第3章 过程参数检测与变送-2 温度检测仪表.ppt

1、（二） 温度的检测与变送,3、热电阻温度传感器,4、其它温度传感器,2、热电偶温度传感器,1、温度检测方法,温度是工业生产过程和生活中最常见、最基本的参数之一。 温度是表征物体冷热程度的物理量。,（一） 温度的检测方法,接触式测温和非接触式测温,表3-1 常用温度检测仪表分类及其特点,膨胀式温度计,图3-4双金属温度计 1-指针 2-保护管 3-指针轴 4-双金属感温元件 5-固定端,压力式温度计,辐射式温度检测仪表,辐射式温度检测仪表主要由光学系统、检测元件、转换电路和信号处理电路等组成。,（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，通过硅光电池实现信号转换。光学透镜的光

2、通带波长为0.71.1m，测温范围为7002000，硅光电池接受辐射能所产生的电压信号为020mV。其基本误差在1500以下时为0.7%，在1500以上时为1%，到达99%稳态值的响应时间小于1ms。因此，该类温度计适用于高温测量。,（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0200。其基本误差为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；基本误差为1%，响应时间为1.5s。 （4）红外测温仪 温度在绝对零度以上的物体，都会

3、因自身的分子运动而辐射出红外线，而且温度越高，分子运动越剧烈，辐射的热红外能量越大；反之，辐射的能量越小。红外测温仪就是利用红外线辐射这种电磁波辐射，通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号。,（二） 温度的检测,1、热电偶温度传感器,1）热电偶的构成及测温原理：,由两种材质不同的导体或半导体焊接在一起构成的闭合回路，当回路两端点温度不同时，回路中就会产生热电势（称为热点效应）并产生电流。当一端温度固定，则热电势与另一端温度成单值对应关系。其表示如下：,（二） 温度的检测,是导体A和B分别在温度t和t0下的接触电势,等效电路,（二） 温度的检测,2）有关热电偶的几点结论,（1）若两种导体

4、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。,3）热电偶的中间导体定律：,在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要第三导体的两端温度相同，第三导体的引入不会影响热电偶的热电势。如下图所示：,（二） 温度的检测,证明如下：,（二） 温度的检测,当 时，,4）中间温度定律：,（二） 温度的检测,热电偶AB在接点温度为T，0时的热电势等于该热电偶在接点温度为T，T0和T0 ，0时的热电势之和。即,5）热电偶的分度表或 关系曲线：,对给定的热电偶通过实验测得 时， 取不同温度时的热电势

5、数据制成的“热电势 温度 对应关系数据表”，称为该热电偶的分度表（参见附录A），也可绘成相应的曲线。如下图所示：,（二） 温度的检测,（二） 温度的检测,6)热电偶的冷端处理：,注意事项：a）补偿导线只能与相应型号的热电偶配套使用；,（2）冷端的延伸补偿导线法：,图示：,（1）冷端恒温法： 将冷端置于冰水混合液中； 将冷端置于恒温槽中,（二） 温度的检测,b）补偿导线与热电偶两个接点的温度必须相同；,c）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（详细情况可参阅出厂说明）。,d)补偿导线连接端的工作温度不能超出0100，否则会给 测量带来误差。,（二） 温度的检测,（3）电桥

6、补偿法,b）图中： 由锰铜构成 铜电阻,（二） 温度的检测,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?,查表，得E(970,0)=40.10, E(980,0)=40.49,则,7)常用工业热电偶的类型：,按照国际电工委员会制订的国际标准， 标准热电偶具有以下8种 ：,8) 热电偶的结构：,（1）普通型热电偶,图3-9 普通型热电偶结构 1-接线盒 2-接线柱 3-引线口 4-保护套管 5-绝缘管 6-热电极,（2）铠装型热电偶 将热电极和陶瓷绝缘材料一起紧压在金属保护套管中， 三者

7、经组合加工成可弯曲的坚实组合体。 该类热电偶响应速度快、能弯曲、耐高温，适用于狭窄或复 杂的测量场合。,6热电偶选型,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！,返回,（二） 温度的检测,热电阻具有很多与热电偶不同的特性 : a）在同一被测温度之下，与热电偶相比有更高的灵敏度； b）热电阻不需要冷端温度补偿，但须与桥式电路配接 才能将随温度变化的电阻值转化为可测电信号 ； c）同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高， 但在中、低温区稳定性好、准确度高； d）感温元件结构复杂，体积较大，热惯性大，不适用 于测量

8、体积小和温度瞬变对象的温度。,2、热电阻温度传感器,1)工作原理及其特点 热电阻是利用金属导体或半导体的电阻值随温度变化 而改变的性质来实现温度测量。,近似式可表为：,铜质热电阻的温度电阻特性,2）常用金属热电阻,由于铜易氧化、电阻率较小，所以铜电阻的体积大、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。,（二） 温度的检测,3）铂热电阻的温度电阻特性,其中：,具有精度高、稳定性好、性能可靠、耐氧化能力强、测温范围宽等特点。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。,（二） 温度的检测,返回,3）热电阻结构,引线方式,1）二线制,回路电流理

9、想值为：,回路实际电流值为：,回路电流误差为：,2）四线制,两根引线为热电阻提供恒流源；在热电阻上产生的压降通过另两根引线引至电位差计进行测量 。 能完全消除引线电阻的附加误差 ，主要用于高精度的温度检测。,（二） 温度的检测,当桥路处于平衡时，,3） 三线制,当R1=R4时，,引线电阻不会对电桥产生影响,（二） 温度的检测,半导体热敏电阻的电阻温度系数大，灵敏度高；且体积小，热惯性小，响应快；,半导体温度传感器 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构成。 温度电阻特性如图示,（二） 温度的检测,（二） 温度的检测,返回,DDZ-III型温度变送器特点： （1）采用低漂移、高增

10、益的线性集成运算放大器，提高了仪表的可靠性、稳定性和其它性能指标。 （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呈线性关系，方便了变送器与系统的配接。 （4）采用统一的24V.DC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或直流毫伏信号的检测。,(三）温度变送器,(三）温度变送器,1、温度变送器结构框图,DDZ-III型温度变送器结构原理,量程单元具有热电偶、热电阻和毫伏输入三种形式 输入回路实现热电偶的冷端补偿、热

11、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。 24V.DC外部电源经直流交流直流变换器和整流、滤波，分别向输入回路、集成运放和功率放大供电。,2量程单元结构与工作原理,（1）直流毫伏量程单元,三部分：输入电路；零点调整迁移电路；反馈电路。,，,，,令,则,（2）热电偶量程单元,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，原理见3.4.2。 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A1、稳压管VD3VD5等构成的线性化电路，

12、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与输出电压或电流之间的线性特性。,与直流毫伏量程单元的不同,(三）温度变送器,热电偶的非线性补偿,1）补偿原理：,要使 则必须,因为当 时，,为检测元件传递函数,为反馈回路传递函数,其中：,(三）温度变送器,如何产生 使其= ？,非线性的折线近似,(三）温度变送器,电路分析：,与 之间的比例关系不变，但 与 之间的分压关系由于 、 、 支路的并入而降低，则此阶段 与 之间的关系为： ，且有 。,与相似，,有,。,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。,（3）热电阻量程单元,其零点调整迁移电

13、路和反馈电路与直流毫伏量程单元相似。,输入电路：,1）热电阻采用三线制接入法，以消除引线电阻引起的误差。 2）由A2、Rf4等元件构成的正反馈线性化电路可以对铂电阻等实现非线性校正。,(三）温度变送器,3、温度变送器的放大单元,1）直流交流直流变换电路： 采用变压器将输入、输出、电源三者进行隔离，使有效信号以差模方式进行传递，抑制共模干扰信号。,外部集中供电的24V.DC电源电压经由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

14、源电压，并为集成运放A2和功率放大器VTa1、VTa2提供电源。,(三）温度变送器,2）集成运放：高输入阻抗、高放大倍数. 3）功率放大。 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的一次侧产生交流电流，经过变压器Tr2，在二次侧经VD01VD04整流和R01、C01滤波，产生420mA.DC电流输出，并在电阻R02上产生15V.DC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。 4）输出回路。 5）反馈电路。,(三）温度变送器,2）力求操作方便、运行可靠、经济、合理，在同一工程中尽量减少