石油大學(xué)化工儀表溫測量及變送

1、測量儀表與自動化測量儀表與自動化 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 溫度是重要的熱工參數(shù)溫度是重要的熱工參數(shù), ,如熱爐的溫度如熱爐的溫度, ,溫度太高溫度太高, ,會導(dǎo)致會導(dǎo)致 爐子損壞爐子損壞, ,另外另外, ,溫度太高溫度太高, ,使得加熱的物料溫度太高使得加熱的物料溫度太高, ,影響生影響生 產(chǎn)正常進(jìn)行產(chǎn)正常進(jìn)行, ,所以測出溫度并進(jìn)行控制具有重要意義。所以測出溫度并進(jìn)行控制具有重要意義。 一、測溫基本原理一、測溫基本原理 溫度是用來表示物體冷熱程度的物理量溫度是用來表示物體冷熱程度的物理量 溫度測量有接觸式和非接觸式測量溫度測量有接觸式和非接觸式測量: : (1) (1) 接觸式溫度計接觸式

2、溫度計: : 利用利用:(A) :(A) 熱交換熱交換, ,充分接觸充分接觸, ,如體溫計如體溫計. . (B) (B) 某種物體的物理特性某種物體的物理特性, ,如熱脹冷縮如熱脹冷縮, ,金屬溫度計金屬溫度計. (2) (2) 非接觸式溫度計非接觸式溫度計. . 利用高溫輻射等利用高溫輻射等. . 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 工程上測溫采用攝代溫標(biāo)工程上測溫采用攝代溫標(biāo): :用用t t表示，單位記為表示，單位記為 計算上采用國際溫標(biāo)：熱力學(xué)溫度計算上采用國際溫標(biāo)：熱力學(xué)溫度, ,用符號用符號T T表示，表示， 單位是開爾文，記為單位是開爾文，記為K.

3、K. t=T-273.15t=T-273.15 三、溫度測量儀表的分類三、溫度測量儀表的分類 1 1、按工作原理分：、按工作原理分： 膨脹式，熱電阻、熱點偶式及輻射式等膨脹式，熱電阻、熱點偶式及輻射式等 2 2、按測量方式分：、按測量方式分： 接觸式、非接觸式。接觸式、非接觸式。 二、溫二、溫 標(biāo)標(biāo) 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 第二節(jié)第二節(jié) 膨膨 脹脹 式式 溫溫 度度 計計 膨脹式溫度計常見的形式有：玻璃液體式溫度計、氣體壓膨脹式溫度計常見的形式有：玻璃液體式溫度計、氣體壓 力式溫度計、雙金屬溫度計等。力式溫度計、雙金屬溫度計等。 雙金屬溫度計利用兩種膨脹系數(shù)不同的金屬來測量溫度。雙金

4、屬溫度計利用兩種膨脹系數(shù)不同的金屬來測量溫度。 兩種膨脹系數(shù)不同的金屬片焊接在一起兩種膨脹系數(shù)不同的金屬片焊接在一起, ,受熱膨脹情況不同受熱膨脹情況不同, ,產(chǎn)產(chǎn) 生彎曲生彎曲: :彎曲程度與溫度成比例彎曲程度與溫度成比例. . 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 第三節(jié)第三節(jié) 熱熱 電電 偶偶 溫溫 度度 計計 一、組成一、組成 1 1、熱電偶、熱電偶: :測溫元件測溫元件 2 2、導(dǎo)線、導(dǎo)線: :補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線 3 3、顯示儀表、顯示儀表: :動圈表、電位差計、數(shù)字式顯示儀表動圈表、電位差計、數(shù)字式顯示儀表 二、測溫原理二、測溫原理 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)-兩種不同的兩種不同的 導(dǎo)體或半導(dǎo)體連

5、接成一個閉合導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成一個閉合 回路回路, ,若兩接點溫度不同若兩接點溫度不同, ,回路回路 中會產(chǎn)生熱電動勢。這個電勢中會產(chǎn)生熱電動勢。這個電勢 包括溫差電勢和接觸電勢。包括溫差電勢和接觸電勢。 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 1 1、溫差電勢、溫差電勢 tttt0 0, , 熱端電子能量熱端電子能量 冷端電子能量冷端電子能量, , 則則V Vt t( (電子移動速度電子移動速度 )V)Vt t0 0, , 從而使熱端缺電子而帶正電從而使熱端缺電子而帶正電, ,冷端多電子帶負(fù)電冷端多電子帶負(fù)電, , 熱冷兩熱冷兩 端形成了電場端形成了電場e(t,te(t,t0 0),),冷端電子多

6、了之后排斥熱端來的電子冷端電子多了之后排斥熱端來的電子, ,則則 Vt減小減小, ,同時熱端由于帶正電而吸引電子同時熱端由于帶正電而吸引電子, , 則則VtVt0 0增大增大, ,最后最后V Vt t0 0= = V Vt t, , 即達(dá)到平衡即達(dá)到平衡, ,已形成穩(wěn)定電場已形成穩(wěn)定電場e(t,te(t,t0 0).). t t A dt 0 eA=(t,t0)= A-Thomson系數(shù)系數(shù) 2 2、接觸電勢、接觸電勢 兩種導(dǎo)體兩種導(dǎo)體A A和和B B電子密度不同，假設(shè)電子密度不同，假設(shè)N NA ANNB B， 兩種導(dǎo)體焊接一起時電子相互擴(kuò)散速度不同，兩種導(dǎo)體焊接一起時電子相互擴(kuò)散速度不同，

7、導(dǎo)致接觸電勢導(dǎo)致接觸電勢e eAB AB(t), (t),大小取決于兩導(dǎo)體電子密大小取決于兩導(dǎo)體電子密 度比值及接點溫度。度比值及接點溫度。 e kt B A N N eAB(t)= k k波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)； e e單位電荷；單位電荷； N NA A,N,NB B-在溫度為在溫度為t t時導(dǎo)體時導(dǎo)體A A和和B B的電子密度的電子密度 t t接觸點的溫度接觸點的溫度 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 實踐證明：實踐證明： 接觸電勢遠(yuǎn)大于溫差電勢，則熱電勢主要由接觸電勢決定。接觸電勢遠(yuǎn)大于溫差電勢，則熱電勢主要由接觸電勢決定。 將兩導(dǎo)體組成閉合回路時，回路總電動勢：將兩導(dǎo)體組成閉合回路

8、時，回路總電動勢： 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) ) 溫差電勢遠(yuǎn)小于接觸電勢溫差電勢遠(yuǎn)小于接觸電勢, ,忽略溫差電勢。忽略溫差電勢。 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）取決于兩種材料及兩端溫度取決于兩種材料及兩端溫度,與導(dǎo)與導(dǎo) 體粗細(xì)體粗細(xì) 長短無關(guān)。長短無關(guān)。 (2) (2) 材料選定材料選定, ,且固定冷端溫度且固定冷端溫度t t0 0, ,如測得如測得E EAB AB（ （t t，t t0 0）則可）則可 知知t(t(工作端溫度工作端溫度). ). (3) (3) 兩端溫度相同或兩種相同材料均無法產(chǎn)生熱電勢。兩端溫度相同或兩種相同材料均無法產(chǎn)生熱電勢。 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 3 3、熱電偶基本定律、熱電偶基本定律 第三導(dǎo)體定律：第三導(dǎo)體定律： 回路中接入第三種導(dǎo)體回路中接入第三種導(dǎo)體, ,只要第三種導(dǎo)體兩端溫度相同只要第三種導(dǎo)體兩端溫度

10、相同, , 則對測量回路的總電勢沒有影響。這個定律說明在回路中接則對測量回路的總電勢沒有影響。這個定律說明在回路中接 入各種儀表或?qū)Ь€入各種儀表或?qū)Ь€, ,只要保持導(dǎo)體兩端溫度相同只要保持導(dǎo)體兩端溫度相同, ,就不會對測就不會對測 量結(jié)果產(chǎn)生影響量結(jié)果產(chǎn)生影響. . 中間溫度定律：中間溫度定律： E ABBA (t,tn,t0)=EAB (t,tn)+E AB(tn,t0) EAB(t,t0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,t0) 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 常用熱電偶：常用熱電偶： 1 1、鉑銠、鉑銠30-30-鉑銠鉑銠6 6 分度號分度號:B :B 測溫范圍測溫范圍3003001

11、6001600。 精度高精度高, ,高溫測量高溫測量, ,價格高價格高, ,熱電勢很小熱電勢很小 2 2、鉑銠、鉑銠10-10-鉑鉑 分度號分度號:S :S 測溫范圍測溫范圍-20-2013001300。 精度最高精度最高, ,可用于精密測量，作基準(zhǔn)熱偶可用于精密測量，作基準(zhǔn)熱偶, ,價格高價格高. . 3 3、鎳鉻、鎳鉻-鎳硅鎳硅 分度號分度號:K :K 測溫范圍測溫范圍-50-5010001000 熱電勢大熱電勢大, ,造價低造價低, ,應(yīng)用廣應(yīng)用廣. . 4 4、鎳鉻、鎳鉻-康銅康銅 分度號分度號:E :E 測溫范圍測溫范圍-200-200750750 電勢最大電勢最大, ,價格便宜價格

12、便宜, ,耐腐蝕耐腐蝕, ,應(yīng)用廣應(yīng)用廣. . 5 5、銅、銅-康銅康銅 分度號分度號:T :T 測溫范圍測溫范圍-200-200300300 精度較高精度較高, ,穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好, ,低溫測量靈敏度高低溫測量靈敏度高. . 三三 分度號與分度表分度號與分度表 熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與溫度是一種非線性關(guān)系，國家標(biāo)準(zhǔn)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與溫度是一種非線性關(guān)系，國家標(biāo)準(zhǔn) 給出了各種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶當(dāng)給出了各種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶當(dāng)t t0 0=0=0時的電勢值的表時的電勢值的表分度表。分度表。 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 五、熱電偶冷端溫度處理五、熱電偶冷端溫度處理: : 冷端

13、處于環(huán)境中冷端處于環(huán)境中, , 環(huán)境溫度的變化也將導(dǎo)致熱電勢的變化環(huán)境溫度的變化也將導(dǎo)致熱電勢的變化, , 保持保持t t0 0的穩(wěn)定對提高溫度測量準(zhǔn)確性有重要作用的穩(wěn)定對提高溫度測量準(zhǔn)確性有重要作用, ,也才能保持熱也才能保持熱 電勢與熱端溫度的單值函數(shù)關(guān)系，有以下幾種方法電勢與熱端溫度的單值函數(shù)關(guān)系，有以下幾種方法: : 1 1、補(bǔ)償導(dǎo)線延伸法、補(bǔ)償導(dǎo)線延伸法. . 熱電偶造價總是比普通導(dǎo)線高熱電偶造價總是比普通導(dǎo)線高, ,如果把熱電偶一直接到控制如果把熱電偶一直接到控制 室中室中, ,造價太高造價太高, ,我們用兩種與熱電偶材料熱電特性相近但較便我們用兩種與熱電偶材料熱電特性相近但較便

14、宜的導(dǎo)體宜的導(dǎo)體, ,將冷端由現(xiàn)場延伸到控制室內(nèi)將冷端由現(xiàn)場延伸到控制室內(nèi), ,這種導(dǎo)線叫補(bǔ)償導(dǎo)線這種導(dǎo)線叫補(bǔ)償導(dǎo)線, , 補(bǔ)償導(dǎo)線有補(bǔ)償型和延伸型兩種。補(bǔ)償導(dǎo)線有不同的型號，對補(bǔ)償導(dǎo)線有補(bǔ)償型和延伸型兩種。補(bǔ)償導(dǎo)線有不同的型號，對 應(yīng)于不同的熱電偶分度號，補(bǔ)償導(dǎo)應(yīng)于不同的熱電偶分度號，補(bǔ)償導(dǎo) 線連接時兩端必須對應(yīng)于相應(yīng)分度線連接時兩端必須對應(yīng)于相應(yīng)分度 號的相應(yīng)極性。然后在控制室內(nèi)保號的相應(yīng)極性。然后在控制室內(nèi)保 持持t t0 0的穩(wěn)定同樣實現(xiàn)了熱電偶冷端的穩(wěn)定同樣實現(xiàn)了熱電偶冷端 的穩(wěn)定的穩(wěn)定. . 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 2. 2. 冰浴法冰浴法. . 冰水混合物為冰水混合物為

15、0,0,將冷端延伸到冰水混合物中將冷端延伸到冰水混合物中, ,則測得則測得 E EAB AB（ （t t，0 0），直接查分度表），直接查分度表. . 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 3 3、冷端溫度修正法、冷端溫度修正法. . 根據(jù)不同根據(jù)不同t t0 0分別補(bǔ)上分別補(bǔ)上E EAB AB(t (t0 0,0),0)值值, ,則可得出則可得出E EAB AB(t,0)t (t,0)t 4 4、補(bǔ)償電橋法、補(bǔ)償電橋法. . 方法方法: :用不平衡電橋產(chǎn)生的隨溫度變化的電壓補(bǔ)償熱偶冷用不平衡電橋產(chǎn)生的隨溫度變化的電壓補(bǔ)償熱偶冷 端溫度變化而產(chǎn)生的總熱電勢變化端溫度變化而產(chǎn)生的總熱電勢變化:R:R

16、1 1,R,R2 2,R,R3 3固定電阻固定電阻, Rc, Rcu u銅銅 絲繞制的絲繞制的, ,隨溫度變化的電阻隨溫度變化的電阻. .熱電偶的冷端與熱電偶的冷端與RcRcu u處于同一溫處于同一溫 度度t t0 0下下. .若橋路設(shè)計在若橋路設(shè)計在2020平衡平衡, ,顯示儀表起始點應(yīng)調(diào)到顯示儀表起始點應(yīng)調(diào)到20.20. 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 第四節(jié)第四節(jié) 熱熱 電電 阻阻 溫溫 度度 計計 熱電偶比較適合于高溫測量，溫度較低熱電偶比較適合于高溫測量，溫度較低 (-200(-200500500) ) 時時可以用熱電阻溫度計?？梢杂脽犭娮铚囟扔?。 一、一、 組成組成 1 1、熱電

17、阻、熱電阻 金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體 2 2、導(dǎo)線、導(dǎo)線 普通導(dǎo)線普通導(dǎo)線 3 3、顯示儀表、顯示儀表: : 動圈動圈, ,電橋電橋. . 二、測溫原理二、測溫原理 利用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻的阻利用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻的阻 值與溫度呈一定的函數(shù)關(guān)系的特性值與溫度呈一定的函數(shù)關(guān)系的特性. . 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 金屬導(dǎo)體電阻與溫度關(guān)系：金屬導(dǎo)體電阻與溫度關(guān)系：R Rt t=R=Rt0 t01+ 1+ (t-t(t-t0 0) 式中：式中：R Rt t溫度為溫度為tt時的電阻值；時的電阻值； R Rt0 t0 溫度為溫度為t t0 0時的電阻值時的電阻值; ; 電阻溫度系數(shù)電

18、阻溫度系數(shù), ,即溫度每升高即溫度每升高11時電阻相對變化值時電阻相對變化值 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 三、常用熱電阻三、常用熱電阻. . 1 1、鉑電阻、鉑電阻: : 分度號分度號P Pt t10 P10 Pt t100100 測溫范圍測溫范圍: -200-850: -200-850 P Pt t1010表示起始電阻為表示起始電阻為1010 Pt100 Pt100表示起始電阻為表示起始電阻為100100 特點特點: :精度高精度高, ,性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定, ,非線性非線性 2 2、銅電阻、銅電阻: : 分度號分度號Cu50 Cu100Cu50 Cu100 測溫范圍測溫范圍: -50-1

19、50: -50-150 Cu50 Cu50表示起始電阻為表示起始電阻為5050 Cu100 Cu100表示起始電阻為表示起始電阻為100100 特點特點: :價格低價格低, ,靈敏度高靈敏度高, ,易氧化易氧化, ,線性線性 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 第五節(jié)第五節(jié) 接觸式測溫元件安裝接觸式測溫元件安裝 一、測溫元件安裝一、測溫元件安裝 1 1、正確選擇測溫點、正確選擇測溫點 保證測溫元件與被測介質(zhì)充分接觸保證測溫元件與被測介質(zhì)充分接觸, ,并保證測溫元件置于溫并保證測溫元件置于溫 度靈敏區(qū)內(nèi)度靈敏區(qū)內(nèi), ,以減小測量誤差以減小測量誤差, ,安裝要求安裝要求: : 管道測溫時應(yīng)將測溫元件

20、迎著流體流向插入管道測溫時應(yīng)將測溫元件迎著流體流向插入, ,至少須與被至少須與被 測介質(zhì)正交測介質(zhì)正交. . 測溫點應(yīng)避開測溫不靈敏區(qū)測溫點應(yīng)避開測溫不靈敏區(qū)( (死角死角),),避免電磁干擾避免電磁干擾. . 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 3 3、安裝應(yīng)保證安全可靠、安裝應(yīng)保證安全可靠. . 保證密封保證密封, ,有壓力時尤為重要有壓力時尤為重要, ,高溫測量時熱偶應(yīng)盡可能高溫測量時熱偶應(yīng)盡可能 保持垂直保持垂直( (防變形防變形),),熱偶外加裝保護(hù)蓋熱偶外加裝保護(hù)蓋, ,嚴(yán)防雨水進(jìn)入短路嚴(yán)防雨水進(jìn)入短路. . 二、二、 連接導(dǎo)線安裝連接導(dǎo)線安裝 1 1、按規(guī)定型號配用熱電偶、按規(guī)定型

21、號配用熱電偶, ,補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線, ,注意正負(fù)極性注意正負(fù)極性 2 2、導(dǎo)線應(yīng)盡量避免有接頭、導(dǎo)線應(yīng)盡量避免有接頭, ,應(yīng)絕緣良好應(yīng)絕緣良好, ,嚴(yán)禁與交流線一同嚴(yán)禁與交流線一同 鋪設(shè)鋪設(shè), ,以免干擾以免干擾. . 3 3、應(yīng)將連接導(dǎo)線與補(bǔ)償導(dǎo)線穿入金屬管式置于匯線槽中、應(yīng)將連接導(dǎo)線與補(bǔ)償導(dǎo)線穿入金屬管式置于匯線槽中. . 2 2、合理確定插入深度、合理確定插入深度. . 選擇原則是使感溫元件能充分地感受到溫度的變化選擇原則是使感溫元件能充分地感受到溫度的變化. .管內(nèi)管內(nèi) 測溫時測溫時, ,測溫元件應(yīng)置于最大流速處測溫元件應(yīng)置于最大流速處. .故測溫元件未端應(yīng)過中故測溫元件未端應(yīng)過中 線

22、線. .若管道太細(xì)若管道太細(xì), ,可用如下兩法測溫加熱爐或設(shè)備測溫時應(yīng)使可用如下兩法測溫加熱爐或設(shè)備測溫時應(yīng)使 測溫元件在溫度靈敏區(qū)測溫元件在溫度靈敏區(qū). . 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 1 1、溫差電勢、溫差電勢 tttt0 0, , 熱端電子能量熱端電子能量 冷端電子能量冷端電子能量, , 則則V Vt t( (電子移動速度電子移動速度 )V)Vt t0 0, , 從而使熱端缺電子而帶正電從而使熱端缺電子而帶正電, ,冷端多電子帶負(fù)電冷端多電子帶負(fù)電, , 熱冷兩熱冷兩 端形成了電場端形成了電場e(t,te(t,t0 0),),冷端電子多了之后排斥熱端來的電子冷端電子多了之后排斥熱端

23、來的電子, ,則則 Vt減小減小, ,同時熱端由于帶正電而吸引電子同時熱端由于帶正電而吸引電子, , 則則VtVt0 0增大增大, ,最后最后V Vt t0 0= = V Vt t, , 即達(dá)到平衡即達(dá)到平衡, ,已形成穩(wěn)定電場已形成穩(wěn)定電場e(t,te(t,t0 0).). t t A dt 0 eA=(t,t0)= A-Thomson系數(shù)系數(shù) 2 2、接觸電勢、接觸電勢 兩種導(dǎo)體兩種導(dǎo)體A A和和B B電子密度不同，假設(shè)電子密度不同，假設(shè)N NA ANNB B， 兩種導(dǎo)體焊接一起時電子相互擴(kuò)散速度不同，兩種導(dǎo)體焊接一起時電子相互擴(kuò)散速度不同， 導(dǎo)致接觸電勢導(dǎo)致接觸電勢e eAB AB(t), (t),大小取決于兩導(dǎo)體電子密大小取決于兩導(dǎo)體電子密 度比值及接點溫度。度比值及接點溫度。 e kt B A N N eAB(t)= k k波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)； e e單位電荷；單位電荷； N NA A,N,NB B-在溫度為在溫度為t t時導(dǎo)體時導(dǎo)體A A和和B B的電子密度的電子密度 t t接觸點的溫度接觸點的溫度 測量儀表與自動化測量儀表與自動化 第五節(jié)第五節(jié) 接觸式測溫元件安裝接觸式測溫元件安裝 一、測溫元件安裝一、測溫元件安裝 1 1、正確選擇測溫點、正確