工程测试技术设计.docx

工程测试技术设计.docx

《工程测试技术设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程测试技术设计.docx（7页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

工程测试技术设计

热处理炉炉温检测与控制系统设计

院系：

机械工程学院

专业：

机械电子工程班级：

1003班

组长学生姓名：

学号：

同组学生姓名：

学号：

同组学生姓名：

学号：

同组学生姓名：

学号：

同组学生姓名：

学号：

实验指导老师：

完成日期：

第一章系统综述2

1.1概述2

1.3报告概述2

第二章课程设计要求3

2.1课题要求3

2.2元器件清单3

温度测量传感器的选择

通过以上表格的内容比较可知，此次设计选择热电偶传感器比较合适。

热电偶主要参数的确定

超过500度到1100度的可以用K分度热电偶，

一、热电偶的常用材料与结构

热电偶材料应满足：

物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小便于制造；复现性好，便于成批生产。

1.热电偶常用材料

a.铂—铂铑热电偶（S型）分度号LB—3

工业用热电偶丝：

Φ0.5mm，实验室用可更细些。

正极：

铂铑合金丝,用90％铂和10％铑（重量比）冶炼而成。

负极：

铂丝。

测量温度：

长期：

1300℃、短期：

1600℃。

特点：

材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电偶。

用途：

实验室或校验其它热电偶。

在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管。

材料属贵金属，成本较高。

热电势较弱。

b.镍铬—镍硅（镍铝）热电偶（K型）分度号EU—2

工业用热电偶丝：

Φ1.2~2.5mm，实验室用可细些。

正极：

镍铬合金（用88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴冶炼而成）。

负极：

镍硅合金（用95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴冶炼而成）。

测量温度：

长期1000℃，短期1300℃。

特点：

价格比较便宜，在工业上广泛应用。

高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，

H2S等气体中易被侵蚀。

复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。

c.镍铬—考铜热电偶（E型）分度号为EA—2

工业用热电偶丝:

Ф1.2～2mm，实验室用可更细些。

正极：

镍铬合金。

负极：

考铜合金（用56％铜，44％镍冶炼而成）。

测量温度：

长期600℃，短期800℃。

特点：

价格比较便宜，工业上广泛应用。

在常用热电偶中它产生的热电势最大。

气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。

考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。

d.铂铑30—铂铑6热电偶（B型）分度号为LL—2

正极：

铂铑合金（用70％铂，30％铑冶炼而成）。

负极：

铂铑合金（用94％铂，6％铑冶炼而成）。

测量温度：

长期可到1600℃，短期可达1800℃。

特点：

材料性能稳定，测量精度高。

还原性气体中易被侵蚀。

低温热电势极小，冷端温度在50℃以下可不加补偿。

成本高。

　　根据温度测量范围及精度，选用相应分度号的热电偶

使用温度在1300~1800℃，要求精度又比较高时，一般选用B型热电偶；要求精度不高，气氛又允许可用钨铼热电偶，高于1800℃一般选用钨铼热电偶；使用温度在1000~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶；在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶，低于400℃一般用E型热电偶；250℃下以及负温测量

一般用T型电偶，在低温时T型热电偶稳定而且精度高。

因为我们的设计要求是要温度在600度至900度之间，我们选用（K型）镍铬—镍硅（镍铝）热电偶分度号EU—2

影响热电偶的因素

1. 插入深度的影响

（1）测温点的选择

热电偶安装位置，即测温点的选择是最重要的。

测温点的位置，对于生产工艺过程而言，一定要具有典型性、代表性，否则将失去测量与控制的意义。

（2）插入深度

热电偶插入被测场所时，沿着传感器的长度方向将产生热流。

当环境温度低时就会有热损失，致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。

总之，由热传导而引起的误差，与插入深度有关。

而插入深度又与保护管材质有关。

金属保护管因其导热性能好，其插入深度应深一些（约为直径的15～20倍），陶瓷材料绝热性能好，可插入浅一些（约为直径的10～15倍）。

对于工程测温，其插入深度还与测量对象是静止或流动等状态有关，如流动的液体或高速气流温度的测量，将不受上述限制，插入可浅一些，具体数值应由实验确定。

2. 响应时间的影响 

接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。

因此，在测温时需保持一定时间，才能使两者达到热平衡。

而保持时间的长短，同测温元件的热响应时间有关。

而热响应时间主要取决于传感器结构及测量条件，差别极大。

对于气体介质，尤其是静止气体，至少应保持30min以上才能达到平衡；对于液体而言，最快也要在5min以上。

对于温度不断变化的被测场所，尤其是瞬间变化过程，全过程仅1s，则要求传感器的响应时间在毫秒级。

因此，普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后，而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。

最好选择响应快的传感器。

对热电偶而言除保护管影响外，热电偶的测量端直径也是其主要因素，即偶丝越细，测量端直径越小，其热响应时间越短。

测温元件热响应误差可通过下式确定。

Δθ=Δθ0exp（-t/t）             

式中

Δθ——在t时刻，测温元件引起的误差，K或℃

Δθ0——“t=0”时刻，测温元件引起的误差，K或℃

t——测量时间，s

τ——时间常数，s

ε——自然对数的底（2.718）

因此，当t=τ时，则Δθ=Δθ0/e

即为0.368，

如果当t=2τ时，则Δθ=Δθ0/e2

即为0.135。

当被测对象温度以一定速度α（k/s或℃/s）上升或下降时，经过足够时间后，所产生的响应误差可用下式表示：

Δθ∞=-ατ                     

式中 

Δθ∞—经过足够时间后，测温元件引起的误差

由式

（2）可以看出，响应误差与时间常数（τ）成正比。

为了提高检定效率许多企业采用自动检定装置，对入厂热电偶进行检定，但是，该装置也并非十分完善。

二汽变速箱厂热处理车间就发现如果在400℃点的恒温时间不够，达不到热平衡，就容易发生误判。

3. 热辐射的影响

插入炉内用于测温的热电偶，将被高温物体发出的热辐射加热。

假定炉内气体是透明的，而且，热电偶与炉壁的温差较大时，将因能量交换而产生测温误差。

在单位时间内，两者交换的辐射能为P，可用下式表示：

P=σε（Tw4-Tt4）                   （3）

式中

σ——斯忒藩—波尔兹常数

ε——发射率

Tt——热电偶的温度， K

Tw——炉壁的温度， K

在单位时间内，热电偶同周围的气体（温度为T），通过对流及热传导也将发生热量交换的能量为P'

P'=αA（T-Tt）                       （4）

式中α——热导率

A——热电偶的表面积

在正常状态下，P=P'，其误差为：

Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/ αA       （5）

对于单位面积而言其误差为

Tt-T=σε（Tt4-Tw4）/ α             （6）

因此，为减少热辐射误差，应增大热传导，并使炉壁温度Tw尽可能接近热电偶温度Tt。

另外，在安装时还应注意：

热电偶安装位置应尽可能避开从固体发出的热辐射，使其不能辐射到热电偶表面；热电偶最好带有热辐射遮蔽套。

4. 热阻抗增加的影响

在高温下使用的热电偶，如果被测介质为气态，那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面上，使保护管的热阻抗增大；如果被测介质是熔体，在使用过程中将有炉渣沉积，不仅增加了热电偶的响应时间，而且还使指示温度偏低。

因此，除了定期检定外，为了减少误差，经常抽检也是必要的。

例如，进口铜熔炼炉，不仅安装有连续测温热电偶，还配备消耗型热电偶测温装置，用于及时校准连续测温用热电偶的准确度。