温度的检测与变送PPT课件.ppt

第3节温度变送器,作用：与测温元件配合使用，将温度或温差信号转换成为标准的统一信号；作为直流毫伏变送器使用，用以将其它能够转换成直流毫伏信号EI的工艺参数转换成为标准的统一信号。直流毫伏变送器带非线性补偿电路的热电偶温度变送器热电阻温度变送器。,1,温度：表征物体冷热程度的一个物理量。温标：将温度数值化的一套规则和方法，温标有起点、单位和方向。温标有华氏、摄氏及开氏温标（热力学温标）。摄氏(Celsius)：,水的冰点0度,沸点100度,间隔100等分,每等分为1度。华氏(Fahrenheit)：F,水、冰、盐的混合物为0度,人类体温为100度,水的冰点为12度,水的沸点为212度,其间隔180等分,每等分为1度。开氏(Kelwen)：K,摄氏-273.15度为绝对0度,水沸点373.15度,间隔100等分,每等分为1度。华氏与摄氏温标换算公式分类：接触式和非接触式两大类,一.温度传感器,2,（一）.非接触式温度测量,检测部分与被测对象互不接触。辐射热交换实现测温。其主要特点是可测运动体、小目标及热容量小的或温度变化迅速（限变）对象的表面温度，也可以测量温度场的温度分布。主要用于测量工业锅炉、窑炉、加热炉的火焰，炼钢的钢水等不能直接测量的高温场合。优点：测量上限不受感温元件耐热程度的限制，因而最高可测温度原则上没有限制。它的测温范围为6003200缺点：测量精度受测量距离（检测部分和被测物体的距离不宜太大，以不超过1米为好）和中间介质（烟雾、灰尘等）的影响。常见的辐射式温度计，有光学高温计、辐射高温计、比色温度汁。,3,（二）.接触式温度检测,检测部分与被测对象直接接触。通过热传导或对流达到热动平衡。在一定的测温范围内，接触式测温可以测量物体内部的温度分布。缺点：对于运动体、小目标或热容量小的对象，接触式测温将会引起较大的测量误差。,4,1.热膨胀式测温,工作原理：是基于机械膨胀，热膨胀式温度计测量范围一般为-80600。(1)液体感温膨胀原理如水银和酒精温度计，一般可就地刻度显示，也可做成简单位式温度传感输出。(2)固体感温膨胀原理如双金属片测温仪，一般也是就地刻度显示或者做成简单位式温度传感输出。(3)压力式温度传感器一般是指气、液态物质受热后，体积膨胀引起压力升高再转换成机械位移输出或显示。,5,2.热电式温度检测,热电偶热电动势与温度在小范围内基本上呈单值、线性关系；稳定性和复现性较好；响应时间较快；测温范围宽，高温热电偶测温上限可达2800；测温精度高，使用范围广。,6,热电偶是将两种材质不同的导体或半导体在其端点实现物理接触构成回路,当回路两端点温度不同时,回路中就会出现热电势,7,热电偶冷端补偿,只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数：E（T，0）=E（T，Tn）+E（Tn，0）热电偶的冷端温度补偿：只有将冷端温度保持为0，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。,热电偶冷端补偿方法,冷端温度保持为0；冷端温度修正法，包括温度修正法T=T+kT和热电势修正法（查表法）；冷端温度自动补偿法，包括补偿电桥法；补偿导线法。,8,测量较低温度的热电偶,材质低廉,可用与热电偶同材质导线来延长,测量较高温度的热电偶,材质昂贵,则要根据热电偶材料A和B的热电特性选配特制的廉价合金导线来实现冷端的延长,称为补偿导线,关于冷端延长和冷端补偿,9,由图可见，热电偶有上翘的非线性特性，且测温范围也各不相同,生产厂以分度表形式给出，严格保证冷端温度为摄氏零度的EAB(t,0),由分度表绘制的EAB(t,0)-t曲线如下图：,常用热电偶的标准热电势-温度曲线,10,工业常用热电偶,标准型热电偶：按国家规定定型生产、有标准化分度表的热电偶。铂铑30-铂铑6热电偶（也称双铂铑热电偶，分度号B）；铂铑10-铂电偶（分度号S）；镍铬-镍硅（镍铬-镍铝，分度号K）热电偶；镍铬-康铜（镍铬-铜镍，分度号E）热电偶。,铠装热电偶,将热电极、绝缘材料和金属保护套管加工成一个坚实的整体，经复合拉伸后形成的热电偶；细：一般直径为18mm；长：长度一般为120m；具有体积小、精度高、动态响应快、可靠性高、可挠性好、通常不用补偿导线等特点，特别适合于温度控制系统。,11,3.电阻式温度检测,金属热电阻和半导体热敏电阻热电阻：在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高；热电阻特点：性能稳定、测量精度高，一般可在-270900范围内使用（推荐在150以下时选用）。,12,热电阻的材料要求,一般要求工业热电阻的材料应具有：电阻温度系数大；电阻率大；热容量小；在测温范围内具有稳定的物理和化学性能；良好的复制性；电阻随温度的变化呈线性关系等。,常用热电阻材料,目前世界上用作热电阻的材料主要有铂、铜及镍；我国镍储量较少，故只采用铂、铜两种金属热电阻。,13,特点:灵敏度高,测温范围比热电偶小,有分度表,表中W100=R100/R0是重要参数,工作原理及特性参数,-200-850,14,铜质热电阻计算公式Rcu(t)=R0(1+At+Bt2+Ct3)R0:0时的铜电阻值()A=4.2889910-3/B=-2.13310-7/C=1.23310-9/近似为:Rcu(t)R0(1+t)A=4.2910-3/,铂热电阻计算公式当在-200-0范围内:RPt(t)=R01+At+Bt2+Ct3(t-100)当在0-850范围内:RPt(t)=R0(1+At+Bt2)R0也是0时的电阻值A=3.9080210-3/B=-5.80210-7/2C=-4.273510-12/3,镍质热电阻尚无分度表和计算公式,绘制温度-电阻特性曲线如右图:,15,半导体热敏电阻的特性主要参数有:标称阻值RH(25,)温度系数(20,-1)散热系数H(W.-1)时间常数,半导体热敏电阻半导体温度传感器,是作电路的温度补偿或小范围温度测量。,16,集成温度传感器,利用pn结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种固态传感器。特点：体积小；热惯性小、反应快；测温精度高；稳定性好；价格低等。分电压型和电流型两种，电压型温度系数约10mV/0C；电流型温度系数约1A/0C。,AD590,两端元件；供电电压：直流（+4+30V），1.5mW(+5V)；高阻抗（710M）输出；00C时输出273.2A；温度系数1A/0C；测温范围-55+15000C；使用范围广泛。,17,二、DDZ-III型温度变送器,采用了线性集成放大电路，提高了仪表的可靠性、稳定性和其它多项技术性能。采用单元体系设计方法，提供了通用与专用相结合的灵活应用模式。采用了线性化机构，从而使变送器输出信号与被测温度呈线性关系。仪表采用了统一的直流24VDC集中供电。变送器的输入、输出之间具有隔离变送器，并采取了安全火花（火花能量抑制）防爆措施，因而可以实现对危险场合中的温度和毫伏信号的测量。DDZ-型电动温度变送仪表的输出为420mA直流电流、15V直流电压信号。DDZ-III型温度变送器在其型谱中有三个：直流毫伏变送器热电偶温度变送器热电阻温度变送器,18,1、变送器构成原理,量程单元:在输入回路中有针对热电偶、热电阻和毫伏输入形式专用电路,能实现热电偶的冷端补偿、热电阻三线接入及零点迁移、量程调整在反馈回路中有热电偶和热电阻非线性校正的线性化电路。放大单元:主要功能是信号放大,采用高性能集成运算放大器,隔离输出是为了防爆性能的实现。另外,放大单元接受24VDC外部供电,经直-交-直变换、滤波,向输入回路、集成运放和功率放大电路提供直流电源。,19,a.电压放大器,失调电压的温漂系数要求:,因此，应采用低漂移型高增益运算放大器,即,设为由于UOS的变化给变送器带来的附加误差,温度变化t时失调电压的变化量UOS为,20,放大单元,放大单元包括放大器和直流/交流/直流变换器两部分,直流/交流/直流变换器:直流/交流变换器和整流、滤波、稳压电路,放大器:电压放大器、功率放大器和隔离输出电路,21,b.功率放大器,作用：放大和调制,二极管VT6导通，VT5截止，从而产生了电流ic2,二极管VT5导通，VT6截止，由输入信号产生电流ic1,正半周期时:,负半周期时:,22,作用：避免输出和输入之间有直接的联系,c.隔离输出电路,23,作用：对仪表进行隔离式供电,d.直流/交流变换器,24,输入回路：起限流和限压作用零点调整电路：实现零点调整和零点迁移的作用反馈回路：保证变送器的输出与输入之间具有良好的线性关系，并使变送器输出具有较好的恒流性能,及量程调整。输入信号断路报警电路,量程单元,25,与各种热电偶配合使用，将温度信号变换为成比例的420mADC电流信号和15VDC电压信号。,(2)热电偶温度变送器,26,热电偶温度变送器量程单元,27,在输入回路增加了由铜补偿电阻RCu1、RCu2等元件组成的热电偶冷端补偿电路。同时，在电路安排上把零电位器W1和电阻R104移到了反馈回路的支路上。在反馈回路中增加了由运算放大器A2等构成的线性化电路。,线路上的两点修改,28,补偿原因：热电偶产生的热电势Et,与热电偶的冷端温度有关,1)热电偶冷端补偿电路,补偿原理分析：,t,29,RCu1、RCu2为铜线绕电阻，其阻值在0时为50。R105、R103和R100为锰铜线绕电阻或精密度金属膜电阻，R105=7.5k，R103和R100的阻值决定于所选用的热电偶型号，一般按0时冷端补偿电势为25mV和当温度变化时两个条件进行计算。,30,测温元件热电偶和被测温度之间存在着非线性关系，线性化电路处于反馈回路中，因而它的特性应与所采用的热电偶的特性相同。是一个折线电路，它是用折线来近似热电偶的非线性特性。,2)线性化电路,31,线性化电路原理,32,线性化电路,33,线性化电路,应用Y变换和同相端输入运放电路的输出输入关系式,可以求得,34,35,线性化电路,如果在UC=Us1+UVZ的时候，Uf=Uf2，则特性曲线在Uf2对应的拐点处将向上绕。由图3-可以得到第二段线段的斜率为,36,37,a.为直流毫伏变送器的调零信号。当时，得到正向调零信号，即可实现负向迁移；而当时，得到负向调零点迁移量；,38,3)热电阻温度变送器,与各种热电阻配合使用，可以将温度信号变换为成比例的420mADC电流信号和15VDC电压信号,39,热电阻温度变送器量程单元,40,1)线性化电路,热电阻和被测温度之间也存在着非线性关系,41,42,2)热电阻导线电阻补偿电路,为了消除导线电阻的影响，热电阻采用三线制接法。,存在导线电阻补偿电路时，可求得,不考虑R23、R24支路的作用，可求得,43,直流毫伏变送器构成方框图,44,量程单元,45,直流毫伏变送器线路原理图,46,3.3.2.一体化温度变送器,所谓一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器。,47,一体化温度变送器模块和测温元件形成一个整体，可以直接安装在被测温度的工艺设备上，输出为标准统一信号。这种变送器具有体积小、重量轻、现场安装方便以及输出信号抗干扰能力强，便于远距离传输等优点，对于测温元件采用热电偶的变送器，不必采用昂贵的补偿导线，可节省安装费用。,变送器模块大多数以一片专用变送器芯片为主，外接少量元器件构成,使用中应特别注意变送器模块所处的环境温度。,48,1)变送器芯片AD693,它可以直接接受传感器的直流低电平输入信号并转换成420mA的直流输出电流。,49,AD693,(1)信号放大器信号放大器是一个仪用放大器，由三个运放和反馈电阻组成，其输入信号范围为0100mV；设计放大倍数为2倍，通过引脚14、15、16外接适当阻值的电阻，可以调整放大器的放大倍数，以使输出为060mV。,50,(2)U/I变换器U/I变换器将060mV的电压输入信号转换为016mA的电流输出信号，通过引脚9、1113，通过外接适当阻值的电阻或适当的连接方法，可以使输出为420mA、020mA或128mA。U/I变换器中，还设置了输出电流限幅电路，可使输出电流最大不超过32mA。,AD693,51,AD693,(3)基准电压源基准电压源由基准稳压电路和分压电路组成，通过将其输入引脚9与引脚8相连或外接适当的电压，可以输出6.2V及其它多种不同的基准电压，供零点调整、量程调整及用户使用。,52,AD693,(4)辅助放大器辅助放大器是一个可以灵活使用的放大器，由运放和电流放大级组成，输出电流范围为0.015mA。它主要作为信号调理用，另外也有多种用途，如作为输入桥路的供电电源、输入缓冲级和U/I变换器；提供大于或小于6.2V的基准电压；放大其它信号然后与主输入信号叠加；利用片内提供的100和75mV或150mV的基准电压产生0.75mA或1.5mA的电流作为传感器的供电电流等。辅助放大器不用时须将同相输入端(引脚2)接地。,53,2)AD693构成的热电偶温度变送器,54,输入电路,输入电路是一直流不平衡电桥，AD693的输入信号Ui为热电偶所产生的热电势Et与电桥的输出信号U