热工仪表及自动控制

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1、主讲教师：靖金球化学与材料工程学院一、热工测量仪表二、自动调节系统三、自动调节仪表四、热工参数的自动调节系统总目录热工测量仪表重点难难点： 热电热电 偶的测测温原理、冷端温度补偿补偿 及热电热电 偶的校验验；电电子电电位差计计工作原 理；光学高温计计的原理及构造；非接触 测测温的特点；弹弹性式压压力计计的工作原理 ；节节流装置测测量流量的原理；硅酸盐盐工 业业烟气分析的目的。下一页热工测量仪表下一页硅酸盐盐工业业主要的热热工测测量项项目 1.温度测量：物料及制品温度、气体温度、 设备 表面温度等。 2.压力测量：设备 及管道内气体压力。 3.流速和流量的测量：流体的流速和流量、 物料流量等。

2、4.物位测量：液位气体、料位和相界位置的 测量。 5.气体成分分析：主要是烟气分析。 1-1 测量仪表分类及基本技术性能1-2 温度测量仪表1-3 压力测量仪表1-4 流量测量仪表1-5 物位测量仪表1-6 气体成分分析仪表第1章 目录一、热工测量仪表下一页章目录1-1 测量仪表分类及基本技术性能测量仪表的分类1、根据被测参数来分：温度计、压力表、流量计、物位计、成 分分析仪等；2、根据仪表显示方式来分：指示型、数字显示型、记录型、累 积型、信号型、调节型等；3、按仪表的用途分：标准仪表、工业仪表、实验仪表、便携仪 表等；4、根据仪表是否安装于工艺对象分：就地仪表、远方仪表等。一、热工测量仪表

3、下一页章目录测量仪表的基本技术性能1-1 测量仪表分类及基本技术性能1、精确度（精度或准确度） 绝对误差：仪表的指示值xi与被测参数的真实间xt的差值。即：xi-xtx-x0 相对误差：某测量点的绝对误差与标准仪表在该点的指示值之比。 即：相对百分误差：仪表的最大绝对误差与仪表量程百分比。即：一、热工测量仪表下一页章目录测量仪表的基本技术性能1-1 测量仪表分类及基本技术性能2、恒定度（变差）变差：在相同的外界条件下同一仪表读数的稳定程度。一般用在同一被测参数值下，正、反程时仪表指示值的绝对误差的最大值与仪表量程范围之比的百分数表示。即：造成变差的原因很多，如：传动机构的间隙，运动件间的摩擦，

4、弹性件的弹性滞后影响等。一、热工测量仪表章目录测量仪表的基本技术性能1-1 测量仪表分类及基本技术性能3、灵敏度灵敏度：单位被测参数的变化引起仪表指示机构的角位移或线位移。 即：仪表的灵敏度反映了仪表对被 测参数变化的灵敏程度，灵敏度越高，就越能观测微小的被测参数变化。要提高仪表的灵敏度，可以采取增加放大系统的放大倍数的方法来实现。仪表的其它技术性能如：分辨率、线性度、反应时间等从略一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表1、国际实用温标 以热力学温度为基本单位。2、常用测温方法热膨胀：固体、液体、气体的膨胀位移。电阻变化：导体或半导体受热后电阻值发生变化。热电效应：两种不同性质的导体

5、（或半导体）构成闭合回路，两接点温度不同时，回路中就产生电势。（帕尔贴效应）热辐射：物体的热辐射能随温度的变化而变化。另外还有一些新型测温方法，如：射流测温、激光测温等。一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表热电偶温度计热电偶测温的特点： 1.能测量较高温度； 2.热电偶将温度信号转化为电信号，便于远传和记录，也利于集中检测和控制； 3.性能稳定，结构简单，经济耐用，维护方便； 4.可做得很小很薄、热容和热惯性都很小，能测量点的温度或表面温度，也能用于快速测温。右图为热电偶测温系统组成： 1热电偶 2导线 3显示 仪表一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表1、热电现象和热电

6、偶的基本定律热电现象（热电效应或帕尔贴效 应）：由两种不同的导体或半导体 A、B组成的闭合回路中，如果使两 个接点1、2处于不同的温度，回路就 会出现电动势，这一现象即为热电现 象。该电势即为热电势。热电势由接触电势和温差电势组成。高温一端为热端，低温的一端为 冷端或自由端。热端感测温度，冷端 连接仪表。一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律温差电势：在同一导体 的两端因温度不同而产生的 电势。（汤姆逊效应）当同一导体的两端温度不同时，热端的电子能量比冷端的 大，电子从热端跑向冷端的数量比冷端跑向热端的多，结果热 端带正电，而冷端带负电。从而在热端和冷端

7、间形成一个从热 端指向冷端的静电场，该电场阻止电子继续大量从热端跑向冷 端，同时加速电子从冷端跑向热端，最后达到平衡。此时在导 体的两端便形成一个电势，该电势就是温差电势。一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律接触电势：当两种不同的 导体接触时，由于两种导体的 电子密度不同，电子在两个方 向上的扩散速度就不一样，从 密度高的向密度低的扩散数目多，高密度端带正电，低密度 端带负电，因而在接触面上形成一静电场，该电场又将阻止 电子的继续大量扩散，最终达到平衡状态，在接触面间就形 成一电势，即为接触电势。接触电势与两导体的性质及接触点的温度有关。热电势为温差电

8、势和接触电势的代数和。一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律均质导体定律：由一种均质导体或半导体组成的闭合回路 ，不论其截面积如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热 电势。结论： （1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成； （2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热 电势，则说明该材料是不均匀的。一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律中间导体定律：由不同材料组成的闭合回路中，当各种 材料接触点的温度都相同时，则回路中热电势的总和等于零 。结论： （1）在热电回路中加入第三种均质材料，只要其两端温度 相

9、同，则对回路的热电势没有影响。一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律结论：（2）如果两种导体A、B对另一种参考导体C的热电势为已知，则这两种导体组成热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和。参考电极通常为铂标准电极。一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律连接温度或中间温度定义：接点温度为t1和t 3的热电偶的热电势等于接点温度分别为t1、t2和t2、t3的两支相同性质热电偶的热电势的代数和。一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律结论：（1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进

10、行的分度，只要引入适当的修正，就可以在另外一个冷端温度下使用。该结论是制订热电偶的热电势温度关系分度表的理论依据，同时为热电偶的冷端温度补偿提供理论支持。（2）和热电偶具有相同热电性质的补偿导线可以引入热电偶的回路中，相当于延长了热电偶而不影响热电偶的热电势。该结论为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律图为使用补偿导线的热电偶测温系统t为热端； t0为热电偶原冷端； t0为新冷端； A、B为热电偶的热电极； A、B为补偿导线一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表1、热电现象和热电偶的基本定律常用热电偶的补

11、偿导线热电偶名称补偿导线t=100、t0=0时的标 准热电势（mV）正极负极材料颜色材料颜色铂铑10铂铜红铜镍绿0.6450.037镍铬镍硅（镍铝）铜红铜镍蓝4.0950.105镍铬铜镍镍铬红铜镍棕6.3170.170铜铜镍铜红铜镍白4.2770.047一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表2、标准热电偶及非标准热电偶 对热电极材料的要求： （1）物理稳定性要高，即在测温范围内其热电特性不随时间 改变，以保证与其配套的显示仪表刻度的稳定。 （2）化学稳定性要高，即在高温下不受周围气氛的氧化和腐 蚀而变质。 （3）电阻温度系数要小，导电率要高，组成热电偶后产生的 热电势 要大。 （4）

12、热电势 和温度成线性关系，或有简单的函数关系，这样 可提高显示仪表的精度，刻度工作简单。 （5）复现性好。要求同种材料组成的热电偶其热电特性都相 同，在使用中可以保证良好的互换性。 （6）具有一定的机械强度。 一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表2、标准热电偶及非标准热电偶标准热电偶：是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入工业标准化文件中的那些热电偶。 （1）铂铑30铂铑6热电偶： 分度号为LL-2（老）、B（新）， 1600以下可长期使用，短期可测1800。适于氧化及中性介质。特点：产生的热电势 小，价格贵，低温时热电势 极小，故冷端温度在40以下时可不

13、进行温度补偿而直接使用。 一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表2、标准热电偶及非标准热电偶（2）铂铑10铂热电 偶： 分度号为LB-3（老）、S（新），1300以下可长期使用， 短期可测1600。适于氧化及中性介质。 特点：耐高温、不易氧化、有较好的化学稳定性，具有较 高的测量精度，可用于精密测量和用作标准热电偶；灵敏度 较低，不能用于还原气氛及侵蚀性的气体中等。（3）镍铬镍硅（镍铬镍铝）热电偶： 分度号为EU-2（老）、K（新），1000以下可长期使用， 短 期可测1200。适于氧化及中性介质。 特点：材料复现性好，线性好，热电势 大，灵敏度较高， 价格便宜，精度较低。一、热工测

14、量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表2、标准热电偶及非标准热电偶非标准热电偶也称为特殊热电偶，不能批量生产，只能定 做，不能互换。（1）钨铼（W-Re）系热电偶：是一种较好的超高温热电偶，其最高使用温度受 绝缘材料的限制，一般测量的最高温度为2400。国产钨铼5 -钨铼20使用范围为300 2000 ，分度精度为1%。在氢 气中连续使用100小时，氩气中50小时，真空中8小时。工作 端损坏后可将原接点剪掉后重新制作新热接点。与此类似的还有铱铑（Ir-Rh）系热电偶。 一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表2、标准热电偶及非标准热电偶（2）薄膜热电偶：主要用于快速测量表面温度，通常是

15、用真空蒸镀等 方法使两种热电极材料（金属）蒸镀到绝缘基板上，并牢固地 结合在一起，形成薄膜状热接点。特点：其接点很薄（0.010.1mm），尺寸很小，故 热容量很小，反应时间 很快（几ms），可用来测量瞬变的温 度及极小物体的表面温度。目前国内主要有铁-镍、铁-康铜、 铜-康铜三类，测温范围为-200300，反应时间 通常为 10ms 到1s。 图为铁-镍薄膜热电偶 1热端； 2衬架； 3Fe膜； 4Ni膜； 5Fe丝； 6Ni丝； 7接头夹具一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表2、标准热电偶及非标准热电偶 （3）非金属热电偶：利用石墨和难熔化合物制成的高温热电偶。通常 有碳石墨，

16、石墨（c轴）石墨（a轴），石墨碳化硅等。特点：热电势 比金属高得多，熔点很高，稳定， 可测量超高温。复现性极差，脆性大，石墨易吸潮而改变其 热电特性。 （4）铠装热电偶（套管热电偶）：由金属套管、绝缘材料、热电极丝一起复合拉伸成型，将 端部接点焊成光滑球状结构。特点：反应速度快、使用方便、可弯曲、气密性好、不怕 振、耐高压等。一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表2、标准热电偶及非标准热电偶图为铠装热电偶热接点形式 （a）-碰底型；（b）-不碰 底型；（c）-露头型；（d） -帽型图为铠装热电偶断面结构 1金属套管；2绝缘材 料；3热电极一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表3、热电偶的结构常用热电偶组成：热电极、绝缘管、保护套管、接线盒一、热工测量仪表下一页章目录1-2 温度测量仪表3、热电偶的结构热电极直径由材料价格、强