本次課標題模塊二 ——溫度檢測儀表的選用

1、本次課標題：模塊二 溫度檢測儀表的選用授課班級上課時間周 月 日 第 節(jié)上課地點過程控制實驗室 周 月 日 第 節(jié)教學目的能根據(jù)工藝特點與控制要求正確選擇熱電偶和電阻傳感器教學目標能力（技能）目標知識目標1、能讀懂產(chǎn)品說明書。2、能正確工藝特點與控制要求選擇熱電偶與熱電阻傳感器型號與結構。1、熟悉溫度檢測儀表的分類與性能特點。2、明確熱電偶的測溫原理，熟悉熱電偶傳感器的選擇方法與基本步驟，掌握其應用技術。3、明確熱電阻的測溫原理，熟悉熱電阻傳感器的選擇方法與基本步驟，掌握其應用技術。重點難點及解決方法重點：直行程單閥座和直行程雙閥座的選擇。難點：直行程單閥座和直行程雙閥座的選擇計算。解決辦法：

2、執(zhí)行器的選擇計算有點煩瑣，為此，將直行程單閥座和雙閥座作為教學的重點，并通過在線計算工具應用和產(chǎn)品購買單填寫的實訓，簡化了方法，增強了針對性與實用性，努力促使學生掌握基本的執(zhí)行器選擇能力。參考資料1 高志宏主編，過程控制與自動化儀表，浙江大學出版社，2006年2 厲玉鳴主編，化工儀表及自動化，化學工業(yè)出版社，2004年.3 王森等主編，儀表工試題集，化學工業(yè)出版社，2003年第二版.4 解懷仁、楊彬彥主編，石油化工儀表控制系統(tǒng)選用手冊，北京，中國石化出版，2004年5 吳勤勤主編，控制儀表及裝置，化學工業(yè)出版社，2002年第二版.課前準備：多媒體課件制作、以4人/小組進行分組。一、課程導引教學

3、內(nèi)容說明本次課將對溫度檢測與變送儀表的選用進行討論。但測溫方法很多，要把所有的溫度檢測方法都進行討論顯然是不可能，也不是本課程討論的重點，只能就普遍性檢測方法進行討論?？紤]到溫度檢測原理在檢測技術課程中已詳細討論過，因此，本課程將就溫度檢測儀表的選用進行分析，而著重點則是熱電偶和熱電阻的溫度檢測儀表討論，希望能掌握基本技能、達到舉一反三之目的。二、基本知識測溫方法及儀表分類（25分鐘）1、溫度測量方法溫度測量儀表按測溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。通常來說接觸式測溫儀表測溫儀表比較簡單、可靠，測量精度較高；但因測溫元件與被測介質(zhì)需要進行充分的熱交換，這需要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在

4、測溫的延遲現(xiàn)象，同時受耐高溫材料的限制，不能應用于很高的溫度測量。非接觸式儀表測溫是通過熱輻射原理來測量溫度的，測溫元件不需與被測介質(zhì)接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會破壞被測物體的溫度場，反應速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。這兩種測溫方法的各自特點見表1所示。表1 測溫方法及其特點測量方法測量原理測量范圍優(yōu)點缺點接觸式利用兩接觸物體通過傳導和對流后的熱平衡進行測溫。-270 2320結構簡單、價格便宜、使用方便、測量精度高。但置入困難，容易受環(huán)境干擾，尤其對高溫的測量較為困難，很多場合的應用受到限制。非接觸式利用物體的熱輻

5、射能(或亮度)隨溫度變化進行測溫。- 50 6000響應快、壽命長、干擾小 、耐腐蝕，尤其適于測高溫和遠距離測量。結構復雜價格貴、技術要求高、需日常維護保養(yǎng)。2、測溫儀表的分類常用的測溫儀表特點見表2所示。表2 常用的測溫儀表特點名稱簡單原理特點批示報警遠距離記錄變送優(yōu)點缺點液體膨脹式液體受熱時體積膨脹價廉，準確度較高，穩(wěn)定性好易破碎，只能裝在易測的地方可可固體膨脹式金屬受熱時線性膨脹示值清楚、機械強度好準確度較低可可可壓力式溫包里的氣體或液體因受熱而改變壓力價廉、易就地集中測量（一般毛細管長20m）毛細管長機械強度差，損壞不易修復可可近距離可可熱電阻導體或半導體的電阻隨溫度改變測量準確，可用

6、于低溫溫差測量和熱電偶比維護工作量大，振動場合易損壞可可可可可熱電偶兩種不同金屬的導體接點受熱產(chǎn)生熱電勢測量準確，安裝維護方便，不易損壞需要補償導線，安裝費較高可可可可可光學高溫計加熱體的亮度隨溫度高低而變化。測量范圍廣，攜帶使用方便，價格低只能目測，必須熟練才能測準可光電高溫計加熱體的顏色隨溫度高低而變化反應速度快，測量較準確構造復雜，價高讀數(shù)較麻煩可可可可輻射高溫計加熱體的輻射能量隨溫度變化而變化反應速度快誤差較大可可可可注：光纖類既可做成接觸式的也可做成非接觸式的。3、測溫儀表選用的基本原則測溫儀表的選用原則主要包括：（1）根據(jù)工藝要求，正確選用溫度測量儀表的量程和精度。正常使用的測溫范

7、圍一般為全量程的3070之間，最高溫度不得超過刻度的90%。（2）用于現(xiàn)場進行接觸式測溫的儀表有玻璃溫度計（用于指示精度較高和現(xiàn)場沒有振動的場合）、壓力式溫度計（用于就地集中測量、要求指示清晰的場合）、雙金屬溫度計（用于要求指示清晰、并且有振動的場合）、半導體溫度計（用于間斷測量固體表面溫度的場合）。（3）用于遠傳接觸式測溫的有熱電偶、熱電阻。應根據(jù)工藝條件與測溫范圍選用適當?shù)囊?guī)格品種、惰性時間、連接方式、補償導線、保護套管與插入深度等。（4）測量細小物體和運動物體的溫度，或測量高溫，或測量具有振動、沖擊而又不能安裝接觸式測量儀表的物質(zhì)的溫度，應采用光學高溫計、輻射高溫計、光電高溫計與比色高溫

8、計等不接觸式溫度計。（5）用輻射高溫計測溫時，必須考慮現(xiàn)場環(huán)境條件，如受水蒸氣、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、臭氧、反射光等影響，并應采取相應措施，防止干擾。綜觀以上各種測溫儀表，機械式的大多只能作就地指示，輻射式的精度較差，只有電的測溫儀表精度較高，信號又便于遠傳和處理。因此熱電偶與電阻式兩種測溫儀表得到了最廣泛的應用。三、產(chǎn)品知識一 熱電偶儀表的選用（55分鐘）熱電偶測溫的基本原理是“熱電效應”，即利用當兩種不同的導體或半導體連接成閉合時，若兩個接點溫度不同，回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，并形成電流。由于熱電偶儀表具有結構簡單、制造方便、測量范圍寬（從-270到+1200）、精度高、慣性小和輸出信號

9、便于遠傳等許多優(yōu)點，應用極為廣泛，常被用作測量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。在熱電偶儀表的選用時，應重點注意以下幾個問題：1、熱電偶的類型圖1 裝配式熱電偶的基本結構熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等幾個主要部分組成，其典型結構如圖1所示。由于工藝條件、控制要求等的不同，從而圍繞著這幾部分形成了多種類別與性能各異的熱電偶。雖然熱電偶的形式與性能是多種多樣，但就其基本結構而言無外乎以下幾種裝配式熱電偶、鎧裝熱電偶、薄膜熱電偶。表3列出了這幾種常用熱電偶類型的特點與應用范圍。表3 常用熱電偶類型的特點與應用范圍類型性能特點典型時間常數(shù)應用范圍普通熱電偶結構簡單、安裝空

10、間小，接線方便，已做成標準型式。但時間滯后大，動態(tài)響應慢，安裝較困難。分級測量氣體、蒸汽、液體等介質(zhì)的溫度等實時性要求不高、但要快速拆卸的環(huán)境。鎧裝熱電偶熱慣性?。挥辛己玫娜嵝裕阌趶澢?；抗振性能好；動態(tài)響應快。秒級測量狹小的對象上各點的溫度或?qū)崟r性要求較高的場合。薄膜熱電偶厚度很薄，達微米級。熱慣性小，動態(tài)響應最快。毫秒級適用于各種物體表面溫度的測量。如汽輪機葉片表面溫度測量，火箭、飛機噴嘴的溫度，鋼錠、軋輥等表面溫度測量等。2、熱電偶的材料原則上說，隨便兩種不同的導體焊在一起，都會產(chǎn)生熱電勢。這并不是說所有熱電偶都具有實用價值，能被大量采用的材料必須在測溫范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的化學及物理性質(zhì)，熱

11、電勢要大，且與溫度接近線性關系。從1986年起，我國按國際標準制定了熱電偶生產(chǎn)和使用的國家標準。表4列出了幾種常用的我國標準型熱電偶的材料、分度號及主要特性，便于大家選用。表4 幾種常用的我國標準型熱電偶熱電偶名稱分度號熱電偶絲材料測溫范圍（）平均靈敏度特點補償導線鉑銠30-鉑銠6B正極鉑70%，銠30%負極鉑94%，銠6%0180010V/價貴、穩(wěn)定、精度高，可在氧化性氣氛使用冷端在0100間可不用補償導線鉑銠10-鉑S正極鉑90%，銠10%負極鉑100%0160010V/同上。熱電特性的線性度比B好。銅-銅鎳合金鎳鉻-鎳硅K正極鎳89%，鉻10%負極鎳94%，硅3%0130040V/線性度

12、好，價廉，銅-康銅鎳鉻-康銅E正極鎳89%，鉻10%負極銅60%，鎳40%20090080V/靈敏度高，價廉，可在氧化及弱還原氣氛中使用銅-康銅T正極銅100%負極銅60%，鎳40%20040050V/最便宜，但銅易氧化，用于150以下溫度測量3、熱電偶的結構（1）普通裝配式熱電偶的結構裝配式熱電偶是熱電極可以從保護管中取出的可拆卸的工業(yè)熱電偶，它與顯示儀表、記錄儀表或計算機等配套使用，可以測量各種生產(chǎn)過程中氣體、液體、熔體及固體表面的溫度。裝配式熱電偶的結構主要由接線盒、接線盒內(nèi)的接線端子、保護管、絕緣套管和熱電極組成。其常見外形結構如圖2所示，圖3是裝配式熱電偶的型號意義（該部分內(nèi)容選自“

13、上?；垩烹姛醿x表有限公司”產(chǎn)品）。無固定裝置熱電偶固定螺紋式熱電偶活動法蘭式熱電偶固定法蘭式熱電偶活絡管接頭式熱電偶固定螺紋錐形熱電偶直形管接頭式熱電偶固定螺紋接頭式熱電偶活動螺紋管接頭式熱電偶圖2 常見普通工業(yè)裝配式熱電偶的外形結構 圖3 裝配式熱電偶的型號意義（2）鎧裝熱電偶的結構鎧裝熱電偶作為測量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀和電子調(diào)節(jié)器配套使用，也可以作為裝配式熱電偶的感溫元件。它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中從01800范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面的溫度。與裝配式熱電偶相比，鎧裝熱電偶具有可彎曲、耐高壓、熱響應時間短和堅固耐用等優(yōu)點。鎧裝熱電偶的結構原理是由導體、高絕緣

14、氧化鎂、外套 1Cr18Ni9Ti不銹鋼保護管，經(jīng)多次一體拉制而成。鎧裝熱電偶產(chǎn)品主要由接線盒、接線端子和鎧裝熱電偶組成基本結構，并配以各種安裝固定裝置組成。防噴式防水式 圓接插式 扁接插式 手柄式 補償導線式 圖4 常見鎧裝熱電偶的外形結構鎧裝熱電偶實例4、熱電偶的插入深度熱電偶屬接觸式溫度計，要與被測介質(zhì)有良好的接觸，才能保證熱電偶的測溫精度。為確保測量的準確性，首先應根據(jù)管道或設備工作壓力大小、工作溫度、介質(zhì)腐蝕性要求等方面，合理確定熱電偶的結構型式和安裝方式；其次要正確選擇測溫點，測溫點要具有代表性，不應把熱電偶插在被測介質(zhì)的死角區(qū)域。熱電偶工作端應處于管道流速較大處；最后，要合理確定

15、熱電偶的插入深度l。一般在管道上安裝取150200mm，在設備上安裝可取 400mm 。熱電偶在不同的管道公稱直徑和安裝方式下，插入深度見表5，以供參考。表 5 熱電偶的插人深度標準種類普通熱電偶鎧裝熱電偶安裝方式連接件標稱直徑直型連接頭直插45角連接頭斜插法蘭直插高壓套管卡套螺紋直插卡套法蘭直插固定套管可換套管28324050658010012515017520022525025060100150150150150150200200200120150150200200200200250250250901501501502002002002502502501502002002002502502

16、50300300300150200200200250250250250300300401001001001001501501503007010010015015015015015060757575100100100150150150150200200120135135135150150150200200200200200200607575100100100100150150150150200200應注意：（1）插入深度的選取應當使熱電偶能充分感受介質(zhì)的實際溫度。對于管道安裝通常使工作端處于管道中心線 1 / 3 管道直徑區(qū)域內(nèi)。（2）在安裝中常采用直插、斜插（45度角）等插入方式。如果管道較細

17、，宜采用斜插。在斜插和管道彎頭處安裝時，其端部應對著被測介質(zhì)的流向（逆流），不要與被測介質(zhì)形成順流，如圖5所示。對于在 管徑小于80mm 的管道上安裝熱電偶時，可以采用擴大管，其安裝方式見圖6所示。（3）用熱電偶測量爐膛溫度時，應避免熱電偶與火焰直接接觸，避免安裝在爐門旁或與加熱物體距離過近之處。在高溫設備上測溫時，為防止保護套管彎曲變形，應盡量垂直安裝。若必須水平安裝，則當插入深度大于 lm 或被測溫度大于 700 時，應用耐火粘土或耐熱合金制成的支架將熱電偶支撐住。( a )直插 ( b )斜插 ( C )肘管安裝圖 5 熱電偶的插入方式1 一墊片； 2 一 45度角連接頭； 3 一直形連

18、接頭（4）熱電偶的接線盒引出線孔應向下，以防因密封不良而使水汽、灰塵與臟物落入接線盒中，影響測量。（5）為減少測溫滯后，可在保護外套管與保護管之間加裝傳熱良好的填充物，如變壓器油 ( < 150)或銅屑、石英砂（> 150）等。圖6 熱電偶在擴大管上的安裝l 一墊片； 2 一 450 角連接頭； 3 一溫度計擴大管5、補償導線的選用從熱電效應的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢與兩端溫度有關。只有將冷端的溫度恒定，熱電動勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。在工業(yè)測量儀表中通常引入一個隨冷端溫度變化的附加電勢，自動補償冷端溫度的變化，以保證測量精度?？紤]到電勢補償裝置常離測量點較遠，為了節(jié)約貴金屬

19、，工業(yè)上選用在較低溫度下（100）與所用熱電偶的熱電特性相近的廉價金屬，作為熱電偶絲在低溫區(qū)的替代品，稱為補償導線。具體選用應注意熱電偶與測量（或控制）儀表之間加接的導線，必須是相應的熱電偶補償導線，不能隨意用其它金屬導線替代，一般只要向廠家說明即可。表6補償導線的分類型號與分度號，供選用時參考。表6 補償導線的分類型號與分度號補償導線型號配用熱電偶的分度號補償導線合金絲補償導線顏色正極負極正極負極SCKCKXEXJXTXS（鉑銠10-鉑）K（鎳鉻-鎳硅）K（鎳鉻-鎳硅）E（鎳鉻-銅鎳）J（鐵-銅鎳）T（銅-銅鎳）SPC（銅）KPC（銅）KPX（鎳鉻）EPX（鎳鉻）JPX（鐵）TPX（銅）SN

20、C（銅鎳）KNC（銅鎳）KNX（鎳硅）ENX（銅鎳）JNX（銅鎳）TNX（銅鎳）紅紅紅紅紅紅綠藍黑棕紫白三、產(chǎn)品知識二 熱電阻儀表的選用（30分鐘）熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱是熱電阻中測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。熱電阻是應用金屬在溫度變化時本身電阻也隨之發(fā)生變化的原理來測量溫度的。按其保護管結構形式分為裝配式（可拆卸）和鎧裝式（不可拆卸，內(nèi)裝鉑電阻）。目前現(xiàn)場應用較多的裝配式熱電阻主要包括分度號為Pt100的鉑熱電阻和分度號為Cu50的銅熱電阻兩大類。 工業(yè)用WZ系列裝配式熱電阻可直接

21、和二次儀表相連接使用?？梢詼y量各種生產(chǎn)過程中從-200至420范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)及固體表面的溫度。由于它具有良好的電輸出特性，可為顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器、掃描器、數(shù)據(jù)記錄儀以及計算機提供準確的溫度變化信號。為了突出重點，這里我們以WZ系列裝配式熱電阻為實例，較為詳細地討論其選用知識（選自“上海慧雅電熱儀表有限公司”產(chǎn)品說明書）。1、裝配式熱電阻的結構裝配式熱電阻主要由接線盒、保護管、接線端子、絕緣套管和感溫元件組成。l 熱電阻結構圖 熱電阻結構圖見圖7所示。圖7 熱電阻結構圖 圖8 感溫元件結構圖l 感溫元件結構圖 感溫元件結構圖見圖8所示。2、裝配式熱電阻實例3、主要技術指標

22、60;l 測溫范圍和準確度名稱 型號 分度號 允差等級 測量范圍（） 允許偏差（） 鉑熱電阻 WZP Pt100 A -200 420 ±(0.15+0.002t) B ±(0.30+0.005t) 銅熱電阻 WZC Cu50         -50 120 ±(0.30+0.006t) l 熱響應時間       在溫度出現(xiàn)階躍變化時，熱電阻的電阻值變化至相當于該階躍變化的某個規(guī)定百分數(shù)所需要的時間，稱為熱響應時間，用表示(取50%時

23、的熱響應時間表示為0.5 )。 鉑熱電阻采用1216的不銹鋼保護管以及錐形保護管0.5 3090秒，采用12不銹鋼保護管的銅熱電阻0.5 120秒。 l 自熱影響       熱電阻的激勵功率造成感溫元件加熱。通過熱電阻中的測量電流為5mA時，測得的電阻增量換算成溫度值應不大于0.30。 l 公稱壓力       一般是指在工作溫度下，保護管所能承受的靜態(tài)外壓而不破裂。實際上，容許工作壓力不僅與保護管材料、直徑、壁厚有關，而且還與其結構、安裝方法、置入深度以及被測介質(zhì)的流速和

24、種類有關。 不同固定裝置方式的裝配式熱電阻公稱壓力 。固定裝置 方式 固定螺紋直形保護管 固定螺紋錐形 保護管 活動法蘭 固定法蘭 固定卡套螺紋 活動卡套螺紋 固定卡套法蘭   活動卡套法蘭 公稱壓力MPa 10 30 常壓 2.5 2.5 常壓 2.5 常壓 l 熱電阻最小置入深度 從保護管最底部算起，熱電阻處于被測溫空間的長度。    lmin = ln+15D    lmin-最小可用置入深度(mm)    ln-感溫元件長度(mm)    D-保護管外徑 (mm) l 常溫絕緣電阻       常溫絕緣電阻的試驗電壓可取直流10100V任意值，環(huán)境溫度在1535范圍內(nèi)，相對濕度應不大于80%。鉑熱電阻常溫絕緣電阻值應不小于100M，銅熱電阻的常溫絕緣電阻值不小于50M。 4、型號含義型號含義見圖9所示。四、動動腦筋（15分鐘）1、任務提出圖9 裝配式熱電阻的型號含義實驗裝置上的模擬鍋爐