第二章 电工热参数测量与控制过程通道

第一节　温 度 测 量

一、温度与温标

1.温度

温度是表征物体冷热程度的物理量。从微观来看,温度是描述系统不同自由度之间能量分布状况的基本物理量。它标志着物体内部分子无规则运动的剧烈程度,是大量分子热运动的宏观表现。

2.温标

用来度量温度的标尺,简称温标。建立温标时,必须定义固定点,选择测温仪器,确定分度方法。下面简单介绍几种常用温标。

(1)经验温标。借助于某物质的物理参量与温度变化关系,用实验方法或经验公式构成的温标称为经验温标。经验温标有多种,如摄氏温标、华氏温标等。

摄氏温度

华氏温度

(2)热力学温标。热力学温标是由开尔文根据卡诺循环的原理提出的,它是一种理想温标。热力学温度用T表示,它与摄氏温度的关系为:

T=t+273.15(2⁃1)

二、测温仪表分类

常用测温仪表的种类及优缺点见表2⁃1。

三、热电偶温度计

热电偶属于接触式测量仪表,它体积小、结构简单、制造容易、使用方便、性能稳定、测量准确度高、动态特性好、便于远距离传送和显示,可用于快速测量、点温测量和表面温度测量等。

热电偶种类很多,有金属热电偶和非金属热电偶。热电偶温度计的测温范围宽,为-270~3500℃,一般在-200~1800℃范围内使用较多。

(一)常用热电偶

我国对常用热电偶陆续制定并发布了国家标准,规定了分度号,制定了分度表,通常称为标准化热电偶。下面简单介绍标准化热电偶的主要特性。

1.铂铑10⁃铂热电偶(分度号S,旧分度号LB⁃3)

铂铑10⁃铂热电偶正极为铂铑合金(含铂90%、铑10%),负极为纯铂;长期使用时测温上限为1300℃,短期使用时可达1600℃。

由于铂、铑材料易于提纯,因此该热电偶的测量准确度较高,并易于复制;其物理化学性质稳定,抗氧化性好,适合在氧化性及中性介质中使用。

该热电偶的缺点是价格昂贵,热电势率小,热电特性线性较差。此外该热电偶不易在还原性介质(如H2、CO)及CO2、S、C以及金属蒸气中使用,否则易受污染变质,使热电特性变化。在真空中只宜短期使用。

各种标准化热电偶的旧分度值与新分度值有所差别,使用时应予以注意。

2.铂铑30⁃铂铑6热电偶(分度号B,旧分度号LL⁃2)

该热电偶的正极为含铑30%的铂铑合金,负极为含铑6%的铂铑合金;长期使用时测温上限为1600℃,短期使用时可达1800℃。

该热电偶的特性与铂铑10⁃铂热电偶相似,其稳定性更好,测温上限更高,冷端温度在0~100℃变化时,可不用冷端补偿。

该热电偶的灵敏度低,也只宜在氧化性及中性介质中使用。

3.镍铬⁃镍硅热电偶(分度号K,旧分度号EU⁃2)

该热电偶正极为镍铬合金,负极为镍硅合金;其测温上限长期使用时可达1200℃,短期使用时可达1300℃。

该热电偶正、负极都含镍,故抗氧化性和腐蚀性好;500℃以下可用于各种介质中,500℃以上只宜在氧化性及中性介质中使用。此外它的热电势率高,一般为34~43μV/℃,为铂铑10⁃铂热电偶的3~4倍;热电特性好,价格便宜,应用广泛。

镍铬⁃镍硅热电偶的准确度不如铂铑10⁃铂热电偶,500℃以上易受还原性介质及C、S等侵蚀。

4.铜⁃康铜热电偶(分度号T,旧分度号CK)

该热电偶的正极为纯铜,负极为康铜(含镍40%的铜镍合金);测温范围一般为-200~350℃,短期使用时上限可达400℃。

该热电偶测温准确度高、稳定性好、价格低廉、低温测量时灵敏度高。但由于铜在高温时易氧化,故测温上限较低。

5.镍铬⁃康铜热电偶(分度号E)

该热电偶的正极为镍铬合金,负极为康铜;测温范围为-200~900℃,但在750℃以上只宜短期使用。

该热电偶稳定性好,可在氧化性及弱还原性介质中使用;热电势率高,价格低廉,并可用于低温测量。

还有一种镍铬⁃考铜热电偶,分度号为EA⁃2,其正极为镍铬合金,负极为考铜(含镍44%的铜镍合金);测温范围为-200~600℃,短期使用时上限可达800℃。该热电偶的热电特性与镍铬⁃康铜热电偶相似,现已被镍铬⁃康铜热电偶取代。

除此之外,还有铁⁃康铜热电偶、镍铬⁃金铁热电偶、铜⁃金铁热电偶、铂铑13⁃铂热电偶等,也已列入国家标准。

(二)热电偶冷端温度的补偿方法

热电偶及其显示仪表是在冷端温度为0℃时分度和刻度的,若热电偶工作时冷端温度不为0℃,则必须对冷端温度进行补偿或修正,否则将引入测量误差。常用的修正方法有:

1.计算法

设冷端温度为t0,根据中间温度定律得

E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)(2⁃2)

式中　E(t,0)——冷端温度为0℃时的热电动势(真实值);

E(t,t0)——冷端温度为t0时的热电动势(测量值);

E(t0,0)——修正值。

2.冷端恒温法

(1)冰点槽法。将热电偶冷端置于冰点槽内,使其保持在0℃,一般用于实验室,如图2⁃1所示。

(2)恒温炉法。将热电偶冷端置于恒温炉中,生产中一般采用50℃恒温炉。如图2⁃2所示是一个简单的恒温控制电路。

3.仪表机械零点调整法

该方法是将仪表机械零点调至冷端温度,如图2⁃3所示。它适用于冷端温度较稳定的情况。

4.补偿导线法

补偿导线是指在0~100℃范围内,其热电特性与热电偶的热电特性相近的廉价金属导体。补偿导线根据材料是否与热电极相同可分为延伸型与补偿型两类。利用补偿导线可将热电偶的冷端位置移动到温度较低且较稳定的地方。

5.补偿电桥法(冷端温度补偿器)

冷端温度补偿器是根据不平衡电桥原理设计的,其工作原理如图2⁃4所示。R1、R2、R3均为锰铜电阻,R4为铜电阻。

当冷端温度为制造厂规定值(一般为0℃)时,四个桥臂电阻值相等,该桥路处于平衡状态,Ucd为零。当冷端温度偏离规定值时,R4的阻值发生变化,桥路输出不平衡电压Ucd,该电压能自动补偿热电偶因冷端温度变化而产生的误差。

6.晶体管PN结温度补偿法

实验证明,在-50~+150℃的范围内,当发射结正偏时,NPN晶体管的基极⁃发射极正向电压UBE随温度t的增加而减小,并有良好的线性关系;其电压温度系数约为-2.1mV/℃。因此可用电压UBE来补偿热电偶冷端温度变化所产生的误差,即

E=EAB(t,t0)+KUBE(t0)(2⁃3)

式中　　E——补偿后的热电动势;

EAB(t,t0)——热电偶在冷端温度为t0时产生的热电动势;

UBE(t0)——晶体管在温度为t0时的基极⁃发射极正向电压;

K——补偿系数,与热电偶的材料有关。

测温时,只要把相应PN结上的电压引入热电偶回路即可实现热电偶冷端温度的自动补偿,这种温度补偿的灵敏度和准确度都很高。

7.计算机对冷端温度的自动补偿

随着计算机分散控制系统的广泛应用,出现了用计算机对冷端温度进行自动补偿与处理的方法,其原理如图2⁃5所示。

热电偶产生的热电势经补偿导线送入相应的输入模件,该输入模件同时接受模件处热电阻测得的温度(即热电偶新冷端温度t0)信号,然后进行处理并转换成数字信号,经接口送入计算机按照补偿程序进行处理后实现温度的显示或控制。

(三)热电偶的安装注意事项

(1)根据测量的范围和对象,选择适当的热电偶、保护管、冷端补偿器、补偿导线、二次仪表,其分度号必须一致。

(2)热电偶安装地点应避免靠近有强磁场的地方,且应不妨碍其他设备的拆装。热电偶冷端温度一般不应超过100℃。

(3)热电偶插入的深度,一般要求工作端超过管道中心线5~10mm,且不小于本身保护管直径的8~10倍。

(4)热电偶插入方向与被测流体流向要成正交或逆向45°。

(5)热电偶的接线盒不可与被测介质容器壁相接触,其接线盒盖应朝上,出线孔应朝下,以防因密封不良而使水、汽、灰尘或脏物进入接线盒中。

(6)补偿导线、导线要加以屏蔽,接线时要注意极性。禁止将热电偶引线与动力电缆装在同一根管道内。

(7)测表面温度时,应使表面清洁、干净,一定要使热电偶工作端与表面接触好并保温。

(8)热电偶安装在有压容器上时,必须严格保证其密封性能。带瓷保护套管的热电偶,须避免骤冷或骤热,以防瓷管爆裂。

(9)热电偶要定期进行检定,合格后方能使用。

四、热电阻温度计

(一)常用热电阻

1.铂热电阻

工业用铂热电阻多采用直径为0.03~0.07mm的纯铂裸丝绕在云母制成的平板形骨架上,其结构如图2⁃6(a)所示。云母绝缘骨架的边缘呈锯齿形,铂丝绕制在云母骨架的锯齿形槽内以防铂丝滑动短路,在云母骨架的外侧再套一具有一定形状的金属器件以增加铂热电阻的机械强度。铂热电阻有两个输出端点,分别在每一个端点上用直径为0.5mm或1mm的铂丝或银丝并行引出两根引线(两端共引出四根引线)作为热电阻的电极使用。铂热电阻也可以用石英、陶瓷、玻璃等作为骨架,如图2⁃6(b)~(d)所示。

在铂热电阻的外部均套有保护套管,以避免腐蚀性气体的侵害或机械损伤。

按目前国内的统一设计标准,工业用铂热电阻的标称电阻值R0(在0℃时的电阻数值)有50.00Ω和100.00Ω两种规格,其分度号分别为Pt50和Pt100。

铂热电阻的测温范围为-200~850℃,其优点是准确度高、稳定性好、性能可靠;缺点是高温下易被还原性气体污染变脆。

2.铜热电阻

铂虽然是理想的热电阻材料,但其价格十分昂贵,一般适用于测量准确度要求较高的场合。对于一些测量准确度要求不高的工业测量,使用廉价的铜热电阻,在一定的温度范围内也能满足测量要求。

按目前国内统一的设计标准,铜热电阻的标称电阻值R0(在0℃时的电阻数值)有100.00Ω和50.00Ω两种规格,其分度号分别为Cu100和Cu50。

铜热电阻是由直径0.1mm的绝缘铜丝采用双线无感绕法绕制在圆柱形塑料骨架上构成的,其引线为直径1mm的铜线,如图2⁃7所示。由于铜的电阻率较小,绕制热电阻使用的绝缘铜丝较长,因此往往采用多层绕制。为了防止铜丝松散,整个电阻体要经过酚醛树脂的浸泡成型处理。

铜热电阻的测温范围为-50~150℃。与铂热电阻相比,其优点是线性度好、灵敏度高;缺点是测温精度低、热惯性大,且在100℃以上的环境中易被空气氧化而变质。因此,铜热电阻仅能在低温和无腐蚀性的环境中使用。

除上述热电阻外,还有其他材料的测温电阻,如碳电阻、铟电阻、锰电阻、铂钴电阻、镍电阻及半导体热敏电阻等。

目前,在工业中使用的热电阻大多数为铠装形式。铠装热电阻是由电阻体(感温元件)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体,外壳采用坚固耐磨的不锈钢作铠套,内部充满高密度氧化物作为绝缘体,从而把感温元件紧固在铠套端部内,外径一般为2~8mm。铠装热电阻感温元件的材料可以是铂丝,也可以是铜丝。与普通型热电阻相比,它的优点是:①体积小,内部无空气隙,热惯性小,测量滞后小;②机械性能好,耐振,抗冲击;③能弯曲,便于安装;④不易被有害介质腐蚀,使用寿命长。

(二)热电阻的型号

普通型热电阻的型号由两节组成,每节一般为三位,第一节与第二节之间用“⁃”线隔开。第一节用WZP表示铂热电阻,WZC表示铜热电阻;第二节的代号及含义与普通热电偶相似,如图2⁃8所示。

铠装铂热电阻型号为WZPK,铠装铜热电阻型号为WZCK。

(三)电阻的使用注意事项

1.使用时注意的几个问题

为了减小误差,提高测量的准确度,热电阻在使用时应注意以下问题。

(1)自热效应的影响。热电阻温度计在测量过程中,必然有一电流流过电阻感温元件,在电阻体和引线上产生焦耳热,使其温度升高,导致阻值增加,带来测量误差。

对于工业热电阻温度计,为了避免或减小自热效应引起的误差,规定在使用中其工作电流不超过6~8mA,在检定中不超过1mA。

(2)迟滞的影响。热电阻温度计感温元件的热容量比热电偶大,故其迟滞时间也比热电偶长,因此在使用时一定要注意到热惯性的存在。温度计插入被测介质后,要给予充分的时间进行热交换,待温度计与被测介质完全达到热平衡后,才能正确显示测量结果,以免引起测量误差。

(3)寄生热电势的影响。产生寄生热电势的原因是不同金属的连接点上有温差存在。检定时,为了减小寄生热电势,制作电桥电阻的材料一般选用温度系数很小的锰铜或镍铜合金;并且在测量回路中配备热电势补偿器,以抵消寄生热电势的影响。

(4)连接导线电阻的影响。无论何种材料制成的连接导线,都具有电阻温度系数;当周围环境温度变化时,导线电阻自然也会产生变化。为了消除连接导线电阻变化的影响,必须采用三线制或四线制接法。

如果在测量回路中采用二线制的接线方法,则应考虑对外接导线的电阻值予以修正。

2.工业热电阻安装注意事项

热电阻安装前应根据对象和测温范围选择热电阻、保护管、导线和二次仪表,分度号必须一致。此外,在安装时还必须注意以下几点。

(1)在管道上安装时,热电阻插入方向应与被测介质流向成逆向,至少应与被测介质流向成90°角。

(2)热电阻的插入深度,一般不得小于保护管外径的8~10倍。

(3)为了避免液体、灰尘渗入热电阻的接线盒内,其接线盒盖应朝上,出线孔应朝下,尤其是在有雨水溅洒的场所应特别注意。

(四)电站测温专用热电偶和热电阻

1.热套式热电偶

在电厂中测量主蒸汽温度时,由于高温高压气流的冲刷,伸至管道中心处的热电偶易振动而断裂。为了防止断裂,应减小热电偶插入管道中的深度。插入深度的减小必将导致测温误差增大,为了减小测温误差采用了热套式热电偶,如图2⁃9所示。热电偶保护套管焊接在水平主蒸汽管道上部的一根垂直套管上,蒸汽通过热电偶保护套管与主蒸汽管道壁之间的空隙进入垂直套管内部(热套),对热电偶保护套管进行加热。因此,虽然热电偶插入主蒸汽管道中的深度减小了,但受蒸汽加热的保护套管长度增加了,这样既保证了测温的准确性,又避免了热电偶易断裂的问题。

热套式热电偶采用热套管与热电偶可分离的结构,在火电厂的主蒸汽温度测量中得到应用。使用时将热套管焊接或机械固定在设备上,然后装上热电偶即可工作。热套式热电偶的感温元件一般采用铠装热电偶,如图2⁃9(c)所示。

热套式热电偶的型号组成及其代号含义如图2⁃10所示。

2.锅炉炉壁热电偶

锅炉炉壁热电偶如图2⁃11所示,采用铠装热电偶作感温元件(成电缆状),测量端紧固在带有曲面的导热板上,适合于锅炉炉壁、管壁及其他圆柱体表面温度测量。安装方式为三点焊接(A、B、C为焊接点)或用M8螺栓固定。其分度号为K或E。

3.端面热电阻

端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝绕制而成,紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比,能更正确和快速地反映被测端面的实际温度,适用于测量汽轮机和电动机轴瓦以及其他机件的端面温度。端面热电阻的型号为WZCM和WZPM,结构外形及安装如图2⁃12所示。

五、其他温度计

除热电偶温度计和热电阻温度计外,在生产中常用的还有膨胀式温度计和压力式温度计。

膨胀式温度计是根据物质的热膨胀性质与温度的固有关系制造的温度计。按工作物质状态的不同,可分为液体膨胀式温度计(如玻璃水银温度计)和固体膨胀式温度计(如双金属温度计)。压力式温度计根据感温系统所充介质的不同,可分为充液压力式温度计、充气压力式温度计和蒸汽压力式温度计三类。

(一)玻璃液体温度计

1.概述

(1)测温原理。利用感温液体随温度变化引起的体积变化与玻璃随温度变化引起的体积变化之差来测量温度。温度计示值即液体体积与玻璃体积变化的差值。

显然,在一般情况下,液体的体膨胀系数远远大于玻璃的体膨胀系数。因此,通过观察液体体积的变化即可知道温度的变化。

(2)构造。玻璃液体温度计主要由感温泡、感温液体、毛细管、标尺、安全泡及中间泡等组成。当然,用途不同的温度计其结构也不完全相同,如图2⁃13所示。

(3)分类。玻璃液体温度计的分类方法很多,主要有以下几种。

① 玻璃液体温度计按结构不同可分为棒式温度计、内标式温度计和外标式温度计三类。

② 按浸没的方式不同可分为全浸式和局浸式。

③ 按使用要求不同可分为标准玻璃液体温度计、实验室用玻璃液体温度计和工业用玻璃液体温度计。

2.工业用玻璃液体温度计

(1)特殊外形温度计。是一种根据需要制成的特殊外形和结构的温度计,常见的有金属套管温度计和有尾式温度计,如图2⁃14和图2⁃15所示。

(2)电接点温度计。是以水银上升、下降作通断的温度计,属于内标式,用于控温或报警,分固定接点和可调接点两大类。

3.使用注意事项

正确使用玻璃液体温度计,对于保证温度测量的准确度是非常重要的。玻璃液体温度计在运输和使用过程中应避免强烈碰撞或振动,以防液柱断裂。此外玻璃液体温度计也不能倒置,以防液体倒流。

玻璃液体温度计测量误差的主要来源有:零点位移、标尺位移、液柱断裂、温度计惰性、露出液柱的影响和读数误差等。

(二)双金属温度计

双金属温度计是利用不同膨胀系数的双金属元件来测量温度的仪器,双金属片的受热变形原理如图2⁃16所示。当温度升高时,膨胀系数较大的金属片B伸长较多,必然会向膨胀系数较小的金属片A的一面弯曲变形。温度越高,产生的弯曲越大。利用双金属片弯曲变形程度的大小,可以表示出温度的高低。通常把膨胀系数较小的金属片称为被动层,而把膨胀系数较大的金属片称为主动层。

双金属片按形状可分为平螺旋形和直螺旋形两大类,如图2⁃17所示。其中直螺旋形感温元件一般用于杆形双金属温度计,见图2⁃18(a)、(b);平螺旋形感温元件一般用于盒形双金属温度计,见图2⁃18(c)。

杆形双金属温度计按照刻度盘平面与保护管的连接角度可分为轴向杆形(刻度盘平面与保护管垂直)、径向杆形(刻度盘平面与保护管平行)和135°角杆形(刻度盘平面与保护管成135°角连接)。图2⁃18(a)、(b)分别为轴向杆形和径向杆形双金属温度计。

双金属温度计还可根据需要制成电接点型、防水型等,缺点是准确度不高。

(三)压力式温度计

压力式温度计是利用充灌式感温系统测量温度的仪表,主要由温包、毛细管和显示仪表组成。常用压力式温度计的外形结构如图2⁃19所示。

压力式温度计的温包一般用黄铜或不锈钢制成;毛细管是用铜冷拉成的无缝圆管,外层有铜丝编成的包皮;弹簧管是压力敏感元件,弹簧管压力表在此作为压力式温度计的显示仪表。

下面以液体压力式温度计为例简单介绍压力式温度计的工作原理。

液体压力式温度计的温包、毛细管和弹簧管内都充满液体,液体受热后压力升高;压力经毛细管传递给弹簧管,使弹簧管变形,从而使弹簧管压力表动作,并在其温度标尺上指示出温度的数值。在测量下限时液体以较高的压力(1~5MPa)充入仪表的封闭系统内,这样可以减小温包和压力表不在同一高度时由液柱高度差所引起的误差。

压力式温度计可以远传(根据毛细管的长度,可以在所能达到的范围内显示温度),结构简单,价格便宜,读数方便、清晰,适用于要求防爆的环境;缺点是准确度不高,热惯性大。