溫度檢測儀表.ppt

溫度檢測儀表編制 劉莉圓2015年5月 1溫度檢測的基本概念2溫度儀表的分類3壓力式溫度計4雙金屬溫度計5熱電阻溫度計6熱電偶溫度計7溫度儀表選型規(guī)范8練習題 一 溫度的基本概念 溫度是表征物體冷熱程度的物理量 是化工生產中重要的測量及控制參數(shù) 它不能直接測量 只能借助于冷熱不同物體之間的熱交換 以及物體的某些物理性質隨冷熱程度的不同而變化的物理特性來間接測量 攝氏溫標 以 來表示 在一個標準大氣壓下把純水的冰點定為0 C 沸水溫度定為100 C 在0 C和100 C之間分成100等份 每一份就是1 C 這種方法確定的溫標叫做攝氏溫標 攝氏溫標是瑞典天文學家攝爾修斯在1742年提出來的 華氏溫標 以 表示 華氏溫標把水的冰點定為32 水的沸點定為212 在32 和212 之間分為180等份 每份為1 熱力學溫標 又稱國際溫標 單位為開 爾文 用K表示 它是把水的冰點定為273 15K 沸點定為373 15K 由于水的三相點在攝氏溫標上為0 01 所以0 273 15K 熱力學溫標的零點 即絕對零度 記為 0K 換算關系 9 5 32 32 5 9K 273 15式中 K 開爾文溫度 熱力學溫度 攝氏溫度 華氏溫度 二 溫度儀表的分類 按測量方式液體玻璃管溫度計 玻璃棒溫度計 接觸式壓力式溫度計 液體式 氣體式 蒸汽式 固體膨脹式溫度計 雙金屬溫度計 熱電阻溫度計 Pt100 Cu50 熱電偶溫度計 K S B E J E T 光學高溫計非接觸式輻射高溫計 各類溫度計的特點 三 壓力式溫度計 3 1原理及結構壓力式溫度計是利用封閉容器內的液體 氣體或飽和蒸汽受熱后產生體積膨脹或壓力變化作為檢測信號 它的基本結構是由溫包 毛細管和指示表三部分組成 3 2壓力式溫度計的分類A液體式 利用液體受熱后體積膨脹帶動指針偏轉顯示溫度 B氣體式 利用高溫下的氣體壓力與溫度的關系顯示溫度 C蒸汽式 利用低沸點液體的飽和蒸汽壓隨溫度變化的特性來測量溫度 壓力式溫度計的基本指標 四 雙金屬溫度計 4 1工作原理及結構雙金屬溫度計是利用固體受熱產生幾何位移作為測溫信號的一種固體膨脹式溫度計 雙金屬溫度計的感溫元件通常是由兩種膨脹系數(shù)不同 彼此又牢固結合的金屬制作成螺旋形狀 繞城螺旋形狀的雙金屬感溫元件一端固定 另一端連接指針軸 當被測物體溫度變化時 兩種金屬由于膨脹系數(shù)不同 使螺旋管曲率發(fā)生變化 通過指針軸帶動指針偏轉 直接顯示溫度示值 4 2雙金屬溫度計分類按雙金屬溫度計指針盤與保護管的連接方向分為 軸向型雙金屬溫度計 指針盤與保護管垂直連接 徑向型雙金屬溫度計 指針盤與保護管平行連接 135 向型雙金屬溫度計 指針盤與保護管成135 連接 萬向型雙金屬溫度計 指針盤與保護管連接角度可任意調整 4 3雙金屬溫度計的基本參數(shù)WSS 表盤公稱尺寸 3 60 4 100 5 150 結構形式 0 軸向型 1 徑向型 2 135 向 8 萬向型 0 無固定裝置 1 可動外螺紋 2 可動內螺紋 3 固定外螺紋 4 固定法蘭 F 防護性 O 電接點型 MO 大電流型 EX 防爆型 雙金屬溫度計的基本參數(shù) 五 熱電阻溫度計 5 1測溫原理熱電阻時利用電阻與溫度呈一定函數(shù)關系的金屬導體或半導體材料制成的敏感元件 它由熱電阻絲 骨架及引線組成的熱電阻測溫元件 熱電阻溫度計適用于測量 200 500 范圍內液體 氣體 蒸汽及固體表面的溫度 對于線性變化的熱電阻來說 其電阻值與溫度關系如下式 式中 Rt是溫度為t 時的電阻值 Rt0是溫度為t0時的電阻值通常為100 a是電阻溫度系數(shù) t是溫度的變化值 Rt是電阻值的變化量 5 2熱電阻傳感器的材料 金屬導體 鉑 銅 鎳等 半導體 鍺 碳 熱敏電阻等 作為熱電阻的金屬材料一般要求 盡可能大而且穩(wěn)定的溫度系數(shù) 電阻率要大 在使用的溫度范圍內具有穩(wěn)定的化學和物理性能 材料的復制性好 電阻值隨溫度變化要有單值函數(shù)關系 最好呈線性關系 我國最常用的鉑熱電阻有R0 10 R0 100 和R0 1000 等幾種 它們的分度號分別為Pt10 Pt100和Pt1000 銅熱電阻有R0 50 和R0 100 兩種 分度號分別為Cu50和Cu100其中Pt100和Cu50的應用更為廣泛 5 2 1鉑電阻金屬鉑容易提純 在氧化性介質中具有很高的物理化學穩(wěn)定性 有良好的復制性 但價格較貴 要確定Rt t的關系 首先要確定R0的大小 R0不同 Rt t的關系也不同 這種Rt t的關系稱為分度表 用分度號來表示 工業(yè)上使用的鉑電阻主要有分度號為Pt100 它的R0 100 鉑電阻溫度系數(shù)為0 00395 0 時電阻值為100 電阻變化率為0 3851 所謂電阻的溫度系數(shù) 是指當溫度每升高一度時 電阻增大的歐姆數(shù) Pt100熱電阻分度表 5 2 2銅電阻金屬銅易加工提純 價格便宜 它的電阻溫度系數(shù)很大 且電阻與溫度呈線性關系 在測溫范圍為 50 150 內 具有很好的穩(wěn)定性 在 50 150 的范圍內 銅電阻與溫度的關系是線性的 即其中銅電阻溫度系數(shù)a 0 00425工業(yè)上常用的鉑電阻有兩種 一種是R0 50 對應的分度號為Cu50 另一種是R0 100 對應的分度號為Cu100 Cu50銅熱電阻分度表 5 3熱電阻的結構熱電阻的電阻體由電阻絲和電阻支架組成 電阻絲采用雙線無感繞法繞制在具有一定形狀的云母 石英或陶瓷塑料支架上 由玻璃或陶瓷作外保護層 防止有害氣體腐蝕和氧化 支架起支撐和絕緣作用 引出線通常采用直徑1mm的銀絲或鍍銀銅絲 它與接線盒柱相接 以便與外接線路相連而測量機顯示溫度 鉑熱電阻結構示意圖 銅熱電阻結構示意圖 5 4熱電阻的分類 按材料分 可分為金屬熱電阻式和半導體熱電阻式 1 按結構分 普通型熱電阻 鎧裝熱電阻 薄膜熱電阻 2 3 按用途分 工業(yè)用熱電阻 精密標準電阻 5 4 1普通型熱電阻 普通裝配式熱電阻是由感溫體 不銹鋼外保護管 接線盒以及各種用途的固定裝置級成 安裝固定裝置有固定外螺紋 活動法蘭盤 固定法蘭和帶固定螺栓錐形保護管等形式 5 4 2鎧裝熱電阻 將電阻體 感溫元件 焊到由金屬保護套管 絕緣材料和金屬導線三者拉伸而成的細管導線上形成的 然后再外面再焊一段短管做保護套管 在熱電阻體與保護套管之間填滿絕緣材料 最后焊上封頭 優(yōu)點 1 尺寸小 響應速度快 2 機械性能好 耐震動和沖擊 3 除感溫元件外 其它部分可彎曲 適合復雜結構 4 不易侵蝕 壽命長5 4 3薄膜熱電阻 它將熱電阻材料通過真空鍍膜 直接蒸鍍到絕緣基座底上 這種熱電阻體積小 靈敏度高 5 4 4端面熱電阻 它是特殊處理的絲材繞制 緊巾在溫度計前端 與一般軸向熱電阻相比 更能更正確和迅速地反映被測端面的實際溫度 適用于測量軸瓦或其他機件的端面溫度 5 5 1兩線制 在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號的方式叫二線制 這種引線方法很簡單 但由于連接導線必然存在引線電阻r R大小與導線的材質和長度的因素有關 因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合 5 5熱電阻的接線方式 5 5 2三線制 在熱電阻的根部的一端連接一根引線 另一端連接兩根引線的方式稱為三線制 這種方式通常與電橋配套使用 可以較好的消除引線電阻的影響 是工業(yè)過程控制中的最常用的引線電阻 5 5 3四線制 在熱電阻根部兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制 其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流Is 把Rt轉換為電壓信號Ui 再通過另兩根引線把Ui引至二次儀表 可見這種引線方式可以完全消除引線電阻的影響 主要用于高精度的溫度檢測 5 6熱電阻的選型熱電阻型號命名方法 WZ ABCW 溫度儀表Z 熱電阻 熱電阻材料 P 鉑電阻 C 銅電阻 裝配形式 無 普通裝配式 K 鎧裝 阻絲對數(shù) 無 單只 2雙支A 安裝固定形式 1 無固定裝置式 2 固定螺紋式 3 活動法蘭式 4 固定法蘭式 5 固定螺紋錐形保護管式 B 接線盒形式 2 防濺式 3 防水式 6 防爆式C對于裝配式熱電阻 0 16保護管 1 12保護管對于鎧裝熱電阻代表鎧裝直徑 3 3mm 4 4mm 5 5mm 6 6mm 5 7熱電阻常見故障及處理辦法 六 熱電偶溫度計 6 1測溫原理熱電偶測溫的基本原理 任何兩種不同的導體或半導體組成的閉合回路 如果將它們的兩個接點分別置于溫度各為t及t0的熱源中 則在該回路內就會產生熱電勢 t端稱為工作端 假定該端置于熱源中 又稱測量端或熱端t0端稱為自由瑞 又稱參考端或冷端這兩種不同導體或半導體的組合稱為熱電偶每根單獨的導體或半導體稱為熱電極 閉合回路中所產生的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成 式 i 就是熱電偶測溫的基本公式 當冷端溫度t0一定時 對于確定的熱電偶來說 EAB t0 為常數(shù) 因此 其總熱電勢EAB t t0 就與溫度t成單值函數(shù)對應關系 和熱電偶的長短 直徑無關 只要測量出熱電勢大小 就能判斷被測溫度的高低 這就是熱電偶的溫度測量原理 右圖A表示正電極 B表示負電極 由于溫差電勢比接觸電勢小很多 常常把它忽略不計 這樣熱電偶的電勢可表示為 重要結論 1 如果組成熱電偶的兩種電極材料相同 則無論熱電偶冷 熱兩端的溫度如何 閉合回路中的總熱電勢為零 2 如果熱電偶冷 熱兩端的溫度相同 則無論兩電極材料如何 閉合回路中的總熱電勢也為零3 熱電偶產生的熱電勢除了冷 熱兩端的溫度有關之外 還與電極材料有關 也就是說由不同電極材料制成的熱電偶在相同的溫度下產生的熱電勢是不同的 注意 由于熱電極的材料不同 所產生的接觸熱電勢亦不同 因此不同熱電極材料制成的熱電偶在相同溫度下產生的熱電勢是不同的 熱電偶一般都是在自由端溫度為0 時進行分度的 因此 若自由端溫度不為0 而為t0時 則熱電勢與溫度之間的關系可用下式進行計算 EAB t t0 EAB t 0 EAB t0 0 式6 1 例題1 有一只K型熱電偶 測量合成反應器中的溫度 已知熱電偶工作端溫度為800 自由端 冷端 溫度為30 求熱電偶產生的熱電勢E 800 30 解 由K型熱電偶毫伏表可以查得E 800 0 33 277 mV E 30 0 1 203 mV 將上述數(shù)據(jù)代入式 6 1 即得E 800 30 E 800 0 E 30 0 32 074 mV 例題2 某支鉑銠10 鉑熱電偶在工作時 自由端溫度t0 30 測得熱電勢E t t0 14 195mV 求被測介質的實際溫度 由S型熱電偶毫伏表可以查得E 30 0 0 173 mV 代入式 6 1 變換得E t 0 E t 30 E 30 0 14 195 0 173 14 368 mV 再由S型熱電偶毫伏表可以查得14 368mV對應的溫度t為1400 兩個重要定律中間導體定律 如果斷開冷端 在熱電偶中接入第三種 第四 導體后 只要接入導體的兩端溫度相同 接入的導體對原熱電偶回路中的熱電勢均沒有影響 根據(jù)這一性質 可以在熱電偶回路中接入各種儀表和連接導線 只要保證兩個接點的溫度相同就可以對熱電勢進行測量而不影響熱電偶的輸出 等值替換定律 如果熱電偶AB在某一溫度范圍內所產生的熱電勢與熱電偶CD在同一溫度范圍內所產生的熱電勢相等 即 則這兩支熱電偶在該溫度范圍內是可以相互替換的 這就是所謂的熱電偶等值替代定律 例如右圖 設 證明該回路的總熱電勢為 某熱電偶 熱端溫度為t 冷端溫度為tc 顯然冷端溫度難以實現(xiàn)恒定 怎么辦 可以把熱電偶做得很長 一直到控制室 把冷端溫度延伸到控制室 變?yōu)閠0 恒定t0比較容易 此時 測得的熱電勢為 但熱電偶一般為 較 貴重的金屬 采用如圖所示的延伸方式將需要大量的貴金屬材料 不妥 如果選用一組較廉價的材料 C D 且CD在一定溫度范圍內所產生的熱電勢與熱電偶AB在同一溫度范圍內所產生的熱電勢相等 就可以用CD來替代AB的延伸段 CD即為熱電偶AB的補償導線 通常CD采用比熱電偶電極材料更廉價的兩種金屬材料做成 一般在0 100 范圍內要求補償導線要與被補償?shù)臒犭娕季哂袔缀跬耆嗤臒犭娦再| 在選擇和使用補償導線時 要和熱電偶的型號相匹配 注意極性不能接錯 熱電偶與補償導線連接處的溫度一般不能高于100 6 2熱電偶的結構形式按結構形式分為 普通型 鎧裝型 表面型和快速型 普通型熱電偶主要由熱電極 絕緣管 保護套管和接線盒等主要部分組成 熱電極是組成熱電偶的兩根熱電偶絲 貴金屬熱電極一般做0 3 0 65mm 普通金屬電極絲一般為0 5 3 2mm 其長度由插入深度決定 絕緣管是用來防止兩根電極短路 保護套管是套在熱電極 絕緣管的外面 其作用是保護電極不受化學腐蝕和機械傷害 鎧裝型熱電偶是由熱電極 絕緣材料和保護套管三者經過拉伸加工成型的 保護套管和熱電極之間填充絕緣材料粉末 常用的絕緣材料有氧化鎂 氧化鋁等 裝型熱電偶可以做得很細 一般為2 8mm 在使用中可以隨測量需要任意彎曲 6 3熱電偶的分類工業(yè)上對熱電極材料的要求 在測溫范圍內要有足夠物理 化學穩(wěn)定性 不易被氧化或腐蝕 在測溫范圍內其熱電性質要穩(wěn)定 不隨時間變化 電阻溫度系數(shù)要小 電導率要高 組成熱電偶后產生的熱電勢要大 其值與 溫度成線性關系或有簡單的函數(shù)關系 材料組織均勻 要有韌性 便于加工成絲 鉑銠30 鉑銠6熱電偶 簡稱為雙鉑銠熱電偶 分度號為B 該熱電偶的正負極都是鉑銠合金 僅僅是合金含量比例丌同而巳 正極含銠30 負極含銠為6 雙鉑銠熱電偶的抗沾污能力強 在測溫1800 溫度時仍有很好的穩(wěn)定性 其測溫精度較高 適用于氧化性 中性介質 可以長期連續(xù)測量1400 1600 的高溫 短期測量可達1800 雙鉑銠熱電偶的靈敏度較低 使用時應配靈敏度較高的顯示儀表 在室溫時溫度對熱電勢的影響極小 故使用時一般丌需要迚行溫度補償 鉑銠 鉑熱電偶 其分度號為S 正極是90 鉑和10 銠的合金 負極為純鉑絲 這種熱電偶的優(yōu)點是能容易制備純度極高的鉑銠合金 因此便于復制 且測溫精度高 可作為國際實用溫標中630 74 1064 43 范圍內的基準熱電偶 其物理化學穩(wěn)定性高 宜在氧化性和中性氣氛中使用 它的熔點較高 故測溫上限亦高 在工業(yè)測量中一般用它測量1000 以上的溫度 在1300 以下可長期連續(xù)使用 短期測溫可達1600 鉑銠 鉑熱電偶的缺點是價格昂貴 熱電勢小 在還原性氣體 金屬蒸氣 金屬氧化物及氧化硅和氧化硫等氣氛中使用時會很快受到沾污而變質 故在這些氣氛中使用它他須加保護套管 另外 這種熱電偶的熱電性能的非線性較大 在高溫下其熱電極會升華 使銠分子滲透到鉑極中去沾污它 導致熱電勢不穩(wěn)定 鎳鉻 鎳硅熱電偶 其分度號為K 正極成分是9 10 鉻 0 4 硅 其余為鎳 負極成分為2 5 3 硅 0 6 鉻 其余為鎳 這類熱電偶的優(yōu)點是有較強的抗氧化性和抗腐蝕性 其他學穩(wěn)定性好 熱電勢較大 熱電勢不溫度問的線性關系好 其熱電極材料的價格便宜 可在1000 以下長期連續(xù)使用 短期測溫可達1300 鎳鉻 鎳硅熱電偶的缺點是在500 以上的溫度中和在還原性介質中 以及在硫及化物氣氛中使用時很容易被腐蝕 所以 在這些氣氛中工作時必須加保護套管 另化它的測溫精度也低于鉑銠 鉑熱電偶 鎳鉻 考銅熱電偶 文分度號為E 正極鎳鉻成分為9 10 鉻 0 4 硅 其余為鎳 負極考銅萬分為56 銅和44 鎳 鎳鉻 考銅熱電偶的最大優(yōu)點是熱電勢大 價格便宜 這種熱電偶的缺點是丌能用來測高溫 其測溫上限為800 長期使用時 只限600 以下 另外 由于考銅合金易受氧化而變質 使用時必須加裝保護套管 鐵銅鎳 其分度好為J 既可用于氧化性氣氛 使用溫度上限750 也可用于還原性氣氛 使用溫度上限950 并且耐H2及CO氣體腐蝕 多用于煉油及化工 銅 康銅熱電偶 其分度號為T 正極為銅 負極為60 銅 40 鎳的合金 其優(yōu)點是測溫靈敏度較高 熱電極容易復制 價格便宜 低溫性能好 高溫電爐可測量 200 低溫 但其成分銅易氧化 因此一般測溫上限丌超過300 6 4熱電偶補償導線的選用由熱電偶測溫原理知道 只有當熱電偶冷端溫度保持不變時 熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù) 在實際應用中 由于熱電偶的工作端和冷端距離很近 冷端暴露在外部空間 往往受環(huán)境影響 為消除這種影響需要將冷端引入控制室 但是熱電極材料往往很貴重 這就需要一種價格低廉專用的導線將冷端引入控制室 這種導線就稱為補償導線 它是有兩種不同性質的金屬制成 在一定溫度范圍內 0 100 與所連接的熱電偶有相同的熱電特性 不同的熱電偶補償導線材料也不相同 使用時注意材料的匹配及正負極的方向 6 5熱電偶冷端溫度的補償在補償導線將冷端溫度延伸到溫度較低和相對穩(wěn)定控制室后 由于操作室內的溫度往往高于0 而且也是不恒定的 即使有空調也是不恒定的 這時 熱電偶產生的熱電勢必然會隨冷端溫度的變化而變 因此 在應用熱電偶時 只有把冷端溫度保持為0 或者進行必要的修正和處理才能得出準確的測量結果 對熱電偶冷端溫度的處理稱為冷端溫度補償 目前熱電偶冷端溫度補償常用的方法有 冰浴法計算修正法補償電橋法 冰浴法 把熱電偶的冷端放入恒溫裝置中 保持冷端溫度為0 多用于實驗室 計算修正法 是把測得的熱電勢EAB t t0 加上熱端t0冷端為0 時的熱電勢EAB t0 0 才能得到實際溫度下的室溫EAB t 0 EAB t 0 EAB t t0 EAB t0 0 補償電橋法 利用不平衡電橋產生的電壓來補償熱電偶因冷端溫度的變化而引起熱電勢的變化 如圖 電橋由R1 R2 R3 均為錳銅電阻 和RCu 熱敏銅電阻 組成 在設計的冷端溫度 例如t0 0 時 滿足R1 R2 R3 RCu 這時電橋平衡 無電壓輸出 即Uab 0 回路中的輸出電勢就是熱電偶產生的熱電勢 當冷端溫度由t0變化到t 0時 不妨設t 0 t0 熱電偶輸出的熱電勢減小 但電橋中RCu隨溫度的上升而增大 于是電橋兩端會產生一個不平衡電壓Uab t 0 此時回路中輸出的熱電勢為 由此可知電橋的不平衡電壓等于因冷端溫度變化引起的熱電勢變化 于是實現(xiàn)了冷端溫度的自動補償 6 6熱電偶的選型熱電偶型號命名的方法WR 2 溫度儀表熱電偶 R 鉑銠30 鉑銠6 B P 鉑銠10 鉑 S N 鎳鉻 鎳硅 K E 鎳鉻 銅鎳 鎳鉻 康銅 E C 銅 銅鎳 T F 鐵 銅鎳 J M 鎳鉻硅 鎳硅 N B 標準熱電偶 K 鎧裝熱電偶 M 表面熱電偶 2代表雙支 安裝固定形式 1 無固定裝置式 2 固定螺紋式 3 活動法蘭式 4 固定法蘭式 5 活動法蘭角尺式 6 固定螺紋錐形保護管式 接線裝置 0 自由端為簡易式 1 普通接線盒 2 防濺接線盒 3 防水接線盒 4 防爆接線盒 5 防噴接線盒 直徑序號 0 16mm保護管 1 20mm保護管 6 6熱電偶常見故障及處理 七 溫度儀表選型規(guī)范 7 1就地式溫度計7 1 1工業(yè)用溫度計宜選用1 5級 精密測量用溫度計應選用0 5級或0 25級 7 1 2就地溫度儀表最高最高測量值不應大于儀表測量范圍上限值90 正常測量值宜在儀表測量范圍上限值的50 左右 7 1 3壓力式溫度計測量的應在儀表測量范圍上限值的50 75 之間 7 1 4對于0 以下低溫測量 儀表測量范圍上限值應覆蓋環(huán)境溫度 7 1 5雙金屬溫度計表殼直徑宜選用 100mm 在照明條件較差 安裝位置較高或觀察距離較遠的場所 應選用 150mm 7 1 6雙金屬溫度計儀表外殼與保護管連接方式 宜選用萬向式 也可按照觀測方便的原則選用軸向式或徑向式 7 1 7對于 80 以下低溫 無