过程控制与自动化仪表——温度检测仪表

1、西安理工大学自动化与信息工程学院西安理工大学自动化与信息工程学院信息与控制工程系信息与控制工程系过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表 主讲教师：赵 跃第二节 温度参数的检测与变送一、温度、温标与常用测温方法二、非电参数温度传感器三、电参数温度传感器n 热电阻温度传感器n 热电偶温度传感器n 热辐射温度传感器四、DDZ系列热电偶温度变送器介绍五、新型两线制集成温度变送器介绍温度与温标温度是关于物体冷热程度的度量。华氏(德国物理学家Fahrenheit)温标,水、冰、盐混合物为0度,人类体温为100度(水的冰点为32度，水的沸点为212度，其间隔180等分为1度)，符号为oF温标是将温度数值化

2、的一套规则和方法，它同时确定了温度的单位。常用测温方法非电参数温度传感器热膨胀式温度传感器n液体n固体n气体气体工业现场安装的指示仪表工业现场安装的指示仪表热电阻温度传感器金属热电阻温度传感器CCCBCABtAtRRtCtBtAtRRoooptpt/102735. 4/10802. 5/1090802. 311001127320320AtRRCCCBCACtBtAtRRcuooocu1/10233. 1/10133. 2/1028899. 410973320R0为0度时电阻值热电阻温度传感器cm/810PTCCTRNTCCt/7106103104105102101104080120160200

3、0半导体热敏电阻温度传感器212100011lnln15.2730exp)(TTTRTRBKCTTBTBRTRoNTC特性公式负温度特性正温度特性临界温度特性其中：NTCPTCCTR 2)()(1TBdTTdRTR半导体热敏电阻参数)(tR1IPR2I1R2R3R热电阻的桥式测量电路pRtRRRR),(,321mA1mA1等效为PR)(tRPR用来抵消0)(tR)(0)(21201IIRItRIpPR还可以用来进行零点迁移。热电阻的三线测量)(tR1IPR2IwRwRwR的存在会直接导致测量偏差IRtREw2)()(tR1IPR2IwRwRwR热电阻三线制接法热电阻的测量电路热电阻实用结构 1

4、 、热电偶的基本工作原理 2 、热电偶的第三导体定律 3 、热电偶的冷端温度与补偿 4 、常用热电偶及其特性 5 、热电偶的补偿导线及其使用热电偶温度传感器接触电势K 波尔兹曼常数e 电子电荷量nA nB 导体A、B的自由电子密度,是 t 的函数t 接触处的绝对温度 BAABnneKtteln 当两种不同的导体或半导体连接时,由于自由电子密度不同在接触面就会发生电子的扩散,电子扩散形成接触电势。热电偶的基本工作原理是导体A和B分别在温度t和t0下的接触电势 0teteBAAB将两种导体两端连接起来构成下图所示的热电偶回路)(teABAB)(0teBA等效电路 teAB 0teBA热电偶的基本工

5、作原理有关热电偶的几点结论 00,tetettEBAABAB 称为热电动势,当 时可由求得温度 t0,ttEABconstt 00,ttEAB),(01ttEtAB公式一（1）若两种导体相同则无论两端点温度如何，回路中热电势为零。 teAB 0teBA（2）若两端点温度相同，而A、B材料不同，回路中热电势为零。（3）热电势与材料的中间温度无关，只与两接点温度有关。热电偶的第三导体定律 从上节图中我们不难发现由于A和B构成了一个闭和回路, 实际上很难测量,为了方便测量我们必须设法断开这个闭和回路,插入仪表进行测量.这就涉及所谓第三导体的概念.0,ttEAB热电偶的第三导体定律 如图接入毫伏表后等

6、效于引入了第三种导体 C , C 的引入会不会影响热电偶回路的总电势呢?mVt0tABCmV teABABC 0teCA 0teBC热电偶的第三导体定律 若三个接点的温度均为t。时，根据能量守恒定律，回路总热电势为零： 0,000000tetetetttECABCABABC 0000teteteteBAABCABC公式三 接入第三种导体相当于构成了如左图所示的热电势回路： 0000,tetetetttECABCABABC公式二 若第三种导体两端温度相等且为 t。 时,回路总电势为:热电偶的第三导体定律 0000,tetetetttECABCABABC 0000teteteteBAABCABC公

7、式三公式二 00,tetettEBAABAB公式一 对比公式四和公式一可见，在热电偶回路中插入第三种导体时，只要保证该导体两端温度相同，则对整个回路的总热电势的大小和方向都不产生影响。可以类推，回路中串入更多种导体时只要同一导体两端温度相同，也不会影响热电偶所产生的热电势数值。 把公式三带入公式二可得: 000,tetetttEBAABABC公式四热电偶的冷端温度与热电势 称为热电动势,当 时可由求得温度 t0,ttEABconstt 00,ttEAB 将t0的温度稳定在摄氏0度后，将t置于不同的温度环境中进行试验，测量其输出电势，并制成热电偶分度表。使用时就可以根据测量的热电势反查热电偶分度

8、表求取测量温度。 00,tetettEBAABAB 为了稳定点t0的温度在实验室可采用冰水混合物将t0点稳定在0度。热电偶分度表 BAABnneKtteln热电偶的中间温度定律 由于使用时冷端温度难以保持在摄氏0度，为方便热电偶分度表的使用我们引入中间温度定律。T0称为中间温度或环境温度。由此可见当T0已知时可查表求取EAB（T，T0） ，并通过测量获得EAB（T，T0），则EAB（T，0）由上式可得，通过查表即可求得T。 热电偶AB在接点温度分别为T、0时，热电势等于该热电偶在接点温度分别为T、T0和T0 、0时的热电势之和。即)0 ,(),()0 ,(00TETTETEABABAB中间温度

9、定律中间温度定律冷端温度的计算补偿 例题 用一分度号为K的镍铬镍硅热电偶及毫伏刻度的显示仪表测量炉温，在自由端温度为to30oC时，测得的热电势为E(t，to)3917mV，问炉温是多少度?0 ,0 ,00tEttEtE 补偿电桥法 补偿电桥法是在热电偶测温系统中串联一个不平衡电桥，利用此电桥随热电偶自由端温度变化而产生的输出电压变化，对热电偶自由端温度偏离预定值进行补偿。0 ,0 ,00tEttEtE 补偿电桥法 图中Rcu是检测热电偶冷端温度变化的传感器。 当冷端温度由0变为t时热电偶回路的热电势将减小 teAB 因为Rcu处于热电偶冷端，温度的变化同时也使Rcu增加了cuR只要合适选择R

10、cu和I2的值总可以使 teIRABcu2 的值可以查表，在0100度之间可认为热电势是线形的。R4的存在是为了抵消Rcu零度电阻值的影响,同时R4具有零点迁移的功能。 teAB421,RRRRcu补偿电桥计算实例 该热电偶是分度号为K的镍铬镍硅热电偶，电源电压为5V， R1=R2电阻值为10K，请问Rcu 为多少时可以实现对热电偶自由端的补偿？此时R4的值是多少？在被测温度为500度时，如果要使热电偶回路的输出值为0，此时R4的值是多少？热电偶的自由端补偿电桥如下 铂热电阻的测温上限可达800度，但工业实践中对高于200度的温度检测都采用热电偶，为什么？常用热电偶及其特性 用来制作热电偶的导

11、体材质有单一金属型和合金型数种配制。热电偶常以所用的热电极材料的种类来定名， 例如铂铑铂热电偶、镍铬镍硅热电偶等。铂铑铂热电偶特性常用热电偶及其特性两种特殊热电偶1钨铼系热电偶 常用的有钨铼5钨铼20、钨铼5钨铼26等用于测量高温3002000度，最高可达2500度。2镍铬金铁热电偶 是一种低温超低温热电偶测温下限可达-271度热电偶实用结构工业现场安装的热电偶 由于热电偶安装位置的温度通常较高，过高的环境温度对检测电路的工作不利。有时需要用导线将热电偶的冷端延长！热电偶的补偿导线 我们能否按如图所示的方式用导线将热电偶与测量仪表连接起来，以便将检测仪表置于环境温度较低的地方？ 因为t0与t0

12、的温度不同不满足热电偶的第三导体定律，所以不是随便什么导线都可以，我们需要用一种特殊的导线“补偿导线”；来完成这种连接。a）补偿导线的热电特性在 范围内要与所配用的热电偶的热电特性相同，即CC001000)0 ,100()0 ,100(0000CCECCEABBA补偿导线使用原则：补偿导线使用原则：热电偶的补偿导线b）补偿导线与热电偶两个接点的温度必须相同，即为0000,ttttc）补偿导线的正负极性以其绝缘层的颜色区分，在使用时，切不可接反。光学辐射温度传感器 一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射特性，即辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有

13、着十分密切的关系。因此通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度DDZ系列温度变送器介绍一、DDZ -热电偶温度变送器 输入电路兼容热电阻与热电偶两种敏感元件温度变送器的工作原理温度变送器的工作原理由图a）：)()(),()(200112011pqbdABichiRututtEuSRuuS切向工作时：当开关上的压降切向检查时：当开关被测温度环境温度零点迁移电压冷端补偿电压热电势ttRutut tEpqbdAB000)()().(CtRtRRRIuDCmAIcupcubd03000200/1029. 4)1 ()()(211：电桥供电电流DDZ -热电偶温度变送器特点2.用自

14、激震荡调制放大电路抑制零点漂移DDZ -热电偶温度变送器特点 1.采用集成运放使仪表的精确性、可靠性、稳定性及技术指标提高。 2.通用模块与专用模块相结合，使用灵活、方便。 3.反馈线性化保证输入/输出关系的线性化。 4.统一集中供电，二线制接线方式。 5.采用安全火花防爆措施，适用于危险场合。 Kffba使敏感元件的传递函数 与变送器传递函数 之积为常数 af bf二、DDZ -热电偶温度变送器特点1、铂热电阻的非线性补偿三、检测仪表的非线性补偿及其在仪表中的应用铂热电阻的非线性补偿 正反馈的引入使温度信号的放大具有了乘法器的特征，引入了Rt的高次项。使放大器呈非线性特性。铜电阻在其量程范围

15、内具有较好的线性一般不用补偿。tRtRtRIUtftRtRtRIRIUtfRkI补偿后铂电阻温度测量的残余非线性误差小于正负百分之零点一。热电偶的非线性补偿2、热电偶的非线性补偿因此要使检测仪表的传递函数为线性 就要使 baff 热电偶的非线性特性比较复杂不能用热电阻的方法。 bf1当 时放大电路增益为Ak af为检测元件传递函数 bf为反馈回路传递函数热电偶的非线性补偿如何产生 使其= ？ bf af非线性的折线近似非线性的补偿原理热电偶的非线性补偿热电偶的非线性补偿;1115300maafaafafuukukuVDVDuuuu“第一段”斜率；。不导通，则当，当，当；，系数增大，的反馈信号减

16、小，放大导通，进入“第二段”，则当mafaamaaukkukuAVDuuu2122131；，。的反馈信号进一步减弱导通，进入“第三段”，时，则当maafaamaauukkukuAVDuuu3233142热电偶的非线性补偿图所示。的分段线性化曲线如下，整个即，反而小于的降低，此时，大幅降低超过反馈信号导通，进入“第四段”，时，则当)(343453baamaafkkkkuVDuuu 的大小由 与 的大小进行调节，并以此改变曲线的形状，以适应不同的热电偶的温度特性。mamauu41u177ffRRDDZ系列温度变送器的抗干扰采用了直流交流直流变换电路，用变压器将输入、输出、电源三者进行隔离，抑制共模干扰信号，使其不能转换为差模信号。DDZ系列温度变送器的抗干扰新型两线制集成温度变送器介绍 采用单片机技术可以用计算的方法同时完成热电偶的冷端补偿和非线性补偿。1、采用计算机的非线性补偿、采用计算机的非线性补偿智能式温度变送器（TT302TT302智能温度变送器) )2、智能式集成温度变送器、智能式集成温度变送器3、智能