測量儀表及自動化05

1、5.1 概 述 5.1.1 溫度測量的重要性 5.1.2 溫度定義及溫標 5.1.3 溫度儀表的分類 5.2 膨脹式溫度計5.3.熱電偶溫度計5.4 熱電阻溫度計 第五章 溫度測量及變送 溫度是重要的熱工參數(shù)。任何一種化工生產(chǎn)過程都伴隨著物質(zhì)的物理和化學性質(zhì)的改變，都必然有能量的交換和轉(zhuǎn)化，其中最普遍的交換形式是熱交換形式。 化工生產(chǎn)的各種工藝過程均在一定溫度下進行的。如：精餾塔的進料溫度、塔頂溫度和塔釜溫度都必須按照工藝要求控制在一定數(shù)值上；N2和H2合成NH3的反應，在觸媒存在的條件下，反應溫度為500。 溫度的測量與控制是保證化學反應正常進行與安全運行的重要環(huán)節(jié)。 5.1.1 溫度測量的

2、重要性1.定義temperature:(1)反映物體的冷熱程度。（宏觀）(2)分子運動的劇烈程度（速度的快慢）。（微觀）2.溫標：用來量度物體溫度高低的標尺叫溫度標尺，簡稱溫標。規(guī)定：溫度的起點；測量溫度的基本單位（1）攝氏溫標攝氏溫標 1740年，瑞典物理學家Anders Celsius(1701-1744)Anders Celsius(1701-1744)提出攝氏溫標。 00：標準大氣壓下冰水混合物的溫度；：標準大氣壓下冰水混合物的溫度；100100：標準大氣壓下純水的沸點：標準大氣壓下純水的沸點。 11：在：在01000100之間劃分之間劃分100100等份，每一等份為攝氏等份，每一等份

3、為攝氏1 1度（度（11）。）。 單位：攝氏度，符號符號t t5.1.2 溫度定義及溫標5.1.2 溫度定義及溫標（2）華氏溫標（宏觀）1724年，德國玻璃工華倫海特（Fahrenheit 1686-1736）提出華氏溫標。 32：標準大氣壓下純水的冰的融點；212：標準大氣壓下純水的沸點。 1：在32212之間劃分180等份，每一等份為華氏1度（1）。 單位：華氏度，符號F 換算：t=5/9(F-32)（3）熱力學溫標（絕對溫標、國際溫標）（微觀）熱力學溫標（絕對溫標、國際溫標）（微觀） 1848年，英國物理學家開爾文（Lord Kelvin 1824-1907）提出熱力學溫標。1954年國

4、際計量大會規(guī)定水的三相點的溫度為27316 K。 0K0K：分子運動停止時的溫度為絕對零度；分子運動停止時的溫度為絕對零度； 273.16K 273.16K：水的三相點溫度。水的三相點溫度。三相點：三相點：單組分（一種純物質(zhì)）中有固、液、氣平衡共存。單組分（一種純物質(zhì)）中有固、液、氣平衡共存。 水三相點：水三相點：0.010.01 1K 1K：水的三相點熱力學溫度的：水的三相點熱力學溫度的1/273.161/273.16。單位：開爾文單位：開爾文K K，符號，符號T T 換算：換算：t=T-273.15t=T-273.155.1.2 溫度定義及溫標5.1.3 溫度儀表分類1.按測量范圍：高溫計

5、：測量600以上的測溫儀表以上的測溫儀表溫度計：測量600以下的測溫儀表以下的測溫儀表2.按用途分：標準儀表、實用儀表。3.按工作原理分：膨脹式溫度計壓力式溫度計熱電偶溫度計熱電阻溫度計輻射高溫計5.1.3 溫度儀表分類4.按接觸方式分（1）接觸式測溫 任意兩個冷熱程度不同物體相接觸，均會發(fā)生熱交換，熱量將由溫度高的物體傳向溫度低的物體，直到兩物體完全達到熱平衡。要求要求: 測溫物體的物理性質(zhì)必須連續(xù)、單值地變化，復現(xiàn)性好。常用常用: 玻璃溫度計/壓力溫度計/雙金屬溫度計/熱電偶/熱電阻需滿足條件：需滿足條件：感溫部件與被測介質(zhì)充分接觸；保證熱交換時間。優(yōu)點：優(yōu)點：直觀可靠；結(jié)構(gòu)簡單；準確度高

6、缺點：缺點：滯后較大；破壞原溫度場分布；不能測移動物體；所測溫度不能太高4.按接觸方式分（2）非接觸式測溫 測溫元件任何部位均不與被測物體相接觸。多以輻射式為主，經(jīng)被測物體與感溫元件之間的熱輻射作用實現(xiàn)測溫。特點： 不破壞被測的溫度場，可測移動或轉(zhuǎn)動物體及物體表面溫度。 反映速度較快，測溫范圍廣。 受物體發(fā)射率、對象與儀表間距、煙塵和蒸汽等影響，精度不高。 常用于測量1000以上移動、旋轉(zhuǎn)或反應迅速的高溫物體溫度。5.1.3 溫度儀表分類人體額溫測量人體額溫測量耳溫儀耳溫儀利用紅色激光瞄準被測物（冷藏牛奶和面食）利用紅色激光瞄準被測物（冷藏牛奶和面食）5.1 概 述 5.2 膨脹式溫度計5.2

7、.1 玻璃管液體溫度計5.2.2 壓力式溫度計5.2.3 雙金屬溫度計 5.3.熱電偶溫度計5.4 5.4 熱電阻溫度計熱電阻溫度計 第五章 溫度測量及變送 5. 2.1 玻璃管液體溫度計 Liquid-in-glass Thermometer1.1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：感溫包、玻璃毛細管和刻度標尺三部分。感溫包、玻璃毛細管和刻度標尺三部分。 感溫液體感溫液體：酒精、水銀酒精、水銀 2.2.原理原理液體熱脹冷縮液體熱脹冷縮被測介質(zhì)t感溫液體體積刻度標尺- - 感溫液體的體積膨脹系數(shù)感溫液體的體積膨脹系數(shù) - - 盛液容器的體積膨脹系數(shù)盛液容器的體積膨脹系數(shù) 5. 2.1 玻璃管液體溫度計 Liquid-

8、in-glass Thermometer00()()ttVVtt體溫計、水銀溫度計體溫計、水銀溫度計 5. 2.1 玻璃管液體溫度計 Liquid-in-glass Thermometer3.3.特點及適用場合特點及適用場合優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，精度較高，價格便宜。結(jié)構(gòu)簡單，精度較高，價格便宜。 缺點：缺點：玻璃易碎；用于就地指示，不能遠傳。玻璃易碎；用于就地指示，不能遠傳。常用于實驗室。常用于實驗室。適用范圍：適用范圍：-200600。5.2.2 壓力式溫度計 Pressure Thermometer17175.2.2 壓力式溫度計 Pressure Thermometer1.結(jié)構(gòu)由溫包bu

9、lb、毛細管capillary、彈簧管bourdon spring組成的封閉系統(tǒng)毛細管容積 溫包容積 毛細管內(nèi)徑0.4mm,長度50m感溫介質(zhì)：液體（水銀或有機液體） 氣體（氮氣、氫氣） 蒸汽（低沸點丙酮、乙醚） 1-1-彈簧管；彈簧管； 2- 2-指針；指針； 3- 3-傳動機構(gòu)；傳動機構(gòu)；4-4-溫包；溫包； 6- 6-螺紋連接件；螺紋連接件； 7- 7-毛細管毛細管18185.2.2 壓力式溫度計 Pressure Thermometer 2.工作原理 一定質(zhì)量液體或氣體，容積一定，則 氣、液體的體積膨脹系數(shù)；氣體的壓縮系數(shù)。被測介質(zhì)t感溫液體壓力彈性元件形變刻度標尺)tt (PPtt0

10、0 3.特點優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜；結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜；可較遠距離傳送（可較遠距離傳送（5ttt0 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)Vt0t0， 熱端缺電子而帶正電冷端多電子帶負電熱端缺電子而帶正電冷端多電子帶負電，與電場反作用力平衡與電場反作用力平衡，形成穩(wěn)形成穩(wěn)定電場定電場 e eA A(t,t(t,t0 0) )。同一導體同一導體: :兩端溫度不同兩端溫度不同電勢電勢e eA A(t,t0)(t,t0)影響因素：影響因素：只與導體材料和兩端溫度只與導體材料和兩端溫度t t、t t0 0有關(guān)有關(guān)與導體長度、

11、截面大小及沿長度上的溫度分布無關(guān)與導體長度、截面大小及沿長度上的溫度分布無關(guān)。26265.3.1 測溫原理 27272.2.接觸電勢接觸電勢 珀爾帖珀爾帖 J.C.PeltierJ.C.Peltier兩種電子密度不同的導體相接觸兩種電子密度不同的導體相接觸電勢電勢e eABAB(t) (t) 。假設假設N NA ANNB B，電子相互擴散速度不同，導致形成接觸電勢，電子相互擴散速度不同，導致形成接觸電勢e eABAB（t t）。影響因素：影響因素： 大小取決于大小取決于兩導體材料及接觸點溫度兩導體材料及接觸點溫度 當材料一定，只與當材料一定，只與接觸點溫度有關(guān)接觸點溫度有關(guān)。 5.3.1 測溫

12、原理 3 3. 總電勢總電勢 總熱電勢包括：溫差電勢和接觸電勢。設： 回路中總電勢為： 因溫差電勢t ,ABNN29294.討論(1) EAB(t,t0)取決于兩種材料及兩端溫度,與導體粗細長短及沿長度上的溫度分布情況無關(guān)。(2) 材料選定,且固定冷端溫度t0，測得EAB(t,t0) t 。(3)若兩種材料相同或兩接點溫度相同， EAB(t0,t0)=0； EAA(t,t0)=0 (4) EAB(t,t0)腳標AB表示熱電勢方向，A為正極，B為負極， t 為高溫端，t0為低溫端。 若次序改變，則熱電勢前面符號也隨之改變。)t (e)t (eBAAB)t ,t (E)t , t (E)t , t

13、 (EABBAAB0005.3.1 測溫原理 Q：為測熱電勢，須用導線與顯示儀表構(gòu)成一個閉環(huán)回路。這樣就在回路中引入了第三種導體。引入的第三導體是否影響熱電偶的熱電勢? 第三導體定律：在熱電偶回路接入第三種導體，只要與第三種導體相接的兩接點溫度相同，則對回路中電勢無影響。 5.3.2 第三導體定律 證明：證明：右圖中右圖中3、4兩個接觸點溫度相同兩個接觸點溫度相同，為為t1，故回路總電勢為：故回路總電勢為：由于：由于： ),()(),()(),()(),()(),(00011111101ttEtEttEtEttEtEttEtEtttEABABBCCBCBABABC),(),(),(0011tt

14、EttEttEBBB0),(11ttEC),()(),()(),(00001ttEtEttEtEtttEAABBABABC)()(),()(0011tEtEtEtEABBABCBC),(),(00ttEttEAA仍然得到：仍然得到：結(jié)論：結(jié)論：回路總電勢與引入的第三種導體無關(guān)。回路總電勢與引入的第三種導體無關(guān)。 5.3.2 第三導體定律 理論：任意材料 實際：穩(wěn)定性、靈敏度、線性等因素,要標準化1.鉑銠30-鉑銠6 分度號: B材質(zhì)：正極（鉑70%，銠30%）；負極：（鉑94%，銠6%)（1）精度高（2）測溫范圍01600，短期可達1820； （3）其熱電特性在高溫下更穩(wěn)定；適用于氧化性介質(zhì)和

15、中性介質(zhì)； （4）價格高 ； （5）熱電勢很小。 700：2.431mV5.3.3 常用熱電偶 2.鉑銠10鉑 Platinum-rhodium platinum 分度號: S（1）精度最高，可用于精密測量，作基準熱偶；（2）測溫范圍-501300，短期可達1600 ； （3）適用于氧化性介質(zhì)和中性介質(zhì)中使用，物理化學性質(zhì)穩(wěn)定；（4）價格高 ； （5）熱電勢較小，線性較差 。 500：4.234mV （6）在還原性介質(zhì)（如）及金屬蒸汽中使用易污染變質(zhì)，在真空中只能短期使用。5.3.3 常用熱電偶 3.鎳鉻-鎳硅 Chromel-silicel 分度號: K正極：Ni90%,Cr10%；負極：N

16、i95%,Al2%,Si1%,Mg2%（1）精度低；（2）測溫范圍-501000，短期可達1200； （3）其正、負電極都含有鎳，抗氧化性、抗腐蝕性好， 500以下可用于氧化性及還原性介質(zhì)中， 500以上只宜于氧化性和中性介質(zhì)； （4）價格便宜 ；（5）熱電勢較大，近似為線性。熱電勢比S型高3-4倍， 500：20.64mV； 5.3.3 常用熱電偶 4.鎳鉻康銅 分度號: E （1）精度低； （2）測溫范圍-200750，短期可達870； （3）可用于低溫測量，尤其在0以下，而且在濕度大的情況下，較其它熱電偶耐腐蝕。（4）價格便宜 ； （5）熱電勢最大，熱電勢比K型高倍。500：37mV；

17、5.3.3 常用熱電偶 5.3.4 分度表 )t , t (f)t , t (EAB001.問題提出：如何利用熱電偶測溫度t？EAB(t, t0)取決于兩導體材料及接觸點溫度t、t0。當兩種材料一定時 ，只與t、t0有關(guān)。2.分度表：t00下，熱電勢E(t,0)與測量端t的對應關(guān)系相同分度號的熱電偶可共用同一分度表常用分度表見本章附表（Page 111）分度表用途：tE(t,0) 或 E(t,0)t)(tfE Page 111BA0t0t現(xiàn)場控制室1.問題提出：若A，B為普通導線，則 E = EAB(t,t0)t0為現(xiàn)場環(huán)境溫度，不穩(wěn)定。2.補償導線：兩種廉價導體材料制成的導線（在一定溫度范圍

18、內(nèi)熱電特性與所連接的熱電偶相同或十分相近）補償型(C)：材料與熱電偶不同(AA, BB)用于貴金屬，如B、S。延伸型(X)：材料與熱電偶基本相同(A=A, B=B)用于廉價金屬，如K、E等。 熱電偶需要引入控制室熱電偶需要引入控制室 )t , t (EE)t , t (EE004.3.5 補償導線 extension wire 4.3.5 補償導線 extension wire 3.注意事項：(1) 使用注意型號匹配與正負極性(2) 僅起到冷端延伸作用，未對冷端溫度進行補償!(3) 只在一定溫度范圍內(nèi)適用！超出誤差增大！ 一般要求補償導線與熱電偶的連接點的溫度0時：t0Rcu R0 Uab熱電

19、偶回路中熱電勢：t0E(t,t0)適當選擇橋路參數(shù)，使 Uab=E(t0 ,0)，可自動補償作用。硬件補償。只適合一種分度號，補償精度低 )0(),(0，tEUttEEab5.3.6 冷端溫度補償方法例：P110 2 用鎳鉻一鎳硅熱電偶測某爐膛溫度，現(xiàn)測得的熱電勢為31.64 mv，巳知熱電偶冷端溫度為30，求熱端溫度=? 。解：由E(t,0)E(t,t0)+E(t0,0) 查鎳鉻一鎳硅分度表知 E(30,0)1.203mv E(t,0)31.64+1.20332.843mv 查表知，熱端溫度t約為789.44ABAB例：如圖為S熱電偶與顯示儀表組成的測溫系統(tǒng)。A、B為熱電偶補償導線，但續(xù)接的

20、一段由于疏忽接反，已知:E(1000,0)=9.585mV, E(50,0)=0.299mV, E(100,0)=0.645mV, E(20,0)=0.113mV求：（1）顯示儀表顯示的溫度是多少？ （2）若全部正確連接顯示儀表應顯示何值？由于第二段導線接反 引入的絕對誤差是多少？解解：續(xù)接的一段由于疏忽接反，回路中的電勢為續(xù)接的一段由于疏忽接反，回路中的電勢為 E(t, 20)E(t, 20)E EABAB(1000,50)(1000,50)E EABAB(50,20)(50,20)E(t, 0)= EE(t, 0)= EABAB(1000,0)-2E(1000,0)-2EABAB(50,0

21、)+2E(50,0)+2EABAB(20,0)(20,0) =9.585mV-2 =9.585mV-20.299mV+20.299mV+20.113mV0.113mV =9.213mV =9.213mV查分度表：查分度表：t=967+(9.213-9.206t=967+(9.213-9.206）/(9.217-9.206)=967.64/(9.217-9.206)=967.64若連接正確，則儀表顯示為若連接正確，則儀表顯示為10001000。由于第二段補償導線接反而引入的絕對誤差是由于第二段補償導線接反而引入的絕對誤差是967.64-1000967.64-100032.3632.365.3.7

22、 熱電偶的結(jié)構(gòu) 1.普通型熱電偶熱電極: 貴金屬D=0.30.65mm， 普通金屬D=0.53.2mm。 長度由安裝條件及插入深度而 定，一般3502000mm。絕緣子: 聚四氟乙烯、石英、陶瓷等材料 結(jié)構(gòu)有單孔、雙孔和四孔之分保護套管：有金屬、非金屬和金屬陶瓷三類接線盒：用于導線與熱電極連接1.普通型熱電偶常用連接方式：螺紋連接或法蘭連接，用于P10MPa的測量固定螺紋錐形保護管連接 高強度結(jié)構(gòu)，用于P30MPa、流速80m/s的測量5.3.7 熱電偶的結(jié)構(gòu) 2.鎧裝熱電偶 Armored thermocouple將熱電極、絕緣材料、金屬套管經(jīng)整體復合拉伸工藝加工而成的可彎曲堅實組合體標準鎧

23、裝型: 外徑0.58mm，熱電極0.11.3mm，套管壁厚0.0751mm，長度100m。 特點及適用場合：動態(tài)特性好，鎧裝型10s，普通型=10240s，適用于溫度變化頻繁及熱容量較小、結(jié)構(gòu)復雜的對象5.3.7 熱電偶的結(jié)構(gòu) 2.鎧裝熱電偶 Armored thermocouple連接點類型接殼式Grounded 連接點與探針壁焊接測靜態(tài)或流動腐蝕性氣/液體的溫度，及高壓應用 絕緣式Ungrounded連接點與探針壁分開并由一種軟性粉末包圍 能提供電絕緣 測腐蝕性環(huán)境露端式Exposed 連接點頂端深入到周圍環(huán)境中可提供最佳的響應時間僅應用于非腐蝕、非危險及非加壓中5.3.7 熱電偶的結(jié)構(gòu)

24、鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu) 5.3.8 熱電偶測溫系統(tǒng)的組成 1.溫度顯示或控制儀表型熱電偶測溫元件導線補償導線顯示儀表（輸入mV信號,帶冷端補償）如：電位差計、數(shù)顯儀表、計算機等)BA0t0t現(xiàn)場控制室E2.熱電偶變送器顯示/控制儀表熱電偶測溫元件導線補償導線溫度變送器(輸入mV，帶冷端補償)顯示儀表(輸入4-20mA)模擬、數(shù)顯 或控制儀表、計算機。 5.3.8 熱電偶測溫系統(tǒng)的組成 （三）一體化溫度變送器-顯示或控制儀表1.一體化溫度變送器 （熱電偶與變送器一體化） 2. 導線: 普通導線 不需補償導線。3. 顯示儀表(輸入4-20mA) 數(shù)顯儀表、計算機。 5.3.8 熱電偶測溫系統(tǒng)的組成 熱電

25、偶一體化溫度變送器5.1 概 述 5.2 膨脹式溫度計5.3.熱電偶溫度計5.4 熱電阻溫度計 5.4.1 熱電阻測溫原理 5.4.2 常用金屬熱電阻 5.4.3 熱電阻結(jié)構(gòu) 5.4.4 熱電阻測溫系統(tǒng)的組成 第五章 溫度測量及變送5.4.1 測溫原理 金屬導體電阻RtRt01(t -t0) Rt 一溫度為t的電阻值; Rt0一溫度為t0的電阻值;一電阻溫度系數(shù)半導體電阻(熱敏電阻)RT AeB/TRT一溫度為T的電阻值;T一絕對溫度，；A、B一常數(shù)，與材料有關(guān)溫度每上升1: 導體電阻增大0.360.68%；半導體電阻下降36%。1.工作原理：利用某些物質(zhì)自身電阻隨溫度發(fā)生變化的特性熱阻效應

26、金屬導體或半導體電阻值與溫度呈一定函數(shù)關(guān)系。2.常用金屬熱電阻（1）鉑熱電阻 Platinum resistance 測溫范圍：測溫范圍：-200-200850850。分度號。分度號: : Pt10 Pt10 、Pt100Pt100。 -200-20000范圍：范圍： R Rt t=R=R0 01+At+Bt1+At+Bt2 2+C(t-100)t+C(t-100)t3 3 0 0850850范圍：范圍： R Rt t=R=R0 0(1(1AtAtBtBt2 2）R00時的阻值時的阻值；分別為；分別為 R0=10、R0=100。A3.9080210-3 1/; B-5.8019510-7 1/

27、2 ; C-4.2735010-12 1/4 。 平均電阻溫度系數(shù)為平均電阻溫度系數(shù)為3.853.8510-10-3 3 1/ 1/。Pt10Pt10電阻絲較電阻絲較粗粗，主要用于，主要用于600600以上以上的測量的測量特點：特點：精度高、性能穩(wěn)定可靠、抗氧化性好精度高、性能穩(wěn)定可靠、抗氧化性好5.4.2 常用金屬熱電阻 RtR0(1+t) 2.常用金屬熱電阻（2）銅熱電阻 copper resistance 測溫范圍：-50150 分度號：Cu50、Cu100RtR0(1+t) R0分別為50和100平均電阻溫度系數(shù)4.2810-3 1/。優(yōu)點：電阻溫度系數(shù)大，且材料易提純，價格便宜缺點：

28、電阻率低，體積大。易氧化，用于溫度不高，測溫體積無限制的場合5.4.2 常用金屬熱電阻 5.4.2 常用金屬熱電阻 2.常用金屬熱電阻（3）半導體熱電阻(熱敏電阻) Thermosentitive Resistance 通常用鐵、錳、銅、鈦、鉬等金屬氧化物或碳酸鹽、硝酸鹽、氯化物等材料制作。 特點：輸出信號大（靈敏度高）； 體積小，結(jié)構(gòu)簡單； 熱容小，響應快，常用于熱電偶冷端補償；同一型號復現(xiàn)性差，精度低；非線性嚴重。 TBAeRT/1.普通型熱電阻電阻體： 0.010.07mm電阻絲 雙線無感繞制 而成 消除電流變化或外界交變磁場產(chǎn)生的感應電勢。 5.4.3 熱電阻結(jié)構(gòu)內(nèi)引線：工業(yè)用 1mm

29、，標準或?qū)嶒炇矣?0.30.5mm保護管：同熱電偶保護管，材質(zhì)有金屬或非金屬等導線連接方式：為減少導線電阻對測量的影響，采用 或 連接方式普通型熱電阻RtrrR2（Rt +2 r）= R1R3IRIrRUUUtbcacab0)2()(tfRtR31.普通型熱電阻改進前的二線制，與橋路配合測電阻橋路平衡時：橋路輸出Uab=0，Rt變化時，橋路輸出橋路輸出Uab還與導線電阻r有關(guān)！ 5.4.3 熱電阻結(jié)構(gòu)5.4.3 熱電阻結(jié)構(gòu)1.普通型熱電阻改進后（三線制）：仍與橋路配合測電阻橋路平衡時：橋路設計若滿足：R1 = R2 ，則r可完全消去Rt變化時： 輸出輸出U Uabab與與導線電阻導線電阻r r無關(guān)！無關(guān)！R2（Rt + r）= R1（R3 + r）rRrRRRRrR)rR(RR21231231tIRRIrRIrRUUUttbcacab)()2()2(00 四線制連接電位差計用于電壓或電勢輸入的自動平衡式儀表電位差計測得U，可得 電位差計采用電壓平衡原理，平衡時測量回路中無電流，則導線電阻對測量無影響。無論三線