化工儀表自動化【第三章】溫、顯示

化工儀表自動化

（Instruments&AutomaticsofChemicalEngineering）

第三章

檢測儀表及傳感器主講人：孫行衍本文檔共60頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期六\0點14分第三章檢測儀表及傳感器

3.5溫度檢測及儀表本文檔共60頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表本文檔共60頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表本文檔共60頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表本文檔共60頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表一、溫度檢測方法

溫度不能直接測量，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(zhì)隨冷熱程度不同而變化的特性來加以間接測量。本文檔共60頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表分類按測量范圍按用途

高溫計、溫度計標(biāo)準(zhǔn)儀表、實用儀表按工作原理

膨脹式溫度計、壓力式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計和輻射高溫計按測量方式

接觸式與非接觸式600℃本文檔共60頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表1.膨脹式溫度計

膨脹式溫度計是基于物體受熱時體積膨脹的性質(zhì)而制成的。本文檔共60頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表圖3-52雙金屬片

圖3-53雙金屬溫度信號器1—雙金屬片；2—調(diào)節(jié)螺釘；3—絕緣子；4—信號燈本文檔共60頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表本文檔共60頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表2.壓力式溫度計

應(yīng)用壓力隨溫度的變化來測溫的儀表叫壓力式溫度計。

本文檔共60頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表

它是根據(jù)在封閉系統(tǒng)中的液體、氣體或低沸點液體的飽和蒸汽受熱后體積膨脹或壓力變化這一原理而制成的，并用壓力表來測量這種變化，從而測得溫度。圖3-54壓力式溫度計結(jié)構(gòu)原理圖

1—傳動機(jī)構(gòu)；2—刻度盤；3—指針；4—彈簧管；5—連桿；6—接頭；7—毛細(xì)管；8—溫包；9—工作物質(zhì)

溫包毛細(xì)管彈簧管（或盤簧管）

本文檔共60頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表3.輻射式高溫計輻射式高溫計是基于物體熱輻射作用來測量溫度的儀表。800℃本文檔共60頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表二、熱電偶溫度計

熱電偶溫度計是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的測溫儀表。熱電偶溫度計由三部分組成：熱電偶；測量儀表；連接熱電偶和測量儀表的導(dǎo)線。本文檔共60頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表圖3-55熱電偶溫度計測溫系統(tǒng)示意圖1—熱電偶；2—導(dǎo)線；3—測量儀表1.熱電偶圖3-56熱電偶示意圖本文檔共60頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表本文檔共60頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期六\0點14分（1）熱電現(xiàn)象及測溫原理

3.5溫度檢測及儀表圖3-57熱電現(xiàn)象圖3-58接觸電勢形成的過程圖3-59熱電偶原理及電路圖左圖閉合回路中總的熱電勢或本文檔共60頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表注意如果組成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體材料相同，則無論兩接點溫度如何，閉合回路的總熱電勢為零；如果熱電偶兩接點溫度相同，盡管兩導(dǎo)體材料不同，閉合回路的總熱電勢也為零；熱電偶產(chǎn)生的熱電勢除了與兩接點處的溫度有關(guān)外，還與熱電極的材料有關(guān)。也就是說不同熱電極材料制成的熱電偶在相同溫度下產(chǎn)生的熱電勢是不同的。本文檔共60頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表（2）插入第三種導(dǎo)線的問題

利用熱電偶測量溫度時，必須要用某些儀表來測量熱電勢的數(shù)值，見圖3-60。圖3-60熱電偶測溫系統(tǒng)連接圖圖（a）總的熱電勢（3-65）由于（3-64）（3-67）將式（3-66）、式（3-67）代入式（3-64）（3-66）（3-71）本文檔共60頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表說明：在熱電偶回路中接入第三種金屬導(dǎo)線對原熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢數(shù)值并無影響。不過必須保證引入線兩端的溫度相同。

故得（3-69）圖（b）總的熱電勢（3-71）（3-70）本文檔共60頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表（3）常用熱電偶的種類

工業(yè)上對熱電極材料的要求溫度每增加１℃時所能產(chǎn)生的熱電勢要大，而且熱電勢與溫度應(yīng)盡可能成線性關(guān)系；物理穩(wěn)定性要高；化學(xué)穩(wěn)定性要高；材料組織要均勻，要有韌性，便于加工成絲；復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，而且在應(yīng)用上也可保證良好的互換性。本文檔共60頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表熱電偶名稱代號分度號熱電極材料測溫范圍/℃新舊正熱電極負(fù)熱電極長期使用短期使用鉑銠30-鉑銠6鉑銠10-鉑鎳鉻-鎳硅鎳鉻-銅鎳鐵-銅鎳銅-銅鎳WRRWRPWRNWREWRFWRCBSKEJTLL-2LB-3EU-2--CK鉑銠30合金鉑銠10合金鎳鉻合金鎳鉻合金鐵銅鉑銠6合金純鉑鎳硅合金銅鎳合金銅鎳合金銅鎳合金300～1600-20～1300-50～1000-40～800-40～700-400～300180016001200900750350表

工業(yè)用熱電偶本文檔共60頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表（4）熱電偶的結(jié)構(gòu)①普通型熱電偶圖3-61熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電極絕緣管保護(hù)套管接線盒②鎧裝熱電偶

由金屬套管、絕緣材料（氧化鎂粉）、熱電偶絲一起經(jīng)過復(fù)合拉伸成型，然后將端部偶絲焊接成光滑球狀結(jié)構(gòu)。優(yōu)點反應(yīng)速度快、使用方便、可彎曲、氣密性好、不怕振、耐高壓等。本文檔共60頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表③表面型熱電偶

專門用來測量物體表面溫度的一種特殊熱電偶。優(yōu)點反應(yīng)速度極快、熱慣性極小。

④快速熱電偶

測量高溫熔融物體一種專用熱電偶。

熱電偶的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)它的用途和安裝位置來確定。在熱電偶選型時，要注意三個方面：熱電極的材料；保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)，材料及耐壓強(qiáng)度；保護(hù)套管的插入深度。本文檔共60頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表

采用一種專用導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸出來，這既能保證熱電偶冷端溫度保持不變，又經(jīng)濟(jì)。2.補(bǔ)償導(dǎo)線的選用圖3-62補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖

它也是由兩種不同性質(zhì)的金屬材料制成，在一定溫度范圍內(nèi)（0～100℃）與所連接的熱電偶具有相同的熱電特性，其材料又是廉價金屬。見左圖。本文檔共60頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時，要注意型號相配。熱電偶名稱補(bǔ)償導(dǎo)線工作端為100℃，冷端為0℃時的標(biāo)準(zhǔn)熱電勢/mV正極負(fù)極材料顏色材料顏色鉑銠10-鉑鎳鉻-鎳硅（鎳鋁）鎳鉻-銅鎳銅-銅鎳銅銅鎳鉻銅紅紅紅紅銅鎳銅鎳銅鎳銅鎳綠藍(lán)棕白0.645±0.0374.095±0.1056.317±0.1704.277±0.047表3-10常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線本文檔共60頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表

在應(yīng)用熱電偶測溫時，只有將冷端溫度保持為0℃，或者是進(jìn)行一定的修正才能得出準(zhǔn)確的測量結(jié)果。這樣做，就稱為熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償。一般采用下述5種方法。3.冷端溫度的補(bǔ)償本文檔共60頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表（1）冷端溫度保持為0℃的方法圖3-63

熱電偶冷端溫度保持0℃的方法（2）冷端溫度修正方法

在實際生產(chǎn)中，冷端溫度往往不是0℃，而是某一溫度t1，這就引起測量誤差。因此，必須對冷端溫度進(jìn)行修正。熱電偶的冷端補(bǔ)償方法本文檔共60頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表某一設(shè)備的實際溫度為t，其冷端溫度為t1，這時測得的熱電勢為E（t，t1）。為求得實際t的溫度，可利用下式進(jìn)行修正，即因為由此可知，冷端溫度的修正方法是把測得的熱電勢E（t，t1），加上熱端為室溫t１，冷端為0℃時的熱電偶的熱電勢E（t1，0），才能得到實際溫度下的熱電勢E（t，0）。本文檔共60頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表例6用鎳鉻-銅鎳熱電偶測量某加熱爐的溫度。測得的熱電勢E（t，t1）＝66982μV，而自由端的溫度t1＝30℃，求被測的實際溫度。解

由附錄三可以查得

則再查附錄三可以查得68783μV對應(yīng)的溫度為900℃。本文檔共60頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表

由于熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢與溫度之間的關(guān)系都是非線性的（當(dāng)然各種熱電偶的非線性程度不同），因此在自由端的溫度不為零時，將所測得熱電勢對應(yīng)的溫度值加上自由端的溫度，并不等于實際的被測溫度。譬如在上例中，測得的熱電勢為66982μV，由附錄三可查得對應(yīng)溫度為876.6℃，如果再加上自由端溫度30℃，則為906.6℃，這與實際被測溫度有一定誤差。其實際熱電勢與溫度之間的非線性程度越嚴(yán)重，則誤差就越大。本文檔共60頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表（3）校正儀表零點法

若采用測溫元件為熱電偶時，要使測溫時指示值不偏低，可預(yù)先將儀表指針調(diào)整到相當(dāng)于室溫的數(shù)值上。注意：只能在測溫要求不太高的場合下應(yīng)用。（4）補(bǔ)償電橋法

利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢，來補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。

本文檔共60頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表

由于電橋是在20℃時平衡的，所以采用這種補(bǔ)償電橋時須把儀表的機(jī)械零位預(yù)先調(diào)到20℃處。

如果補(bǔ)償電橋是在0℃時平衡設(shè)計的（DDZ-Ⅱ型溫度變送器中的補(bǔ)償電橋），則儀表零位應(yīng)調(diào)在0℃處。注意！圖3-64具有補(bǔ)償電橋的熱電偶測溫線路本文檔共60頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表（5）補(bǔ)償熱電偶法

圖3-65補(bǔ)償熱電偶連接線路

在實際生產(chǎn)中，為了節(jié)省補(bǔ)償導(dǎo)線和投資費用，常用多支熱電偶而配用一臺測溫儀表。本文檔共60頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表三、熱電阻溫度計

在中、低溫區(qū)，一般是使用熱電阻溫度計來進(jìn)行溫度的測量較為適宜。

熱電阻溫度計是由熱電阻（感溫元件），顯示儀表（不平衡電橋或平衡電橋）以及連接導(dǎo)線所組成。圖3-66熱電阻溫度計本文檔共60頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表

對于呈線性特性的電阻來說，其電阻值與溫度關(guān)系如下式

熱電阻溫度計適用于測量-200～+500℃范圍內(nèi)液體、氣體、蒸汽及固體表面的溫度。1.測溫原理

利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性（電阻溫度效應(yīng)）來進(jìn)行溫度測量的。

本文檔共60頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表2.工業(yè)常用熱電阻作為熱電阻的材料一般要求是：電阻溫度系數(shù)、電阻率要大；熱容量要?。辉谡麄€測溫范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)和良好的復(fù)制性；電阻值隨溫度的變化關(guān)系，最好呈線性。本文檔共60頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表（1）鉑電阻

在0～650℃的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度的關(guān)系為

工業(yè)上常用的鉑電阻有兩種，一種是R0＝10Ω，對應(yīng)分度號為Pt10。另一種是R0＝100Ω，對應(yīng)分度號為Pt100。（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(guān)系；在測溫范圍為-50～+150℃內(nèi)，具有很好的穩(wěn)定性。

工業(yè)上常用的鉑電阻有兩種，一種是R0＝50Ω，對應(yīng)的分度號為Cu10。另一種是R0＝100Ω，對應(yīng)的分度號為Cu100。本文檔共60頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表３.熱電阻的結(jié)構(gòu)（1）普通型熱電阻

主要由電阻體、保護(hù)套管和接線盒等主要部件所組成。圖3-65熱電阻的支架形狀(已繞電阻絲)（2）鎧裝熱電阻

將電阻體預(yù)先拉制成型并與絕緣材料和保護(hù)套管連成一體。

（3）薄膜熱電阻

將熱電阻材料通過真空鍍膜法，直接蒸鍍到絕緣基底上。本文檔共60頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表四、光纖溫度傳感器

采用光纖作為敏感元件或能量傳輸介質(zhì)。1.組成：光發(fā)送器、光源、光纖（含敏感元件）、光接收器、信號處理系統(tǒng)和各種連接件等部分。2.分類：（1）接觸型和非接觸型（2）功能型和非功能型（傳光型）

功能型：利用光纖的各種特性，由光纖本身感受被測量的變化，光纖即是傳輸介質(zhì)，又是敏感元件；

光的強(qiáng)度、偏振態(tài)、頻率和相位

非功能型：由其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光信號的傳輸介質(zhì)。圖3-68光纖傳感器原理圖本文檔共60頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表實用化的非功能光纖傳感器：

1.液晶光纖測溫2.熒光光纖測溫3.半導(dǎo)體光纖測溫4.光纖輻射測溫本文檔共60頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表五、電動溫度變送器

DBW型溫度（溫差）變送器是DDZ-Ⅲ系列電動單元組合式檢測調(diào)節(jié)儀表中的一個主要單元。

它既可與各種類型的熱電偶、熱電阻配套使用，又可與具有毫伏輸出的各種變送器配合，然后，它和顯示單元、控制單元配合，實現(xiàn)對溫度或溫差及其他各種參數(shù)進(jìn)行顯示、控制。本文檔共60頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表溫度變送器有三種類型：

熱電偶溫度變送器；

熱電阻溫度變送器；

直流毫伏變送器。

本文檔共60頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表六、一體化溫度變送器

將變送器模塊安裝在測溫元件接線盒或?qū)Ｓ媒泳€盒內(nèi)的一種溫度變送器。

圖3-73一體化溫度變送器結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)測溫元件和變送器模塊常用的變送器芯片：AD693、XTR101、XTR103、IXR100等變送器模塊的正常工作溫度-20～+80℃本文檔共60頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表七、智能式溫度變送器

以SMART公司的TT302溫度變送器為例加以介紹。優(yōu)點

可以與各種熱電偶或熱電阻配合使用測量溫度；具有量程范圍寬、精度高；環(huán)境溫度和振動影響小、抗干擾能力強(qiáng)；質(zhì)量輕；安裝維護(hù)方便。結(jié)構(gòu)由硬件部分和軟件部分兩部分構(gòu)成。本文檔共60頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表1.TT302溫度變送器的硬件構(gòu)成輸入板主電路板液晶顯示器圖3-72TT302溫度變送器硬件構(gòu)成原理框圖2.TT302溫度變送器的軟件構(gòu)成系統(tǒng)程序，功能模塊本文檔共60頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表八、測溫儀表的選用與安裝1.溫度測量儀表的選用（1）就地溫度儀表的選擇

①精確度等級 ②測量范圍③雙金屬溫度計在滿足測量范圍、工作壓力和精確度的要求時，應(yīng)被優(yōu)先選用于就地顯示。④壓力式溫度計適用于-80℃以下低溫、無法近距離觀察、有振動及精確度要求不高的就地或就地盤顯示。⑤玻璃溫度計僅用于測量精確度較高、振動較小、無機(jī)械損傷、觀察方便的特殊場合。不得使用玻璃水銀溫度計。本文檔共60頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表（2）溫度檢測元件的選用①根據(jù)溫度測量范圍，參照表3-12選用相應(yīng)分度號的熱電偶、熱電阻或熱敏熱電阻。②鎧裝式熱電偶適用于一般場合；鎧裝式熱電阻適用于無振動場合；熱敏熱電阻適用于測量反應(yīng)速度快的場合。（3）在特殊場合適用的熱電偶、熱電阻：

本文檔共60頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表2.測溫元件的安裝（1）測溫元件的安裝要求

①在測量管道溫度時，應(yīng)保證測溫元件與流體充分接觸，以減少測量誤差。見圖3-76。②測溫元件的感溫點應(yīng)處于管道中流速最大處。③測溫元件應(yīng)有足夠的插入深度，以減小測量誤差。見圖3-77。圖3-76測溫元件安裝示意圖之一圖3-77測溫元件安裝示意圖之二本文檔共60頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表④若工藝管道過小（直徑小于80mm），安裝測溫元件處應(yīng)接裝擴(kuò)大管，如圖3-78所示。⑤熱電偶、熱電阻的接線盒面蓋應(yīng)向上，以避免雨水或其他液體、臟物進(jìn)入接線盒中影響測量，如圖3-79所示。⑥為了防止熱量散失，測溫元件應(yīng)插在有保溫層的管道或設(shè)備處。⑦測溫元件安裝在負(fù)壓管道中時，必須保證其密封性，以防外界冷空氣進(jìn)入，使讀數(shù)降低。圖3-78小工藝管道上測溫元件安裝示意圖圖3-79熱電偶或熱電阻安裝示意圖本文檔共60頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期六\0點14分3.5溫度檢測及儀表（2）布線要求①按照規(guī)定的型號配用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線，注意熱電偶的正、負(fù)極與補(bǔ)償導(dǎo)線的正、負(fù)極相連接，不要接錯。②熱電阻的線路電阻一定要符合所配二次儀表的要求。③為了保護(hù)連接導(dǎo)線與補(bǔ)償導(dǎo)線不受外來的機(jī)械損傷，應(yīng)把連接導(dǎo)線或補(bǔ)償導(dǎo)線穿入鋼管內(nèi)或走槽板。④導(dǎo)線應(yīng)盡量避免有接頭。應(yīng)有良好的絕緣。禁止與交流輸電線合用一根穿線管，以免引起感應(yīng)。⑤導(dǎo)線應(yīng)盡量避開交流動力電線。

⑥補(bǔ)償導(dǎo)線不應(yīng)有中間接頭，否則應(yīng)加裝接線盒。另外，最好與其他導(dǎo)線分開敷設(shè)。本文檔共60頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期六\0點14分3.6現(xiàn)代檢測技術(shù)與傳感器的發(fā)展一、軟測量技術(shù)的發(fā)展解決工業(yè)過程的測量要求的兩條途徑：

沿襲傳統(tǒng)的檢測技術(shù)發(fā)展思路，通過研制新型的過程測量儀表，以硬件形式實現(xiàn)過程參數(shù)的直接在線測量；采用間接測量的思路，利用易于獲取的其他測量信息，通過計算來實現(xiàn)被檢測量的估計。本文檔共60頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期六\0點14分3.6現(xiàn)代檢測技術(shù)與傳感器的發(fā)展定義：

依據(jù)易測過程變量與難以直接測量的待測過程變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過各種數(shù)學(xué)計算和估計方法，實現(xiàn)對待測過程變量的測量。

分類：

機(jī)理建模、回歸分析、狀態(tài)估計、模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)