工业检测模块化课程项目研究报告-炉温压力检测.doc

工业检测南通航运职业技术学院机电系模块化课程项目研究报告课程名称：工业检测项目名称：炉温压力检测班 级： 姓 名： 学号：同组学员：成 绩： 教师签名： 日 期： 目 录一、 任务分析 二、 资讯1. 温度测量的基本概念a) 温度b) 温标2. 温度测量传感器的分类a) 热电阻传感器b) 热电偶传感器c) 膨胀式传感器3.炉温监测仪的方案4.元器件三、 决策四、 计划五、 实施六、 检查七、 评价一、 任务分析温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产，科研，生活中需要测量的重要物理量。在工业生产过程中，温度是需要进行测量和控制的重要参数之一，在生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右，人类离不开温度检测，更离不开温度传感器。因此，温度传感器有着非常广泛的应用。而在本项目炉温监测仪设置中，温度监测范围要求为4085。正如之前所说温度的测量离不开传感器。测量温度的传感器很多，常用的有热电阻，热电偶，PN结测温集成电路，红外辐射温度计等。本项目主要是利用热电阻和热电偶传感器进行温度的测量。 也许有人会问什么是温度，为什么要测量温度，温度用什么表示，如何测量温度等等关于温度的一些问题，关于这些问题的答案，我会一一说明。二、 资讯1温度测量的基本概念a) 温度的基本概念 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。b) 温标 问度的数值表示方法称为温标。他规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。国际上规定的温标有：摄氏温标（），华氏温标（F），热力学温标（K）。(1)摄氏温标（）摄氏温标把在标准大气压下冰的熔点定为零度（0），把谁的温度定为100度。在这两固定点间划分一百等分，每一等分为每摄氏一度，符号为t。(2)华氏温标（F）它规定在标准大气压下，冰的熔点为32F，水的沸点为212F两固定点间划分180等分，每一等分划分为华氏一度，符号为。它与摄氏温标的关系式为/F=（1.8t+32）（3）热力学温标（K）热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K） 。由于以前曾规定冰点的温度为273.15K，所以现在沿用这个规定，K氏和摄氏的温度转换T/K=t/+273.15我国常用摄氏温标（°C ），国外多用华氏温标（F），而热力学温标（K）一般为实验室研究使用。2）测量温度传感器的分类电测温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非型等。在这里我们只介绍膨胀式、电阻式、热电式。a) 热电阻传感器热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。主要用于测量温度以及与温度有关的参量。测量精度高，易于使用在自动测量和远距离测量中。在工业上，它被广泛用来测量200960范围内的温度。按热电阻性质不同，可分为金属热电阻（热电阻）和半导体热电阻（热敏电阻）两大类。（1） 热电阻热电阻主要是利用电阻随温度升高而增大这一特性来测量温度的。作为测温用的热电阻材料，希望具有电阻温度系数大，线性好，性能稳定，使用温度范围宽，加工容易等特点。在铂和铜中，铂的性能最好，温度适用范围为-200960;铜电阻价廉并且线性好，但易氧化，故适用温度较低。表1.1几种热电阻的主要技术性能。1.)热电阻传感器工作原理温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。表1.2热电阻主要技术性能表1.2 热电阻主要技术性能2.)热电阻结构金属热电阻按结构类型分有普通型，铠装型，薄膜型。普通型由金属电阻丝，支架，引出线，保护套管及接线盒等基本部分组成。如图所示。图1.3 热电阻结构3.)热电阻的应用内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种。二线制中引线电阻对测量影响大,用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温采用三线制或四线制。 （内部引线方式）(2)热敏电阻热敏电阻是一种新型的半导体测温元件。按温度系数不同可分为负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）。所谓正温度系数是指电阻的变化趋势与温度的变化趋势相同；所谓负温度系数是指当温度上升时，电阻值反而下降的变化特性。NTC热敏电阻研制得较早，也较成熟。最常见的是由金属氧化物组成的。如锰、钴、铁、镍、铜等多种氧化物混合烧结而成，其标称阻值(25时)，可以从0.1至几兆欧范围内选择，视氧化物的比例而定。典型的PTC热敏电阻通常是在钛酸钡中掺入其他金属离子，以改变其温度系数和临界温度。它的温度电阻特性曲线呈非线性，它在电子线路中多起限流、保护作用。当流过PTC的电流超过一定限度或PTC感受的温度超过一定限度时，其电阻突然增大。1.）热敏电阻的工作原理及特点半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为由此公式推出，热敏电阻是一种电阻值随温度呈指数变化的半导体热敏元件，电阻温度系数大，灵敏度高结构简单，电阻率高，热惯性小，价格便宜的特点。但其电阻值和温度的关系线性度差，且稳定性和互换性也较差。2.）热敏电阻的结构热敏电阻可根据使用要求加工成各种形状的探头，如园片型、柱型、珠型、铠装型、薄膜型等，如下图所示。图1.4 热敏电阻的外形、结构及符号（a）圆片型热敏电阻 （b）柱形热敏电阻 （c）珠型热敏电阻 （d）铠装性 （e）厚膜型 （f）图形符号3.）热敏电阻的应用热敏电阻几乎在每个部门都有使用，如家用电器、制造工业、医疗设备、运输、通信、保护报警装置和科研等。如半导体点温计热敏电阻用于热保护液面位置传感器等。Ø 半导体点温计 热敏电阻很适合作点温计，因为它的体积小，响应速度快。半导体点温计采用不平衡电桥电路。Ø 热敏电阻用于热保护 利用热敏电阻可以对特定的温度进行监视，例如可以监测电机绕组的过热状态。只需将珠状阻体装在电机绕组间，通过长导线引出，当电枢绕组温度过高时，就会发出警报或自动切断电源，Ø 液面位置传感器 作被面位置传感器用的热敏电阻通以电流将引起自身发热。当处于两种不同介质中，电阻的散热条件石同，流过的电流也不同。通过电流表的指示可以反映液面的水平位置。b) 热电偶传感器1.）热电偶传感器工作原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示工作原理图当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。图1.5 热电偶回路EAB（T，T0）=eAB （ T ）- eAB （ T0 ）2.）热电偶的种类及结构形式（1）普通型热电偶普通型热电偶主要用于测量气体，蒸气和液体等介质的温度。这类热电偶以做成标准形式，其中包括有棒形，角行，锥形。从安装固定方式来看，有固定法兰式，活动法兰式，固定螺纹式，焊接固定式和无专门固定式等几种。（2） 铠装性热电偶 铠装热电偶是由金属保护套管，绝缘材料和热电集三者组合成一体的特殊结构的热电偶。铠装热电偶的特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化，抗低温水蒸气冷凝，抗机械外力冲积的特性。铠装热电偶可以制作的很细，能解决微小，狭窄场合的温度问题，且具有抗震，可弯曲，超长等优点。（3） 隔爆型热电偶隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度，隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆结合面，并用密封圈进行密封，因此，但接线盒内一旦放弧时，不会与外界的危险气体传爆，能达到预期的防爆，隔爆效果。使用场合主要是工业用隔爆型热电偶多用于化学自动控制系统中。3)热电偶的应用Ø 金属表面温度的测量 对于机械、冶金、能源、国防等部门来说，金属表面温度的测量是非常普遍而又比较复杂的问题。例如，热处理工作中锻件、铸件以及各种余热利用的热交换器表面、气体蒸气管道、炉壁面等表面温度的测量。根据对象特点，测温范围从几百摄氏度到一千多摄氏度，而测量方法通常采用直接接触测温法。直接接触测温法足指采用各种型号及规格的热电偶(视温度范围而定)，用粘接剂或焊接的方法，将热电偶与被测金属表面(或去掉表面后的浅槽)直接接触，然后把热电偶接到显示仪表上组成测温系统：被测温度在200300°C左右时，可采用粘接剂将热电偶的结点粘附于金属壁面，工艺比较简单，但是在不少情况下，特别在温度较高，要求测量精度高和时间常数小的情况下，常常采用焊接的方法，将热电偶头部焊于金属壁面。此时热电偶的接点被接地，所以必须采用差动减法放大器。Ø 利用热电偶监测燃气热水器的火焰 燃气热水器的使用安全性至关重要。在燃气热水器中设置有防止熄火装置、防止缺氧不完全燃烧装置、防缺水空烧安全装置及过热安全装置等，涉及多种传感器。防熄火、防缺氧不完全燃烧的安全装置中使用了热电偶传感器。C)膨胀式传感器膨胀式测温是一种比较传统的测温方法，它主要利用物质的热胀冷缩原理即根据物体体积或几何形变与温度的关系进行温度测量。膨胀式温度计包括玻璃液体温度计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计等。膨胀式温度计结构简单，价格低廉，可直接读数，使用方便，并且由于是非电量测温方式，适用于防爆场合。但准确度较低，不易实现自动化，而且容易损坏。3.检测温度的方案方案1.PN结温度传感器测温晶体二极管或三极管的PN结电压是随温度变化的。如硅管的PN结的结电压在温度美升高1时，下降约-2.2mV，利用这种特性可做成各种各样的PN结温度传感器。方案2.负温度热敏电阻测温负温度热敏电阻（NTC）主要用于温度测量。一般NTC热敏电阻测量范围为：-50+300。热敏电阻体积小，重量轻，热惯性小，工作寿命长，价格便宜，且本身阻值大，无需考虑引线长度带来的误差，使用于远距传输。但它非线性大，稳定性差，有老化现象，一致性差。一般仅适于低精度测温。方案3.铜电阻传感器测温利用导体电阻随温度变化的特性。铜电阻在测量时，其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间有线性关系。4.元器件 （1）可调电阻 （2）普通电阻 （3）铜电阻 （4）K型热电偶三、 决策1)热电阻 目前较为广泛应用的热电阻材料是铂、铜，它们的电阻温度系数在36´10³/范围内。作为测温用的热电阻材料，希望具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。在铂、铜中，铂的性能最好，采用特殊的结构可以制成标准温度计，它的适用温度范围为-200 +960，但成本太高；铜电阻价廉并且线性较好，适用于温度在50一150的环境中，目前铜热电阻应用很普遍。2)热电偶 其特点测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广热电偶一般用于测量500以上的较高温度。对于500以下的中低温，热电偶输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器。抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低的温度区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中低温时，一般使用热电偶温度测量传感器较为合适。3)膨胀式 在工业应用中，膨胀式温度计准确度较低，不易实现自动化，而且容易损坏。 综上所述，因在本项目炉温测温仪中，温度测量范围在4085。故选用铜电阻测温方法。四、 计 划 本项目共实验两次，得到四组数据，分别是从40加温到85;从85降到40；40再加温到85；再从85降温到40，其中T=5，随着温度的变化记录电压值。设计电路原理图用单臂电桥电路测量炉温温度。 具体人员分配:第一步由我.负责接电路图，.负责检查电路图；第二部有我调节温度，.负责观察温度的变化，.记录数据。由测得数据分析数据。五、实 施1）所需原件电阻及可调电阻，K型热电偶，铜电阻，电源及电源线等等。2）炉温监测仪电路原理图电路原理图分析：此电桥电路的一个臂接入应变片，故此电路为单臂电桥电路。电路平衡条件为R1×R2=R3×R4，RP1的作用是调节电路的平衡。利用电路的平衡，铜电阻阻值随温度的变化输出电压值，从而检测温度变化。3）接电路分析：利用热电偶给锅炉加热，通过铜电阻传感器的阻值变化输出电压发生变化，记录数据输出。4）在常温基础上，将设定温度值按=5读取数显表值。数据如下：温度T（）40455055606570758085第一组 VO2(mv)30507090110130150160180200第二组 VO2(mv)30406080100120140160180200第三组 VO2(mv)4080110130150170190210230250第四组 VO2(mv)40701001201401601802002202505）取四组数据的平均值，画出论炉温检测仪的输出特性曲线如图所示：数据分析：通过数据分析图可以看出，此铜热电阻传感器的热电势和温度成线性关系，铜热电阻的输出信号大，准确度较高，稳定性好。六、检 查 检查电路，查看电路是否有漏接或错接现象。 在测量数据前，检查电压表是否调零。若不能调零，把电压表调到一个稳定值进行测量，测量结果减去初始值。 在室温条件下进行炉温检测，误差在所难免，从测量数据可知，测得的结果都在一个值得周围变化，并没发现有什么问题，且压力值随温度的升高而增加，呈线性关系。七、评 价理论源于无数次的实验，理论可以指导实践。由于环境，设备等问题，实验误差在所难免主要有系统误差，实验误差，环境误差等，我们说，误差可以减小却不能避免。实验前仔细了解实验细节；做实验时认真读取数据，减小误差；试验后应该认真的实验数据进行分析。多做几组实验得到更精确的试验数据，才能更好的让事实证明理论的正确性。时间过的总是很快，两周工业检测的模块学习，时间虽然短却使我明白了很多东西。不管做什么都需要我们有坚忍不拔的毅力及一颗细腻的心，外加认真的态度。同时让我再一次认识到理论与实践相结合的重要性。理论指导实践，实践检验理论，才能真正的理解所学的理论，从而提高自己的实践能力和独立学习的能力；同时也让我懂得学会思考，善于思考，独立思考及热爱思考的重要性。这次课程设计已虽然顺利完成了，但在设计时遇到了很多专业知识难题，如果没有老师的指导，同学的协助，我想是不会这么顺利完成的。毕业在即，同时在老师的身上我们学也到很多我们当代大学生该拥有的一些实用的东西。在课程设计的最后我还是要说一句谢谢！17