過(guò)程控制技術(shù)第2章(1)

1、 檢測(cè)單元通常由檢測(cè)儀表（Detection Instrumentation）來(lái)承擔(dān)，完成相關(guān)過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)，為顯示儀表和控制決策提供信息。主要有溫度（Temperature）、壓力（Pressure）、物位（Materiel Level）、流量（Flow Rate）和成分（Ingredient）等過(guò)程變量的測(cè)量。本章主要討論過(guò)程參數(shù)檢測(cè)問(wèn)題。第第 2 章章 檢測(cè)儀表檢測(cè)儀表2.1 檢測(cè)儀表與測(cè)量誤差檢測(cè)儀表與測(cè)量誤差2.1.1檢測(cè)儀表檢測(cè)儀表 檢測(cè)儀表是實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)測(cè)量與變送的技術(shù)工具。通過(guò)檢測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地反映生產(chǎn)工藝過(guò)程運(yùn)行情況，為監(jiān)督與處理各種狀態(tài)提供依據(jù)，也為自動(dòng)化裝置提供決策信息。這

2、對(duì)于確保產(chǎn)品質(zhì)量與數(shù)量、安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境，以及節(jié)約能源都具有重要意義。 過(guò)程參數(shù)檢測(cè)儀表通常是由敏感或轉(zhuǎn)換元件與變送單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。 敏感轉(zhuǎn)換元件，是通常說(shuō)的傳感器。它利用物理或化學(xué)材料或部件，直接與被測(cè)過(guò)程變量相聯(lián)系，感受與反映被測(cè)過(guò)程變量變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其形式可以是電壓、電流、電阻、電容或電感等。圖 2-1 過(guò)程參數(shù)檢測(cè)儀表結(jié)構(gòu) 變送器，將敏感轉(zhuǎn)換元件的輸出電信號(hào)經(jīng)過(guò)加工調(diào)理，如放大、濾波或非線性處理等，變?yōu)楸阌趥鬏敽蛻?yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。對(duì)于 DDZ- 型電動(dòng)組合儀表而言，該標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)為 420mA的直流電流，或 15V 的直流電壓。該信號(hào)可以送往顯示儀表進(jìn)行

3、顯示，或者反饋給控制器，或者傳輸給其它通信接口。 在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于測(cè)量設(shè)備精度的限制、測(cè)量方法的不同、測(cè)量環(huán)境的影響，都會(huì)使測(cè)量結(jié)果與測(cè)量的真實(shí)值不一致。測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量真實(shí)值之差，就是測(cè)量誤差。其大小反映測(cè)量質(zhì)量的好壞。2.1.2 測(cè)量誤差與分類測(cè)量誤差與分類 誤差公理的概念是：所有測(cè)量都有誤差，誤差自始至終存在于所有科學(xué)實(shí)驗(yàn)和測(cè)量實(shí)踐之中。人們研究測(cè)量誤差的目的就是尋找產(chǎn)生誤差的原因，認(rèn)識(shí)誤差的規(guī)律，找出減小誤差的方法和途徑，以獲得盡可能接近真實(shí)值的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量誤差是不可避免的，測(cè)量的精度應(yīng)與測(cè)量的目的相符合，盲目追求精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果，往往要付出很大的代價(jià)，其做法在實(shí)踐中并不可取。

4、1. 測(cè)量誤差的基本概念 真值（True Value）：被測(cè)物體在一定的時(shí)間及空間下，所體現(xiàn)的真實(shí)數(shù)值。它是一個(gè)理想的概念，客觀存在，但不可測(cè)量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量結(jié)果的數(shù)值會(huì)不斷接近真值。在實(shí)際計(jì)量和測(cè)量工作中，常常使用 “約定真值” 和 “相對(duì)真值” 的概念。 （1） 測(cè)量誤差的分類 測(cè)量誤差目前有多種分類法，本文介紹的兩種是比較常見的，一是按表示方法分，二是按誤差性質(zhì)分。 按表示方法分的誤差有：絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、引用誤差、滿度引用誤差和容許誤差等。 1）絕對(duì)誤差（Absolute Error, AbsE）：某一被測(cè)量的值x與真值 的差 0 x0 xxx 其中，x為測(cè)量值，可用測(cè)量

5、儀器的示值，標(biāo)準(zhǔn)量具的標(biāo)稱值，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的調(diào)定值； 為被測(cè)量的 0 x 2測(cè)量誤差的分類與處理 示值（Indicating Value）：由測(cè)量?jī)x器給出或提供的量值，也稱測(cè)量值。 標(biāo)稱值（Nominal Value）：計(jì)量或測(cè)量器具上的標(biāo)注值。如標(biāo)準(zhǔn)砝碼上標(biāo)出的 1kg。它受制造、測(cè)量環(huán)境條件變化影響，標(biāo)稱值并不一定等于它的實(shí)際值，一般在給出標(biāo)稱值的同時(shí)也應(yīng)給出它的誤差范圍或精度等級(jí) 相對(duì)真值（Relative True Value）：在滿足規(guī)定準(zhǔn)確度時(shí)，用來(lái)代真值使用的值，也稱實(shí)際值。 約定真值（Conventional True Value）：按照國(guó)際公認(rèn)的單位定義，利用科技發(fā)展的最高水準(zhǔn)

6、復(fù)現(xiàn)的單位基準(zhǔn)值，它常以法律規(guī)定或指定的形式出現(xiàn)。例如，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，水的沸點(diǎn)是100，冰點(diǎn)是 0。真值。由于其不可知性，常用約定真值或相對(duì)真值代替。在實(shí)際測(cè)量中，常用某一被測(cè)量多次測(cè)量的平均值，或上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)得的示值作約定真值，代替真值 。絕對(duì)誤差不能說(shuō)明測(cè)量質(zhì)量的好壞。0 x 2）相對(duì)誤差（Relative Error）：用來(lái)表示測(cè)量精度的高低。它又分為實(shí)際相對(duì)誤差和標(biāo)稱（示值）相對(duì)誤差。 實(shí)際相對(duì)誤差是用絕對(duì)誤差 與被測(cè)量約定真值 的百分比表示，即 x0 xao100 %xrx 標(biāo)稱（示值）相對(duì)誤差是絕對(duì)誤差與儀器示值的百分比值，b100 %xrx該誤差是為了評(píng)價(jià)測(cè)量?jī)x表精度而引入的

7、，但實(shí)際中常用最大引用誤差（滿度引用誤差）來(lái)表述。 滿度引用誤差（簡(jiǎn)稱滿度誤差） maxmmm100%xrx其中， 為絕對(duì)誤差最大值。 maxx 我國(guó)電工儀表中常用的儀表精度等級(jí) S 是按滿度誤差分級(jí)，分為 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5 和 5.0 七級(jí)。儀表精度的數(shù)字越小，精度越高。例如，某電壓表 ，則表示它的精度等級(jí)為 2.5 級(jí)，即滿度誤差不超過(guò) 2.5%。假如此時(shí)電壓表量程為 0100V，則最大絕對(duì)誤差不超過(guò)2.5V。 S2.5 4）容許誤差（Admissible Error）：根據(jù)技術(shù)條件的要求，規(guī)定測(cè)量?jī)x器誤差不應(yīng)超過(guò)的最大范圍。它是衡量?jī)x器的重要指標(biāo)，儀器的準(zhǔn)確

8、度和穩(wěn)定度可用容許誤差來(lái)表示。它常用絕對(duì)誤差形式來(lái) 表達(dá)。 按誤差性質(zhì)分，誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。 1）系統(tǒng)誤差（Systematic ResidualsFixed Error）：相同條件下，同一被測(cè)量被重復(fù)測(cè)量時(shí)，誤差固定不變，或按照一定規(guī)律變化的誤差。它定義為無(wú)限多次測(cè)量結(jié)果的平均值減去該被測(cè)量的真值。 系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)是大小和方向恒定不變，或按一定規(guī)律變化。恒定不變的稱為恒值系統(tǒng)誤差，在誤差處理中可被修正；按一定規(guī)律變化的稱為變值系統(tǒng)誤差，在誤差估計(jì)時(shí)可歸結(jié)為系統(tǒng)不確定度。 系統(tǒng)誤差的來(lái)源包括：測(cè)量設(shè)備的基本誤差、偏離額定工作條件產(chǎn)生的附加誤差、測(cè)量方法理論不完善帶來(lái)的方法

9、誤差、以及試驗(yàn)人員主觀原因產(chǎn)生的誤差。 2）隨機(jī)誤差（Accidental ErrorRandom Error）：在相同條件下，對(duì)同一物理量作多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，受偶然因素影響而出現(xiàn)的沒(méi)有一定規(guī)律的測(cè)量誤差。它定義為測(cè)量示值減去在重復(fù)條件下同一被測(cè)量無(wú)限多次測(cè)量的平均值。 引起隨機(jī)誤差的原因多方面的、微小的，且無(wú)法控制，一般用概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)描述和計(jì)算，它服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 3）粗大誤差（Gross Error）：疏忽誤差，測(cè)量結(jié)果明顯偏離實(shí)值對(duì)應(yīng)的誤差。產(chǎn)生粗大誤差的原因可能有：讀數(shù)錯(cuò)誤、記錄錯(cuò)誤、計(jì)量器具有缺陷、實(shí)驗(yàn)條件的突變等。處理方法是從測(cè)量數(shù)據(jù)中剔除。 在測(cè)量中，系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差是

10、同時(shí)存在的，但它們對(duì)測(cè)量過(guò)程及結(jié)果的影響是不同的。同時(shí)，測(cè)量誤差的劃分是人為的、有條件的，不同測(cè)量場(chǎng)合，不同測(cè)量條件，誤差之間可以互相轉(zhuǎn)化。 （2）測(cè)量誤差的處理 對(duì)誤差的處理：消除或減小。能夠消除的，應(yīng)該消除；消除不了的，或者要付出過(guò)高代價(jià)才能消除的，應(yīng)予以減小。 系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)與處理往往比隨機(jī)誤差困難得多，對(duì)它的消除或減小應(yīng)考慮的幾方面： 從來(lái)源上考慮，如，選擇儀器設(shè)備、測(cè)量環(huán)境、測(cè)量條件、測(cè)量方法、人員素質(zhì)等； 利用修正法，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，要定期檢查和校準(zhǔn)儀器； 采用一些特殊的測(cè)量技術(shù)和方法。 對(duì)隨機(jī)誤差，根據(jù)隨機(jī)誤差的特點(diǎn)，多次測(cè)量，反復(fù)比較，用統(tǒng)計(jì)規(guī)律描述和確定。對(duì)粗大誤差，采用

11、剔除數(shù)據(jù)的方法。 溫度是定量反映物體冷熱程度的物理量，自然界許多物質(zhì)的物理變化或化學(xué)變化都與溫度有關(guān)。溫度在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中是一種基本的、常見的參數(shù)，對(duì)它的檢測(cè)與控制是實(shí)現(xiàn)眾多產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要條件，溫度在過(guò)程控制中一直受到重視。 檢測(cè)溫度的方法不少，根據(jù)感受溫度的途徑不同，可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。所謂接觸式測(cè)量，是測(cè)溫元件直接與被測(cè)物體接觸，通過(guò)熱交換感受被測(cè)物的冷熱程度及其變化；所謂非接觸式測(cè)量，就是感溫元件不直接與被測(cè)物體接觸，而是通過(guò)接受熱輻射或熱對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。 具體來(lái)說(shuō)，接觸式測(cè)溫方法有：熱電偶測(cè)溫、電阻測(cè)溫、膨脹式測(cè)溫、壓力式測(cè)溫等；非接觸式2.2 溫度檢測(cè)與變送溫度檢測(cè)與

12、變送2.2.1 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)測(cè)溫方法主要有：亮度法、比色法、全輻射法和紅外輻射法等。詳見表 2-1。表表 2-1 測(cè)溫儀表分類及其特點(diǎn)測(cè)溫儀表分類及其特點(diǎn)測(cè)溫方法測(cè)溫原理溫度計(jì)名稱測(cè)溫范圍應(yīng)用場(chǎng)合接 觸 式體積變固體熱膨脹雙金屬溫度計(jì)-2007000300-20600現(xiàn)場(chǎng)指示液體熱膨脹玻璃液體溫度計(jì)氣體熱膨脹壓力式溫度計(jì)熱阻效應(yīng)金屬熱電阻鉑、銅、鎳、銠鐵熱電阻-200850液、氣體的中低溫測(cè)量，可遠(yuǎn)距離傳輸半導(dǎo)體熱敏電阻鍺、碳、金屬氧化物熱敏電阻熱電效應(yīng)普通金屬熱電偶銅-康銅、鎳鉻-鎳硅等熱電偶01800液、氣體的中高溫測(cè)量，可遠(yuǎn)距離傳輸貴重金屬熱電偶鉑銠-鉑、鉑銠-鉑銠等熱電偶難熔金屬熱

13、電偶鎢-錸、鎢-鉬熱電偶非金屬熱電偶碳化物-硼化物等熱電偶 非接觸式熱輻射功率亮度法光學(xué)高溫計(jì)6003200測(cè)火焰、爆炸物等危險(xiǎn)高溫場(chǎng)所全輻射法輻射高溫計(jì)比色法比色溫度計(jì)紅外輻射法光電高溫計(jì)紅外輻射溫度計(jì) 接觸式測(cè)溫儀表中，因膨脹引起體積變化的溫度計(jì)精度低、僅作現(xiàn)場(chǎng)指示用。熱電偶（Thermoelectric Pair Thermoelectric Couple）和熱電阻（Thermal Resistance）類的精度較高，輸出電信號(hào)也便于傳送，因而在工業(yè)生產(chǎn)中被大量采用。非接觸式測(cè)溫儀表測(cè)溫時(shí)遠(yuǎn)離溫度場(chǎng)，靈敏度高和響應(yīng)速度快，測(cè)溫上限可突破3000。但誤差大、受周圍環(huán)境干擾不小。 溫標(biāo)是溫度

14、的標(biāo)尺，度量單位，常用的有下面三種： 1. 攝氏溫標(biāo)，單位為攝氏度（Degree Centigrade/Degree Celsius），用表示“”，該溫標(biāo)可用t表示。定義水的冰點(diǎn)為 0，水的沸點(diǎn)為 100，兩者之間均勻劃分 100 等份。 2. 華氏溫標(biāo)，單位為華氏度（Degree Fahrenheit），用“ ”表示，該溫標(biāo)可用F表示。定義水的冰點(diǎn)為 32 ，水的沸點(diǎn)為 212 ，兩者之間均勻劃分為 180 等份。與攝氏溫標(biāo)的換算關(guān)系： (9 / 5)32Ft 3. 國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)，為熱力學(xué)溫度，單位為開爾文（Kelvin），用“K”表示，該溫標(biāo)可用符號(hào) T 表示。與攝氏溫度的關(guān)系為： 2.2

15、.2 熱電偶熱電偶 熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，主要用于中高溫場(chǎng)合，在冶金、建材、石油等生產(chǎn)行業(yè)被大量采用。 1. 熱電偶的結(jié)構(gòu)與類型 熱電偶是由兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料焊接而成的，焊接的一端稱為熱端、測(cè)溫端或工作端，測(cè)溫時(shí)被插入測(cè)溫場(chǎng)中；另一端與導(dǎo)線或者顯示儀表連接，稱為冷端、參考端或自由端，測(cè)溫時(shí)被置于測(cè)溫場(chǎng)外。 不論何種結(jié)構(gòu)，熱電偶一般都有熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等。普通型熱電偶將熱電極套上絕緣管，裝在保護(hù)套內(nèi)，連接通過(guò)接線盒引出，如圖 2-2 所示。 圖 2-2 普通型熱電偶的結(jié)構(gòu) 工業(yè)常用熱電偶分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶規(guī)定了熱電動(dòng)勢(shì)與

16、溫度的關(guān)系、允許誤差和有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表，也有與之配套的顯示儀表供選用。按國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission, IEC）制定的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有 8 種，詳見表2-2；非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，一般用于特殊的場(chǎng)合。 另外，根據(jù)熱電偶安裝環(huán)境和場(chǎng)所的不同，熱電偶還分為普通型、鎧裝型、薄膜型、表面型和浸入型等。 表表 2-2 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 熱電偶名稱 分度號(hào) 測(cè)溫范圍特點(diǎn)適用場(chǎng)合鉑銠10-鉑S 01700性能穩(wěn)定，抗氧化，測(cè)溫范圍廣，精度高，但線性度差，價(jià)格高精密測(cè)量，有氧化性和惰性氣體環(huán)境鉑銠30-鉑銠6B 01700同

17、上測(cè)高溫，不適宜還原性氣體場(chǎng)合 鎳鉻-鎳硅K -2001300測(cè)溫范圍廣，熱電動(dòng)勢(shì)大，線性度好，價(jià)格低廉，但穩(wěn)定性較上兩種差中高溫測(cè)量 鎳鉻-康銅E -2001000熱電動(dòng)勢(shì)大，中低溫穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉中低溫測(cè)量，有氧化性和惰性氣體環(huán)境 鐵-康銅J -2001300熱電動(dòng)勢(shì)較大，價(jià)格低廉多用于化工行業(yè) 銅-康銅T -200400精度高，價(jià)格低廉，但易氧化低溫測(cè)量 鎳鉻硅-鎳硅N -2001300高溫時(shí)穩(wěn)定性和使用壽命比K型好，性能與S型接近，價(jià)格低廉高溫場(chǎng)合 鉑銠13-鉑R 01700熱電動(dòng)勢(shì)較大，與S型熱電偶性能相近與S型熱電偶相同 2. 熱電偶的測(cè)溫原理 熱電偶的測(cè)溫原理是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)

18、的。將兩種不同的導(dǎo)體A和B，組成一個(gè)閉合回路，如圖2-3所示，分別將兩端置于不同的溫度中，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象就是熱電效應(yīng)。由兩個(gè)不同導(dǎo)體組成，并利用熱電效應(yīng)將溫度轉(zhuǎn)換為熱電動(dòng)勢(shì)的傳感元件，就是熱電偶。 圖2-3 熱電偶熱電效應(yīng) 圖2-4 熱電偶測(cè)溫示意圖 將兩根不同導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)A、B組成閉合回路，且A和B的連接點(diǎn)分別置于不同溫度場(chǎng) t 和 0t (假設(shè) )，左邊溫度高的接點(diǎn)稱為熱端，右邊溫度低的接點(diǎn)稱為冷端。于是，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，它包括接觸電動(dòng)勢(shì)（Contact Electromotive Force）和溫差電動(dòng)勢(shì)（Thermal Electromotive Forc

19、e）。 0tt 接觸電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生于導(dǎo)體A和B的接觸點(diǎn)上。由于材料不同，其電子密度也不一樣(設(shè) ), ABNN在兩者的接觸處就會(huì)有大量的自由電子擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果是導(dǎo)體 A 因失去電子而帶正電荷，導(dǎo)體B因得到電子而帶負(fù)電荷。擴(kuò)散的程度不僅與電子密度有關(guān)，而且還與溫度有關(guān)。最后在 A、B接觸面上形成一個(gè)由A到B靜電場(chǎng)，它阻止擴(kuò)散繼續(xù)進(jìn)行。在確定的溫度下，如果從A移到B的電子數(shù)，與從B移到A的電子數(shù)相同，則達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)A、B間形成的電位差即為AB( )et接觸電動(dòng)勢(shì)，用 表示，其大小不僅與材料有關(guān)，而且與溫度有關(guān)，溫度越高，自由電子越活躍，接觸電勢(shì)越高。同理，在另一端有 。 AB0( )et

20、 溫差電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生于同一導(dǎo)體 A 或 B 的兩端之間，這是因?yàn)閮啥说臏囟炔煌a(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，所以稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。由于同一導(dǎo)體的兩端溫度不同，自由電子具有不同的能量，高溫端電子能量大，向低溫端擴(kuò)散，于是高溫端帶正電，低溫端帶負(fù)電，形成一個(gè)由高溫端指向低溫端的靜電場(chǎng)。于是在導(dǎo)體兩端形成溫差電動(dòng)勢(shì) 和 。溫差電動(dòng)勢(shì)大小與材料和兩端點(diǎn)的溫度有關(guān)，但是與接觸電動(dòng)勢(shì)比起來(lái)，它小很多，往往可以忽略不計(jì)。 A0( , )et tB0( , )e t t 于是，閉合回路熱電偶的總電動(dòng)勢(shì)為 AB0ABB0AB0A0,et tetet tetet tABAB0( )( )etet（2-1） 對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考

21、端溫度 恒定時(shí)， 為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度 t 成單值函數(shù)關(guān)系，即 0t AB0Cet AB0AB,Cet tetf t 這一關(guān)系式在實(shí)際測(cè)量中是很有用的，即只要測(cè)出 的大小，就能得到被測(cè)溫度 t。AB0,et t 3. 熱電偶的幾條基本定律 1）均質(zhì)導(dǎo)體定律（Homogeneous Conductor Law） 由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸大小、形狀及沿電極各處的溫度分布無(wú)關(guān)。如果材料不均勻，當(dāng)導(dǎo)體上存在溫度梯度時(shí)，將會(huì)有附加電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。 2）中間導(dǎo)體定律（Middle Conductor Law） 在熱電偶測(cè)溫回路中接入第三

22、種導(dǎo)體（中間導(dǎo)體），只要保證其兩端溫度相同，則對(duì)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)沒(méi)有影響。同理，熱電偶回路中接入多種導(dǎo)體后，如果接入的每種導(dǎo)體兩端溫度相同，則對(duì)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)沒(méi)有影響。 熱電偶的這一特性，不但允許在其回路中接入電氣測(cè)量?jī)x表（如圖 2-4），而且也允許采用任何焊接方法來(lái)焊接熱電偶。 3）中間溫度定律（Middle Temperature Law） 在熱電偶測(cè)溫回路中，設(shè) 為熱電極上某一點(diǎn)的溫度（中間溫度），熱電偶 AB 在接點(diǎn)溫度為t、 時(shí)的熱電勢(shì) 等于熱電偶 AB 在接點(diǎn)溫度為t 、 和 、 時(shí)的熱電勢(shì) 和ct0tAB0,et tctct0tABc,et t 的代數(shù)和 ABc0,et tAB

23、0ABcABc0,et tet tet t 根據(jù)這一定律，設(shè) ，則有 oc0 Ct AB0ABAB0ABAB0( , )( ,0)(0, )( ,0)( ,0)et tetetetetABAB0AB0( ,0)( , )( ,0)etet tet 如果給出冷端為0時(shí)的熱電勢(shì)和溫度的關(guān)系（分度表），由 可查得 熱電動(dòng)勢(shì)值，若測(cè)得冷端為任意溫度時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì) ，則由式（2-2）可計(jì)算出 ，并再次查分度表獲得所求溫度 t。0tAB0( ,0)etAB0( , )et tAB( ,0)et （2-2） 4. 熱電偶的冷端補(bǔ)償 在溫度的實(shí)際測(cè)量中，處在同一地點(diǎn)的冷端溫度常常并不是一成不變的。比如，室外某一

24、地點(diǎn)，中午的溫度與午夜的溫度往往相差很大，2030之差不足為奇。另外，如果冷端距熱源較近，溫度波動(dòng)也較大，這些都會(huì)給溫度的測(cè)量帶來(lái)誤差。為了減小誤差，人們想了許多方法，采用熱電偶冷端補(bǔ)償就是其中一類。下面僅就其中的補(bǔ)償電橋法和計(jì)算校正法加以介紹。 圖 2-5 為補(bǔ)償電橋，其中 、 為阻值恒定的錳銅電阻， 為可調(diào)電阻， 為銅電阻，其阻值隨溫度的變化而變化，E 為橋路直流穩(wěn)壓電源，R 為電源內(nèi)阻。所有電阻與熱電偶冷端處在同一環(huán)境溫度下，通過(guò)調(diào)整使電橋在 （例如0）時(shí)， 。當(dāng)熱電偶冷端溫度 升高時(shí)， 也隨著增大， 也增大，但熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì) 隨著冷端溫度的升高而減小，如果 的增加量與熱電動(dòng)勢(shì)的減小量

25、相等時(shí)，則總輸出值 不變，即 不隨溫度而變化。 1R2RPRCuR0tab0U0tCuRabUxeabUcbUcbx0ab( ,)Ue t tU圖 2-5 熱電偶冷端補(bǔ)償電橋電路 1）補(bǔ)償電橋法 2）計(jì)算校正法 如果冷端溫度 變化，可利用另一只溫度計(jì)測(cè)得實(shí)時(shí)冷端溫度 ,并利用分度表查得 ，然后根據(jù)測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì) ，利用中間溫度定律，即式（2-2）有 0t0t0( ,0)e t0( , )e t t00( ,0)( , )( ,0)e te t te t最后，根據(jù)求得的 再次查分度表，即可得被測(cè)溫度 t。 ( ,0)e t 例例 2-1 用鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶測(cè)爐溫，當(dāng)車間空氣溫度為 40

26、時(shí)，置于爐內(nèi)的熱電偶測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)為 35.72mV，試求爐溫為多少？ 解：由題意知 ，且有 。另外，查閱 K 型熱電偶分度表（見附錄3），可得： 。o040 Ct o( , 40 C)35.72mVe to(40 C, 0)1.61mVe 由式（2-2）有 oo( , 0)( , 40 C)(40 C, 0)35.721.6137.33mVe te te再查 K 型熱電偶分度表，得到： ，即爐溫為 900。o900 Ct 2.2.3 熱電阻熱電阻 利用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的阻值隨溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的傳感元件是熱電阻。它分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻。熱電阻具有如下特點(diǎn)： 1）熱電阻測(cè)量的是一定空

27、間溫度的平均值，而不像熱電偶是一點(diǎn)的溫度值，它具有熱慣性大，不適合用于溫度快速變化的場(chǎng)合； 2）溫度引起熱電阻阻值變化，須通過(guò)一定的方法將這種阻值的變化轉(zhuǎn)化為電流或電壓的 變化，如電橋電路，然后再輸出； 3）熱電阻適合測(cè)量中、低溫區(qū)的溫度（500），并且具有精度高、性能穩(wěn)定、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送特點(diǎn)； 通常用來(lái)溫度系數(shù)來(lái)描述熱電阻阻值隨溫度變化的大小，表示為0000()ttttRRRRttRt其中， 和 分別為溫度為 、t 時(shí)熱電阻的電阻值。 0tRtR0t 電阻溫度系數(shù) 描述的是溫度每變化 1，熱電阻阻值的相對(duì)變化量。對(duì)于金屬熱電阻而言，一般有 ，即隨著溫度的升高，阻值增加；對(duì)半導(dǎo)體熱

28、電阻而言，可正可負(fù)，并且線性度不是很好。 0 1. 金屬熱電阻 A. 金屬熱電阻的類型 一般來(lái)說(shuō)，要求選作熱電阻的金屬材料具有這些特點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)大，以提高對(duì)溫度的敏感程度；電阻值與溫度之間有線性關(guān)系；熱電阻具有較好的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性。目前工業(yè)上常用的金屬熱電阻主要有：鉑（Pt）電阻、銅（Cu）電阻和鎳（Ni）電阻等，具體分度號(hào)和度量范圍見表 2-3。 表表 2-3 常用金屬熱電阻常用金屬熱電阻 材質(zhì)鉑銅鎳分度號(hào)Pt10Pt100Cu50Cu100Ni100Ni300Ni500測(cè)溫范圍/0850-200850-50150-60180 鉑電阻：由貴金屬鉑構(gòu)成，具有精度高、穩(wěn)定性好、測(cè)量范圍寬

29、等特點(diǎn)。但是，它價(jià)格較貴，溫度系數(shù)小、溫度與阻值之間呈弱非線性關(guān)系。阻值與溫度關(guān)系為 230t201 ABC(100)1 ABRttttRRttoooo200 C0 C0 C850 Ctt 其中， ， , , 、 是溫度分別為 t 和0 時(shí)的電阻值。 3oA3.90802 10/ C7oB5.802 10 / C 12oC4.2735 10/ C tR0R 常見的鉑電阻是以云母片或石英玻璃柱作骨架，將直徑為0.030.07mm的鉑絲用雙線法繞在骨架上，以消除電感，鉑絲兩端與銀絲焊接后引至接線端處。 銅電阻：具有較高的溫度系數(shù)，溫度與電阻值之間為線性關(guān)系，價(jià)格比鉑電阻便宜。但是，銅熔點(diǎn)低、易氧化

30、、電阻率小、熱慣性大，測(cè)量范圍不寬。常見的銅電阻是用直徑為 0.1mm的絕緣銅線，用無(wú)感雙線繞法分層繞在圓柱形塑料骨架上，由于電阻率低，所以最后繞好的銅電阻體積較大。 當(dāng)溫度為-50150 時(shí)，有關(guān)系式 oCt0(1)RRt其中， ， 、 是溫度分別為 t 和0 時(shí)的電阻值。 3o(4.254.29) 10/ CtR0RoCoC B. 工業(yè)金屬熱電阻的結(jié)構(gòu)與接線 工業(yè)金屬熱電阻的結(jié)構(gòu)如圖 2-6 所示，其中1為接線盒，2為保護(hù)套管，3為絕緣管，4為引線，5為電阻絲，6為絕緣骨架。它由感溫器件（熱電阻絲）、絕緣體、保護(hù)套管和接線盒組成。熱電阻絲先進(jìn)行中間對(duì)折，然后雙線繞在玻璃或陶瓷構(gòu)建的絕緣骨架

31、上。絲的末端與引線相連 并連至接線盒。金屬熱電阻與外部電路的連接有兩線制、三線制和四線制幾種。工業(yè)上通常采用三線接線法與電橋相連，以實(shí)現(xiàn)將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流變化。在圖 2-7 中，熱電阻用三根導(dǎo)線引出，一根與電源相連，另兩根與電橋的兩臂相接。 圖 2-6 工業(yè)金屬熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖圖 2-7 熱電阻的三線制接法 2. 半導(dǎo)體熱敏電阻 半導(dǎo)體熱敏電阻是將一些金屬氧化物按一定比例混合，壓制和燒結(jié)而成的，它利用其電阻值隨溫度變化的特性來(lái)測(cè)量溫度。它具有溫度系數(shù)大、熱慣性小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但是其穩(wěn)定性和互換性不夠好，一般用于家電和汽車等行業(yè)的溫度測(cè)量。 根據(jù)材料和制造工藝的不同，有三種不同類型的半

32、導(dǎo)體熱敏電阻：負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient, NTC）熱敏電阻、正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient, PTC）熱敏電阻和臨界溫度系數(shù)（Critical Temperature Coefficient, CTC）熱敏電阻。其熱敏電阻的溫阻特性如圖 2-8 所示。負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻主要用于測(cè)量溫度，測(cè)溫范圍大約在 -50300之間，但存在非線性。其他兩類熱敏電阻在某個(gè)溫度段內(nèi)，阻值變化劇烈急劇上升或下降，利用其特性，可制成溫度開關(guān)元件。 2. 2. 4 溫度變送器溫度變送器 變送器（Transmitter）

33、是一種將被測(cè)過(guò)程參數(shù)變換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)的儀表，它是電動(dòng)單元組合儀表（DDZ儀表）的主要品種之一。DDZ儀表有型和 型之分， 型為早期版本，它采用晶體管等分立元件，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為 010mA 直流電流（或 05V 直流電壓）；型為當(dāng)今版本，它選用集成電路，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為 420mA 直流電流，或者 15V 直流電壓。 圖 2-8 半導(dǎo)體熱敏電阻溫阻特性 從儀表使用來(lái)看，變送器涉及零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移，以及量程調(diào)整的問(wèn)題。變送器零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移的目的是要使變送器輸出的下限值 （型儀表為4mA直流電流）與測(cè)量值的下限值 相對(duì)應(yīng)。當(dāng) 時(shí)，若 mA直流電流，則需進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整，使其為 4mA 直流電流；當(dāng) ，若 (

34、4mA直流)，則需進(jìn)行零點(diǎn)遷移，即將測(cè)量起始點(diǎn)由原來(lái)的零遷移到某一正值或負(fù)值。測(cè)量起始點(diǎn)由零遷為某一正值，則稱其為正遷移；測(cè)量起始點(diǎn)由零遷為某負(fù)值，則稱為負(fù)遷移。變送器零點(diǎn)遷移之后，輸入輸出特性僅僅沿x軸方向向左或右平移一段距離，其斜率并無(wú)變化，如圖 2-9 所示。 minyminxmin0 xmin4ymin0 xminyy 圖 2-9 變送器零點(diǎn)遷移(a) 未遷移(b) 正遷移(c) 負(fù)遷移 量程調(diào)整也稱滿度調(diào)整，它是使變送器輸出信號(hào)的上限 （型儀表為 20mA 電流）與被測(cè)值的上限 相對(duì)應(yīng)，量程調(diào)整相當(dāng)于改變變送器輸入輸出特性的斜率。如圖 2-10。 maxymaxx圖 2-10 變送器

35、量程調(diào)整前后輸入輸出特性 溫度變送器的功能是將熱電偶或熱電阻的輸出電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和線性化等處理后，變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)輸出。溫度變送器從信號(hào)制式上說(shuō)，有模擬式和數(shù)字式之分。模擬式溫度變送器由模擬電路和器件組成，輸出也為模擬信號(hào)，目前廣泛使用的 DDZ-III 型溫度變送器就屬于這類；數(shù)字式溫度變送器是一類新型變送器，它采用了微處理器技術(shù)，具有濾波、放大、轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償?shù)榷喾N信號(hào)處理功能，輸出既可是模擬信號(hào)，又可為數(shù)字信號(hào)。此處僅討論模擬變送器。 1. DDZ-型溫度變送器 該型溫度變送器的特點(diǎn)是：采用線性集成電路，提高了儀表的可靠性、穩(wěn)定性；根據(jù)需要，采用線性化方法，使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系；采取安

36、全火花防爆措施，產(chǎn)品可用于危險(xiǎn)場(chǎng)所。 目前被廣泛使用的模擬式溫度變送器，其結(jié)構(gòu)如圖 2-11 所示。從功能上說(shuō)，它由量程單元和放大單元兩部分組成。量程單元可接受來(lái)自熱電偶、熱電阻或直流毫伏輸入三種信號(hào)的輸入，其主要功能是將來(lái)自溫度傳感器的毫伏信號(hào) 和反饋信號(hào) 進(jìn)行疊加，并送往放大單元，調(diào)整電路用于熱電偶冷端補(bǔ)償、熱電阻三線接入、零點(diǎn)遷移或量程調(diào)整等；放大單元進(jìn)行電壓放大和功率放大，隔離后輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號(hào)，該單元具有通用性。各部分工作電源采用了安全防爆措施（這部分內(nèi)容將在第 4 章詳細(xì)介紹），以便溫度檢測(cè)變送器可用于多種危險(xiǎn)生產(chǎn)場(chǎng)所。圖 2-11 中的虛線表示供電回路，實(shí)線為檢測(cè)信號(hào)回路

37、。 iufu 2. 量程單元 通常見到的量程單元有直流毫伏量程單元、熱電偶量程單元和熱電阻量程單元等，它們分別連接不同的轉(zhuǎn)換元件，并將其輸入信號(hào)和反饋信號(hào)傳送至放大單元。 圖 2-11 溫度變送器結(jié)構(gòu)方框圖 1) 直流毫伏量程單元 圖 2-12 為直流毫伏量程單元電路圖，它由三部分組成：輸入電路、零點(diǎn)調(diào)整遷移電路和反饋電路。 圖 2-12 直流毫伏量程單元電路 輸入電路由 、 、 、穩(wěn)壓管VS1和VS2等組成，它的功能是濾波和限能。 、 和 組成低通濾波器，去除由毫伏輸入信號(hào) 傳來(lái)的交流成分，減少交流干擾。穩(wěn)壓管VS1和VS2起限壓作用，即當(dāng)輸入端出現(xiàn)高壓，并超過(guò)穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓范圍時(shí)，它們便導(dǎo)通

38、，起限幅作用，圖中用兩個(gè)穩(wěn)壓管的目的是增強(qiáng)可靠性。 1R2R1C1R2R1Ciu 零點(diǎn)調(diào)整遷移電路由 RP1、R3R7 等組成，其功能是實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)遷移。隨著電位器 RP1 活動(dòng)臂的移動(dòng)，滑動(dòng)點(diǎn)對(duì)地的電位為 ，它與輸入信號(hào) 疊加后，送至集成運(yùn)算放大器的同相輸入端 。 zuiuTu 反饋電路由 、 電位器 和 等組成，其功能是與放大單元一起構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋，當(dāng)輸入一定時(shí)，輸出穩(wěn)定。該反饋部分將放大單元的輸出信號(hào)經(jīng)隔離后（為 ），反饋至橋式電路，并經(jīng) 的滑動(dòng)臂分壓后變?yōu)?，送至集成運(yùn)算放大器的反相輸入端 。f1Rf2R2CfRPfuFufufRP 下面具體看看輸出與輸入 和電橋電源 的關(guān)系。iuzu 設(shè)

39、計(jì)電路，使其滿足下列條件 5314RRRPR 57RR76RR12fRRRP 由疊加原理和電路定理，有6f 2f6Ffz6f 2ff15RRRPRuuuRRRPRR（2-3） 31Tiz5RRPuuuR（2-4） ， 設(shè)135RPRRf6f 2f6f 2f1RPRRRPRRR65RR并考慮 為近似理想運(yùn)算放大器，從而有 。由式（2-3）和（2-4）有 2AFTuu1fiz()uuu假如反饋電壓 為輸出電壓 的1/5（通常變送器輸出與反饋之間為 5 倍關(guān)系），則 fu0u10fiz55()uuuu（2-5） 兩點(diǎn)說(shuō)明： （A）當(dāng) 處在 時(shí)，應(yīng)有 , 若 一定，則可通過(guò)調(diào)節(jié) 和 ，分別實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)遷移

40、和量程調(diào)整。即輸入 為 時(shí)，變送器輸出應(yīng)為1V（或4mA）直流，否則調(diào) iuiminimaxuu015Vu 1RPfRPiuiminu1RP( )，輸入 為 時(shí)，變送器輸出應(yīng)為 5V（或 20mA）直流，否則調(diào) ( )。 iuimaxufRP （B）式 (2-5) 中 為調(diào)零項(xiàng)，若 ，即 ，則實(shí)現(xiàn)負(fù)遷移，若 ， z()u136RPRR即 ，則為正遷移。 136RPRR 2）熱電偶量程單元 熱電偶量程單元如圖 2-13 所示，它由輸入回路、冷端溫度補(bǔ)償與調(diào)整回路、以及非線性反饋回路組成。它與直流毫伏量程單元有些相似，但是，輸入電橋中增加了銅電阻，用以補(bǔ)償冷端溫度。除此之外，它還增加了集成運(yùn)算放大

41、器 、穩(wěn)壓管 等非線性校正電路，以實(shí)現(xiàn)被測(cè)溫度與輸出電壓或電流之間的線性關(guān)系。 1A36DD，圖2-13 熱電偶量程單元 鑒于輸入回路與冷端補(bǔ)償前面已經(jīng)介紹過(guò)，下面談?wù)劮蔷€性反饋回路。由于熱電偶的熱電勢(shì)與被測(cè)溫度之間存在非線性關(guān)系，這將給控制帶來(lái)麻煩，所以，技術(shù)上需要采取線性化處理措施。這里采用反饋回路中加入非線性校正電路的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)線性化。 從電路的角度看，非線性反饋回路由基準(zhǔn)電壓電路和非線性模擬電路兩部分組成。先看看基準(zhǔn)電壓電路，它是由恒流源、穩(wěn)壓器和分壓器組成的，如圖2-14所示。其中， 、 、 和r1er2er3er4e分別為運(yùn)算電路提供的基準(zhǔn)電壓。 圖 2-14 基準(zhǔn)電壓回路圖 假如

42、穩(wěn)壓管 和 穩(wěn)壓值分別為 和 ，晶體三極管 的基射極壓降為 ，由基爾霍夫電壓定律，有8D7D8DV7DVbeV5V134D8beI RVV于是有D8be1134VVICR其中為 常數(shù)。如果各基準(zhǔn)電壓供電的負(fù)載電阻都很大，可認(rèn)為 1CD7323225312627302829()()()()VICRRRRRRRR 其中 為常數(shù)。根據(jù)基爾霍夫電流定律，有 2CD71312IIICC常數(shù) 由此可知，當(dāng)電源電壓V變化時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管 的電流 基本不變，所以使穩(wěn)壓管 的穩(wěn)壓值 保持恒定，進(jìn)而各分壓器給出各路基準(zhǔn)電壓 、 、 和 不受電源波動(dòng)影響。 7DD7ID7Vr1er2er3er4e 非線性模擬電路的目

43、的就是要利用集成運(yùn)算電路，模擬一個(gè)與熱電偶相同的非線性輸入輸出關(guān)系，利用反饋原理，抵消非線性影響，使變送器輸出的信號(hào)與被測(cè)溫度之間呈線性關(guān)系。 圖2-15為非線性模擬電路，它由運(yùn)算放大器 、穩(wěn)壓管 、電阻 等組成，基準(zhǔn)電壓 分別接至穩(wěn)壓管 。1A36DD1223RR14rree36DD 放大單元中的功率放大器的輸出反饋電壓 作為非線性模擬電路的輸入，進(jìn)入運(yùn)算放大器 的同相輸入端， 的輸出 經(jīng) 組成的分壓器，送至調(diào)零調(diào)量程回路，同時(shí)，經(jīng)非線性運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)反饋到 的反相輸入端。如果電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇恰當(dāng)，可使得非線性模擬電路的輸入 與輸出 特性模擬熱電偶的非線性特性，并通過(guò)調(diào)零調(diào)量程回路，反饋至放大單

44、元，使模擬熱電偶非線性特性與原熱電偶非線性特性相互抵消，最終獲得從熱電偶被測(cè)端的溫度到變送器的輸出電流（或電壓）之間呈現(xiàn)性關(guān)系。具體說(shuō)明如下。 fuou1A1A1214RR1Afuou7D圖 2-15 非線性模擬電路 圖2-16為熱電偶量程單元線性化原理圖，變送器輸出反饋電壓 與被測(cè)溫度 t 之間的關(guān)系為 fufab( )1( )uKftK f圖2-16 熱電偶量程單元線性化原理圖 其中， 為熱電偶溫度-熱電動(dòng)勢(shì)非線性特性， 為采用分段線性化方法逼近 的非線性校正特性，K為運(yùn)算放大器放大系數(shù)。假如 ，且有 ，于是有 a( )fb( )fK a( )fba( )( )ffafb( )( )fVt

45、tf 顯然， 越逼近 ，線性化效果越好。圖2-17為 逼近 （該曲線未畫出）曲線圖，橫坐標(biāo)為反饋電壓 ，縱坐標(biāo)為 輸出 ，它由四段折線組成，各段折線斜率 互不相同，并且 ，折線拐點(diǎn)a、b、c和d對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)為 、 、 和 。下面結(jié)合圖2-15具體談?wù)勲娐穼?shí)現(xiàn)。 b( )fa( )fa( )fb( )ffuouir1234rrrrf1o1(,)uuf 2o2(,)uuf 3o3(,)uuf 4o4(,)uu1A 當(dāng)熱電偶傳來(lái)的信號(hào) 為零時(shí)，變送器的輸出為4mA（或1V）直流，模擬非線性曲線處在a點(diǎn)，其坐標(biāo)為 ，此時(shí)設(shè)計(jì)所有穩(wěn)壓管 均不導(dǎo)通，此時(shí) 通過(guò)非線性網(wǎng)絡(luò)的 、 到達(dá) 反相輸入端。隨著熱電偶

46、輸入電壓升高，即 ， 從 開始增大， 也從 開始沿ab段增大。當(dāng)?shù)竭_(dá)b點(diǎn)時(shí)， ， ，電路設(shè)計(jì)使 （ 為穩(wěn)壓管 的穩(wěn)壓值， 為基準(zhǔn)電壓），從而使 處于導(dǎo)通，而 仍不導(dǎo)通，此時(shí) 除了像a點(diǎn)的 2Aiuf1o1(,)uu36DDo1u15R20Ri0u fuf1uouo1uff 2uuo2ouuo2D6r1uVeD6V6Dr1e6D35DDo2u圖2-17 模擬非線性曲線 3) 熱電阻量程單元 熱電阻量程單元電路如圖2-18所示，它與直流毫伏量程單元相似，但是輸入電路采用了三線制接法，其目的是要消除引線電阻引起的測(cè)量誤差。圖2-18中， 為熱電阻，處在電橋的一個(gè)臂端上， 起穩(wěn)壓作用， 可進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整

47、， 可進(jìn)行量程調(diào)整。 tR1RP2RP14VSVS 必須指出，如果熱電偶非線性曲線不同，本模擬非線性電路的參數(shù)也應(yīng)相應(yīng)變化，最終使模擬非線性曲線與熱電偶非線性曲線基本一致，這樣才能達(dá)到線性化的目的。 一樣反饋至 的反相輸入端外，還增加了沿 、 、 和 支路反饋，從而使輸出量大增，因而 沿bc段，以 斜率增大，其增長(zhǎng)速率快于 ab 段。如此類推，隨著 繼續(xù)增大， 隨之增大， 、 和 依次導(dǎo)通，反饋支路增加，上升斜率進(jìn)一步增大，最終形成ab、bc、cd 和 de 折線，模擬熱電偶非線性曲線。 o1u1A15R19R6D2r1()riufu5D4D3D21Rou圖2-18 熱電阻量程單元 此外，反饋

48、電壓 經(jīng) 和 分壓后，將 上的電壓輸給 同相輸入端，構(gòu)成正反饋。選用鉑電阻時(shí)，由于其分度特性具有“類飽和”性質(zhì)，即隨著溫度升高，輸出電動(dòng)勢(shì)增長(zhǎng)趨勢(shì)減小。但是，正反饋卻可彌補(bǔ)其增長(zhǎng)不足，使得 輸出電壓隨溫度的增長(zhǎng)呈線性特性。如果采用銅電阻，由于其在測(cè)溫范圍內(nèi)線性度較好，所以無(wú)需進(jìn)一步采取線性化措施，相應(yīng)的線性化電路部分可以拆除。 fufRtR2AtR2A 3. 放大單元 放大單元連接上述三種量程單元的輸出和反饋，具有通用性。由圖 2-11 可知，它由集成運(yùn)算放大器、功率放大器、輸出隔離電路和直流-交流-直流變換器等組成（見圖 2-11 右半部分）。其作用是將量程單元送來(lái)的毫伏電壓信號(hào)進(jìn)行電壓放大

49、和功率放大，通過(guò)隔離后，輸出 420mA 的直流電流信號(hào)，或者 15V 的直流電壓信號(hào)，并將輸出電壓反饋至量程單元。其中的直流-交流-直流變換器具有安全防爆功能（后面章節(jié)將具體介紹），具體電路見圖 2-19 所示（見下頁(yè)）。 輸出變壓器 的二次電流是正負(fù)對(duì)稱的交流電流，由于 的二次繞組與隔離變壓器繞組串連， 的二次電流經(jīng) 整流和 、 濾波后，可獲得與輸出電流 成比例的直流反饋電壓，并通過(guò)端子11和 5 反饋到量程單元，完成非線性校正功能。 r2Tr2Tr3Tf1f 4VDVDf1Rf 2Cr3ToI 為了安全防爆和提高變送器抗共模干擾能力，直流電源也采取了變壓器隔離措施，即直流-交流-直流變換

50、。直流24V電源通過(guò)熔絲 、電容 和二極管 進(jìn)入放大單元，當(dāng)過(guò)高的直流電壓或交流電壓加到電源兩端時(shí)，將在二極管電路中產(chǎn)生大電流，并燒毀熔絲，切斷電源。直流電源經(jīng)由 、 和變壓器 等構(gòu)成的多諧振蕩器，轉(zhuǎn)換成交流方波信號(hào)。經(jīng)由變壓器 的二次側(cè)，將交變信號(hào)整流、濾波和穩(wěn)壓后，獲得9V直流電源，給集成運(yùn)算放SFS1CS1S4VDVD1VT2VTr1Tr1T圖 2-19 放大單元原理圖 大器 供電，并由端子10、5 送往各量程單元的集成穩(wěn)壓器，為電橋電路提供電源。 2A2.2.5 溫度檢測(cè)儀表的選擇溫度檢測(cè)儀表的選擇 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，溫度檢測(cè)儀表的種類越來(lái)越多，性能越來(lái)先進(jìn)，根據(jù)實(shí)際需要，合理

51、、恰當(dāng)?shù)剡x擇溫度檢測(cè)儀表顯得很重要。以下幾條是選擇溫度檢測(cè)器需要注意的： 1. 根據(jù)工藝和參數(shù)的誤差要求，合理確定溫度檢測(cè)儀表的精度等級(jí)，以及測(cè)溫范圍。儀表的精度等級(jí)越高，測(cè)量值與實(shí)際值越接近，但價(jià)格也越貴，所以溫度檢測(cè)滿足精度是一條基本要求，這也是保證整個(gè)控制系統(tǒng)控制精度符合要求的基礎(chǔ)；同時(shí)儀表的測(cè)量范圍也要符合實(shí)際，通常要求實(shí)際測(cè)量范圍為儀表測(cè)量范圍的 90%，如果兩者相差較大，會(huì)影響精度或浪費(fèi)資源。 2. 從使用角度說(shuō)，選用的儀表應(yīng)讀數(shù)方便顯目、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、調(diào)整和維護(hù)便利。 3. 通常熱電偶多用于測(cè)量較高溫度，熱電阻的測(cè)溫范圍低一些，且無(wú)需冷端補(bǔ)償。 4. 注意一些特殊場(chǎng)合、工藝流程對(duì)

52、溫度檢測(cè)儀表的要求，如防爆、高壓、振動(dòng)、腐蝕、碰撞等環(huán)境，檢測(cè)器往往采用特別材料、外套保護(hù)層等措施應(yīng)對(duì)。 2.3.1 壓力的定義、單位和儀表類型壓力的定義、單位和儀表類型 工程技術(shù)上，垂直均勻地作用于單位面積上的力稱為壓力。國(guó)際單位制的壓力單位是：帕斯卡（Pascal, Blaise Pascal was a French scientist），簡(jiǎn)稱帕（Pa），它表示1牛頓的力垂直均勻2.3 壓力檢測(cè)與變送壓力檢測(cè)與變送地作用在1平方米面積上形成的壓力，即 。有時(shí)嫌該單位過(guò)小，工程上常用兆帕（MPa）表示， 。值得一提的是，工程技術(shù)中的壓力與物理學(xué)中的壓強(qiáng)有相同的概念。 21Pa1N / m6

53、1MPa=10 Pa 還有一些壓力單位在實(shí)際中也被采用，如工程大氣壓、毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（Atmospheric Pressure, atm）等，它們的定義，以及與Pa之間的關(guān)系如表2-4所示。 表表 2- 4 幾種其它的壓力單位及其與幾種其它的壓力單位及其與Pa的關(guān)系的關(guān)系 序號(hào)名稱定 義與Pa的關(guān)系1工程大氣壓1cm2面積上垂直均勻地作用1kg力1kgf/cm2=9.906651042毫米汞柱在標(biāo)準(zhǔn)重力加速度下，1cm2面積上，1mmHg重量產(chǎn)生的壓力1mmHg=133.3224Pa3毫米水柱標(biāo)準(zhǔn)重力下，1cm2面積上1mmH2O重量產(chǎn)生的壓力1mmH

54、2O=980665Pa4標(biāo)準(zhǔn)大氣壓水銀在地球緯度45的海平面上形成的水銀柱壓力1atm=101325Pa 被測(cè)壓力往往有如下幾種表示： 絕對(duì)壓力：介質(zhì)承受的實(shí)際壓力，這里用 表示。 P絕 表壓：高于大氣壓的絕對(duì)壓力與大氣壓之差： ，其中， 為大氣壓； P =P-P表大絕1P大 負(fù)壓（真空度）：大氣壓與低于大氣壓的絕對(duì)壓力之差： ； PPP大絕2負(fù) 差壓：兩測(cè)點(diǎn)之間的絕對(duì)壓力差值，可用 表示。12PP-P絕絕 它們之間的關(guān)系見圖 2-20。由于工藝設(shè)備和測(cè)量?jī)x表本身就處在大氣壓下，所以用表壓或真空度來(lái)表示壓力大小較為方便。 圖 2-20 各種壓力之間的關(guān)系 目前測(cè)量壓力、壓差和負(fù)壓的儀表不少，根

55、據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同，壓力檢測(cè)可分為以下四類： 1. 液柱式壓力檢測(cè)器 根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度的測(cè)量計(jì)。通常有U形管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)和斜管壓力計(jì)等，常用于實(shí)驗(yàn)室的低壓、負(fù)壓和壓力差的檢測(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)。但只能目測(cè)獲得結(jié)果，不可遠(yuǎn)傳，并且測(cè)量范圍比較窄。 2. 彈性式壓力檢測(cè)器 將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成位移來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的器具。常見的有彈簧管壓力計(jì)、波紋管壓力計(jì)和膜式壓力計(jì)等。 3. 電氣式壓力檢測(cè)器 利用敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電壓、電流、電容或頻率等，如電容式壓力變送器、電阻式壓力檢測(cè)器等。它具有量程大、線性度好以及便于遠(yuǎn)距離傳送等特點(diǎn)。 4. 活塞式壓力檢測(cè)器 基于

56、液體傳送壓力的原理，將被測(cè)壓力與活塞上所加砝碼質(zhì)量進(jìn)行平衡來(lái)進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量精度可達(dá)很高。由于需要人工增減砝碼，自動(dòng)測(cè)量很困難，多作為標(biāo)準(zhǔn)壓力測(cè)量?jī)x，用來(lái)檢驗(yàn)和校核其它型壓力計(jì)。 以上四類壓力檢測(cè)儀表中，彈性壓力檢測(cè)器和電氣壓力檢測(cè)器使用最為廣泛。 2.3.2 彈性式壓力檢測(cè)儀表彈性式壓力檢測(cè)儀表 利用彈性元件在外力作用下產(chǎn)生形變來(lái)測(cè)量壓力，稱這類儀表為彈性壓力檢測(cè)儀表。其彈性元件通常有彈性膜片、波紋管、彈簧管等，如圖 2-21 所示。 1. 彈性單膜片 膜片一般是用金屬薄片支撐的，有時(shí)也用橡皮膜。由于該膜片位移較小，多用來(lái)測(cè)量微壓和粘滯性介質(zhì)壓力。 2. 波紋管 是用金屬薄管折皺成的筒體，形

57、狀像手風(fēng)琴的風(fēng)箱。當(dāng)其受到軸向壓力作用時(shí), a) 彈性膜片 b) 波紋管 c) 彈簧管 d) 多圈彈簧管能使自由端沿軸向產(chǎn)生較大的伸長(zhǎng)或收縮，靈敏度較高，常用于不超過(guò) 1MPa 的壓力測(cè)量。 圖 2-21 壓力儀表中的彈性元件 3. 彈簧管 由于它是法國(guó)人波登發(fā)明的，所以也稱波登管（Bourdon tube）。將扁圓形或橢圓形的金屬空心管彎成圓弧形，一端封口作為自由端，另一端作為測(cè)量端，沖入壓力氣體或液體。當(dāng)被測(cè)壓力自固定端輸入后，由于彈簧管的非圓橫截面積，壓力使管有變圓并伸直的趨勢(shì)，產(chǎn)生的力矩使自由端向后（送氣方向）位移，中心角變小。被測(cè)壓力越大，自由端位移也越大。因而它可以反映被測(cè)壓力大小

58、。另外，還有多圈的彈簧管，通以同樣的壓力，其自由端位移量比單圈的大。 從制作材料上看，不銹鋼、磷青銅的彈簧剛性較大，多用來(lái)測(cè)高壓；黃銅的彈簧管剛性較小，可用來(lái)測(cè)低壓。 2.3.3 電氣式壓力檢測(cè)儀表電氣式壓力檢測(cè)儀表 利用壓力敏感元件，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電阻、電容或電壓等電信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出或顯示。常用的電氣式壓力檢測(cè)器有應(yīng)變式、壓阻式、壓力傳感器和電容式差壓變送器等。 1. 應(yīng)變壓力傳感器 應(yīng)變壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變?cè)砉ぷ鞯?，它分金屬?yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬應(yīng)變片是基于金屬材料電阻應(yīng)變效應(yīng)工作的，即金屬導(dǎo)體的電阻值隨著它受力所產(chǎn)生機(jī)械變形(拉伸或壓縮)的大小而

59、發(fā)生變化的原理；半導(dǎo)體應(yīng)變片是基于壓阻效應(yīng)工作的，即當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，由于載流子遷移率變化，使其電阻率發(fā)生變化的原理。利用電阻應(yīng)變片或半導(dǎo)體應(yīng)變片將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，再利用橋式電路獲得毫伏級(jí)電壓信號(hào)，最后通過(guò)變送器轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。下面以金屬應(yīng)變片為例，予以討論。 應(yīng)變片電阻值LRS其中，L為電阻絲長(zhǎng)度，S為電阻絲橫截面積， 為材料電阻率。對(duì)上式取微分，有 2ddddLLL SRSS 金屬電阻值變化的兩種情況：被測(cè)壓力使應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變，金屬絲被拉長(zhǎng)，橫截面積變小，其阻值變大；當(dāng)金屬絲被壓縮變形時(shí)，絲長(zhǎng)變短，橫截面積變大，阻值變小。將應(yīng)變片的阻值變化通過(guò)橋式電路轉(zhuǎn)化為電壓變化（毫

60、伏級(jí)），并經(jīng)放大輸出。 圖 2-22 a) 是一個(gè)應(yīng)變片傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為應(yīng)變筒，2為外殼，3為膜片。兩塊應(yīng)變片 和 分別以軸向和徑向用膠合劑固定在應(yīng)變筒上， 作為測(cè)量片， 作為補(bǔ)償片，應(yīng)變筒上端與外殼 2 相連，下端與不銹鋼密封膜片 3 相連，應(yīng)變片與筒體相互絕緣。當(dāng)被測(cè)壓力作用于膜片時(shí)，應(yīng)變筒軸向受壓變形， 產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)變 ，其阻值減小 ；徑向應(yīng)變片受到縱向拉伸應(yīng)變 ， 的阻值增大，但由于 ，所以 。1R1R1R2R2R2R11R22121RRa ）傳感筒 b) 測(cè)量橋 圖 2-22 應(yīng)變片式壓力傳感器結(jié)構(gòu)與測(cè)量電路圖 2-22 b) 是由應(yīng)變片 和 ，以及固定電阻 和 組成的測(cè)