温度检测及仪表

第五章温度检测及仪表主要内容：5.1概论5.2膨胀式温度计5.3热电偶温度计5.4热电阻温度计5.5温度变送器5.6测温元件的选择与安装5.7常用的温度显示仪表5.1概论一套机组控制系统常有十几至几十个温度检测点，还有温度控制系统。为了保证机组正常工作，要了解测温原理，掌握不同类型温度仪表的特点、应用场合、使用方法。返回5.1.1温度传感器应满足的条件：特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化；除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；特性随时间变化要小；重复性好，没有滞后和老化；灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；能大批量生产，价格便宜；无危险性，无公害等。5.1.2温度检测方法按测温元件是否与被测对象接触分为：接触式、非接触式。接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。优点：结构简单、可靠，测温精度较高。缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。不适于直接对腐蚀性介质测量。非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。5.2膨胀式温度计（1）特点：膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。它们一般不具有信号远传功能，常用作现场温度指示。（2）结构原理：双金属温度计是利用两种膨胀系数不同的金属元件来测量温度的。其结构简单、牢固，可部分取代水银温度计，用于气体、液体及蒸气的温度测量。双金属温度计是由两种膨胀系数不同的金属薄片叠焊在一起制成的测温元件，如图5-1(a)所示，其中双金属片的一端为固定端，另一端为自由端。当t=t0时，两金属片都处于水平位置；当tt0时，双金属片受热后由于两种金属片的膨胀系数不同而使自由端产生弯曲变形，弯曲的程度与温度的高低成正比。(动画)返回5.3热电偶温度计5.3.1热电偶的测温原理—热电效应将两种不同材料的导体或半导体A和B连在一起组成一个闭合回路，而且两个接点的温度θ≠θo,则回路内将有电流产生，电流大小正比于接点温度θ和θo的函数之差，而其极性则取决于A和B的材料。EAB(θ0)EAB(θ)AB图5-3热电偶的热电效应（参比端、冷端、固定端）（工作端、热端、自由端）00(,)()()ABABABEEE0(,)()()ABEfC热电偶的中间导体定律根据热电偶的“中间导体定律”可知：热电偶回路中接入第三种导体后，只要该导体两端温度相同，热电偶回路中所产生的总热电势与没有接入第三种导体时热电偶所产生的总热电势相同；同理，如果回路中接入更多种图5-4热电偶测温回路导体时，只要同一导体两端温度相同，也不影响热电偶所产生的热电势值。因此热电偶回路可以接入各种显示仪表、变送器、连接导线等。分度表：当θ0=0℃时，与温度θ对应的数值表。（非线性）分度号：与分度表所对应的热电偶的代号。常用工业热电偶比较：热电偶名称分度号特点铂铑30-铂铑6热电势小，精度高，价格高镍铬-镍硅铂铑10-铂镍铬-康铜热电势小，精度高，线性差，价格高热电势大，线性好，价格低热电势大，线性差，价格低BSKE性能下降图5-5常用工业热电偶5.3.2常用热电偶的结构类型（1）工业用热电偶结构下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。图5-6工业热电偶结构示意图（2）常用热电偶类型：普通型热电偶—热电极、绝缘管、接线盒等。铠装热电偶多点式热点偶防爆型热点偶表面型热点偶铠装热电偶的特点热响应时间少，减小动态误差；可弯曲安装使用；测量范围大；机械强度高，耐压性能好；多点热电偶适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中。图5-7多点热电偶防爆型热电偶的原理防爆热电偶是利用间隙隔爆原理，设计具有足够强度的接线盒等部件，将所有会产生火花，电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内，当腔内发生爆炸时，能通过接合面间隙熄火和冷却，使爆炸后的火焰和温度传不到腔外，从而进行隔爆。防爆型热电偶的特点多种防爆形式，防爆性能好；压簧式感温元件，抗振性能好；测温范围大；机械强度高，耐压性能好；图5-8防爆型热电偶一览图无固定装置固定螺纹式固定法兰式活络管接头式直型管接头式图5-9吹气型热电偶吹气型热电偶通过吹进氮气或其它气体，将有害气体送出保护管外，从而提高热电偶寿命。是30万吨合成氨装置中不可缺少的测温装置。另外，压簧固定热电偶、直角弯头热电偶、耐磨阻漏热电偶等等5.3.3热电偶冷端温度补偿(1)补偿导线补偿导线——解决参比端温度的恒定问题。补偿导线要求：价格便宜，0-100℃范围内的热电性质与要补偿的热电偶的热电性质几乎完全一样。（动画）(2)补偿电桥法：利用参比端温度补偿器。补偿电桥法就是在热电偶的测量线路中附加一个电势，该电势一般是由如图5-10中的补偿电桥自动提供的。当工作端温度不变时，如果冷端温度在一定范围内变化，总的热电势值将不受影响。保证温度仪表示值等于被测值。返回5.4热电阻温度计⑴金属热电阻——测温原理是基于导体的电阻会随温度的变化而变化的特性。热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。常用热电阻：铜电阻和铂电阻（动画）热电阻的结构形式：普通型、铠装型、专用型热电阻通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用。直接测量各种生产过程中的-200°C～500°C范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。如下图5-12所示：无固定装置热电阻固定螺纹式热电阻活动法兰式热电阻固定螺纹锥式热电阻固定螺纹管接头式热电阻活络管接头式热电阻图5-12热电阻端面热电阻——适合于测量电厂汽轮机及电机轴瓦或其它机体表面温度。图5-13端面热电阻防腐热电阻——采用新型防腐材料，外包覆聚四氟乙烯F46，适合于石油化工各种腐蚀性介质中测温。是氯碱行业的专用测温仪表。图5-14防腐热电阻（2）热电阻温度变送器热电阻温度变送器输入热电阻信号给输入回路。输入回路是一个不平衡电桥，热电阻即为桥路的一个桥臂。如果是金属热电阻，由于连接热电阻的导线存在电阻，且导线电阻值随环境温度的变化而变化，从而造成测量误差，因此实际测量时采用三线制接法。所谓三线制接法，就是从现场的金属热电阻两端引出三根材质、长短、粗细均相同的连接导线，其中两根导线被接入相邻两对抗桥臂中，另一根与测量桥路电源负极相连。见下图。由于流过两桥臂的电流相等，因此当环境温度变化时，两根连接导线因阻值变化而引起的压降变化相互抵消，不影响测量桥路输出电压的大小。图5-15热电阻测量桥路返回5.5温度变送器温度变送器的作用是将热电偶或热电阻输出的电势值或电阻值转换成统一标准信号，再送给其他单元组合仪表进行指示、记录或控制。图5-16为使用温度变送器的温度检测系统组成框图。温度变送器种类很多，常用的有DDZ-Ⅲ型温度变送器、智能型温度变送器等等。DDZ-Ⅲ型温度变送器以24VDC为能源，以4-20mADC为统一标准信号，其作用是将来自于热电偶或热电阻或者其他仪表的热电势、热电阻阻值或直流毫伏信号，对应地转换成4-20mADC电流（或1-5VDC电压）。DDZ-Ⅲ型温度变送器也是安全火花型防爆仪表，分两大类（架装型和现场安装型）、三个品种（热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器）。返回5.6测温元件的选择与安装5.6.1热电偶、热电阻的选用选用原则：较高温度——热电偶中低温区——热电阻一般以500℃为分界，但不绝对。原因有两点：(1)在中低温区，热电偶输出的热电势很小，对测量仪表放大器和抗干扰要求很高。(2)由于参比端温度变化不易得到完全补偿，在较低温度区内引起的相对误差就很突出。另外，还应注意工作环境，如环境温度、介质性质（氧化性、还原性、腐蚀性）等，选择适当的保护套管、连接导线等。5.6.2测温元件的安装(a)斜插(b)插入弯头处(c)错误插法(1)选择有代表性的测温点位置，测温元件有足够的插入深度。图5-17测温元件安装(2)热电偶或热电阻的接线盒的出线孔应朝下，以免积水及灰尘等造成接触不良，防止引入干扰信号。(3)检测元件应避开热辐射强烈影响处。要密封安装孔，避免被测介质溢出或冷空气吸入而引入误差。返回5.7常用的温度显示仪表显示仪表是对生产过程中的各种变量进行指示、记录或累积的仪表。它可与其他各种测量元件或变送器配套使用，连续地显示或记录生产过程中各变量的变化情况。一般都安装在控制室的仪表盘上，按照显示方式不同，分为模拟式、数字式、图像（屏幕）显示三类。5.7.1模拟式常用的有：动圈式显示仪表和自动平衡式显示仪表。其中自动平衡式又分为电子电位差计、电子自动平衡电桥、ER180系列等多种类型。ER180系列仪表中，ER181、ER182、ER183分别为单笔、双笔和三笔的笔式记录仪，采用便于使用的可更换的纤维笔；ER184-ER188分别为双点、三点、六点、十二点和二十四点的打点记录仪。5.7.2数字式数显仪表用数码管显示测量值或偏差值，清晰直观，读数方便，不会产生视差。数显仪表普遍采用中、大规模集成电路，线路简单，可靠性好，耐振性强。由于仪表采用模块化设计方法，即不同品种的数显仪表都是由为数不多的、功能分离的模块化电路组合而成，因此有利于制造、调试和维修，降低生产成本。数显仪表品种繁多，配接灵活，可输入多种类型测量信号，输出统一标准的电流信号（0～10mA直流电流或4～20mA直流电流）和报警信号。仪表具有非线性校正及开方运算电路，配接热电偶测温时具有冷端温度补偿功能，配接热电阻时考虑了外线电阻的补偿，配接差压变送器测流量时可直接显示流量值。图5-18XMZ型数字显示仪表5.7.3图像显示仪表当前的显示仪表是涉及微处理技术、新型显示技术、记录技术、数据存储技术和控制技术，把信号检测处理、显示、记录、数据储存、通讯、控制、复杂数学运算等多个或全部功能集合于一体的新型仪表。它使用方便，观察直观，功能丰富，可靠性高。（1）无纸记录仪特点：以CPU为核心，控制数据的采集、显示、打印、存储、报警等，采用液晶显示装置，完全摈弃了传统记录仪的机械传动、纸张和笔。精度高，价格并不高。作用：该仪表的输入信号种类较多。它可以与热电偶、热电阻、辐射感温器或其他产生直流电压、直流电流的变送器相配合，对压力、流量、液位、温度等工艺变量进行数字记录和数字显示；可以对输入信号进行组态或编程，并有报警功能。下图为无纸、无笔记录仪实时单通道液晶显示界面：图5-19无笔记录仪液晶显示界面：（2）虚拟显示仪表特点：利用计算机来完成显示仪表所有的工作。在计算机屏幕上完全模仿实际使用中的各种仪表，如仪表面盘、操作盘、接线端子等。用户通过计算机键盘、鼠标或触摸屏进行操作。返回