故障诊断-温度监测技术

1、2015/4/27 Chapter 5 温度监测与红外诊断技术温度监测与红外诊断技术 Technology of Temperature Monitoring 本章提纲本章提纲 n温度测量基础温度测量基础 n接触式测温接触式测温 n非接触式测温非接触式测温 5.1 温度测量基础温度测量基础 n温度是工业温度是工业生产中的重要工艺参数生产中的重要工艺参数，为保证生产工艺在规定的为保证生产工艺在规定的 温度条件下完成温度条件下完成，需要对温度进行监测和调节需要对温度进行监测和调节； n温度也是表征温度也是表征设备运行状态的一个重要指标设备运行状态的一个重要指标，设备出现机械设备出现机械、 电气故障的一个明显特征就是温度的升高电气故障的一个明显特征就是温度的升高，同时温度的异常变同时温度的异常变 化又是引发设备故障的一个重要因素化又是引发设备故障的一个重要因素。 n有统计资料表明有统计资料表明，温度检测约占工业检测总数的温度检测约占工业检测总数的50%。因此因此， 温度与设备的运行状态密切相关温度与设备的运行状态密切相关，温度监测也因此而在设备故温度监测也因此而在设备故 障诊断的整个技术体系

2、中占有重要的地位障诊断的整个技术体系中占有重要的地位。 n概念概念：采用接触或非接触测温仪表对零部件的温度值或温度分采用接触或非接触测温仪表对零部件的温度值或温度分 布布，通过温度与故障的相关分析通过温度与故障的相关分析，确定其工作状态和诊断故确定其工作状态和诊断故 障障。 n温度表示物体的温度表示物体的冷热程度冷热程度，也是物体也是物体分子运动平均动能分子运动平均动能大小的标大小的标 志志。 n物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程均许多生产过程均 是在一定的温度范围内进行的是在一定的温度范围内进行的。 n机器的轴承在运转过程中由于润滑不良或严重磨损而过度发热机器的轴承在运转过程中由于润滑不良或严重磨损而过度发热； 电气设备在运转时因电流过大或绝缘损坏电气设备在运转时因电流过大或绝缘损坏，也会引起不正常的发也会引起不正常的发 热热。因此因此，通过监测温度的变化通过监测温度的变化，可以发现设备的故障可以发现设备的故障。 温度的概念温度的概念 温标体系温标体系 1714年德国人华伦海特年德国人华伦海特(Fahrenheit)以以水银

3、水银为测温介质为测温介质，制成玻璃水银制成玻璃水银 温度计温度计。 n华氏温标华氏温标 p按照华氏温标按照华氏温标，则水的冰点为则水的冰点为32，沸点为沸点为212。冰点和沸点等分冰点和沸点等分 180份份，每份为每份为1华氏度华氏度。 n摄氏温标摄氏温标 p1740年瑞典人摄氏年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下提出在标准大气压下，把水的冰点规定把水的冰点规定 为为0度度，水的沸点规定为水的沸点规定为100度度。 p摄氏温度和华氏温度的关系为摄氏温度和华氏温度的关系为： T =(9/5)t + 32 n热力学温标热力学温标 （开氏温标开氏温标） p热力学温标是由英国开尔文热力学温标是由英国开尔文(Ketvin)在在1848年提出的年提出的，以卡诺循环以卡诺循环 (Carnot cycle)为基础为基础。 p热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时把理想气体压力为零时 对应的温度对应的温度绝对零度绝对零度与与水的三相点温度水的三相点温度分为分为273.16份份，每份为每份为1 K (Kelvin) 。K与与之间的关系

4、之间的关系 p热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。（。（国际温标国际温标） （m,kg,s,A,K,mol, cd） 用来度量温度高低的标尺用来度量温度高低的标尺：数值数值+单位单位 温度测量方式温度测量方式 接触式与非接触式测温的比较接触式与非接触式测温的比较 接触式测温接触式测温非接触式测温非接触式测温 必要条件必要条件 检测元件与测量对象有良好的检测元件与测量对象有良好的热接热接 触触； 测量对象与检测元件接触时测量对象与检测元件接触时，要使要使 前者的温度保持不变前者的温度保持不变。 检测元件应能正确接收到检测元件应能正确接收到 测量对象发出的测量对象发出的辐射辐射； 应明确知道测量对象的有应明确知道测量对象的有 效发射率或重现性效发射率或重现性。 特点特点 测量测量热容量小热容量小的物体的物体、运动运动的物体的物体 等的温度有困难等的温度有困难； 受受环境环境的限制的限制； 可测量物体任何部位的温度可测量物体任何部位的温度； 便于多点便于多点、集中测量和自动控制集中测量和自动控制。 不会改变被测物体的不会改变被测物体的温度

5、温度 分布分布； 可测量可测量热容量小热容量小的物体的物体、 运动运动的物体等的温度的物体等的温度； 一般是测量表面温度一般是测量表面温度。 温度范围温度范围容易测量容易测量10001000以下的温度以下的温度适合于高温测量适合于高温测量 响应速度响应速度较慢较慢快快 温度检测方法及其测温范围温度检测方法及其测温范围 5.2 接触式测温方法接触式测温方法 n根据测温转换的原理，接触式测温可分为： p热膨胀式热膨胀式( (包括液体和固体膨胀式包括液体和固体膨胀式) ) p热阻式热阻式( (包括金属热电阻和半导体热电阻包括金属热电阻和半导体热电阻) ) p热电式热电式( (包括热电偶和包括热电偶和PNPN结结) ) n 基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式液体膨胀式和 固体膨胀式固体膨胀式两类。 n 按膨胀基体膨胀基体可分成：液体膨胀式玻璃温度计玻璃温度计、液体或 气体膨胀式压力温度计压力温度计及固体膨胀式双金属温度计双金属温度计 n 特点： l测量范围大都在测量范围大都在- -5050550550内内 l用于温度测量或控制精度用于温度测量或控制精度要求要求较低较低，不需自动记录不

6、需自动记录的场合的场合。 5.2.1 热膨胀热膨胀式测温方法式测温方法 n双金属温度计双金属温度计的感温双金属元件的形状有的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型平面螺旋型和直线螺旋型 两大类两大类，其测温范围大致为其测温范围大致为- -8080600600，精度等级通常为精度等级通常为1.51.5级级 左右左右。 n双金属温度计抗振性好双金属温度计抗振性好，读数方便读数方便，但精度不太高但精度不太高，只能用做一般只能用做一般 的工业用仪表的工业用仪表。 基于基于固体受热膨胀固体受热膨胀原理原理， 测量温度通常是把两片线测量温度通常是把两片线 膨胀系数差异相对很大的膨胀系数差异相对很大的 金属片叠焊在一起金属片叠焊在一起，构成构成 双金属片感温元件双金属片感温元件（俗称俗称 双金属温度计双金属温度计）。）。 双金属温度计双金属温度计 n压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变体积不变 的条件下的条件下其压力与温度呈确定函数关系压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功 能的。 n特点特点： p强度大强度大、不易破损不易破损、读数方便读数方便，但准确度较低但准确度较低、

7、耐腐蚀性较差耐腐蚀性较差 p测温范围下限能达测温范围下限能达- -100100以下以下，上限最高可达上限最高可达600600 p一般用于汽车一般用于汽车、拖拉机拖拉机、内燃机内燃机、汽轮机的油汽轮机的油、水系统的温度水系统的温度 测量测量 压力温度计压力温度计 压力温度计压力温度计 n感温介质感温介质因被测温度的高因被测温度的高 低而导致其体积膨胀或收低而导致其体积膨胀或收 缩造成压力的增减缩造成压力的增减，压力压力 传给弹簧管传给弹簧管，指针偏转指针偏转， 指示出温度指示出温度。 n毛细管愈长毛细管愈长，则温度计响则温度计响 应愈慢应愈慢，管愈细管愈细，则准确则准确 度愈高度愈高。 压力温度计压力温度计 n基于热电阻原理测温是根据基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变金属导体或半导体的电阻值随温度变 化化的性质的性质，将电阻值的变化转换为电信号将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的从而达到测温的目的。 多数金属导体在温度升高多数金属导体在温度升高1 1时时，阻值变化阻值变化0.4%0.6%0.4%0.6%； 多数具有负温度系数的半导体在温度升高多数具有负温度

8、系数的半导体在温度升高1 1时时，阻值变化阻值变化 3%6%3%6%。 n热电阻的材料热电阻的材料：电阻率电阻率、电阻温度系数要大电阻温度系数要大，热容量热容量、热惯性要热惯性要 小小，电阻与温度的关系最好近于线性电阻与温度的关系最好近于线性；物理物理、化学性质要稳定化学性质要稳定，复复 现性好现性好，易提纯易提纯，同时价格尽可能便宜同时价格尽可能便宜。 因此因此，铂铂、铜铜、铁铁、镍和一些半导体材料适合做热电阻镍和一些半导体材料适合做热电阻。 5.2.2 热阻热阻式测温技术式测温技术 n优点优点：信号灵敏度高信号灵敏度高、易于连续测量易于连续测量、可以远传可以远传（与热电偶相与热电偶相 比比）、）、无需参比温度无需参比温度；金属热电阻稳定性高金属热电阻稳定性高、互换性好互换性好、准确度准确度 高高，可以用作基准仪表可以用作基准仪表。 n缺点缺点：需要电源激励需要电源激励、有自热现象有自热现象（会影响测量精度会影响测量精度）以及测量以及测量 温度不能太高温度不能太高。 n常用热电阻种类主要有常用热电阻种类主要有铂电阻铂电阻、铜电阻铜电阻和和半导体热敏电阻半导体热敏电阻。 2.2 2.2

9、 热阻式测温技术热阻式测温技术 金属丝电阻温度计金属丝电阻温度计 n在一定的温度范围内在一定的温度范围内，金属导体电阻与温度的关系为金属导体电阻与温度的关系为 nRt= R0 1a a(t-t0)= R0 (1+aDaDt) nRt为温度为为温度为t时的电阻时的电阻；R0为温度为为温度为t0时的电阻时的电阻；a a为电为电 阻温度系数阻温度系数，随材料不同而异随材料不同而异。 n由上式可知由上式可知，电阻增加的数值正比于温度差电阻增加的数值正比于温度差(t-t0)，所以通过所以通过 测量导体的电阻就可以确定被测量物体的温度值测量导体的电阻就可以确定被测量物体的温度值。 金属丝电阻温度计金属丝电阻温度计 n常用的测温电阻丝材料有常用的测温电阻丝材料有铂铂、铜铜、镍等镍等。铂丝绕在玻璃棒铂丝绕在玻璃棒 上上，置于陶瓷或金属制成的保护管内置于陶瓷或金属制成的保护管内，引出的导线有引出的导线有二线二线 式式、三线式三线式。常用铂电阻常用铂电阻pt1000, pt100, pt10;铜电阻铜电阻Cu100 和和Cu50. 金属丝电阻温度计金属丝电阻温度计 n为了测出金属丝的电阻变化为了测出金属丝的电阻变化，一般是将其接入平衡电桥中一般是将其接入平衡电桥中。电桥电桥 输出的电压正比于金属丝的电阻值变化输出的电压正比于金属丝的电阻值变化。该电压的变化由动图式该电压的变化由动图式 仪表直接测量或经放大器放大输出仪表直接测量或经放大器放大输出，实现自动测量或记录实现自动测量或记录。 半导体热敏电阻通常是用半导体热敏电阻通常是用 铁铁、锰锰、镍镍、铝铝、钛钛、镁镁、 铜等一些金属氧化物做原料铜等一些金属氧化物做原料 制成制成，也常用它们的碳

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