Lesson04-温度检测仪表B

1、过程控制系统及自动化仪表过程控制系统及自动化仪表温度测量仪表温度测量仪表o非接触式温度检测仪表o接触式温度检测仪表n非电量参数：膨胀式、压力式n电量参数：o热电偶热电效应o热电阻o半导体温度检测仪表温度检测仪表2.2.3 热电阻测温原理热电阻测温原理 o在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；o而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测而在中、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；温元件时的测量精确度更高；o热电阻有金属热电阻和半导体热敏电阻两类；热电阻有金属热电阻和半导体热敏电阻两类；o热电阻特点热电阻特点 性能稳定、测量精度高，一般

2、可在性能稳定、测量精度高，一般可在-270900范围内使用（推荐在范围内使用（推荐在150以下时选用）。以下时选用）。热电阻的材料要求热电阻的材料要求o一般要求工业热电阻的材料应具有：一般要求工业热电阻的材料应具有：n电阻温度系数大；电阻温度系数大；n电阻率大；电阻率大；n热容量小；热容量小；n在测温范围内具有稳定的物理和化学性能；在测温范围内具有稳定的物理和化学性能；n良好的复制性；良好的复制性；n电阻随温度的变化呈线性关系等电阻随温度的变化呈线性关系等 。常用金属热电阻材料常用金属热电阻材料o目前世界上用作热电阻的材料主要有铂、铜目前世界上用作热电阻的材料主要有铂、铜及镍，也有及镍，也有铟

3、电阻、锰电阻及碳电阻；铟电阻、锰电阻及碳电阻；o我国镍储量较少，故只采用铂、铜两种金属我国镍储量较少，故只采用铂、铜两种金属热电阻。热电阻。电阻温度关系：电阻温度关系： R t =R0 1+At+Bt2+C(t-100)t3 (-2000) R t =R0 (1+At+Bt2) ( 0850)铂电阻有两种分度号：铂电阻有两种分度号：Pt10, Pt1001. 铂电阻铂电阻 铂材料容易提纯，其化学、物理性能稳定；测温铂材料容易提纯，其化学、物理性能稳定；测温复现性好、精度高。被国际电工委员会规定为复现性好、精度高。被国际电工委员会规定为-259+630 间的基准器间的基准器，但，但线性度稍差线性

4、度稍差，常用于，常用于-200+600 温度测量。温度测量。2. 铜电阻铜电阻铜电阻价格铜电阻价格便宜便宜，线性度好线性度好，但温度稍高，但温度稍高易氧化易氧化，常用于常用于-50+100 温度测量。铜电阻有两种分度号：温度测量。铜电阻有两种分度号：Cu50 ，Cu100 。电阻温度关系：。电阻温度关系： R t = R0 (1 +t) (-50150) 热电阻的结构型式热电阻的结构型式常见结构型式：常见结构型式： 普通型热电阻普通型热电阻 铠装热电阻铠装热电阻以云母片或石英玻璃柱作骨架，将金属丝用双线法绕在骨架上，以消除电感。 薄膜型热电阻薄膜型热电阻热电阻结构热电阻结构普通型普通型铠装型铠

5、装型薄膜型薄膜型热电阻的三线制接法热电阻的三线制接法电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电桥输线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，必须用三线接法。出带来较大误差，必须用三线接法。热电阻一端接两根导线热电阻一端接两根导线(一根为电源一根为电源)，另一端接一，另一端接一根导线，分别将两端引线接入两个桥臂，能较好的根导线，分别将两端引线接入两个桥臂，能较好的消除电阻影响。消除电阻影响。另外，还可采用四线制接法。另外，还可采用四线制接法。测量仪表测量仪表R t三线制接法三线制接法二线制接法

6、二线制接法 vs. 三线制接法三线制接法此时电桥平衡条件：此时电桥平衡条件：此时电桥平衡：此时电桥平衡：RtR1rrrR3R4abR2RtR1rrR3R4R224134231()()()ttRr RR RRRRRrRR2413423231()()()ttRr RR RRrRRrRRrRRR 热敏电阻热敏电阻半导体材料的电阻值具有半导体材料的电阻值具有负温度系数负温度系数，可作为温度传感元件。，可作为温度传感元件。主要特点：主要特点：温度()1081061041021001601208040电阻()负温度系数热敏电阻特性负温度系数热敏电阻特性 电阻率大电阻率大电阻体积小，响应快；电阻体积小，响应

7、快； 温度系数大温度系数大灵敏度高；灵敏度高； 非线性严重非线性严重影响精度。影响精度。 温度特性分散温度特性分散互换性差互换性差 2.2.4 集成温度传感器集成温度传感器o利用利用PN结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种固态传感器。将温敏晶体管和外围电路集成在一个固态传感器。将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成，相当于一个测温器件。芯片上构成，相当于一个测温器件。o特点：特点：n体积小，价格低；体积小，价格低；n热惯性小、反应快；热惯性小、反应快；n测温精度高；测温精度高；n测温范围为测温范围为-50150；n稳定性好，线性度好。稳定性好，线性度

8、好。o分电压型、电流型、数字型，分电压型、电流型、数字型， 电压型温度系数约电压型温度系数约10mV/ ， 电流型温度系数约电流型温度系数约1A/ 。 2.2.5 接触测温元件的安装与选型原则接触测温元件的安装与选型原则 安装原则：安装原则：o测量流动介质（管道内）温度时，应保证传测量流动介质（管道内）温度时，应保证传感器与介质充分接触，与被测介质成逆流状感器与介质充分接触，与被测介质成逆流状态（至少呈正交式）安装。态（至少呈正交式）安装。 o感温点应处于管道中流速最大的地方。感温点应处于管道中流速最大的地方。 o尽可能增大尽可能增大传感器的插入深度，温度计应斜传感器的插入深度，温度计应斜插或

9、在管道弯头处插入。插或在管道弯头处插入。 o当测温管道过细（直径小于当测温管道过细（直径小于80 mm）时，安时，安装测温元件需加装扩充管。装测温元件需加装扩充管。 安装原则（续）安装原则（续）o热电偶及热电阻在安装时，应使其接线盒的热电偶及热电阻在安装时，应使其接线盒的面盖向下，以免雨水或其他污物渗漏。面盖向下，以免雨水或其他污物渗漏。 o安装在负压管道上的温度计，必须要保证良安装在负压管道上的温度计，必须要保证良好的密封性，以防外界冷空气进入。好的密封性，以防外界冷空气进入。 o用热电偶测量炉膛温度时，应避免与火焰直用热电偶测量炉膛温度时，应避免与火焰直接接触；避免把热电偶安装在炉门旁或与

10、热接接触；避免把热电偶安装在炉门旁或与热物体距离过近之处。物体距离过近之处。o接线盒不应碰到被测介质的器壁，以免热电接线盒不应碰到被测介质的器壁，以免热电偶冷端温度过高。偶冷端温度过高。 选型原则选型原则 o仪表的精度等级应根据生产工艺对参数允许偏仪表的精度等级应根据生产工艺对参数允许偏差的大小确定。差的大小确定。 o仪表选型应力求操作方便、运行可靠、经济、仪表选型应力求操作方便、运行可靠、经济、合理等。合理等。o在同一工程中，应尽量减小仪表的品种和规格。在同一工程中，应尽量减小仪表的品种和规格。 o一般取实测最高温度为仪表上限值的一般取实测最高温度为仪表上限值的90%，而，而30%以下的刻度

11、原则上最好不用。以下的刻度原则上最好不用。选型原则（续）选型原则（续）o热电偶测温反应速度快、适于远距离传送、便热电偶测温反应速度快、适于远距离传送、便于与计算机联用、价廉，故只在测量范围低于于与计算机联用、价廉，故只在测量范围低于150时才选用热电阻。时才选用热电阻。o热电偶、补偿导线及显示仪表的分度号要一致。热电偶、补偿导线及显示仪表的分度号要一致。 o保护套管的耐压等级应不低于所在管线或设备保护套管的耐压等级应不低于所在管线或设备的耐压等级。的耐压等级。o材料应根据最高使用温度及被测介质的特性来材料应根据最高使用温度及被测介质的特性来选择。选择。 2.2.6 测温示例测温示例p 采用接触

12、式方法，测温元件直接插入流体。p 注意合理的选择测点位置，使测温元件与流体 充分接触。u测点位置为代表性地点，避免电磁干扰u有一定的插入深度，感温点应处于管道中心 流速最大处u高温管道在引出处加绝热材料以保温。测温元件需保证一定的插入深度测温元件需保证一定的插入深度p 因烟道直径较大，应注意减少套管的导热误差和 热辐射误差，一般选择接触式测温元件。p 测量辅助措施：u在测温元外围加热屏蔽罩u采用抽气方法加大流速，增强对流换热， 减少热辐射烟气温度测量示意烟气温度测量示意p 为减少测量误差，提高测量准确性的措施：u合理选择测量距离： L / d的要求u减小发射率影响： 改善表面粗糙度，涂覆高发射

13、率涂料，表面适度氧化u减少光路传输损失： 选择特定工作波长，加装吹净装置或窥视管等u减低背景辐射影响： 加遮光罩、窥视管或选择特定工作波长2.2.7 可直接与热电偶、热电阻配套显示温度，可直接与热电偶、热电阻配套显示温度，是最简单的模拟指示仪表。是最简单的模拟指示仪表。热电偶、热电阻等热电偶、热电阻等的测温信号，必须经后的测温信号，必须经后级仪表处理，级仪表处理，n 动圈式仪表实质上是测量电流的仪表，其指示机动圈式仪表实质上是测量电流的仪表，其指示机构的核心部件是一个磁电式毫安表。构的核心部件是一个磁电式毫安表。n 利用通电线圈在磁场中受到力矩的作用产生偏转利用通电线圈在磁场中受到力矩的作用产

14、生偏转的原理，带动装在动圈上的指针移动，从而指示出的原理，带动装在动圈上的指针移动，从而指示出被测参数。被测参数。2. 数字式指示仪表数字式指示仪表数字式指示仪表是以数字数字式指示仪表是以数字电压表为主体而构成的测电压表为主体而构成的测量仪表。其原理框图如下：量仪表。其原理框图如下： 检测变送检测变送 寄存器寄存器 模模/数转换数转换 脉冲计数脉冲计数脉冲信号脉冲信号 数字译码器数字译码器 显示器显示器配热电偶的数字式测温仪表配热电偶的数字式测温仪表标准热电势标准热电势滤波滤波放大放大线性化线性化标度变换标度变换3.自动记录仪表自动记录仪表自动记录仪能实时记录被测参数。自动记录仪能实时记录被测

15、参数。记录的方式有纸记录和无纸记录两类。记录的方式有纸记录和无纸记录两类。数字式记录仪表数字式记录仪表形式多样，内装形式多样，内装CPU，无纸记录被测参数。可实时，无纸记录被测参数。可实时显示，也可随时调出历史曲线。可多通道记录。显示，也可随时调出历史曲线。可多通道记录。 检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。号标准。变送器的任务就是将不标准的检测信号变送器的任务就是将不标准的检测信号，如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号输出。如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号输出。 模拟控制系统的信号标准是：模拟控制系统的信号标准是：DDZ

16、 I、II 型：型：010mA、010VDDZ III型：型： 420mA、15V2.2.8 模拟式温度变送器模拟式温度变送器模拟式温度变送器有多个品模拟式温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，感元件和不同的量程需要，但结构基本相同。但结构基本相同。-+电量电量传感元件传感元件被测温度被测温度输入电路输入电路放大电路放大电路反馈电路反馈电路输出电流输出电流温度变送器原理框图温度变送器原理框图E1以以DDZ-III型热电偶温度变送器为例型热电偶温度变送器为例:Et反馈反馈反馈反馈放大电路放大电路 电源电源输入电路输入电路输出电路输出电路1、输入

17、电路、输入电路热电偶温度变送器的输入电路主要是在热电偶回热电偶温度变送器的输入电路主要是在热电偶回路中串接一个电桥电路。电桥的功能是实现热电偶路中串接一个电桥电路。电桥的功能是实现热电偶的的冷端补偿冷端补偿和和零点迁移零点迁移。Ei = Et + VRcu - VR4冷端补偿设计：冷端补偿设计：VRcu t0 = E(t0 ,0)Ei零点调整零点调整温度补偿温度补偿零点迁移零点迁移的作用：的作用：有些工艺的参数变化范围很小。有些工艺的参数变化范围很小。例如，某设备的温度总在例如，某设备的温度总在5001000之间变化。之间变化。如果仪表测量范围在如果仪表测量范围在0 1800之间，则之间，则5

18、00以下、以下、1000以上的测量区域属于浪费。因为变送器的输以上的测量区域属于浪费。因为变送器的输出范围是一定的。可通过零点迁移，配合量程调整，出范围是一定的。可通过零点迁移，配合量程调整，使仪表的测量范围在使仪表的测量范围在5001000之间，可提高测之间，可提高测量精度。量精度。180050018000变送器输出变送器输出Io/mA温度温度T/50010000变送器输出变送器输出Io/mA温度温度T/50010000变送器输出变送器输出Io/mA温度温度T/204442020 a. 未迁移未迁移 b. 零点正向迁移零点正向迁移 c. 零点正向迁移零点正向迁移 且缩小量程且缩小量程温度变送

19、器的零点迁移和量程调整温度变送器的零点迁移和量程调整RP1为零点迁移电位器，为零点迁移电位器，RP2为量程迁移电位器，为量程迁移电位器，改变改变RP2，可改变反馈电压，可改变反馈电压Vf的分压比，即改变反的分压比，即改变反馈强度，因而改变整个变送器的量程。馈强度，因而改变整个变送器的量程。差动输入：差动输入：实际输入电路实际输入电路 Et + VRCU IC2 + VRP1 +VRP2 IC2 -Et调调RP1、RP2互相影响。互相影响。2、放大电路、放大电路由于热电偶输出的热电势为毫伏级信号，放由于热电偶输出的热电势为毫伏级信号，放大电路必须是大电路必须是高增益低漂移的运放高增益低漂移的运放

20、，同时还，同时还要采取要采取抗干扰抗干扰措施。因为测量元件和连接导措施。因为测量元件和连接导线在现场很容易引入干扰。线在现场很容易引入干扰。实际放大电路实际放大电路 高增益、低漂高增益、低漂移的移的IC2 ，构，构成差动放大器成差动放大器复合管复合管Ta1、Ta2构构成射极输出器，实成射极输出器，实现现V-I 的转换的转换稳压管稳压管VD0的作用是的作用是在电流输出回路断线在电流输出回路断线时，电压输出信号不时，电压输出信号不受影响受影响调制调制隔离隔离3、反馈电路、反馈电路在反馈电路中需要完成在反馈电路中需要完成量程调整量程调整和和非线性校正非线性校正两个两个功能。量程调整实质上是调整放大电

21、路的闭环放大功能。量程调整实质上是调整放大电路的闭环放大倍数，通过调节反馈电阻的大小就可实现。而非线倍数，通过调节反馈电阻的大小就可实现。而非线性校正则需要一个校正网络来实现。性校正则需要一个校正网络来实现。 IoEt-+Et热电偶热电偶被测温度被测温度T输入电路输入电路放大电路放大电路非线性反馈非线性反馈输出电流输出电流IoTIoVfT实际反馈电路实际反馈电路IC1及非线性反馈构成的及非线性反馈构成的线性化修正电路，将线性化修正电路，将Vf转换为电压转换为电压Vf后，反馈到后，反馈到IC2的反相输入端。的反相输入端。经经Tf隔离，经整流、滤波，隔离，经整流、滤波，在在Rf、Cf 上得到与上得到与IO成正成正比的直流反馈电压比的直流反馈电压Vf为此，为此，24V直直流电源经调制流电源经调制解调后，获得解调后，获得9V的直流电的直流电压供给运算放压供给运算放大器。大器。4、电源、电源变送器的供电电源是变送器的供电电源是+2