过程控制参数检测与变送

1、3 过程控制参数检测与变送3.1 过程参数检测与变送概述在工业生产中，为了正确地指导生产，确保生产过程安全、稳定，使生产过程实现最优化，必须及时、准确的掌握描述生产过程特性的各种参数。因此，要想对过程参数实行有效的控制，首先要对他们进行有效的检测，而如何实现有效的检测，则由检测仪表来完成。检测仪表是过程控制系统的重要组成部分，它可以实现对温度、压力、流量、物位等过程参数的实时、可靠检测。检测仪表的检测精度直接影响系统的控制精度，而检测仪表的基本特性和各项性能指标又是衡量检测精度的基本要素。因此，掌握检测仪表的基本特性和构成原理，分析和计算检测仪表的性能指标等是正确使用检测仪表，更好地完成检测任

2、务的重要前提。3.1.1 基本概念过程参数检测仪表通常由敏感元件和变送单元组成，如图3-1所示，敏感元件直接感受被测参数变化，并将其转换为相应的物理量提供给变送单元，经变送单元转化为标准信号输出。图3-1 过程参数检测仪表结构敏感元件，也称传感器，是与人的感觉器官相对应的元件，按照国家标准GB7665-1987的规定，定义传感器为“能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件与转换元件组成”。它利用物理或化学敏感的部件或材料，直接与被测过程发生联系，感受被测参数的变化，并按照一定的规律将其转换为可用输出信号（一般是电信号，即电压、电流、电阻、电感、电容等

3、）。传感器通常具有以下基本特性：独立，即被测物理量不会受到传感器的影响；敏感，即被测参数的微小变化就可以引起传感器输出信号的明显变化；稳定，即传感器的输出信号与被测参数之间是稳定的单值比例关系。变送单元，也称变送器。在过程控制系统中，它常常和传感器组合在一起，共同完成对温度、压力、物位、流量等被控参数的检测并转换为统一标准的输出信号。该标准输出信号一方面被送往显示记录仪进行显示记录，另一方面则送往控制器实现对被控参数的控制。所以从某种意义上，变送器是将输出信号变成统一标准信号的传感器。这里所说的统一标准信号主要包括标准电动信号（如DDZ-型电动组合仪表采用的DC 010mA和DC 020V标准

4、；DDZ-型电动组合仪表采用的DC 420mA和DC 15V标准）和标准气动信号（如QDZ型气动组合仪表采用的0.020.1MPa标准）等。预计在今后相当一段时间内，电动模拟式变送器的设计、生产与使用可能还会按此标准进行。但同时我们还要看到，由于计算机网络与通信技术的迅速发展，数字通信被延伸到现场，传统的420mA模拟信号的通信方式将逐步被双向数字式的通信方式所取代。可看出，信号的数字化与功能不仅是变送器发展的必然趋势，也是其他自动化仪表发展的必然趋势。3.1.2 自动化单元仪表工作特性自动化单元仪表，即检测仪表的工作特性是指能适应参数测量和系统运行的需要而具有的输入/输出特性，它可以通过零点

5、调整与迁移以及量程调整而改变。（1）自动化单元仪表工作特性自动化单元仪表的理想工作特性为图3-2所示的线性特性。图3-2 仪表的理想工作特性图中，xmax和xmin分别为被测参数的上限值和下限值，Ymax和Ymin分别为检测仪表输出信号的上限值和下限值。对于模拟式变送器，Ymax和Ymin为统一标准信号的上限值和下限值；对于智能变送器，Ymax和Ymin为输出的数字信号范围的上限值和下限值。由图3-2可得仪表输出的一般表达式为 Y=X-xminxmax-xminYmax-Ymin+Ymin （3-1） 式中，X为仪表的输入信号；Y为对应于X时仪表的输出信号。（2）零点调整与迁移 所谓检测仪表的

6、零点是指被测参数的下限值xmin，或者说对应仪表输出下限值Ymin的被测参数最大值。在仪表中，让xmin= 0的过程称为“零点调整”；是xmin 0的过程称为“零点迁移”。就是说，零点调整是仪表的测量下限值为零，而零点迁移则是把测量的下限值由零迁移到某一数值（正值或负值）。当将测量的下限值由零变为某一正值时，称为正迁移；反过来，将测量的下限值由零变为某一负值时，称为负迁移。图3-3为某仪表零点迁移前后的输入/输出特性。图3-3 零点迁移前后的输入/输出特性a)未迁移 b)正迁移 c）负迁移（3）量程调整量程是指与检测仪表规定的输出范围相对应的输入范围。量程调整是指自零点不变的情况下将仪表的输出

7、信号上限值Ymax与被测参数的上限值xmax相对应。图3-4位即为某仪表量程调整前后的输入/输出特性。图3-4 量程调整前后的输入/输出特性由此可见，量程调整相当于改变了仪表的输入/输出特性的斜率，也是改变了仪表的输出信号Y与输入信号X之间的比例关系。 具有零点迁移，量程调整功能的仪表使它的使用范围得到了扩大，并增加了他的适应性和灵活性。但是，在什么条件下可以进行零点迁移和量程调整，迁移量与调整量有多大，这就需要结合具体仪表的结构和性能而决定，并不是没有约束的。3.1.3 误差概念与表述 在测量过程中，由于所选仪表精度和检测技术水平限制、实验手段不完善、环境中各种干扰的存在，会导致仪表测量值与

8、真实值之间存在一定的差值，这就是误差的概念。任何测量过程都存在误差。通过研究测量误差，一方面有利于制造测量更精确的仪表；另一方面可以指导仪表的合理选择和使用。测量误差按照表达方式不同，可以划分为绝对误差和相对误差。1 绝对误差绝对误差是指测量值与被测参数真值之间的差值，即 X=X-A (3-2)式中X绝对误差； X 测量值；A 被测参数的真值。对于一个自动化单元仪表而言，在其量程范围内，各点读数的绝对误差是指各点的仪表实际读数与真值之差。由于任何仪表是不可能绝对精确的，所以被测参数的真值是无法通过测量得到的。于是，真值一般采用约定真值来替代。例如，法定计量机构的设备检测值作为工业应用级检测仪表

9、的约定真值。在各读数的绝对误差基础上，可以得到该仪表的最大绝对误差Xmax为 Xmax=max(X-A) (3-3)2.相对误差绝对误差不能确切地反映测量值偏离真值程度的大小，为此引入相对误差。相对误差是指绝对误差与真值的百分比。根据所引用的约定真值不同，相对误差由以下三种表示方法：（1） 实际相对误差实际相对误差是绝对误差X与被测参数的真值A的百分比，即 A=XA×100% （3-4）（2） 示值相对误差示值相对误差是绝对误差X与被测参数的测量值（即示值）X的百分比值，即 X=XA×100% （3-5） （3） 引用相对误差引用相对误差是绝对误差X与量程范围的百分比值，即

10、 B=XBX×100% (3-6)若仪表测量下限为零，则引用相对误差为绝对误差与仪表测量上限的百分比。测量误差按照其性质的不同，亦可以划分为系统误差、随机误差、和粗大误差。1.系统误差系统误差是指对同一被测参数进行多次重复测量时，按一定规律出现的误差。例如，仪表的组成元件不可靠、定位标准及刻度的不准确、零值误差（如零点漂移）、测量方法不当等引起的误差均属于系统误差。系统误差可以通过实验的方法或引入修正值的方法来修正；或者重新调整仪表来消除系统误差；或者通过求多次测量的平均值来消除。2.随机误差当对同一被测参数进行多次重复测量时，误差绝对值得大小和符号不可预知的随机变化，单总体而言具有

11、一定的统计规律性，通常将这种误差称为随机误差。随机误差的发生无法预知，它服从一定的统计规律，因此可以通过增加测量次数，利用概率论和统计学方法，对测量结果进行统计处理，从而减小其对测量结果的影响。3.粗大误差粗大误差又称疏忽误差。这类误差是由于测量者疏忽大意、环境条件的突然变化或仪表发生故障所引起的显著偏离实际值的误差。该误差对测量结果影响较大，对于粗大误差，首先应设法判断其是否存在，然后作为异常值剔除。3.2温度检测与变送温度是表征物体冷热程度的物理量，也是工业生产过程中极为重要的参数之一。许多物理反应和化学反应都与温度密不可分，大多数工业生产过程都是要求在一定的温度范围能进行的。因此，对温度

12、的检测和控制是保证工业过程控制正常进行的重要任务之一。3.2.1 温度检测方法温度检测方法有很多，按照测温元件是否与被测物质接触，可分为接触式测温和非接触式测温两大类。3.2.1.1接触式测温接触式测温是指测温元件直接与被测介质接触，通过热交换达到热量平衡，此时通过测温元件的某一物理量与被测介质温度相对应。这种测温方法简单、可靠、精度高，但测量时常伴有时间上的滞后，测温元件又是可能会破坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学反应。另外，因受到耐高温的限制，测温上限有界。因此，接触式测温不适用与温度太高的场合，以及运动物体和腐蚀性介质的温度测量。常用的接触式测温仪表有膨胀式温度计、压力式温度计、热

13、电偶测温以及热电阻测温。现按几种接触式测温方法、原理以及特点的分类综合比较于表3-1中。表3-1 常用接触式温度检测仪表分类及其特点1.膨胀式温度计膨胀式温度计是基于物体受热是体积产生膨胀的原理构成，包括液体膨胀式和固体膨胀式两大类。U型管、体温计等都属于液体膨胀式温度计，双金属式温度计属于固体膨胀式温度计。如图3-5所示，双金属式温度计是用两种膨胀系数不同的金属片叠焊在一起，再制成螺旋形状，一段固定不动的双金属片受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而在另一端产生弯曲，从而将热能转化为机械能，并带动连接着螺旋形双金属片的指针旋转，最终在刻度盘上显示出相应的温度值。温度越高，产生的膨胀长度差越大，

14、因而引起的弯曲角度也就越大。图3-5 双金属式温度计1指针 2保护管 3指针轴4双金属感温元件 5固定端2.压力式温度计压力式温度计是基于处于封闭系统中的液体或气体受热后，体积或压力会产生这个原理而成的。其简单可靠，抗震性好，而且具有良好的防爆性；可是动态性能差，测量滞后较大，不宜测量迅速变化的温度。压力式温度计由温包、毛细管和弹簧管组成，在其组成的封闭系统中充以液体或气体。温包直接接触被测介质以感知温度的变化，封闭系统中的压力随被测介质的温度变化而变化。弹簧管内腔与毛细管相通，随着压力的变化，其自由端产生角位移，通过拉杆、齿轮机构带动指针偏转，从而在刻度盘上指出被测介质的温度。3.热电偶及其

15、测温原理热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，再配以测量毫伏的指示仪表或变送器就可以完成温度的测量指示或温度信号的转换。该法具有测量精度高、测温范围宽、性能稳定、复现性好、响应时间较小等优点，适合远距离测量和自动控制。常用热电偶可测温度范围为-501600°C，若采用特殊材料时，测温范围可扩大为-2002800°C。（1）热电偶的测温原理将两种材质不同的导体（或半导体）A、B连接成一个闭合回路就构成了热电偶。热电偶的测温原理是基于热电效应，即热电偶两端的温度不同时，就会在热电偶闭合回路中产生热电动势，这种现象就称为热电效应。热电偶回路中的热电动势由接

16、触电动势和温差电动势两部分组成，如图3-6所示。图3-6 热电效应示意图图中，两种不同材质的导体A、B在接触时产生的电子扩散就形成了接触电动势。假设导体A中自由电子的浓度大于导体B中的自由电子的浓度，在开始接触的瞬间，导体A向导体B扩散的电子数将多于导体B向导体A扩散的电子数，因而使导体A失去较多的电子而带正电荷，导体B则带负电荷，结果导致接触面处产生电场，该电场将阻碍电子在导体B中的进一步积累，最后达到平衡。平衡时在A、B两个导体间形成的电位差就称为接触电动势，其大小与两种导体的材质和接点的温度有关。温差电动势则是指同一导体由于两端温度不同而导致电子具有不同的能量所产生的电动势。由此可知，热

17、电偶闭合回路中的热电动势为接触电动势与温差电动势之和，即可表示为 EABt,t0=EABt-EABt0+EBt,t0-EAt,t0 (3-7)式中，等式右边前两项为接触电动势，后两项为温差电动势。理论表明，温差电动势比接触电动势小很多，所以热电动势通常是以接触电动势为主，式(3-7)即可以近似为 EABt,t0=EABt-EABt0 (3-8)由式(3-8)可知，当材质一定且冷端温度t0不变时，热端温度与热电动势成单值对应的反函数关系，即 t=EAB-1(t,t0) t0=constant (3-9)式(3-9)表明，只要测出热电动势的大小，即可确定被测温度的高低，这就是热电偶测温的原理。根据

18、上述的分析可以得到三点重要的结论：若组成热电偶的电极材料相同，则无论热电偶冷、热两端的温度如何，总热电动势为零；若热电偶冷、热两端的温度相同，则无论电极材料如何，总热电动势也为零。热电偶的热电动势除了与冷、热两端的温度有关外，还与电极材料有关。也就是说，由不同电极材质制成的热电偶在相同温度下产生的热电动势是不同的。（2）热电动势的检测和中间导体定律在实际使用时，为了检测热电动势，则必须在热电偶回路中接入检测仪表与导线（简称第三导体），如图3-7所示。图3-7 接入第三导体的热电偶接入第三导体后是否对热电偶的热电动势产生影响呢？分析如下:由图3-7可知，在热电偶回路中接入第三导体时，其总热电动势

19、为 EABCt,t0=EABt+EBCt0+ECAt0 (3-10)若t=t0,则有 EABCt0,t0=EABt0+EBCt0+ECAt0=0 (3-11) 合并上述式(3-10)和(3-11)，可得 EABCt,t0=EABt-EABt0EABt,t0 (3-12)显然，只要第三导体的两个接点温度相同，则接入第三导体对热电偶回路中的总热电动势没有影响。这一性质被称为中间导体定律。中间导体定律为实际应用时，热电偶回路中各种仪表和导线的连接提供了理论依据。（3）冷端温度补偿热电偶只有在冷端温度保持不变时，才能保证热电动势与被测温度之间呈单值函数关系。另外，热电偶的分度一般是在冷端温度t0=0&

20、#176;C情况下测定的。因此，热电偶的冷端必须保持恒定（0°C）以避免测量误差。一般采用冷端补偿来实现上述目的。常用的冷端补偿方法有以下几种。1） 冷端恒温法将热电偶的冷端置于能保持恒温的冰水混合物中，或将冷端补偿导线引至电加热的恒温器内，以保证冷端温度稳定在0°C或某一恒定温度，如图3-8所示。图3-8 热电偶冷端恒温法若t0=0°C，则可以在测得热电动势后，直接查分度表，从而计算出被测温度。若t00°C，则先要对测得热电动势加以修正。设EABt，tc为在tc处测得的热电动势，通过查分度表求得EABtc，0°C，从而获得总热电动势为 EAB

21、tc，0°C=EABt，tc+EABtc，0°C (3-13)通过查阅分度表，就可以得到被测温度。2）电桥补偿法此法的原理是采用不平衡电桥，利用电桥中某桥臂电阻随温度变化为产生的附加电压，补偿热电偶冷端温度的变化而引起的热电动势变化，如图3-9所示。图3-9 热电偶冷端补偿电路图3-9中，R3为电源内阻；E为桥路直流稳压电源；桥臂电阻R1、R2位组织恒定的锰铜电阻；Rp为可调电阻；RCu为铜电阻，它的电阻随温度变化而变化，测量时将其置于与热电阻冷端相同的温度场中，即 RCu=R0（1+（t0-t0） (3-14)其中，R0=RCu（t0）t0=0，t0=0°C。

22、设置电桥在t0时平衡，输出为Uab=0,；当t0发生变化时，电桥不平衡，输出不平衡电压 Uab=E2R3R01+t0-Rp (3-15) 此时，回路中总电动势为 U=EABt，t0)+Uab(t0) (3-16)选取铜电阻，使Uab=EABt0，0，则无论冷端温度如何变化，电桥产生的不平衡电压啊正好补偿冷端温度变化，引起的热电动势变化值，使回路电动势U=EABt，0只与被测温度t有关系 ，从而实现了冷端温度的自动补偿。3）补偿导线法补偿导线是用热电性质与热电偶及其相近的材料制成的导线。基于中间导体定律，用补偿导线将热电偶的冷端延长至控制室等需要的地方，可以使热电偶的冷端远离热源，以此保证冷端稳

23、定，不会对热电偶回路引入超出允许的附加测量误差。补偿导线法在使用时要注意：补偿导线只能与相应型号的热电偶配套使用，可以参考国际电工委员会制定的标准；补偿导线与热电偶连接处的两个接点温度要相同；连接补偿导线时要注意区分正、负极，让其分别与热电偶的正、负极对应连接；补偿导线的连接端工作温度范围不能超过0100°C，否则会给测量带来误差。按照IEC国际标准，我国设计了统一标准化热电偶，其中一部分如表3-2所示。表3-2 我国部分标准化热电偶及其补偿导线4.热电阻及其测温原理大多数电阻的阻值随温度的变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线

24、性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。热电阻适用于<500°C的中、低温度测量。它测量精度高、性能稳定、灵敏度高，不用进行冷端补偿；输出为电信号，可以实现远距离的传送和自动控制。(1)热电阻测温原理热电阻是利用金属导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的性质来实现温度测量的。热电阻阻值随温度变化的大小可用电阻温度系数来表示，定义为 =Rt-Rt0Rt0(t-t0)=1tRRt0 (3-17)式中Rt、Rt0是温度t、t0时热电阻的电阻值。由此可见，电阻温度系数描述温度每变化1°C时热电阻阻值的相对变化量。对于金属热电阻，0，即电阻值随着温度的升高而增加。

25、工业上常用的金属热电阻有铜电阻和铂电阻。而对于半导体热电阻，其温度系数可正可负，且线性度差。目前，测温元件主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。现分别加以介绍。1）金属热电阻的测温选作热电阻温度传感器的金属导体需要具有以下特性：电阻温度系数较大且稳定，以提高对温度的灵敏度；电阻率大，从而在相同灵敏度下减小元件的尺寸；电阻值与温度之间呈单值关系；具有化学稳定性和耐热性。工业上常用的金属热电阻由铂电阻、铜电阻、镍电阻等等，其材质、分度号及测温范围如表3-3所示。表3-3 工业常用金属热电阻铂电阻铂电阻的结构形式常见的如图3-10所示，以云母片和石英玻璃柱作骨架，将铂丝用双线法绕在骨架上，以消除电感

26、。铂丝直径为0.030.07mm，用直径为1.0±0.05mm的银丝焊在铂丝两端作引出线，引至保护管的接线端处。图3-10 热电阻结构铂电阻是由贵金属铂构成，其具有精度高、稳定性好、性能可靠、测温范围宽、耐氧化能力强等特点。但是其电阻温度系数比较小，电阻值与温度之间呈非线性关系，且价格较贵。 Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 (3-18)在0-850°C温度范围内，铂电阻与温度的关系为 Rt=R01+At+Bt2 (3-19)式中，A=3.90802×10-3/°C; B=-5.802×107/°C;C=-4.2735

27、×10-12/°C;Rt、R0为温度是t°C、0°C时的电阻值。铂电阻的阻值和温度的关系特性如图3-11所示，是略带弯曲的非线性关系，一般在后级电路处理时采取线性化措施。图3-11 热电阻的温度特性由于铂电阻具有非线性特性，因此在设计测温电路时要就能进行温度补偿。铜电阻 铜电阻价格便宜，具有较高的电阻温度系数，而电阻值与温度之间是线性关系。其电阻与温度的关系描述为 Rt=R01+t (3-20)其中，=4.254.29×10-3/°C，一般取=4.28×10-3/°C。由于铜容易氧化，电阻率较小，所有铜电阻的体积大

28、，热惯性大，适宜在测量精度要求不高、温度较低、无水分及无腐蚀性的环境下工作。2）半导体热敏电阻的测温半导体热敏电阻是由多种金属氧化物按比例烧结成的半导体而构成的。根据材质及工艺技术的不同，可以分为正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）和临界温度系数（CTR）三种，其特性曲线如图3-12所示。图3-12 半导体热敏电阻特性NTC型热敏电阻在0200°C测温范围内接近线性，适用于测量较宽范围内连续变化的温度。CTR型和PTC型热敏电阻在某个温度段内其电阻随温度上升而急剧下降或上升，利用其在特定温度下的高度灵敏度特性，可以构成温度开关元件。半导体热敏电阻的电阻温度系数较大、灵敏度高、响

29、应快、热惯性小。但是由于元件的稳定性和互换性不够理想，非线性较严重，且测温范围在-50300°C左右，所以通常较多地用于家电和汽车的温度检测和控制。（2）热电阻的接线方式 工业用热电阻需要安装在生产现场，而显示记录仪则一般安装在控制室里。生产现场与控制室之间存在一定的距离。因此热电阻的连线对测量结果会有较大的影响。目前，热电阻的接线方式有三种，如图3-13所示。图3-13 热电阻的接线方式a)二线制接法 b)三线制接法 c)四线制接法图中a为二线制接法，即在热电阻的两端各接一根导线引出电阻信号。这种接法最为简单，但由于连接导线存在导线电阻r，r的大小与倒显得材质、粗细及长度有关。图中

30、的Ri=Rt+2r。因此，此种接法只适用于测量精度要求较低的场合。图中b为三线制接法，即在热电阻根部的一端引出一根导线，而在另一端引出两根导线，分别与电桥中的相关元件相接。这种接法可利用电桥平衡原理较好的消除导线电阻的影响。这是因为当电桥平衡时有R1R3+r=R2(Rt+r),若R1=R2，则R1R3=R2Rt，可见电桥平衡与导线电阻无关。所以这种接法是目前工业过程中最常用的接线方式。图中c为四线制接法，即在热电阻根部两端各引两根导线，其中一对导线为热电阻提供恒定电流IS，将Rt转化为电压信号Ui，在通过另一对导现把Ui信号引至内阻很高的显示仪表（如电子电位差计）。可见这种接法主要应用于高精度

31、的温度测量。3.2.1.2非接触式测温非接触测温是指测温元件不直接与被测介质接触，通过热辐射实现热交换。因此，该测量方法的优点是测温上限原则上不受控制（一般可达到3200。C）,测温速度快且不会对被测热场产生大的干扰，还用于对运动物体、腐蚀性介质等的温度测量。其缺点是容易受外界因素（如辐射率、距离、烟尘、水汽等）的干扰导致测量误差大、标定困难，且结构复杂、价格昂贵等。各种温度检测方法均有自己的特点与应用场合，现按接触式测温与非接触式测温的分类综合比较于表3-4中，下面将介绍几种常用的测温方法、工作原理及其特点。表3-4 常用温度检测仪表分类及其特点 辐射式温度检测仪表利用辐射原理，不需要直接接

32、触就可以实现物体之间热能传递。其优缺点如上表所示。辐射式温度检测仪表主要是由光学系统、检测元件、转换电路和信号处理电路等组成。根据物体的热辐射特性，物体的辐射能通过光学系统中的透镜聚焦到检测元件，在通过热敏元件或光敏元件将其转换成电信号，经过信号处理电路的放大、修正后，输出与被测温度相对应的响应信号，从而实现对不同温度范围的测量。工业上常用的有高温辐射温度计、低温辐射温度计、光电温度计以及红外测温计等。（1）高温辐射温度计高温辐射温度计由光学玻璃透镜实现能量聚集，通过硅电池完成信号转换。光学透镜的光通带波长为0.71.1m，测温范围为7002000°C，硅光电池接受辐射能产生的电压信

33、号为020mv。其基本误差在15000°C以下时为±0.7%，在1500°C以上时为1%，到达99%稳态值的响应时间小于1ms。因此，此种温度计适合测量高温。（2）低温辐射温度计该类温度计由锗滤光片或锗透镜和半导体热敏电阻构成。它接受波长为215m的辐射能，测温范围为1200°C。基本误差为±1%，响应时间为1s。（3）光电温度计光电温度计由光学玻璃与硫化铅光敏电阻构成。光学透镜的光通带波长为0.62.7m，测温范围为400800°C。基本误差为±1%，响应时间为1.5s。（4）红外测温计温度在绝对零度以上的物体，都会因自身

34、的分子运动而辐射出红外线，而且温度越来越高，分子运动越剧烈，辐射的热红外能越大；反之，辐射的能量越小。红外测温计就是利用红外线这种电磁波辐射，通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号。3.2.1.3测温仪表的选用由于温度检测范围较宽且应用较广，所以如何选用合适类型的测温仪表就显得特别重要。因此，要注意一下几个方面：1） 仪表精度要等级符合工艺参数的误差要求。2） 选用的仪表应操作方便、运行可靠、经济、合理、在同一工程中应尽量减少仪表的品种和规格。3） 仪表的测温范围应大于工艺要求的实际测温范围。工程上一般要求测温范围为仪表测温范围的90%。但测温仪表也不能过大，若实测温度低于仪表刻度的3

35、0%，会是实际运行误差高于仪表精度等级。4） 由于热电偶的优良性能，所以其实温度检测仪表的首选。但是由于热电阻在低温范围线性特性较优，且无需冷端补偿，所以在低温测量时多选用热电阻。5） 测温元件的保护套管耐压等级应不低于所在管线或设备的耐压等级，其材料应根据最高使用温度及被测介质特性来选取。一般工业用测温仪表的选用原则原则如图3-14所示。图3-14 工业测温仪表的选用原则3.2.2 典型模拟式温度变送器 如前所示，变送器的功能是将检测元件的输出信号转换为统一标准信号。典型模拟式温度变送器是气动或电动单元组合仪表中变送单元的主要品种，都经历了从型、型、型的发展历程。目前，国内外主流变送器为输出

36、信号采用DC 420mA的DDZ-型温度变送器。现已DDZ-型温度变送器为例进行讨论。该类变送器具有以下特点：1）采用低漂移、高增益的线性集成运算放大器，提高了仪表的可靠性、稳定性和其他性能指标。2)采用通用模块与专用模块相结合的单元体系结构，使用灵活、方便。3)在热电偶和热电阻的接入模式中，设置了线性化电路，从而使变送器的输出信号和被测温度之间成线性关系，方便了变送器与系统的配接。4）采用统一的DC24V集中供电，变送器内无电源，实现“二进制”接线方式。5）采用安全火花防爆措施，适用于具有爆炸危险场所的温度计直流毫伏信号的检测。1DDZ-型温度变送器的结构原理 如图3-15所示为国产DDZ-

37、型温度变送器的构成框图。图3-15 DDZ-型温度变送器框图该变送器主要由量程单元和放大单元两部分构成，每一单元又包含若干具体组成部分。图中空心箭头表示供电回路，失信箭头表示信号回路；毫伏输入信号ui来自于传感器、反映温度大小的输入信号，它与桥路部分的输出信号uz及反馈信号uf相叠加，送入集成运算放大器进行电压放大，再由功率放大器和隔离输出电路转换成统一的DC 420mA电流输出和DC 15V的电压输出。根据与传感器配接电路的不同，量程单元具有热电偶、热电阻和毫伏输入三种形式。量程单元包括输入回路和反馈回路。输入回路实现热电偶的冷端补偿、热电阻的三线制接入、零点迁移以及量程调整等功能；反馈回路

38、实现热电偶和热电阻的非线性校正等。放大单元主要由集成运放、功率放大和隔离输出等电路构成，具有通用性。DC 24V外部电源经直流-交流-直流交换器和整流滤波，分别向输入回路、集成运放和功率放大供电。2.量程单元结构及工作原理量程单元包括直流毫伏量程单元、热电偶量程单元和热电阻量程单元三种，分别适用于不同的传感器件。（1）直流毫伏量程单元直流毫伏量程单元如图3-16所示，直流毫伏量程单元由虚线隔开的三部分电路构成：输入电路；零点调整迁移电路；反馈电路。图中输入电路是一个限流、滤波电路。直流毫伏信号ui可以由任何检测元件提供；电阻R1、R2和稳压管VS1、VS2起限流作用，使进入生产现场的能量限制在

39、安全限额以下；R1、R2和C1组成低通滤波器，用以滤去输入信号ui中的交流分量，减少交流干扰；电桥四臂电阻为R3R7,；电位器RP1(与R4并联)用于零点迁移，uz'为RP1滑动点所取得电压；uz为电桥的供电电源（由集成稳压电源提供）。反馈电路由Rf1、Rf2和电位器RPf组成，其输入电压uf由放大单元的输出经隔离输出电路提供。RPf用于量程调整，其滑动点所取的电压uf'作用于集成运放A2的反相输入端uF。图3-16 直流毫伏量程单元放大电路的输出u0与输入信号ui以及电桥电源ug的定量关系可以很方便地导出。设有关元件满足如下条件：R5R3+(RP1/R4)R5=R7R7R6

40、R1R2+RPf (3-21)式中，“/”为并联符号。则有 uF=R6+Rf2+RPfR6+Rf2+RPf+Rf1uf+R6R5uz (3-22) uT=ui+R3+RP1'R5uz (3-23)假设集成运放A2为近似理想的，即uF=uT；且令R3+RP1'R5=，R6+Rf2+RPfR6+Rf2+RPf+Rf1=，R6R5=，将其代入式(3-22)和式(3-23)中，并根据放大单元的输出电压u0与反馈输入电压uf之间的关系，整理得到 u0=5uf=5ui+(-)uz (3-24)由式(3-24)可知：1）根据统一标准信号的规定，当ui=uiminuimax时，u0=DC 15

41、V若确定，则可以通过联合调节RP1和RPf，实现零点迁移和量程调整；2）式(3-24)中的(-)uz项为调零项。若>，则R3+RP1'>R6，实现负迁移，反之，若R3+RP1'<R6，为正迁移；3）调节RPf，可以改变比例系数，实现量程调整。（2）热电偶量程单元热电偶电动势量程单元如图3-17所示。图3-17 热电偶量程单元其中，RP1和RPf实现零点迁移和量程调整。但也存在三点不同：1） 输入电路的电桥中增加了铜电阻Rcu，用于实现热电偶的冷端温度补偿。2） 输入信号为热电偶的热电动势信号Ei。3） 在反馈电路中增加了由集成运放A2、稳压管VS3VS5等构成

42、的线性化电路，以补偿热电偶的温度-热电动势特性之间的非线性关系，实现输入温度t与输出电压与电流之间的线性关系。热电偶量程单元采用分段线性化拟合其非线性特性和负反馈的方法实现线性化，原理如图3-18所示。图3-18 热电偶量程单元线性化实现框图可见，变送器输出与温度之间的关系为 ut=fa()KA1+KAfb() (3-25)针对热电偶温度-热电动势的非线性特性fa()，只要通过设计fb()，使满足fb()fa()，在理想运算放大器条件KA下，有utfafbt，即u-t之间呈线性关系。fb()对非线性关系fa()的逼近采用分段线性化方法。图3-17中的虚线框内电路实现对fa()的四段线性逼近，如

43、图3-19所示。图3-19 fa()的四段线性逼近折线1）当uf=0时，ua=0。随着uf增大，ua也随之增大。当ua的值未达到稳压管VD3VD5的击穿电压uam1时，其不导通，则ub经Rf18和Rf7支路反馈到A1的反相端，形成比例关系 ub=（1+Rf18+Rf7Rf8）uf (3-26) ua和ub构成分压关系 ua=Rf20+Rf21'Rf20+Rf21'+Rf19ub (3-27)由此得到ua和uf之间的关系为 ua=K1uf (3-28)显然，此阶段是斜率为K1的线性关系。2）当uam1ua<uam2时，VS3导通，ub经Rf18、Rf17支路和Rf18、Rf

44、19、Rf11、Rf8支路反馈到A1的反相端，使反馈强度减弱，即 ub=（Rf18+Rf8+Rf71+Rf18/Rf9Rf8）uf (3-29)但是ua和ub之间的分压关系不变，则此阶段ua和uf之间的关系为：ua=K2uf，且有K2>K1。3）当uam2ua<uam3时，VS5导通，ub和uf之间的比例关系不变，但ua与ub之间的分压关系由于Rf15、Rf16、Rf17支路的并入而降低，则此阶段ua与uf之间的关系为：ua=K3uf ，且有K3>K2。4）uam3ua<uam4时，VS4导通。与2）相似，ua和ub之间的分压关系不变，但ub和uf之间的比例关系增大，则

45、有：ua=K4uf ，且有K4>K3。上述分段拟合特性中，可以通过增加转折点或改变折线斜率及转折点电压的方法，改变拟合折线形状，从而适应不同热电偶的非线性特性。（3）热电阻量程单元热电阻量程单元如图3-20所示。图3-20热电阻量程单元该量程单元与热电偶量程单元由如下区别：1） 用三线制接入电路取代了冷端温度补偿电路，以消除引线电阻引起的误差。2） 对铂电阻测温进行了非线性校正。由于铂电阻的分度特性是一个单调的“类饱和”特性，即为上凸形曲线，因此需要产生一个下凹曲线进行补偿；而对铜电阻，由于在测温范围内具有良好的线性度，所以无需采取线性化措施。3） 非线性校正不是采用折线拟合方法而是采用

46、正反馈方法。图3-20中，Rf4与Rt串联构成分压器，在Rt上取反馈电压uf的分压输入集成运放A2的同向端，从而构成正反馈，它的工作原理是：在t增加时使Rt上的电压值增长呈上凸形特性，但正反馈却因Rt上电压的增加使A2的增长呈下凹形特性。两者相互作用的结果导致Rt上的电压随t的增加而增加时，A2的输出增长呈线性特性。3.放大单元的构成及工作原理 放大单元是上述三种量程单元统一设计的单元电路，由集成运放电路、功率放大电路、输出电路、反馈电路和直流-交流-直流交换电路5部分构成，如图3-21所示。图3-21 放大单元的构成电路其作用是将量程单元送来的毫伏信号进行电压放大和功率放大，输出统一的DC

47、420mA电流信号和DC 15V电压信号；同时，将转换后的反馈电压uf送至量程单元。功率放大电路由晶体管VTa1、VTa2构成，其输出电流在Tr1的二次侧交流方波的激励下，在Tr2的一次产生交流电流，经过变压器Tr2，在二次侧经VD01VD04整流和R01、C01滤波，产生DC 420mA电流输出，并在电阻R02上产生DC 15V电压输出；经变压器Tr3的二次侧，并通过VDf1VDf4整流和Rf1、Cf1滤波，在端子5、11产生直流电压uf反馈到量程单元。直流-交流-直流变换电路用于阻断高电平的共模电压干扰信号沿信号线窜入仪表信号系统；通过变压器将输入、输出、电源三者进行隔离，使有效信号以差模

48、方式经磁耦合进行顺利传递，从而降低信号传递通道上的能量水平，确保仪表的安全防爆。外部集中供电的DC24V电源电压经VT1、VT2和变压器Tr1构成的多谐振荡器，转换成方波型交流电压；由Tr2的二次侧将交流信号经整流、滤波和稳压后，由端子8、9作为集成运放A1的供电电源；由端子5、10送往各量程单元的集成稳压器，为电桥电路提供电源电压，并为集成运放A2和功率放大器VTa1、VTa2提供电源。3.2.3 智能式温度变送器 智能变送器是采用微处理器技术的新型现场变送类仪表，其精度、功能、可靠性比模拟变送器优越。它可以输出模拟、数字混合信号或全数字信号，而且可以通过现场总线通信网络与上位机计算机连接，

49、构成集散控制系统和现场总线控制系统。 近年来出现了基于微处理器技术和通信技术的智能式温度变送器。智能式温度变送器体现了现场总线控制的特点，其精度、稳定性和可靠性均比模拟式温度变送器优越，因而发展十分迅速。1.智能式温度变送器的特点与结构（1） 通用性强智能式温度变送器可以与各种热电阻或热电偶配合使用，并可接受其他传感器输出的电阻或毫伏（mV）信号；具有较宽的零点迁移和量程调整范围，测量精度高，性能稳定、可靠。（2）使用灵活通过上位机或手持终端可以对它所接受的传感器类型、规格以及量程进行任意组态，并可对它的零点和满度值进行远距离调整，使用灵活。（3）多种补偿校正功能可以实现对不同分度号热电偶、热

50、电阻的非线性补偿、热电偶的冷端温度校正以及零点、量程的自校正等，补偿与校正精度高。（4）控制功能智能式温度变送器的软件提供了多种与控制有关的功能模块，用户可通过组态实现现场就地控制。（5）通信功能可以与其他各种智能化的现场控制设备以及上位机实现双向数据通信。（6）自诊断功能可以定时对变送器的零点和满度值进行自校正，以抑制漂移的影响；双输入回路和输出回路断路、对变送器内部各芯片工作异常均能及时进行诊断报警。2智能温度变送器实例 由于智能温度变送器具有许多突出的优点，因而发展十分迅速，产品种类也有许多。下面以SMART公司的TT302为例作一介绍。（1）概述 TT302温度变送器是一种符合现场总线

51、基金会（fieldbus foundation,FF）通信协议的现场总线智能仪表，它可以与各种热电阻或热电偶配合使用测量温度，也可以和其他具有电阻或毫伏（mV）输出的传感器配合使用以测量其他物理参数，具有量程范围宽、精度高、受环境温度和振动影响小、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点。TT302温度变送器还具有控制功能，其软件系统提供了多种与控制功能有关的功能模块，用户可通过组态实现所要求的控制策略，体现了现场控制的优点（2）硬件构成TT302温度变送器的硬件原理框图如图3-22所示。图3-22 TT302温度变送器的硬件原理框图在结构上，它由输入模板，主电路模板和显示器三部分构成。1）输入模板

52、输入模板由多路转换器（MUX），信号调理电路、A/D转换器和隔离部分组成。其中，多路转换器根据信号的类型，将相应信号送入信号调理电路，由信号调理电路进行放大，再由A/D转换器将其转换为相应的数字量；隔离部分又有信号隔离和电源隔离：信号隔离采用光电隔离，用于A/D转换器与CPU之间的信号隔离；电源隔离采用高频变压器隔离。即将供电直流电源先调制成高频交流，通过高频变压器后经整流、滤波转换成直流电压，为输入模板电路提供电源。隔离的目的是消除干扰对系统工作的影响。输入模板上的环境温度传感器用于热电偶的冷端温度补偿。2）主电路模板（简称主板）主板由微处理器系统、通信控制器、信号整形电路、本机调整和电源等

53、组成，它是变送器的核心部件。微处理器系统由CPU和存储器组成。CPU负责控制与协调整个仪表各部分的工作，包括数据传送、运算、通信等；存储器用于存放系统程序、运算数据、组态参数等。通信控制器和信号整形电路、CPU共同完成数据通信任务。本机调整用于变送器就地组态和调整。电源部分将供电电压转换为变送器内部各芯片所需电压，为各芯片供电；供电电压与输出信号共用通信电缆，与二线制模拟式变送器类似。3）显示器显示器为液晶式微功耗数字显示器，可显示四位半数字和五位字母。（3）软件构成TT302温度变送器的软件分为系统程序和功能功能模块两大部分。系统程序使变送器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各

54、部分之间的管理；功能模块提供了各种功能，用户可以通过选择以实现所需要的功能。TT302温度变送器还有许多其他功能。例如，用户可以通过上位机或挂接在现场总线通信上的手持式组态器，调用或删除功能模块；对于带有液晶显示的变送器，也可以用编程工具对其进行本地调整等。3.3 压力检测与变送压力是工业生产过程中重要的过程参数之一。在化工、炼油等生产过程中，经常会遇到压力和真空度的测量，其中包括比大气压力高很多的高压、超高压和比大气压力低很多的真空度的测量。如高压聚乙烯要在150MPa或更高压力下进行聚合，而炼油厂减压蒸馏，则要在比大气压力低很多的真空下进行。如果压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产品质量，甚至还会造成严重的安全事故。此外，有些过程参数如温度、流量、液位等往往要通过压力来间接测量。所以压力的检测在生产过程自动化中具有特殊的地位。3.3.1 压力的概念及其检测1.压力的概念所谓压力是指垂直作用于单位面积上的力，用符号P表示。在国际单位制中，压力的单位是帕斯卡（简称帕，用符号P