热控基础知识

热控相当于一个人，感知器官如眼、耳、鼻等由仪表完成，大脑第一节仪表简述一、仪表的一般组成仪表品种繁多，其原理和结构的复杂程度也各不一样，但就其部件在接收与传递信息，进行检测与显示或控制的各种功能而言，可看成由敏感元件（传感器）、传输与变换部件、显示装置三个主要环节组成。

这些环节可分成许多部件，也可组合为一个整体，甚至在一些简单的仪表中，各环节的界线都难以明确划分。

二、仪表的分类由于仪表的用途、原理及结构等的不同，其分类方法也很多，一般可按下列几种方法分类。

1、按被测参数的类型分类：有热工量（包括温度、压力、流量、物位等）仪表、机械量（如位移、厚度、应力、振动、速度等）仪表、电工量（如电流、电压、相位、频率等）仪表以及成分分析仪表（如测定物质酸度、粘度、导电度、浓度的仪表和分析气体成分的分析器等）。

2、按仪表的显示功能分类：有指示式、记录式、积算式、信号报警式和调节式仪表等。

3、按仪表采用的信号能源分类：有气动式、液动式、电动式、电子式仪表等。

4、按仪表的结构情况分类：有基地式和单元组合式仪表等。

5、按仪表的安装地点分类：有就地式和远距离传送式仪表等。

6、按仪表在自动化系统中的功能分类：有检测仪表、显示仪表、调节仪表和执行器等。

7、按仪表的使用方式分类：有携带式和固定式仪表等8、按仪表的精度等级和使用条件分类：有标准仪表、实验室用仪表和工业用仪表等。

三、仪表的主要质量指标1、精度和精度等级仪表的精确度简称精度，是指仪表在规定的工作条件下进行测量时，测量结果与实际值接近的程度，在数值上通常用仪表的允许误差与测量范围之比的百分数来表示。

允许误差是指仪表在一定精度等级下所允许产生的最大误差，所以，仪表的允许误差是随其精度等级而确定的。

在热工测量中，为了便于表示仪表的质量，并用以估计测量结果的可靠性，采用了精度等级的概念。

精度等级是指仪表精度的数字部分，也就是仪表精度去其百分号。

国家规定的仪表精度等级是一系列标准数值，一般用0．01、0．02、0．05、0．1、0．2、0．5、1、1．5、2．5、4表示。

仪表精度等级是衡量仪表优劣的重要指标之一。

2、基本误差基本误差是指在规定的工作条件下，仪表具有的最大误差3、变差变差也称回程误差，是指在相同条件下，仪表正反行程在同一点示值上被测量值之差的绝对值。

它通常由仪表运动系统的摩擦、磨损、间隙和弹性元件的弹性滞后等原因造成的。

4、线性度线性度又称非线性误差。

对于理论上具有线性“输入――输出”实际特性曲线的仪表，由于各种因素的影响，实际特性曲线往往偏离线性关系，它们之间的最大差值与量程范围之比的百分数称之为线性度。

5、重复性同一工作条件下，多次按同一方向输入信号作全量程范围的变化时，对应于同一输入值的仪表输出值的一致性称为重复性。

重复性大小是以在全量程上，对应于同一输入值输出的最大值和最小值的差与量程范围之比的百分数表示。

6、灵敏度灵敏度是指仪表输出量变化与被测量变化的比值。

对于带指针指示的仪表来说，灵敏度是仪表指针的线位移或角位移与被测量变化的比值。

7、不灵敏区不能引起输出变化的输入信号范围，即缓慢地向增大或减小方向改变输入信号时，输出不发生变化的最大输入变化幅度与量程范围之比的百分数称为不灵敏区。

8、飘移在保持一定的输入信号和工作条件下，经过一段时间后输出的变化称为飘移，它是以整个仪表量程上输出的最大变化量与量程之比的百分数表示。

飘移通常是由于电子元件的老化，弹性元件的时效、节流元件的磨损、热电偶和热电阻元件的污染变质等原因引起的。

9、反应时间仪表测量时，要经过一段时间后，指示值才能准确地显示出来，这段时间称为仪表的反应时间，它是由于仪表元件的机械惯性、热惯性、阻力等原因造成的。

反应时间长的仪表不能用于测量参数变化频繁的工况。

衡量热工仪表的质量指标不仅仅是上述九项，根据每类仪表的特殊性，还有各自特殊的质量指标。

这些质量指标都是为了反映仪表的准确性、稳定性、可靠性及灵敏程度，而其中仪表的精度是主要的、基本的，热工仪表性能好坏主要还是取决于它。

第二节常用热工参数测量仪表一、温度测量仪表温度是表征物体冷热程度的物理量。

温度测量仪表是热工自动化仪表中最普遍、最重要的一种。

温标是温度的标尺。

1989年，27届国际计量委员会(CIPM)通过“1990国际温标(ITS一1990)”，1990年1月1日开始实施。

国际温标同时使用国际开尔文温度(T90)和国际摄氏温度(t90)，它们的单位分别为开尔文(K)和摄氏度(℃)，它们之间的关系为t90=T90一273．15 (2—1)。

二、目前，在火力发电厂生产现场常用的是热电偶温度计和电阻温度计。

1、热电偶温度计热电偶是当前应用最广泛的温度传感器之一，它一般用于测量500℃以上的高温。

火电厂中的主蒸汽温度、过热器管壁温度、高温烟气温度等都是用热电偶来测量的。

热电偶温度计是以热电偶作为感温元件，把被测的温度信号转换成电势信号，经温度变送器变换后或直接将信号经信号电缆传送到计算机房相应模件上，实现温度的测量。

（1）热电偶测温的基本原理当两种不同的导体或半导体A和B接成闭合回路时，如果A和B的两个接点温度不同(假定t>t0)，则在该回路中就会产生电流，这表明回路中存在电动势。

这种物理现象称为热电效应或塞贝克效应，相应的电动势称为塞贝克温差电势，简称热电势。

显然，回路中产生的热电势大小仪与组成回路的两种导体或半导体A、B的材料性质及两个接点的温度t、t0有关，故用符号EAB(t、t0)表示。

（2）热电偶的种类热电偶种类很多，有金属热电偶和非金属热电偶，测温范围广。

目前在工业中常用的热电偶有下面几种。

1)铂铑10一铂热电偶：分度号s或LB-3，测温上限1300℃(短期1600℃)。

2)铂铑30一铂铑6热电偶：分度号B或LL-2，测温上限1600℃(短期1800℃)。

3)镍铬一镍硅热电偶：分度号K或EU-2，测温上限1200℃(短期1300℃)。

4)铜一康铜热电偶：分度号T或CK，测温范围为-200～350℃(短期可达400℃)。

5)镍铬～康铜热电偶：分度号E或EA-2，测温范围为-200～900℃。

（5）热电偶的基本定律1)均质导体定律：凡是由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论导体或半导体的截面、长度和各处的温度分布如何，都不会产生热电势，也就是EAA(t、t0)=0。

均质导体定律的推论如下：任何热电偶都必须用两种性质不同的热电极构成。

热电偶所产生的热电势仅与热电极材料的性质及其两个接点的温度有关，而与热电极的几何尺寸及沿热电极的温度分布无关。

如果热电极材料的性质不均匀，当沿热电极的温度分布情况不同时，将会产生无法确定的附加电势。

据此可用来检查热电极材料的不均匀性，以衡量热电偶的质量，即以被检查的热电极构成闭合回路并局部加热，若有热电势输出，表明该热电极材料不均匀，热电势越大，热电极材料的成分和应力分布越不均匀。

2)中间导体定律：在热电偶回路中接入第三、第四或若干种均质导体后，只要中间接入的导体两端温度相同，就不会影响原来热电偶的热电势。

根据中间导体定律，只要保证连接导线、显示仪表等接入热电偶回路的两端温度相同，就不会影响热电偶回路的总电势。

另外，热电偶的热端焊接点也相当于第三种导体，只要它与两电极接触良好，两接点温度，也不会影响热电偶回路的热电势。

因此，在测量液态金属或金属壁面温度时，可采用开路热电偶。

3)中间温度定律：热电偶AB在接点温度为t1，、t3时的热电势，等于热电偶AB在接点温度分别为t1、t2和t2、t3时热电势的代数和，即EAB(t1，t3)＝EAB(t1，t2)＋EAB(t2，t3)，为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。

补偿导线是指在0～100℃范围内和所连接的热电偶具有相同热电特性的廉价金属导线：采用了价格便宜的补偿导线只是将热电偶的冷端位置移动到温度较低且较稳定的地方，本身不起温度补偿作用，其目的：一方面节省资金投入；另一方面有利于热电偶的冷端温度补偿与处理，提高测量的准确性。

用热电偶测量温度时，只有冷端温度恒定，其产生的热电势才与热端温度成单值函数关系，另外，热电偶及其显示仪表是在参考端为O℃时分度和刻度的，若参考端不为0℃，必须进行补偿与处理。

常规的补偿与处理方法有计算法、冷端恒温法(包括实验室用冰点槽法和工业用恒温器法两种)、显示仪表机械零点调整法、补偿电桥法(冷端温度补偿器法)。

但随着计算机分散控制系统在现场应用的日益成熟和广泛，常规的补偿与处理方法已经淘汰，取而代之的是计算机对冷端温度的自动补偿与处理。

热电偶AB产生的热电势经补偿导线A′、B′送入计算机房相应机柜对应的输入模件上，该输入模件同时接受热电阻或模件本身的测温元件测得的模件处的温度(即热电偶新冷端温度)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。

(1)电阻温度计测温原理电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的元件或仪器。

即电阻和温度有一一对应的关系，电阻是温度的函数。

常用的热电阻材料有铂和铜，此外还有铁、镍、钨；用于低温测量的材料有锗、铟、碳和铁铑合金等。

(3)常用的标准化热电阻1)铂热电阻。

这是电阻温度计中应用最广泛的一种。

铂的物理、化学性能稳定，铂丝易于制备，铂热电阻的准确度高，复现性好，有足够的机械强度。

但是高纯度的铂丝价格昂贵，工业用铂电阻体用很细的铂丝(直径为0．07mm)制成，因此机械性能和耐热性有所降低。

目前铂热电阻的测量上限用到650℃。

常用的铂热电阻有Pt50和Ptl00两种分度，标称电阻值分别为R0=50Ω和R0=100Ω。

2)铜热电阻。

铜热电阻的价格便宜，线性度好，容易提纯，工业上在-50～+150℃范围内使用较多。

铜热电阻怕潮湿，易被腐蚀。

常用的铜热电阻有cu50和cul00两种分度，标称电阻值分别为R0=50Ω和R0=100Ω。

热电阻的结构型式与热电偶相似，也有普通型热电阻和铠装型热电阻之分。

3、压力测量仪表工程中应用压力计测得的压力是表压力，被测实际压力称为绝对压力，表压力=绝对压力一大气压力，工程上习惯于将正的表压力称为压力或正压，负的表压力称为负压或真空。

(1)压力表的种类1)液柱式压力计：利用管内一定垂直高度液柱产生的压力与被测压力平衡的原理测量压力。

2)弹性压力计：利用弹性材料在压力的作用下产生弹性变形的原理测量压力。

3)电气式压力计：将被测压力转换为电信号进行测量。

4)活塞式压力计：利用活塞及标准质量重物的重力在单位底面积上所产生的压力，通过密封液的传递与被测压力平衡的原理测量压力。

(2)弹性压力计在火电厂中应用最为广泛。

当有压力的流体作用于有确定受压面积的弹性元件时，弹性元件就受到与被测压力成正比的力而变形，在比例极限内，与变形相应的弹性力平衡了作用力时，所达到的变形可以反映被测压力，这就是弹性压力计的工作原理。