Lesson04-溫度檢測儀表B

1、過程控制系統(tǒng)及自動化儀表過程控制系統(tǒng)及自動化儀表溫度測量儀表溫度測量儀表o非接觸式溫度檢測儀表o接觸式溫度檢測儀表n非電量參數：膨脹式、壓力式n電量參數：o熱電偶熱電效應o熱電阻o半導體溫度檢測儀表溫度檢測儀表2.2.3 熱電阻測溫原理熱電阻測溫原理 o在中、低溫區(qū)，熱電偶輸出的熱電動勢很??；在中、低溫區(qū)，熱電偶輸出的熱電動勢很??；o而在中、低溫區(qū)，用熱電阻比用熱電偶做為測而在中、低溫區(qū)，用熱電阻比用熱電偶做為測溫元件時的測量精確度更高；溫元件時的測量精確度更高；o熱電阻有金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類；熱電阻有金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類；o熱電阻特點熱電阻特點 性能穩(wěn)定、測量精度高，一般

2、可在性能穩(wěn)定、測量精度高，一般可在-270900范圍內使用（推薦在范圍內使用（推薦在150以下時選用）。以下時選用）。熱電阻的材料要求熱電阻的材料要求o一般要求工業(yè)熱電阻的材料應具有：一般要求工業(yè)熱電阻的材料應具有：n電阻溫度系數大；電阻溫度系數大；n電阻率大；電阻率大；n熱容量?。粺崛萘啃?；n在測溫范圍內具有穩(wěn)定的物理和化學性能；在測溫范圍內具有穩(wěn)定的物理和化學性能；n良好的復制性；良好的復制性；n電阻隨溫度的變化呈線性關系等電阻隨溫度的變化呈線性關系等 。常用金屬熱電阻材料常用金屬熱電阻材料o目前世界上用作熱電阻的材料主要有鉑、銅目前世界上用作熱電阻的材料主要有鉑、銅及鎳，也有及鎳，也有銦

3、電阻、錳電阻及碳電阻；銦電阻、錳電阻及碳電阻；o我國鎳儲量較少，故只采用鉑、銅兩種金屬我國鎳儲量較少，故只采用鉑、銅兩種金屬熱電阻。熱電阻。電阻溫度關系：電阻溫度關系： R t =R0 1+At+Bt2+C(t-100)t3 (-2000) R t =R0 (1+At+Bt2) ( 0850)鉑電阻有兩種分度號：鉑電阻有兩種分度號：Pt10, Pt1001. 鉑電阻鉑電阻 鉑材料容易提純，其化學、物理性能穩(wěn)定；測溫鉑材料容易提純，其化學、物理性能穩(wěn)定；測溫復現性好、精度高。被國際電工委員會規(guī)定為復現性好、精度高。被國際電工委員會規(guī)定為-259+630 間的基準器間的基準器，但，但線性度稍差線性

4、度稍差，常用于，常用于-200+600 溫度測量。溫度測量。2. 銅電阻銅電阻銅電阻價格銅電阻價格便宜便宜，線性度好線性度好，但溫度稍高，但溫度稍高易氧化易氧化，常用于常用于-50+100 溫度測量。銅電阻有兩種分度號：溫度測量。銅電阻有兩種分度號：Cu50 ，Cu100 。電阻溫度關系：。電阻溫度關系： R t = R0 (1 +t) (-50150) 熱電阻的結構型式熱電阻的結構型式常見結構型式：常見結構型式： 普通型熱電阻普通型熱電阻 鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻以云母片或石英玻璃柱作骨架，將金屬絲用雙線法繞在骨架上，以消除電感。 薄膜型熱電阻薄膜型熱電阻熱電阻結構熱電阻結構普通型普通型鎧裝型鎧

5、裝型薄膜型薄膜型熱電阻的三線制接法熱電阻的三線制接法電阻測溫信號通過電橋轉換成電壓時，熱電阻的接電阻測溫信號通過電橋轉換成電壓時，熱電阻的接線如用兩線接法，接線電阻隨溫度變化會給電橋輸線如用兩線接法，接線電阻隨溫度變化會給電橋輸出帶來較大誤差，必須用三線接法。出帶來較大誤差，必須用三線接法。熱電阻一端接兩根導線熱電阻一端接兩根導線(一根為電源一根為電源)，另一端接一，另一端接一根導線，分別將兩端引線接入兩個橋臂，能較好的根導線，分別將兩端引線接入兩個橋臂，能較好的消除電阻影響。消除電阻影響。另外，還可采用四線制接法。另外，還可采用四線制接法。測量儀表測量儀表R t三線制接法三線制接法二線制接法

6、二線制接法 vs. 三線制接法三線制接法此時電橋平衡條件：此時電橋平衡條件：此時電橋平衡：此時電橋平衡：RtR1rrrR3R4abR2RtR1rrR3R4R224134231()()()ttRr RR RRRRRrRR2413423231()()()ttRr RR RRrRRrRRrRRR 熱敏電阻熱敏電阻半導體材料的電阻值具有半導體材料的電阻值具有負溫度系數負溫度系數，可作為溫度傳感元件。，可作為溫度傳感元件。主要特點：主要特點：溫度()1081061041021001601208040電阻()負溫度系數熱敏電阻特性負溫度系數熱敏電阻特性 電阻率大電阻率大電阻體積小，響應快；電阻體積小，響應

7、快； 溫度系數大溫度系數大靈敏度高；靈敏度高； 非線性嚴重非線性嚴重影響精度。影響精度。 溫度特性分散溫度特性分散互換性差互換性差 2.2.4 集成溫度傳感器集成溫度傳感器o利用利用PN結的伏安特性與溫度之間的關系研制的一種結的伏安特性與溫度之間的關系研制的一種固態(tài)傳感器。將溫敏晶體管和外圍電路集成在一個固態(tài)傳感器。將溫敏晶體管和外圍電路集成在一個芯片上構成，相當于一個測溫器件。芯片上構成，相當于一個測溫器件。o特點：特點：n體積小，價格低；體積小，價格低；n熱慣性小、反應快；熱慣性小、反應快；n測溫精度高；測溫精度高；n測溫范圍為測溫范圍為-50150；n穩(wěn)定性好，線性度好。穩(wěn)定性好，線性度

8、好。o分電壓型、電流型、數字型，分電壓型、電流型、數字型， 電壓型溫度系數約電壓型溫度系數約10mV/ ， 電流型溫度系數約電流型溫度系數約1A/ 。 2.2.5 接觸測溫元件的安裝與選型原則接觸測溫元件的安裝與選型原則 安裝原則：安裝原則：o測量流動介質（管道內）溫度時，應保證傳測量流動介質（管道內）溫度時，應保證傳感器與介質充分接觸，與被測介質成逆流狀感器與介質充分接觸，與被測介質成逆流狀態(tài)（至少呈正交式）安裝。態(tài)（至少呈正交式）安裝。 o感溫點應處于管道中流速最大的地方。感溫點應處于管道中流速最大的地方。 o盡可能增大盡可能增大傳感器的插入深度，溫度計應斜傳感器的插入深度，溫度計應斜插或

9、在管道彎頭處插入。插或在管道彎頭處插入。 o當測溫管道過細（直徑小于當測溫管道過細（直徑小于80 mm）時，安時，安裝測溫元件需加裝擴充管。裝測溫元件需加裝擴充管。 安裝原則（續(xù)）安裝原則（續(xù)）o熱電偶及熱電阻在安裝時，應使其接線盒的熱電偶及熱電阻在安裝時，應使其接線盒的面蓋向下，以免雨水或其他污物滲漏。面蓋向下，以免雨水或其他污物滲漏。 o安裝在負壓管道上的溫度計，必須要保證良安裝在負壓管道上的溫度計，必須要保證良好的密封性，以防外界冷空氣進入。好的密封性，以防外界冷空氣進入。 o用熱電偶測量爐膛溫度時，應避免與火焰直用熱電偶測量爐膛溫度時，應避免與火焰直接接觸；避免把熱電偶安裝在爐門旁或與

10、熱接接觸；避免把熱電偶安裝在爐門旁或與熱物體距離過近之處。物體距離過近之處。o接線盒不應碰到被測介質的器壁，以免熱電接線盒不應碰到被測介質的器壁，以免熱電偶冷端溫度過高。偶冷端溫度過高。 選型原則選型原則 o儀表的精度等級應根據生產工藝對參數允許偏儀表的精度等級應根據生產工藝對參數允許偏差的大小確定。差的大小確定。 o儀表選型應力求操作方便、運行可靠、經濟、儀表選型應力求操作方便、運行可靠、經濟、合理等。合理等。o在同一工程中，應盡量減小儀表的品種和規(guī)格。在同一工程中，應盡量減小儀表的品種和規(guī)格。 o一般取實測最高溫度為儀表上限值的一般取實測最高溫度為儀表上限值的90%，而，而30%以下的刻度

11、原則上最好不用。以下的刻度原則上最好不用。選型原則（續(xù)）選型原則（續(xù)）o熱電偶測溫反應速度快、適于遠距離傳送、便熱電偶測溫反應速度快、適于遠距離傳送、便于與計算機聯用、價廉，故只在測量范圍低于于與計算機聯用、價廉，故只在測量范圍低于150時才選用熱電阻。時才選用熱電阻。o熱電偶、補償導線及顯示儀表的分度號要一致。熱電偶、補償導線及顯示儀表的分度號要一致。 o保護套管的耐壓等級應不低于所在管線或設備保護套管的耐壓等級應不低于所在管線或設備的耐壓等級。的耐壓等級。o材料應根據最高使用溫度及被測介質的特性來材料應根據最高使用溫度及被測介質的特性來選擇。選擇。 2.2.6 測溫示例測溫示例p 采用接觸

12、式方法，測溫元件直接插入流體。p 注意合理的選擇測點位置，使測溫元件與流體 充分接觸。u測點位置為代表性地點，避免電磁干擾u有一定的插入深度，感溫點應處于管道中心 流速最大處u高溫管道在引出處加絕熱材料以保溫。測溫元件需保證一定的插入深度測溫元件需保證一定的插入深度p 因煙道直徑較大，應注意減少套管的導熱誤差和 熱輻射誤差，一般選擇接觸式測溫元件。p 測量輔助措施：u在測溫元外圍加熱屏蔽罩u采用抽氣方法加大流速，增強對流換熱， 減少熱輻射煙氣溫度測量示意煙氣溫度測量示意p 為減少測量誤差，提高測量準確性的措施：u合理選擇測量距離： L / d的要求u減小發(fā)射率影響： 改善表面粗糙度，涂覆高發(fā)射

13、率涂料，表面適度氧化u減少光路傳輸損失： 選擇特定工作波長，加裝吹凈裝置或窺視管等u減低背景輻射影響： 加遮光罩、窺視管或選擇特定工作波長2.2.7 可直接與熱電偶、熱電阻配套顯示溫度，可直接與熱電偶、熱電阻配套顯示溫度，是最簡單的模擬指示儀表。是最簡單的模擬指示儀表。熱電偶、熱電阻等熱電偶、熱電阻等的測溫信號，必須經后的測溫信號，必須經后級儀表處理，級儀表處理，n 動圈式儀表實質上是測量電流的儀表，其指示機動圈式儀表實質上是測量電流的儀表，其指示機構的核心部件是一個磁電式毫安表。構的核心部件是一個磁電式毫安表。n 利用通電線圈在磁場中受到力矩的作用產生偏轉利用通電線圈在磁場中受到力矩的作用產

14、生偏轉的原理，帶動裝在動圈上的指針移動，從而指示出的原理，帶動裝在動圈上的指針移動，從而指示出被測參數。被測參數。2. 數字式指示儀表數字式指示儀表數字式指示儀表是以數字數字式指示儀表是以數字電壓表為主體而構成的測電壓表為主體而構成的測量儀表。其原理框圖如下：量儀表。其原理框圖如下： 檢測變送檢測變送 寄存器寄存器 模模/數轉換數轉換 脈沖計數脈沖計數脈沖信號脈沖信號 數字譯碼器數字譯碼器 顯示器顯示器配熱電偶的數字式測溫儀表配熱電偶的數字式測溫儀表標準熱電勢標準熱電勢濾波濾波放大放大線性化線性化標度變換標度變換3.自動記錄儀表自動記錄儀表自動記錄儀能實時記錄被測參數。自動記錄儀能實時記錄被測

15、參數。記錄的方式有紙記錄和無紙記錄兩類。記錄的方式有紙記錄和無紙記錄兩類。數字式記錄儀表數字式記錄儀表形式多樣，內裝形式多樣，內裝CPU，無紙記錄被測參數?？蓪崟r，無紙記錄被測參數?？蓪崟r顯示，也可隨時調出歷史曲線?？啥嗤ǖ烙涗洝ｏ@示，也可隨時調出歷史曲線?？啥嗤ǖ烙涗?。 檢測信號要進入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信檢測信號要進入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號標準。號標準。變送器的任務就是將不標準的檢測信號變送器的任務就是將不標準的檢測信號，如熱電偶、熱電阻的輸出信號轉換成標準信號輸出。如熱電偶、熱電阻的輸出信號轉換成標準信號輸出。 模擬控制系統(tǒng)的信號標準是：模擬控制系統(tǒng)的信號標準是：DDZ

16、 I、II 型：型：010mA、010VDDZ III型：型： 420mA、15V2.2.8 模擬式溫度變送器模擬式溫度變送器模擬式溫度變送器有多個品模擬式溫度變送器有多個品種、規(guī)格，以配合不同的傳種、規(guī)格，以配合不同的傳感元件和不同的量程需要，感元件和不同的量程需要，但結構基本相同。但結構基本相同。-+電量電量傳感元件傳感元件被測溫度被測溫度輸入電路輸入電路放大電路放大電路反饋電路反饋電路輸出電流輸出電流溫度變送器原理框圖溫度變送器原理框圖E1以以DDZ-III型熱電偶溫度變送器為例型熱電偶溫度變送器為例:Et反饋反饋反饋反饋放大電路放大電路 電源電源輸入電路輸入電路輸出電路輸出電路1、輸入

17、電路、輸入電路熱電偶溫度變送器的輸入電路主要是在熱電偶回熱電偶溫度變送器的輸入電路主要是在熱電偶回路中串接一個電橋電路。電橋的功能是實現熱電偶路中串接一個電橋電路。電橋的功能是實現熱電偶的的冷端補償冷端補償和和零點遷移零點遷移。Ei = Et + VRcu - VR4冷端補償設計：冷端補償設計：VRcu t0 = E(t0 ,0)Ei零點調整零點調整溫度補償溫度補償零點遷移零點遷移的作用：的作用：有些工藝的參數變化范圍很小。有些工藝的參數變化范圍很小。例如，某設備的溫度總在例如，某設備的溫度總在5001000之間變化。之間變化。如果儀表測量范圍在如果儀表測量范圍在0 1800之間，則之間，則5

18、00以下、以下、1000以上的測量區(qū)域屬于浪費。因為變送器的輸以上的測量區(qū)域屬于浪費。因為變送器的輸出范圍是一定的?？赏ㄟ^零點遷移，配合量程調整，出范圍是一定的?？赏ㄟ^零點遷移，配合量程調整，使儀表的測量范圍在使儀表的測量范圍在5001000之間，可提高測之間，可提高測量精度。量精度。180050018000變送器輸出變送器輸出Io/mA溫度溫度T/50010000變送器輸出變送器輸出Io/mA溫度溫度T/50010000變送器輸出變送器輸出Io/mA溫度溫度T/204442020 a. 未遷移未遷移 b. 零點正向遷移零點正向遷移 c. 零點正向遷移零點正向遷移 且縮小量程且縮小量程溫度變送

19、器的零點遷移和量程調整溫度變送器的零點遷移和量程調整RP1為零點遷移電位器，為零點遷移電位器，RP2為量程遷移電位器，為量程遷移電位器，改變改變RP2，可改變反饋電壓，可改變反饋電壓Vf的分壓比，即改變反的分壓比，即改變反饋強度，因而改變整個變送器的量程。饋強度，因而改變整個變送器的量程。差動輸入：差動輸入：實際輸入電路實際輸入電路 Et + VRCU IC2 + VRP1 +VRP2 IC2 -Et調調RP1、RP2互相影響。互相影響。2、放大電路、放大電路由于熱電偶輸出的熱電勢為毫伏級信號，放由于熱電偶輸出的熱電勢為毫伏級信號，放大電路必須是大電路必須是高增益低漂移的運放高增益低漂移的運放

20、，同時還，同時還要采取要采取抗干擾抗干擾措施。因為測量元件和連接導措施。因為測量元件和連接導線在現場很容易引入干擾。線在現場很容易引入干擾。實際放大電路實際放大電路 高增益、低漂高增益、低漂移的移的IC2 ，構，構成差動放大器成差動放大器復合管復合管Ta1、Ta2構構成射極輸出器，實成射極輸出器，實現現V-I 的轉換的轉換穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管VD0的作用是的作用是在電流輸出回路斷線在電流輸出回路斷線時，電壓輸出信號不時，電壓輸出信號不受影響受影響調制調制隔離隔離3、反饋電路、反饋電路在反饋電路中需要完成在反饋電路中需要完成量程調整量程調整和和非線性校正非線性校正兩個兩個功能。量程調整實質上是調整放大電

21、路的閉環(huán)放大功能。量程調整實質上是調整放大電路的閉環(huán)放大倍數，通過調節(jié)反饋電阻的大小就可實現。而非線倍數，通過調節(jié)反饋電阻的大小就可實現。而非線性校正則需要一個校正網絡來實現。性校正則需要一個校正網絡來實現。 IoEt-+Et熱電偶熱電偶被測溫度被測溫度T輸入電路輸入電路放大電路放大電路非線性反饋非線性反饋輸出電流輸出電流IoTIoVfT實際反饋電路實際反饋電路IC1及非線性反饋構成的及非線性反饋構成的線性化修正電路，將線性化修正電路，將Vf轉換為電壓轉換為電壓Vf后，反饋到后，反饋到IC2的反相輸入端。的反相輸入端。經經Tf隔離，經整流、濾波，隔離，經整流、濾波，在在Rf、Cf 上得到與上得到與IO成正成正比的直流反饋電壓比的直流反饋電壓Vf為此，為此，24V直直流電源經調制流電源經調制解調后，獲得解調后，獲得9V的直流電的直流電壓供給運算放壓供給運算放大器。大器。4、電源、電源變送器的供電電源是變送器的供電電源是+2