过程控制与自动化仪表仪表概述与温度检测仪表课件

过程控制与自动化仪表主要内容绪论检测仪表调节器执行器和防爆栅调节对象的特性及实验测定单回路调节系统设计及调节器参数整定复杂调节系统自动化仪表概述温度检测仪表压力检测仪表流量检测仪表液位检测仪表成分分析仪表检测仪表主要内容

2.1.1自动化仪表概念

自动化仪表主要类型检测仪表——对工艺参数进行测量调节仪表——调节器，根据测量值与给定值的偏差，按一定调节规律发出调节命令执行器——根据调节仪表的命令对生产装置的物料或能量进行控制辅助单元——完成计算、变换、显示、安全操作等功能2.1.2单元组合式仪表特点将仪表按其功能分成若干单元各个单元之间以统一的标准信号相互联系具有高度的灵活性和通用性，各个单元可以适当组合，也可与计算机等设备配合，组合各种复杂的、新型的控制系统

有气动组合仪表和电动单元组合仪表（QDZ和DDZ仪表）两类

过程控制发展概况气动单元组合仪表（QDZ）采用140kPa压缩空气为能源，以20～100kPa标准统一信号输出结构简单、价格便宜、性能稳定、工作可靠、安全防火防爆特别适用于石油、化工等易燃易爆场合过程控制发展概况DDZ：DDZ-Ⅰ：电子管式，0~10mADCDDZ-Ⅱ：晶体管式，0~10mADCDDZ-Ⅲ：集成电路式，4~20mADC传输、放大、变换、测量方便，易与计算机配合使用，但防爆性能只能是安全火花型防爆，内部设安全单元QDZ：20~100kPa，低于1标准大气压本质安全型防爆，信号传输慢，传输距离短，管线安装不方便QDZ与DDZ比较

直流优点：1.不受线路感抗影响，易与交流感应干扰区分；2.不存在相移，不受线路负载性质影响。电流优点：1.可远距离传输，不受线路及负载电阻影响；2.可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力，便于用力平衡原理构成仪表；3.灵活，只需在回路中串电阻即可得电压信号。DDZ-Ⅲ联络信号特点

零信号和满刻度：零信号和满刻度分别为4mA和20mA，取其20%，而不是0mA，便于识别仪表断电、断线等故障；采用两线制（将供电电源线与信号传输线合二为一），节省电缆，布线方便，利于防爆，称为“活零点”DDZ-Ⅲ联络信号特点

2.1.3检测仪表功能及组成

检测：利用适当的物理转换手段和信号形式的变换，并以数量方式实现对被测物理量的确切认识。是确定被测对象测量值的实验过程。组成：传感器（含敏感元件）：检测仪表中的首要部件，它直接与被测对象发生联系（但不一定直接接触）。感受被测参数的变化，并发出与之相适应的信号（压力变化、电阻变化等）。

变送器：能输出标准信号的传感器。将敏感元件参数响应变量转换成便于应用和传送的标准信号。对传感器的三个要求

高准确性，传感器的输出信号与被测参数成严格的单值函数关系。

高稳定性，不受时间或环境温度变化等因素的影响。

高灵敏度，被测参数微小变化时，输出量变化明显。

DDZ-Ⅲ仪表输出与被测量关系04mAm20mAG被测量例：仪表量程200~1000℃，则G0=200℃，对应4mA，Gm=1000℃，对应20mA。若仪表输出I=12mA，被测温度为？约定真值与相对真值

约定真值：一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。实际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的测量值之平均值作为约定真值。相对真值：指当高一级标准器的误差仅为低一级的1/3以下时，可认为高一级的标准器或仪表示值为低一级的相对真值。

仪表读数误差

读数误差的实质，是仪表读数与被测参数真实值之差。仪表的读数误差只能是读数与约定真值或相对真值之差。

△=M-A△——读数绝对误差；

M——仪表读数；

A——约定真值或相对真值。

仪表绝对误差与相对误差

绝对误差：在测量范围内，各读数误差的最大值。相对误差：仪表的绝对误差与真值的百分比。引用误差：绝对误差与仪表量程的百分比，去掉正负号和百分比号，即为仪表的精度等级。例题某压力表刻度0～100kPa，在50kPa处测量值为49.5kPa，求在50kPa处仪表示值的绝对误差、相对误差和精度等级？

仪表的绝对误差：仪表的相对误差：仪表的精度等级：

0.5级

例1某台测温仪表的测温范围为－100～700℃，校验该表时测得全量程内最大绝对误差为＋5℃，试确定该仪表的精度等级。解：该仪表的引用误差为：

将该表的δ去掉“十”号与“％”号，其数值为0.625。由于国家规定的精度等级中没有0.625级仪表，而该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大绝对误差。

故：这台测温仪表的精度等级为1.0级。例2某台测压仪表的测压范围为0～8MPa。根据工艺要求，测压示值的误差不允许超过±0.05MPa，问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？

解：根据工艺要求，仪表的允许基本误差为：

去掉“±”和“％”号后，0.625介于0.5～1.0之间。若选精度为1.0级的仪表，其允许的最大绝对误差为±0.08MPa。超过了工艺允许的数值。

故：应选择0.5级的表。仪表的附加误差与变差

附加误差是仪表在非规定的参比工作条件下使用时另外产生的误差。如电源波动附加误差，温度附加误差等。

变差是同一仪表对被测量反复测量，产生的最大误差与测量范围之比。变差越小，稳定性越好。仪表的灵敏度

仪表的灵敏度是表达仪表对被测参数变化的灵敏程度。它是指仪表在达到稳定状态以后，仪表输出信号变化△α与引起此输出信号变化的被测参数（输入信号）变化量△x之比，用S表示灵敏度

2.1.5零点迁移与量程调整

零点迁移：仪表测量范围的平移。X轴为被测量（温度、压力、流量、液位、成分等），Y轴为仪表输出（电流或者气压）。10090020010000800量程调整：仪表测量范围的非平移，斜率变化。实例

某测温仪表的量程为0～500℃，输出信号为4～20mA，现欲测量200～1000℃应如何调整？0400600温度检测概述热电偶测温原理热电阻测温原理集成温度传感器接触测温元件的安装原则测温元件的选型原则温度的显示与记录温度变送器原理

2.2温度检测仪表

2.2.1温度检测概述

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）。华氏与摄氏温标换算公式

非接触式测温

通过热辐射来测温，不会破坏被测介质的温度场，误差小，反应速度快；测温上限原则上不受限制；易受被测物体热辐射率及环境因素（物体与仪表间的距离、烟尘和水汽等）的影响。

红外线测温计光学高温计1、辐射式温度计通过测量物体热辐射功率来测量温度。2、红外式温度计通过测量物体红外波段热辐射功率来测量温度。接触式测温接触测量，简单、可靠、精度高；测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学反应；因受到耐高温材料的限制，测温上限有界。包括非电参数温度传感器、电参数温度传感器。非电参数温度传感器包括：膨胀式和压力式等。电参数温度传感器包括：热电偶、热电阻、半导体热敏元件等。接触式非电参数测温仪表：1、膨胀式温度计膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。有液体膨胀式温度计：利用液体（水银、酒精）受热时体积膨胀的特性测温。玻璃管温度计电接点式玻璃管温度计

固体膨胀式温度计：用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊接在一起制成双金属片。受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲。

若将双金属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋的自由端便围绕着中心轴偏转，带动指针在刻度盘上指示出相应温度值。

双金属片常用来做温度报警或控制随着温度上升，双金属片逐渐弯曲，当其触点接触到固定触点时，报警灯和继电器回路被接通。调节螺钉用来调整固定触点的位置，以调整报警温度。双金属片调节螺钉绝缘柱

如图是一双金属温控器。继电器原理:封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽，受热后体积膨胀，压力增大。2、压力式温度计利用封闭容器中的介质压力随温度变化的现象来测温。用压力表指示温度。1、热电偶温度计利用物体的热电性质测温。2、热电阻温度计利用金属电阻值或半导体电阻值随温度变化的性质测温。3、半导体温度计利用半导体PN结的结电压随温度变化的特性，通过测量感温器元件（结）电压变化来测量温度。接触式电参数测温仪表：2.2.2热电偶测温原理（1）热电偶的测温原理：热电效应两种不同导体接触并构成回路，若两个接点温度不同，则回路中出现毫伏级热电势，并产生电流。当一端温度固定，则该热电势与温度有准确的单值对应关系特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。一般用于测量500～1600℃之间的温度。热电偶特点

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℃，低温热电偶可达4K；测温精度高；使用范围广。1、接触电势当不同导体A、B接触时，两边的自由电子密度不同，在交界面上产生电子的相互扩散，致使在接触处产生接触电势。

其大小取决于两种材料的种类和接触点的温度。t热端A

Bt0冷端eAB(t)=KtelnNA(t)NB(t)NA(t)、NB(t)—自由电子密度；e—单位电荷2、温差电势对于同一金属A（或B），其两端温度不同，自由电子所具有的动能不同，也会产生相应的电势，称为温差电势。热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。但温差电势值远小于接触电势，常忽略不计。tA

Bt0

3、回路总电势热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加而成，称热电势。由于温差电势很小，热电势基本由接触电势构成：

EAB

（t，t0）=eAB（t）-eAB（t0）此计算式中，有的常数很难确定，无法实用。实际中用实测标定。但从上述公式可以得出基本结论：

对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。当冷端温度固定时，E（t，t0）是热端温度t的单值函数。有关热电偶的几点结论（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。（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。（4）热电势的大小取决于两种导体的材质和接触点的温度。热电偶的构造热电偶是用两种不同材料的偶丝或薄膜一端焊接而成。其构造分普通型、铠装型、簿膜型等。普通型铠装型普通热电偶热电偶类型

理论上任何两种导体或半导体都可以组成热电偶，但考虑有良好的应用性能，必须对热电偶材料加以选择。

选取原则：在测温范围内具有稳定的化学及物理性质，热电势要大，且与温度接近线性关系。国际电工委员会（简称IEC）规定了热电偶材料的取材标准。用分度号命名不同取材的热电偶，并给出了标准的热电势分度表。几种常用的标准型热电偶简介热电偶名称分度号测温范围（℃）平均灵敏度特点铂铑30—铂铑6B0～+180010μV/℃稳定性好,精度高,可在氧化气氛使用铂铑l0—铂S0～+160010μV/℃同上，线性度优于B镍铬—镍硅K0～+100040μV/℃价廉,，可在氧化及中性气氛中使用镍铬—康铜E-200～+90080μV/℃灵敏,价廉,可在氧化及弱还原气氛中使用铜—康铜T-200～+40050μV/℃价廉,但铜易氧化,常用于150℃以下温度测量

镍铬—镍硅热电偶分度表（简表）分度号Kt0=0℃，E/mVt/℃0010203040506070809000.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.63213.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.897100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.05948.462120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.398铂及其合金（B、S）属于贵重金属，价格很贵，但其热电势非常稳定，主要用做标准热电偶及测量1100℃以上的高温。镍铬－镍硅（K）

线性度最好镍铬－康铜（E）

灵敏度最高铜－康铜（T）

价格最便宜不同材质的热电偶，其热电势与热端温度的特性关系不同。热电偶冷端处理

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。热电偶的冷端处理：把热电偶延伸到环境中以便测量和稳定冷端温度。延长导线：廉价电偶的冷端处理补偿导线：选配低温段与电偶有相同热电效应的廉价导体冰浴法把热电偶的冷端插入盛有绝缘油的试管中，然后将试管放入装有冰水混合物的容器中，保持冷端为0℃。这种方法多数用于热电偶的检定。AB+—热电偶补偿导线铜导线t0rrRcuER’RpuabI’I恒流I’=E/R’R’>>RCU,RP,rr>>RCU,RP

则支路桥臂电流I=I’/2冷端补偿（电桥法）2.2.3热电阻测温原理

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；热电阻有金属热电阻和半导体热敏电阻两类；热电阻特点：性能稳定、测量精度高，一般可在-270～900℃范围内使用（推荐在150℃以下时选用）。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。常用金属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，也有铟电阻、锰电阻及碳电阻；我国镍储量较少，故只采用铂、铜两种金属热电阻。电阻温度关系：

Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3](-200~0℃)Rt=R0(1+At+Bt2)(

0~850℃)铂电阻有两种分度号：Pt10,Pt1001.铂电阻

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-259~+630℃间的基准器，但线性度稍差，常用于-200~+600℃温度测量。2.铜电阻铜电阻价格便宜，线性度好，但温度稍高易氧化，常用于-50~+100℃温度测量。铜电阻有两种分度号：Cu50，Cu100。电阻温度关系：

Rt=R0(1+αt)(-50~150℃)

普通热电阻结构热电阻的结构型式常见有普通型热电阻、铠装热电阻。其结构是，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。此外，还有薄膜型热电阻。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。RtR3rrrR1R2RtR3rrR1R2测量仪表RtUab=（Rt+r)

I–（R1+r）I=Rt

Iab

热敏电阻半导体材料的电阻值具有负温度系数，可以作温度传感元件，特点是：温度(℃)1081061041021001601208040电阻(Ω)负温度系数热敏电阻特性

电阻率大—电阻体积小，响应快；温度系数大—灵敏度高；非线性严重—影响精度。温度特性分散—互换性差2.2.4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。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。特点：体积小，价格低；热惯性小、反应快；测温精度高；测温范围为-50~150℃；稳定性好，线性度好。分电压型、电流型、数字型，电压型温度系数约10mV/0C，电流型温度系数约1μA/0C。

AD590两端元件；供电电压：直流（+4~+30V），1.5mW(+5V)；高阻抗（710MΩ）输出；00C时输出273.2μA；温度系数1μA/0C；测温范围-55~+1500C；使用范围广泛。2.2.5接触测温元件的安装原则

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态（至少呈正交式）安装。

感温点应处于管道中流速最大的地方。

尽可能增大传感器的插入深度，温度计应斜插或在管道弯头处插入。

当测温管道过细（直径小于80㎜）时，安装测温元件需加装扩充管。

接触测温元件的安装原则（续）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。

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。

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热物体距离过近之处。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。

2.2.6测温元件的选型原则

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。

仪表选型应力求操作方便、运行可靠、经济、合理等。在同一工程中，应尽量减小仪表的品种和规格。

一般取实测最高温度为仪表上限值的90%，而30%以下的刻度原则上最好不用。测温元件的选型原则（续）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150℃时才选用热电阻。热电偶、补偿导线及显示仪表的分度号要一致。

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。材料应根据最高使用温度及被测介质的特性来选择。

2.2.7温度显示与记录1.动圈式指示仪表可直接与热电偶、热电阻配套显示温度，是最简单的模拟指示仪表。热电偶、热电阻等传感元件的测温信号，必须经后级仪表处理，将温度显示出来或记录保存。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。利用通电线圈在磁场中受到力矩的作用产生偏转的原理，带动装在动圈上的指针移动，从而指示出被测参数。2.数字式指示仪表

数字式指示仪表是以数字电压表为主体而构成的测量仪表。其原理框图如下：检测变送寄存器模/数转换脉冲计数脉冲信号数字译码器显示器配热电偶的数字式测温仪表标准热电势滤波放大线性化标度变换3.自动记录仪表自动记录仪能实时记录被测参数。记录的方式有纸记录和无纸记录两类。数字式记录仪表形式多样，内装CPU，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。检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。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。模拟控制系统的信号标准是：Ⅰ、Ⅱ型：0~10mA、0～10VIII型：4～20mA、1～5V2.2.8温度变送器原理模拟式温度变送器模拟式温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但结构基本相同。-+电量传感元件被测温度输入电路放大电路反馈电路输出电流温度变送器原理框图E1以DDZ-III型热电偶温度变送器为例:Et反馈反馈放大电路

电源输入电路输出电路

1．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路中串接一个电桥电路。电桥的功能是实现热电偶的冷端补偿和零点迁移。Ei=Et+VRcu－VR4冷端补偿设计：∆VRcut0=E(t0,0)Ei零点调整温度补偿Ei=Et+VRcu－VR4=Et+

∆VRcut0

+VRcu0－VR4调R4实现量程调整。冷端补偿：∆VRcut0=E(t0,0)∆VRcut0：t0度时Rcu上压降增量VRcu0：0度时Rcu上压降，标准热电势零点迁移Ei零点调整温度补偿零点迁移的作用：有些工艺的参数变化范围很小，例如，某设备的温度总在500～1000℃之间变化。如果仪表测量范围在0～1800℃之间，则500℃以下、1000℃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，使仪表的测量范围在500～1000℃之间，可提高测量精度。Ei=Et+

∆VRcut0

+VRcu0－VR4零点迁移180050018000变送器输出Io/mA温度T/℃50010000变送器输出Io/mA温度T/℃50010000变送器输