E(800,30)=E(800,0) -E(30,0)=32.074 ( mV)第15页，共65页。第二节 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B1可以查得 E(30,0)=0.173(mV)代入式(5-3)变换得 E(t,0

9、)=E(t,30)+E(30,0)=0.173+14.195=14.368(mV)再由附录B1可以查得14.368mV对应的温度t为1400。第16页，共65页。第二节 热电偶温度计注意：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。 第17页，共65页。第二节 热电偶温度计2.插入第三种导线的问题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。 总的热电势（5-4）能量守恒原理（5-5）（5-6）将式（5-5）5代入式（5-4）图3-58 热电偶

10、测温系统连接图第18页，共65页。第二节 热电偶温度计说明：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。不过必须保证第三种金属导线两端的温度相同。 第19页，共65页。图5-9 开路热电偶的应用第二节 热电偶温度计第20页，共65页。第二节 热电偶温度计3.常用热电偶的种类工业上对热电极材料的要求在测温范围内其热电性质要稳定,不随时间变化; 在测温范围内要有足够物理、化学稳定性,不易被氧化或腐蚀; 电阻温度系数要小,电导率要高,组成热电偶后产生的热电势要大,其值与温度成线性关系或有简单的函数关系;复现性要好,这样便于成批生产,而且在应用上也可保证良好的互换性; 材料组

11、织均匀、要有韧性,便于加工成丝。 第21页，共65页。第二节 热电偶温度计热电偶名称代号分度号热电极材料测温范围/新旧正热电极负热电极长期使用短期使用铂铑30-铂铑6铂铑10-铂镍铬-镍硅镍铬-铜镍铁-铜镍铜-铜镍WRRWRPWRNWREWRFWRCBSKEJTLL-2LB-3EU-2-CK铂铑30合金铂铑10合金镍铬合金镍铬合金铁铜铂铑6合金纯铂镍硅合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金3001600-201300-501000-40800-40700-400300180016001200900750350表5-2 常用热电偶第22页，共65页。第二节 热电偶温度计4.热电偶的构造及结构形式图5-10

12、 热电偶的结构热电极绝缘管保护套管接线盒第23页，共65页。第二节 热电偶温度计 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。 1.补偿导线图5-11 补偿导线接线图第24页，共65页。第二节 热电偶温度计 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)如果假定各接点温度全为t1，

13、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 (5-10)第25页，共65页。第二节 热电偶温度计将此式代入式(5-9) (5-11)将式(5-11)代入式(5-7),便有 (5-12)因为故(5-13)第26页，共65页。第二节 热电偶温度计在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。热电偶名称补偿导线工作端为100，冷端为0时的标准热电势mV正极负极铂铑10-铂镍铬-镍硅镍铬-铜镍铜铜镍铬铜镍铜镍铜镍0.640.034.100.156.950.30表5-3 常用热电偶的补偿导线第27页，共65页。第二节 热电偶温度计注意 使

14、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。 第28页，共65页。第二节 热电偶温度计2.冷端温度的变化对测量的影响及消除方法 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，就称为热电偶的冷端温度补偿。一般采用下述几种方法。图5-12 热电偶冷端温度保持的方法（1）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

15、t0，这就引起测量误差。因此，必须对冷端温度进行修正。 第29页，共65页。第二节 热电偶温度计实际生产中，其冷端温度为t0，即有 或 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t0，冷端为0时的热电偶的热电势EAB（t0，0），才能得到可直接查分度表的热电势EAB（t，0）。 第30页，共65页。第二节 热电偶温度计举例例5-3 用铂铑10-铂热电偶进行温度检测,热电偶的冷端温度t0=30，显示仪表的温度读数 (假定此仪表是不带冷端温度自动补偿且是以温度刻度的)为985，试求被测温度的实际值。 解：由分度号为S的铂铑10-铂热电偶分度表 (附录一)查出98

16、5时的热电势值为9.412mV。也就是E(t,t0)=9.412mV,又从分度表中查得 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31页，共65页。第二节 热电偶温度计（2）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：只能在测温要求不太高的场合下应用。（3）补偿电桥法 利用不平衡电桥产生的电势，来

17、补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。 第32页，共65页。第二节 热电偶温度计 由于电桥是在20时平衡的，所以采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到20处。如果补偿电桥是在0时平衡设计的（DDZ-型温度变送器中的补偿电桥），则仪表零位应调在0处。注意！图5-13 具有补偿电桥的热电偶测温线路第33页，共65页。第二节 热电偶温度计（4）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5-14 补偿热电偶连接线路第34页，共65页。第三节 热电阻温度计 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。 热电阻温度计是由热

18、电阻，显示仪表以及连接导线所组成。 WZ系列装配式热电阻 热电阻温度计第35页，共65页。第三节 热电阻温度计 对于线性变化的热电阻来说，其电阻值与温度关系如下式 热电阻温度计适用于测量-200+500范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度。 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进行温度测量的。 第36页，共65页。第三节 热电阻温度计 二、工业常用热电阻作为热电阻的材料一般要求是： 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。 第37页，共65页。第三节 热电阻温度

19、计1.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要有分度号为 Pt100 ,它的 R0 = 100,其分度表见附录A1。 第38页，共65页。第三节 热电阻温度计2.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。 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

20、分度号为Cu50。另一种是R0100，对应的分度号为Cu100。第39页，共65页。一、电动温度变送器 DBW型温度（温差）变送器是DDZ-系列电动单元组合式检测调节仪表中的一个主要单元。它既可与各种类型的热电偶、热电阻配套使用，又可与具有毫伏输出的各种变送器配合，然后，它和显示单元、控制单元配合，实现对温度或温差及其他各种参数进行显示、控制。 第四节 温度变送器第40页，共65页。DDZ-型的温度变送器与DDZ-型的温度变送器进行比较，它有以下主要特点。 线路上采用了安全火花型防爆措施。 在热电偶和热电阻的温度变送器中采用了线性化机构。 在线路中，由于使用了集成电路，这样使该变送器具有良好的

21、可靠性、稳定性等各种技术性能。第四节 温度变送器第41页，共65页。第四节 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。温度检测元件输入电路放大电路反馈电路被测温度输出电流I0 图5-15 温度变送器原理框图第42页，共65页。温度变送器有三种类型： 热电偶温度变送器； 热电阻温度变送器； 直流毫伏变送器。1.热电偶温度变送器结构分为输入桥路、放大电路及反馈电路。 图3-66 热电偶温度变送器的结构方框图第四节 温度变送器第43页，共65页。（1）输入电桥 作用：冷端温度补偿、调整零点。 图

22、3-67 输入电桥第四节 温度变送器第44页，共65页。（2）反馈电路 在DDZ-型的温度变送器中，在温度变送器中的反馈回路加入线性化电路。 图3-68 热电偶温度变送器的线性化方法方框图（3）放大电路第四节 温度变送器第45页，共65页。2.热电阻温度变送器结构分为输入电桥、放大电路及反馈电路。 图3-69 热电阻温度变送器的结构方框图第四节 温度变送器第46页，共65页。二、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3-70 一体化温度变送器结构框图结构测温元件和变送器模块常用的变送器芯片：AD693、XTR101、 XTR103、IXR1

23、00等变送器模块的正常工作温度-20+80第四节 温度变送器第47页，共65页。SBW系列一体化温度变送器 第四节 温度变送器第48页，共65页。图3-71 一体化热电偶温度变送器电路原理AD693构成的热电偶温度变送器的电路原理图 可得变送器输出与输入之间的关系为第四节 温度变送器第49页，共65页。 变送器的输出电流I0与热电偶的热电势Et成正比关系； RCu阻值随温度而变，合理选择RCu的数值可使RCu随温度变化而引起的I1RCu变化量近似等于热电偶因冷端温度变化所引起的热电势Et的变化值，两者互相抵消。 结论第四节 温度变送器第50页，共65页。三、智能式温度变送器以SMART公司的T

24、T302温度变送器为例加以介绍。优点 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； 环境温度和振动影响小、抗干扰能力强； 质量轻； 安装维护方便。 结构由硬件部分和软件部分两部分构成。第四节 温度变送器第51页，共65页。第四节 温度变送器输入板主电路板液晶显示器信号输入信号输出图5-17 TT302温度变送器基本构成框图第52页，共65页。1.TT302温度变送器的硬件构成输入板主电路板液晶显示器图3-72 TT302温度变送器硬件构成原理框图2.TT302温度变送器的软件构成系统程序功能模块第四节 温度变送器第53页，共65页。例题分析举例1.用分度号为K的镍铬-镍

25、硅热电偶测量温度,在没有采取冷端温度补偿的情况下,显示仪表指示值为500,而这时冷端温度为60,试问实际温度应为多少?如果热端温度不变,设法使冷端温度保持在20,此时显示仪表的指示值应为多少? 解：显示仪表指示值为500时,由附录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) 由附录同样可以查得 E(t0 ,0) = E(60,0) = 2.436 (mV) 第54页，共65页。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 = 23.0

26、76 (mV) 由23.076mV,查附录,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,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。 第55页，共65页。例题分析2.如果用两支铂铑10-铂热电偶串联来测量炉温,连接方式分别如图5-18(a)、(b)、(c)所示。已知炉内温度均匀,最高温度为1000,试分别计算测量仪表的测量范围

27、 (以最大毫伏数表示)。 图5-18 炉子温度测量第56页，共65页。例题分析解: (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(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。第57页，共65页。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

28、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) = 29.585 - 0.645 - 0.173 = 18.352 (mV)第58页，共65页。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

29、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。 第59页，共65页。例题分析3.在上题所述三种情况时,如果由测量仪表得到的信号都是15mV,试分别计算这时炉子的实际温度。 解：在(a)情况时,由于2E(t,0) =15mV,即E(t,0) = 7.5mV,查表(附录)可得实际温度约为814.3。 在(b)情况时,由于 2E(t,0) = 15 + E(30 ,0