第二章?電工熱參數測量與控制過程通道

第一節　溫?度?測?量

一、溫度與溫標

1.溫度

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。從微觀來看,溫度是描述系統不同自由度之間能量分布狀況的基本物理量。它標志著物體內部分子無規則運動的劇烈程度,是大量分子熱運動的宏觀表現。

2.溫標

用來度量溫度的標尺,簡稱溫標。建立溫標時,必須定義固定點,選擇測溫儀器,確定分度方法。下面簡單介紹幾種常用溫標。

(1)經驗溫標。借助于某物質的物理參量與溫度變化關系,用實驗方法或經驗公式構成的溫標稱為經驗溫標。經驗溫標有多種,如攝氏溫標、華氏溫標等。

攝氏溫度

華氏溫度

(2)熱力學溫標。熱力學溫標是由開爾文根據卡諾循環的原理提出的,它是一種理想溫標。熱力學溫度用T表示,它與攝氏溫度的關系為:

T=t+273.15(2?1)

二、測溫儀表分類

常用測溫儀表的種類及優缺點見表2?1。

三、熱電偶溫度計

熱電偶屬于接觸式測量儀表,它體積小、結構簡單、制造容易、使用方便、性能穩定、測量準確度高、動態特性好、便于遠距離傳送和顯示,可用于快速測量、點溫測量和表面溫度測量等。

熱電偶種類很多,有金屬熱電偶和非金屬熱電偶。熱電偶溫度計的測溫范圍寬,為-270~3500℃,一般在-200~1800℃范圍內使用較多。

(一)常用熱電偶

我國對常用熱電偶陸續制定并發布了國家標準,規定了分度號,制定了分度表,通常稱為標準化熱電偶。下面簡單介紹標準化熱電偶的主要特性。

1.鉑銠10?鉑熱電偶(分度號S,舊分度號LB?3)

鉑銠10?鉑熱電偶正極為鉑銠合金(含鉑90%、銠10%),負極為純鉑;長期使用時測溫上限為1300℃,短期使用時可達1600℃。

由于鉑、銠材料易于提純,因此該熱電偶的測量準確度較高,并易于復制;其物理化學性質穩定,抗氧化性好,適合在氧化性及中性介質中使用。

該熱電偶的缺點是價格昂貴,熱電勢率小,熱電特性線性較差。此外該熱電偶不易在還原性介質(如H2、CO)及CO2、S、C以及金屬蒸氣中使用,否則易受污染變質,使熱電特性變化。在真空中只宜短期使用。

各種標準化熱電偶的舊分度值與新分度值有所差別,使用時應予以注意。

2.鉑銠30?鉑銠6熱電偶(分度號B,舊分度號LL?2)

該熱電偶的正極為含銠30%的鉑銠合金,負極為含銠6%的鉑銠合金;長期使用時測溫上限為1600℃,短期使用時可達1800℃。

該熱電偶的特性與鉑銠10?鉑熱電偶相似,其穩定性更好,測溫上限更高,冷端溫度在0~100℃變化時,可不用冷端補償。

該熱電偶的靈敏度低,也只宜在氧化性及中性介質中使用。

3.鎳鉻?鎳硅熱電偶(分度號K,舊分度號EU?2)

該熱電偶正極為鎳鉻合金,負極為鎳硅合金;其測溫上限長期使用時可達1200℃,短期使用時可達1300℃。

該熱電偶正、負極都含鎳,故抗氧化性和腐蝕性好;500℃以下可用于各種介質中,500℃以上只宜在氧化性及中性介質中使用。此外它的熱電勢率高,一般為34~43μV/℃,為鉑銠10?鉑熱電偶的3~4倍;熱電特性好,價格便宜,應用廣泛。

鎳鉻?鎳硅熱電偶的準確度不如鉑銠10?鉑熱電偶,500℃以上易受還原性介質及C、S等侵蝕。

4.銅?康銅熱電偶(分度號T,舊分度號CK)

該熱電偶的正極為純銅,負極為康銅(含鎳40%的銅鎳合金);測溫范圍一般為-200~350℃,短期使用時上限可達400℃。

該熱電偶測溫準確度高、穩定性好、價格低廉、低溫測量時靈敏度高。但由于銅在高溫時易氧化,故測溫上限較低。

5.鎳鉻?康銅熱電偶(分度號E)

該熱電偶的正極為鎳鉻合金,負極為康銅;測溫范圍為-200~900℃,但在750℃以上只宜短期使用。

該熱電偶穩定性好,可在氧化性及弱還原性介質中使用;熱電勢率高,價格低廉,并可用于低溫測量。

還有一種鎳鉻?考銅熱電偶,分度號為EA?2,其正極為鎳鉻合金,負極為考銅(含鎳44%的銅鎳合金);測溫范圍為-200~600℃,短期使用時上限可達800℃。該熱電偶的熱電特性與鎳鉻?康銅熱電偶相似,現已被鎳鉻?康銅熱電偶取代。

除此之外,還有鐵?康銅熱電偶、鎳鉻?金鐵熱電偶、銅?金鐵熱電偶、鉑銠13?鉑熱電偶等,也已列入國家標準。

(二)熱電偶冷端溫度的補償方法

熱電偶及其顯示儀表是在冷端溫度為0℃時分度和刻度的,若熱電偶工作時冷端溫度不為0℃,則必須對冷端溫度進行補償或修正,否則將引入測量誤差。常用的修正方法有:

1.計算法

設冷端溫度為t0,根據中間溫度定律得

E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)(2?2)

式中　E(t,0)——冷端溫度為0℃時的熱電動勢(真實值);

E(t,t0)——冷端溫度為t0時的熱電動勢(測量值);

E(t0,0)——修正值。

2.冷端恒溫法

(1)冰點槽法。將熱電偶冷端置于冰點槽內,使其保持在0℃,一般用于實驗室,如圖2?1所示。

(2)恒溫爐法。將熱電偶冷端置于恒溫爐中,生產中一般采用50℃恒溫爐。如圖2?2所示是一個簡單的恒溫控制電路。

3.儀表機械零點調整法

該方法是將儀表機械零點調至冷端溫度,如圖2?3所示。它適用于冷端溫度較穩定的情況。

4.補償導線法

補償導線是指在0~100℃范圍內,其熱電特性與熱電偶的熱電特性相近的廉價金屬導體。補償導線根據材料是否與熱電極相同可分為延伸型與補償型兩類。利用補償導線可將熱電偶的冷端位置移動到溫度較低且較穩定的地方。

5.補償電橋法(冷端溫度補償器)

冷端溫度補償器是根據不平衡電橋原理設計的,其工作原理如圖2?4所示。R1、R2、R3均為錳銅電阻,R4為銅電阻。

當冷端溫度為制造廠規定值(一般為0℃)時,四個橋臂電阻值相等,該橋路處于平衡狀態,Ucd為零。當冷端溫度偏離規定值時,R4的阻值發生變化,橋路輸出不平衡電壓Ucd,該電壓能自動補償熱電偶因冷端溫度變化而產生的誤差。

6.晶體管PN結溫度補償法

實驗證明,在-50~+150℃的范圍內,當發射結正偏時,NPN晶體管的基極?發射極正向電壓UBE隨溫度t的增加而減小,并有良好的線性關系;其電壓溫度系數約為-2.1mV/℃。因此可用電壓UBE來補償熱電偶冷端溫度變化所產生的誤差,即

E=EAB(t,t0)+KUBE(t0)(2?3)

式中　　E——補償后的熱電動勢;

EAB(t,t0)——熱電偶在冷端溫度為t0時產生的熱電動勢;

UBE(t0)——晶體管在溫度為t0時的基極?發射極正向電壓;

K——補償系數,與熱電偶的材料有關。

測溫時,只要把相應PN結上的電壓引入熱電偶回路即可實現熱電偶冷端溫度的自動補償,這種溫度補償的靈敏度和準確度都很高。

7.計算機對冷端溫度的自動補償

隨著計算機分散控制系統的廣泛應用,出現了用計算機對冷端溫度進行自動補償與處理的方法,其原理如圖2?5所示。

熱電偶產生的熱電勢經補償導線送入相應的輸入模件,該輸入模件同時接受模件處熱電阻測得的溫度(即熱電偶新冷端溫度t0)信號,然后進行處理并轉換成數字信號,經接口送入計算機按照補償程序進行處理后實現溫度的顯示或控制。

(三)熱電偶的安裝注意事項

(1)根據測量的范圍和對象,選擇適當的熱電偶、保護管、冷端補償器、補償導線、二次儀表,其分度號必須一致。

(2)熱電偶安裝地點應避免靠近有強磁場的地方,且應不妨礙其他設備的拆裝。熱電偶冷端溫度一般不應超過100℃。

(3)熱電偶插入的深度,一般要求工作端超過管道中心線5~10mm,且不小于本身保護管直徑的8~10倍。

(4)熱電偶插入方向與被測流體流向要成正交或逆向45°。

(5)熱電偶的接線盒不可與被測介質容器壁相接觸,其接線盒蓋應朝上,出線孔應朝下,以防因密封不良而使水、汽、灰塵或臟物進入接線盒中。

(6)補償導線、導線要加以屏蔽,接線時要注意極性。禁止將熱電偶引線與動力電纜裝在同一根管道內。

(7)測表面溫度時,應使表面清潔、干凈,一定要使熱電偶工作端與表面接觸好并保溫。

(8)熱電偶安裝在有壓容器上時,必須嚴格保證其密封性能。帶瓷保護套管的熱電偶,須避免驟冷或驟熱,以防瓷管爆裂。

(9)熱電偶要定期進行檢定,合格后方能使用。

四、熱電阻溫度計

(一)常用熱電阻

1.鉑熱電阻

工業用鉑熱電阻多采用直徑為0.03~0.07mm的純鉑裸絲繞在云母制成的平板形骨架上,其結構如圖2?6(a)所示。云母絕緣骨架的邊緣呈鋸齒形,鉑絲繞制在云母骨架的鋸齒形槽內以防鉑絲滑動短路,在云母骨架的外側再套一具有一定形狀的金屬器件以增加鉑熱電阻的機械強度。鉑熱電阻有兩個輸出端點,分別在每一個端點上用直徑為0.5mm或1mm的鉑絲或銀絲并行引出兩根引線(兩端共引出四根引線)作為熱電阻的電極使用。鉑熱電阻也可以用石英、陶瓷、玻璃等作為骨架,如圖2?6(b)~(d)所示。

在鉑熱電阻的外部均套有保護套管,以避免腐蝕性氣體的侵害或機械損傷。

按目前國內的統一設計標準,工業用鉑熱電阻的標稱電阻值R0(在0℃時的電阻數值)有50.00Ω和100.00Ω兩種規格,其分度號分別為Pt50和Pt100。

鉑熱電阻的測溫范圍為-200~850℃,其優點是準確度高、穩定性好、性能可靠;缺點是高溫下易被還原性氣體污染變脆。

2.銅熱電阻

鉑雖然是理想的熱電阻材料,但其價格十分昂貴,一般適用于測量準確度要求較高的場合。對于一些測量準確度要求不高的工業測量,使用廉價的銅熱電阻,在一定的溫度范圍內也能滿足測量要求。

按目前國內統一的設計標準,銅熱電阻的標稱電阻值R0(在0℃時的電阻數值)有100.00Ω和50.00Ω兩種規格,其分度號分別為Cu100和Cu50。

銅熱電阻是由直徑0.1mm的絕緣銅絲采用雙線無感繞法繞制在圓柱形塑料骨架上構成的,其引線為直徑1mm的銅線,如圖2?7所示。由于銅的電阻率較小,繞制熱電阻使用的絕緣銅絲較長,因此往往采用多層繞制。為了防止銅絲松散,整個電阻體要經過酚醛樹脂的浸泡成型處理。

銅熱電阻的測溫范圍為-50~150℃。與鉑熱電阻相比,其優點是線性度好、靈敏度高;缺點是測溫精度低、熱慣性大,且在100℃以上的環境中易被空氣氧化而變質。因此,銅熱電阻僅能在低溫和無腐蝕性的環境中使用。

除上述熱電阻外,還有其他材料的測溫電阻,如碳電阻、銦電阻、錳電阻、鉑鈷電阻、鎳電阻及半導體熱敏電阻等。

目前,在工業中使用的熱電阻大多數為鎧裝形式。鎧裝熱電阻是由電阻體(感溫元件)、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體,外殼采用堅固耐磨的不銹鋼作鎧套,內部充滿高密度氧化物作為絕緣體,從而把感溫元件緊固在鎧套端部內,外徑一般為2~8mm。鎧裝熱電阻感溫元件的材料可以是鉑絲,也可以是銅絲。與普通型熱電阻相比,它的優點是:①體積小,內部無空氣隙,熱慣性小,測量滯后小;②機械性能好,耐振,抗沖擊;③能彎曲,便于安裝;④不易被有害介質腐蝕,使用壽命長。

(二)熱電阻的型號

普通型熱電阻的型號由兩節組成,每節一般為三位,第一節與第二節之間用“?”線隔開。第一節用WZP表示鉑熱電阻,WZC表示銅熱電阻;第二節的代號及含義與普通熱電偶相似,如圖2?8所示。

鎧裝鉑熱電阻型號為WZPK,鎧裝銅熱電阻型號為WZCK。

(三)電阻的使用注意事項

1.使用時注意的幾個問題

為了減小誤差,提高測量的準確度,熱電阻在使用時應注意以下問題。

(1)自熱效應的影響。熱電阻溫度計在測量過程中,必然有一電流流過電阻感溫元件,在電阻體和引線上產生焦耳熱,使其溫度升高,導致阻值增加,帶來測量誤差。

對于工業熱電阻溫度計,為了避免或減小自熱效應引起的誤差,規定在使用中其工作電流不超過6~8mA,在檢定中不超過1mA。

(2)遲滯的影響。熱電阻溫度計感溫元件的熱容量比熱電偶大,故其遲滯時間也比熱電偶長,因此在使用時一定要注意到熱慣性的存在。溫度計插入被測介質后,要給予充分的時間進行熱交換,待溫度計與被測介質完全達到熱平衡后,才能正確顯示測量結果,以免引起測量誤差。

(3)寄生熱電勢的影響。產生寄生熱電勢的原因是不同金屬的連接點上有溫差存在。檢定時,為了減小寄生熱電勢,制作電橋電阻的材料一般選用溫度系數很小的錳銅或鎳銅合金;并且在測量回路中配備熱電勢補償器,以抵消寄生熱電勢的影響。

(4)連接導線電阻的影響。無論何種材料制成的連接導線,都具有電阻溫度系數;當周圍環境溫度變化時,導線電阻自然也會產生變化。為了消除連接導線電阻變化的影響,必須采用三線制或四線制接法。

如果在測量回路中采用二線制的接線方法,則應考慮對外接導線的電阻值予以修正。

2.工業熱電阻安裝注意事項

熱電阻安裝前應根據對象和測溫范圍選擇熱電阻、保護管、導線和二次儀表,分度號必須一致。此外,在安裝時還必須注意以下幾點。

(1)在管道上安裝時,熱電阻插入方向應與被測介質流向成逆向,至少應與被測介質流向成90°角。

(2)熱電阻的插入深度,一般不得小于保護管外徑的8~10倍。

(3)為了避免液體、灰塵滲入熱電阻的接線盒內,其接線盒蓋應朝上,出線孔應朝下,尤其是在有雨水濺灑的場所應特別注意。

(四)電站測溫專用熱電偶和熱電阻

1.熱套式熱電偶

在電廠中測量主蒸汽溫度時,由于高溫高壓氣流的沖刷,伸至管道中心處的熱電偶易振動而斷裂。為了防止斷裂,應減小熱電偶插入管道中的深度。插入深度的減小必將導致測溫誤差增大,為了減小測溫誤差采用了熱套式熱電偶,如圖2?9所示。熱電偶保護套管焊接在水平主蒸汽管道上部的一根垂直套管上,蒸汽通過熱電偶保護套管與主蒸汽管道壁之間的空隙進入垂直套管內部(熱套),對熱電偶保護套管進行加熱。因此,雖然熱電偶插入主蒸汽管道中的深度減小了,但受蒸汽加熱的保護套管長度增加了,這樣既保證了測溫的準確性,又避免了熱電偶易斷裂的問題。

熱套式熱電偶采用熱套管與熱電偶可分離的結構,在火電廠的主蒸汽溫度測量中得到應用。使用時將熱套管焊接或機械固定在設備上,然后裝上熱電偶即可工作。熱套式熱電偶的感溫元件一般采用鎧裝熱電偶,如圖2?9(c)所示。

熱套式熱電偶的型號組成及其代號含義如圖2?10所示。

2.鍋爐爐壁熱電偶

鍋爐爐壁熱電偶如圖2?11所示,采用鎧裝熱電偶作感溫元件(成電纜狀),測量端緊固在帶有曲面的導熱板上,適合于鍋爐爐壁、管壁及其他圓柱體表面溫度測量。安裝方式為三點焊接(A、B、C為焊接點)或用M8螺栓固定。其分度號為K或E。

3.端面熱電阻

端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲繞制而成,緊貼在溫度計端面。它與一般軸向熱電阻相比,能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度,適用于測量汽輪機和電動機軸瓦以及其他機件的端面溫度。端面熱電阻的型號為WZCM和WZPM,結構外形及安裝如圖2?12所示。

五、其他溫度計

除熱電偶溫度計和熱電阻溫度計外,在生產中常用的還有膨脹式溫度計和壓力式溫度計。

膨脹式溫度計是根據物質的熱膨脹性質與溫度的固有關系制造的溫度計。按工作物質狀態的不同,可分為液體膨脹式溫度計(如玻璃水銀溫度計)和固體膨脹式溫度計(如雙金屬溫度計)。壓力式溫度計根據感溫系統所充介質的不同,可分為充液壓力式溫度計、充氣壓力式溫度計和蒸汽壓力式溫度計三類。

(一)玻璃液體溫度計

1.概述

(1)測溫原理。利用感溫液體隨溫度變化引起的體積變化與玻璃隨溫度變化引起的體積變化之差來測量溫度。溫度計示值即液體體積與玻璃體積變化的差值。

顯然,在一般情況下,液體的體膨脹系數遠遠大于玻璃的體膨脹系數。因此,通過觀察液體體積的變化即可知道溫度的變化。

(2)構造。玻璃液體溫度計主要由感溫泡、感溫液體、毛細管、標尺、安全泡及中間泡等組成。當然,用途不同的溫度計其結構也不完全相同,如圖2?13所示。

(3)分類。玻璃液體溫度計的分類方法很多,主要有以下幾種。

① 玻璃液體溫度計按結構不同可分為棒式溫度計、內標式溫度計和外標式溫度計三類。

② 按浸沒的方式不同可分為全浸式和局浸式。

③ 按使用要求不同可分為標準玻璃液體溫度計、實驗室用玻璃液體溫度計和工業用玻璃液體溫度計。

2.工業用玻璃液體溫度計

(1)特殊外形溫度計。是一種根據需要制成的特殊外形和結構的溫度計,常見的有金屬套管溫度計和有尾式溫度計,如圖2?14和圖2?15所示。

(2)電接點溫度計。是以水銀上升、下降作通斷的溫度計,屬于內標式,用于控溫或報警,分固定接點和可調接點兩大類。

3.使用注意事項

正確使用玻璃液體溫度計,對于保證溫度測量的準確度是非常重要的。玻璃液體溫度計在運輸和使用過程中應避免強烈碰撞或振動,以防液柱斷裂。此外玻璃液體溫度計也不能倒置,以防液體倒流。

玻璃液體溫度計測量誤差的主要來源有:零點位移、標尺位移、液柱斷裂、溫度計惰性、露出液柱的影響和讀數誤差等。

(二)雙金屬溫度計

雙金屬溫度計是利用不同膨脹系數的雙金屬元件來測量溫度的儀器,雙金屬片的受熱變形原理如圖2?16所示。當溫度升高時,膨脹系數較大的金屬片B伸長較多,必然會向膨脹系數較小的金屬片A的一面彎曲變形。溫度越高,產生的彎曲越大。利用雙金屬片彎曲變形程度的大小,可以表示出溫度的高低。通常把膨脹系數較小的金屬片稱為被動層,而把膨脹系數較大的金屬片稱為主動層。

雙金屬片按形狀可分為平螺旋形和直螺旋形兩大類,如圖2?17所示。其中直螺旋形感溫元件一般用于桿形雙金屬溫度計,見圖2?18(a)、(b);平螺旋形感溫元件一般用于盒形雙金屬溫度計,見圖2?18(c)。

桿形雙金屬溫度計按照刻度盤平面與保護管的連接角度可分為軸向桿形(刻度盤平面與保護管垂直)、徑向桿形(刻度盤平面與保護管平行)和135°角桿形(刻度盤平面與保護管成135°角連接)。圖2?18(a)、(b)分別為軸向桿形和徑向桿形雙金屬溫度計。

雙金屬溫度計還可根據需要制成電接點型、防水型等,缺點是準確度不高。

(三)壓力式溫度計

壓力式溫度計是利用充灌式感溫系統測量溫度的儀表,主要由溫包、毛細管和顯示儀表組成。常用壓力式溫度計的外形結構如圖2?19所示。

壓力式溫度計的溫包一般用黃銅或不銹鋼制成;毛細管是用銅冷拉成的無縫圓管,外層有銅絲編成的包皮;彈簧管是壓力敏感元件,彈簧管壓力表在此作為壓力式溫度計的顯示儀表。

下面以液體壓力式溫度計為例簡單介紹壓力式溫度計的工作原理。

液體壓力式溫度計的溫包、毛細管和彈簧管內都充滿液體,液體受熱后壓力升高;壓力經毛細管傳遞給彈簧管,使彈簧管變形,從而使彈簧管壓力表動作,并在其溫度標尺上指示出溫度的數值。在測量下限時液體以較高的壓力(1~5MPa)充入儀表的封閉系統內,這樣可以減小溫包和壓力表不在同一高度時由液柱高度差所引起的誤差。

壓力式溫度計可以遠傳(根據毛細管的長度,可以在所能達到的范圍內顯示溫度),結構簡單,價格便宜,讀數方便、清晰,適用于要求防爆的環境;缺點是準確度不高,熱慣性大。