高精度温度测量和抗干扰技术

高精度温度测量和抗干扰技术第一页，共四十六页，编辑于2023年，星期六热电偶和铂电阻测温基础知识2.高精度温度测量及抗干扰技术3.温度测试测量仪器解决方案目录第二页，共四十六页，编辑于2023年，星期六测温基础温度记录的基本概念

监测对象（如:锅炉、家电产品）上安装测温传感器，然后与记录仪连接（图a）。・安装测温传感器数…数个～数百个・传感器与记录仪间距离

…数米～数百米

→导线的电阻的影响、导线中发生的干扰及导线的成本往往是问题所在测温传感器的种类(1)

热电偶（图b）

两个不同种类的金属相接，温度不同会产生微

弱的电势变化。利用这一物性原理的测温传感器称为热电偶。(2)

电阻温度计

测定物质随温度变化而变化的电阻值。

有用热敏金属丝绕制的和半导体材料制成的。∥

∥

热电阻（图c）

热敏半导体

工业上常用热电偶和热电阻，热敏半导体则多用于家电制品。

锅炉记录仪记录仪冰箱图a温度记录基本概念图b热电偶图c

3线式热电阻第三页，共四十六页，编辑于2023年，星期六热电偶与热电阻的比较热电偶和热电阻的优劣→要根据测试温度范围、被测体的形状、周边状况、设置场所环境、测定精度等条件来选择其它注意事项热电阻体积大,不适于窄小的地方测温时热电阻流过电流,自己发热,有可能引起误差。项目适用说明高温测定热电偶热电偶可以作2000℃以上(W型)温度测定。而热电阻只有650℃左右。机械强度热电偶由于热电阻是由很细的电阻丝绕制而成的,所以机械强度低。(注意:无论是热电偶还是热电阻,用套管或保护管时,保护管强度很重要。)反应速度热电偶热电阻体积大,导热慢。而热电偶接点部小,反应速度快。测量精度热电阻一般热电阻比热电偶测量精度要高10倍。耐干扰性热电阻因热电阻电路中有较强的电流流过,所以抗干扰性好。而热电偶靠微弱的电势,所以比较容易受干扰影响。第四页，共四十六页，编辑于2023年，星期六热电偶测温赛贝克(Seebeck)效应

2种不同的金属线A，B两端连接在一起，再在这两个结合点加上不同的温度，就会产生电流（図a）。→也就是说，有电势。∥

热电势

将图4的回路打开，接上电压表，就可以测量热电势，（図b）。热电势只与①金属

A，B種類②温度

T1，T2

相关。而与金属的长度，粗细或两端以外的温度无关。热电偶测温

如图c所示，２个接点・被测物一侧（称测温接点）・测试仪一侧（层基准接点）

这样配置,测温比较容易。→测温接点的温度

T1的对应电势，可以在测试仪一侧检测出来。这一周中有多大的电势？金属

A金属

B电流图a

Seebeck效应温度

T1温度

T2基准接点测温接点T1T2图c

热电偶测温原理ABEAB

(T1,T2)CCT1T2ABBCCT3图b

热电势的测定T3EAB

(T1,T2)试测一下第五页，共四十六页，编辑于2023年，星期六(JIS规格的热电偶)型材料+脚-/－脚测温范围(℃)特长比较贵金属热电偶Ｂ铂铹30-铂铹6400～1820强:氧化性氛围和腐蚀弱:还原性氛围、氢气、碳、硫黄、磷、金属性蒸气特性稳定且精度高电势小且线性差比Ｒ型在还原性氛围中寿命长十倍,耐热性能增强,机械强度好。Ｒ铂铹-铂0～1760具有代表性的铂Pt热电偶。Ｓ铂铹10-铂0～1760比Ｒ型电势略小,不大被使用。廉金属热电偶Ｎ镍铬硅-镍硅0～1300弥补了Ｋ型特有的250～550℃不稳定的热电偶比Ｋ型600℃以上的线性好,比Ｋ性在1000～1250℃的耐氧化性高Ｋ镍铬-镍硅-200～1370强:氧化性氛围弱:还原性氛围,一氧化碳,亚硫酸气耐热性、精度、均一性好常用于1000℃以下，有代表性的热电偶Ｅ镍铬-铜镍-200～400强:氧化性氛围弱:还原性氛围热电势最高,温度响应好,比J型更耐腐蚀,耐氧化J铁-铜镍-200～1100强:还原性氛围,氢,一氧化碳弱:氧化性氛围,水蒸气800℃附近的电势有回滞现象。价廉,多用于中温Ｔ铜-铜镍-200～400200℃以下的氧化和还原均可广泛用于超低温Ｌ铁-铜镍-200～900℃DIN的规格Ｕ铜-铜镍-200～400℃W钨镍铼0～2315℃氧化性不可KPvsAu7Fe镍铬-金铁3～300K磁场中不可JIS以外热电偶种类第六页，共四十六页，编辑于2023年，星期六前端溶接

凯装热电偶(恶劣环境中使用)

金属保护管和热电偶线之间，封入粉末状的无机绝缘物。

可以在酸化和腐蚀性环境中使用，也可在高温领域使用（取决于保护管材质）。接地型温度响应较快,热电偶线和被测物体间非绝缘非接地型温度响应较慢，热电偶线和被测物体间绝缘热电偶形状第七页，共四十六页，编辑于2023年，星期六补偿导线

用于热电偶和基准接点间连接，在使用温度范围内和一起使用的热电偶有几乎同样的热电特性。用于减少热电偶成本。补偿导线的种类，使用温度和公差等

补偿导线根据热电偶的种类选定。补偿接点温度0～100℃，150℃左右较常见。延长型和补偿型

补偿导线基准接点基准接点温度补偿测量仪表补偿接点补偿导线第八页，共四十六页，编辑于2023年，星期六热电偶的输出，不仅和测定端的温度还与基准接点温度相关。注意保证端子（基准接点）的温度稳定。热电阻的输出只由测定端的温度决定。如果对策困难的场合可以考虑使用热电阻。测量仪表被测对象T1T2热电偶的输出由T1和T2决定。注意端子避风。不要放在温度变化剧烈的环境中。测量仪表被侧对象T1T2也可使用外部基准接点补偿。铜线基准接点器将基准接点补偿设定为“外部”。端子端子温度第九页，共四十六页，编辑于2023年，星期六如果事先有传感器的校正数据,可以通过使用标尺功能对计录和表示结果进行简易补偿。100℃300℃98.5℃100℃300℃301℃测量温度（实际的温度）仪表的表示温度热电偶的输出…产生精度误差线性标尺后…实现对精度补偿!!98.5℃100.0℃301.0℃300.0℃校正温度热电偶输出热电偶的精度补偿第十页，共四十六页，编辑于2023年，星期六金属材料的温度电阻特性

金属的电阻与温度的关系是一定的(图a)。热电阻的测温原理在金属上加上一定的电流(称规定电流),按照欧姆定律金属的两端产生的电压就自然与其电阻成正比。→在金属两端加上一定的电流后,测得两端的电压,就可以计算出电阻,从而推算出被测物的温度。

∥

(图b)

热电阻热电阻的种类JIS规格的热电阻

VR(T)V(T)IV(T)＝I×R(T)図b

测温原理CuNiPt-2000

200400100200温度T（℃）电阻值

R(T)

（Ω）图a

金属的温度-电阻特性一定的电流流过，热电阻两端产生电压种类材质0℃电阻特长JPt100铂100欧姆1991年以前的JIS规格,也称「旧JIS」Pt100100欧姆与国际规格靠拢的JIS规格。与JPt100相比,温度上升后的电阻不同。Pt1010欧姆比100欧姆热电偶热容小,响应快,自我发热也少。热电阻测温第十一页，共四十六页，编辑于2023年，星期六4输入端子可以完全排除连接导线的影响。3输入端子

其中1条不用,末端处理后按3线式连接使用。

**要求3条连接导线长度相同。ABbrrrRt末端处理ABbrrrRtar4线热电阻的接线方式第十二页，共四十六页，编辑于2023年，星期六2.高精度温度测量及抗干扰技术2.1信号2.2干扰信号及抑制2.3温度测量及干扰信号2.4热电偶抗干扰技术及实现方法2.5仪器抗干扰技术及实现方法2.6热电偶选型选型指南高精度温度测量及抗干扰技术第十三页，共四十六页，编辑于2023年，星期六干扰信号=重叠于真实信号,想要的测量情报以外的信号温度变化是一个缓变的过程!如何区别干扰信号和真实信号,操作者自身最为重要。干扰信号和真实信号第十四页，共四十六页，编辑于2023年，星期六共模干扰（图a）干扰来源于记录仪内的地线与信号源之间，同时加再输入端子

H、L两方，所以如果测试电路完全对地绝缘，就不应受影响。

☆多来自于测试电路外部的影响串模干扰（图b）

测试电路中发生的干扰。存在于输入端子

H与L之间，呈现在测试结果中，很麻烦。

☆多发生在测试电路内部应注意一点，虽是共模干扰，到记录仪内电路测试之前，H端与L端发生的不平衡，结果呈现出串模干扰（图c）。不平衡的原因，H端与L端测试导线的不均一。测定电路不可能完全绝缘，所以H端与L端是不均一的。图a

共模方式的干扰（示意图）HLVVLVH时间VHVL与地地电位差V图b

通常方式的干扰（示意图）HLVVLVH时间VHVL与地的电位差V★连接记录仪电源时,应尽量同时接好地线。此时记录仪内,各部电压均可以考虑为以地线为电位基准。如果能纯粹地测出VH－VL，就没问题VH与VL的差的变化受此影响，VH与VL的差也发生变化图c

共模方式不平衡的影响（示意图）时间与地的电位差VHVL时间VH－VL测出的信号不平衡干扰的种类第十五页，共四十六页，编辑于2023年，星期六共模信号 ＝全部是干扰信号串模信号 ＝DC成分是真实信号,其他是干扰信号×电压→○电位差串模共模共模信号和串模信号第十六页，共四十六页，编辑于2023年，星期六共模抑制比（CMRR）

测试导线中混入了由市电引起的共模干扰电压时，输出端能够把这种干扰压小的程度。串模抑制比（NMRR）信号里混入市电频率的串模干扰时,输出端能够把这种干扰抑制的程度。

CMRR，NMRR两者均为越大，抗干扰能力越强。单位均为分贝

dB。干扰耐压（共模方式）

CMRR可以保证的干扰的电压界限。参考图

NMRR实测例（100msec积分）例：CMRR=120dB，干扰耐压250V是指？100V的共模干扰，→100V÷106＝100μV

‥‥K型热电偶的2～3℃

的误差250V的共模干扰，→250V÷106＝250μV

‥‥K型热电偶，6℃

左右的误差300V的共模干扰→不能保证测量输出的串模电压

CMRR=20log

输入的共模电压测量输出的串模电压

NMRR=20log

输入的串模电压抗干扰性能的评价第十七页，共四十六页，编辑于2023年，星期六大：随着该信号增大,畸变的串模信号增大大大大小小实际的测量电压小：随着该信号减小,畸变的串模信号增大绝缘阻抗,容量（电容）成分=随着频率增大减小随着频率增大,串模干扰信号增大信号:0V共模信号测量回路中各参数的影响第十八页，共四十六页，编辑于2023年，星期六热电偶通过微小电压进行温度测量!

开关电源或变频器等仪器存在高频干扰。如果将热电偶直接粘贴到被测体，这个高频干扰会导致不能正常进行温度测量。将热电偶和被测体间绝缘！使用绝缘胶布等将热电偶的前端绝缘。干扰源变频器晶体管散热部传感器和被测体间绝缘第十九页，共四十六页，编辑于2023年，星期六输入输出绝缘

测试电路与记录仪内部电路之间，通过光耦合绝缘（图a）。

测试端和输出端之间没有电气连接,所以只有H和L的差传到输出端。→通过这样的绝缘，从传感器来的共模式的干扰可以大幅度减低。

而且，就是不慎在传感器上加了高压，也不至烧毁记录仪的电路，或造成人员触电事故。屏蔽

测试导线的屏蔽层与记录仪的屏蔽端子相接,可以分压共模干扰（图b）。

→可以减少共模干扰的影响。

高感度测试时,共模干扰影响较大时使用。参考：脉宽调制＋光偶合

电压的高低，通过光的ON/OFF闪灭来传达。

电压

电压

高时

低时ONOFFONOFF图a

输入输出绝缘的原理构造HL脉宽调制PWM解调光偶合电气绝缘放大器・线性化电路来自传感器的测试信号至各电路大部分都加在这里図b

通过屏蔽,给共模方式干扰分压Z3Z1传感器Z2Z4HL共通的干扰

ECMZ3Z1传感器Z2Z4ZSZGHLG''ECMECM'外表的ECM：比较ZS与ZG，干扰被分压数据采集器的抗干扰功能

(1)第二十页，共四十六页，编辑于2023年，星期六★记录仪自身电源是共模干扰的一大来源。★即使有串模干扰，只要能确定干扰信号频率，也可以去除。→出去市电频率（50Hz，60Hz）的干扰很重要！积分型

A/D转换器输入的模拟信号，在数字化时，取采样点间的积分值进行变换(图a)。→因取采样点间平均值，所以此间隔的平均值为0的干扰就会被除掉。也是个过滤器。缺点:转换速度降低。模拟滤波瞄准特定频率的干扰，直接消除。用于要求快速反应的场合。移动平均取前后数个采样值的平均，从而减小由干扰引起的跳跃(图b)。可得到过滤器同样的效果。通常的采样方式时间电压载有电源干扰的信号对应变换后信号的电压积分型

A/D

采样时间電圧载有电源干扰的信号对应变换后信号的电压图a

积分型

A/D

变换器的效果合着市电周期积分每次,只是变换

其瞬间的值图b

移动平均的效果时间载有电源干扰的信号对应变换后信号的电压过去数个采样值的平均值积分时间可除干扰频率备注16.7毫秒60的整数倍Hz60Hz专用20.0毫秒50的整数倍Hz50Hz专用100.0毫秒10的整数倍Hz50/60Hz两用积分时间差异比较数据采集器的抗干扰功能

(2)第二十一页，共四十六页，编辑于2023年，星期六4个独立AD完全并列动作通过SSR扫描分时动作SSR中速10ch和高速4ch的构成第二十二页，共四十六页，编辑于2023年，星期六越向右,频率越高越向下衰减效果越大DC不衰减完全除去衰减率频率MX的数字滤波第二十三页，共四十六页，编辑于2023年，星期六20℃5分160V・20kHz开关动作直接焊接TypeK测量周期：1sec如果切断FET的电源,M10和H04的测量值一致实例-FET电源第二十四页，共四十六页，编辑于2023年，星期六干扰问题往往很难一下拿出明确解决方案,要根据干扰的种类对症下药,因此寻找干扰的成因和进行多种经验性尝试都是很重要的。去除共模干扰例

为了压低共模干扰的普通化的影响，要尽力设法阻止干扰侵入。★不要两点接地，采用一点接地。→排除地电流的影响★测试导线使用屏蔽线，并与测试线一同接地→排除加在测试导线上的静电感应干扰★電在电磁波较强的地方（输电线和高频设备附近），应加设电磁屏蔽。→排除加在测试导线上的电磁感应干扰抗串模干扰

准确配线，拧好各个接线端子的螺钉。传感器记录仪HL地电流图a

两点接地传感器记录仪HL地电流图b

一点接地图e

电磁屏蔽的效果信号线电磁破磁性体磁性体内部不受电磁波影响通过静电感应混入其它信号对地短路不受影响图c

不用屏蔽线传感器记录仪外界的信号线传感器记录仪图d

用屏蔽线外界的信号线受地电流的影响，不同地点的地电位会有所不同，干扰电流会混入测试电路。电位差其他抗干扰对策第二十五页，共四十六页，编辑于2023年，星期六热电偶是否出现断线?

→用万用表测量一下热电偶电阻。仪表放置的环境?

→避风。是否有干扰?

→近旁是否有变频器?→将其远离。

→热电偶是否直接和金属接触→使用绝缘胶布等进行绝缘。

→最后的手段:使用滤波电容CnCcCn:50V左右耐压的薄膜电容

1000pF～0.1uFCc:2kV左右耐压的陶瓷电容

100pF～3300pF均需要试装测试确认。不能正常进行温度测量时第二十六页，共四十六页，编辑于2023年，星期六粘贴型热电偶第二十七页，共四十六页，编辑于2023年，星期六RJC精度＝传感器精度＋端子的同温化RJC精度规格：±0.5℃*DARWIN,DAQMASTER*TypeK,J,E,T,N,L,U*0℃以上测量,信号输入端子温度平衡时

晶体管金属芯印制板温度传感器配置±0.1℃±0.3℃±0.5℃RJC精度第二十八页，共四十六页，编辑于2023年，星期六RJC精度＝传感器精度＋端子的同温化RJC精度规格：±0.5℃*DARWIN,DAQMASTER*TypeK,J,E,T,N,L,U*0℃以上测量,信号输入端子温度平衡时

晶体管金属芯印制板温度传感器配置±0.1℃±0.3℃±0.5℃RJC精度第二十九页，共四十六页，编辑于2023年，星期六基极和发射极间的电压随温度变化温度和电压是特有的函数关系＜横河电机选取的晶体管特性＞

输出电压：约2mV/℃

⇒温度变化时输出电压值较大，有利于实现稳定的温度测量

TypeK的输出电压

约40μV/℃电压输出，测量回路与TC相同，可以减少误差BECVBE＝f(t)Ic作为温度传感器的晶体管第三十页，共四十六页，编辑于2023年，星期六热敏电阻、测温电阻(Pt1000)、市面上的传感器等热敏电阻/测温电阻的缺点：・电阻-温度关系非线性很大。（热敏电阻）・需要电阻测量回路，会增加误差因素。市面上的传感器的缺点：・精度很差：一般±0.5℃左右其他厂家使用的RJC温度传感器第三十一页，共四十六页，编辑于2023年，星期六温度传感器(晶体管)金属芯(铝)一般的印制板(没有金属部分)・使用金属芯印制板・温度传感器的最佳配置DARWIN的输入模块端子板温度传感器配置在端子板的中心部使用热传导性很好的金属芯印制板。端子板的同温化第三十二页，共四十六页，编辑于2023年，星期六・补偿导线的成本高・配线较长的场合，经常会对测量误差产生影响。测量仪器补偿导线热电偶T1T2周围温度的影响:连接部如果有温度差会产生测量误差。另外，途中的温度T´有时也会影响测量误差。使用补偿导线会引起额外的误差。安装场所使用可分散安装的数据采集器，可以避免以上误差。测量仪器本体热电偶安装场所现场分散設置測定器专用缆线T′使用分散型数据采集器的好处第三十三页，共四十六页，编辑于2023年，星期六通过内部补偿，零件选择，充分考虑余量的设计等方法，实现长期使用时稳定性。DAQMASTER

2V输入1000h连续测试结果1000h后的指示值2.0000～2.0003V＜参考＞长期稳定性第三十四页，共四十六页，编辑于2023年，星期六配备了适合热电偶测量的量程，充分发挥A/D的分辨率，实现高精度。TypeK1370℃的电势

约55mVTypeT400℃的电势

约21mV20mV量程测量60mV量程测量热电偶测量用量程第三十五页，共四十六页，编辑于2023年，星期六时间常数(TimeConstant)0.008in.≒0.203mmTimeconstant≒0.2sec.摘自：/thermocouples.html第三十六页，共四十六页，编辑于2023年，星期六时间常数(TimeConstant)摘自：/thermocouples.html第三十七页，共四十六页，编辑于2023年，星期六最大公差摘自：/thermocouples.htmlASTME230-ANSIMC96.1第三十八页，共四十六页，编辑于2023年，星期六各种类型热电偶公差曲线

第三十九页，共四十六页，编辑于2023年，星期六绝缘材料

第四十页，共四十六页，编辑于2023年，星期六最大使用温度

第四十一页，共四十六页，