第3章 過程參數(shù)檢測與變送-2 溫度檢測儀表.ppt

1、（二） 溫度的檢測與變送,3、熱電阻溫度傳感器,4、其它溫度傳感器,2、熱電偶溫度傳感器,1、溫度檢測方法,溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程和生活中最常見、最基本的參數(shù)之一。 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。,（一） 溫度的檢測方法,接觸式測溫和非接觸式測溫,表3-1 常用溫度檢測儀表分類及其特點(diǎn),膨脹式溫度計(jì),圖3-4雙金屬溫度計(jì) 1-指針 2-保護(hù)管 3-指針軸 4-雙金屬感溫元件 5-固定端,壓力式溫度計(jì),輻射式溫度檢測儀表,輻射式溫度檢測儀表主要由光學(xué)系統(tǒng)、檢測元件、轉(zhuǎn)換電路和信號處理電路等組成。,（1）高溫輻射溫度計(jì) 高溫輻射溫度計(jì)由光學(xué)玻璃透鏡實(shí)現(xiàn)能量聚集，通過硅光電池實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。光學(xué)透鏡的光

2、通帶波長為0.71.1m，測溫范圍為7002000，硅光電池接受輻射能所產(chǎn)生的電壓信號為020mV。其基本誤差在1500以下時為0.7%，在1500以上時為1%，到達(dá)99%穩(wěn)態(tài)值的響應(yīng)時間小于1ms。因此，該類溫度計(jì)適用于高溫測量。,（2）低溫輻射溫度計(jì) 該類溫度計(jì)由鍺濾光片或鍺透鏡和半導(dǎo)體熱敏電阻構(gòu)成。它接受波長為215m的輻射能，測溫范圍為0200。其基本誤差為1%，響應(yīng)時間為1s。 （3）光電溫度計(jì) 光電溫度計(jì)由光學(xué)玻璃與硫化鉛光敏電阻構(gòu)成。光學(xué)透鏡的光通帶波長為0.62.7m，測溫范圍為400800；基本誤差為1%，響應(yīng)時間為1.5s。 （4）紅外測溫儀 溫度在絕對零度以上的物體，都會

3、因自身的分子運(yùn)動而輻射出紅外線，而且溫度越高，分子運(yùn)動越劇烈，輻射的熱紅外能量越大；反之，輻射的能量越小。紅外測溫儀就是利用紅外線輻射這種電磁波輻射，通過紅外探測器將物體輻射的功率信號轉(zhuǎn)換成電信號。,（二） 溫度的檢測,1、熱電偶溫度傳感器,1）熱電偶的構(gòu)成及測溫原理：,由兩種材質(zhì)不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體焊接在一起構(gòu)成的閉合回路，當(dāng)回路兩端點(diǎn)溫度不同時，回路中就會產(chǎn)生熱電勢（稱為熱點(diǎn)效應(yīng)）并產(chǎn)生電流。當(dāng)一端溫度固定，則熱電勢與另一端溫度成單值對應(yīng)關(guān)系。其表示如下：,（二） 溫度的檢測,是導(dǎo)體A和B分別在溫度t和t0下的接觸電勢,等效電路,（二） 溫度的檢測,2）有關(guān)熱電偶的幾點(diǎn)結(jié)論,（1）若兩種導(dǎo)體

4、相同則無論兩端點(diǎn)溫度如何，回路中熱電勢為零。,（2）若兩端點(diǎn)溫度相同，而A、B材料不同，回路中熱電勢為零。,（3）熱電勢與材料的中間溫度無關(guān)，只與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)。,3）熱電偶的中間導(dǎo)體定律：,在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要第三導(dǎo)體的兩端溫度相同，第三導(dǎo)體的引入不會影響熱電偶的熱電勢。如下圖所示：,（二） 溫度的檢測,證明如下：,（二） 溫度的檢測,當(dāng) 時，,4）中間溫度定律：,（二） 溫度的檢測,熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為T，0時的熱電勢等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為T，T0和T0 ，0時的熱電勢之和。即,5）熱電偶的分度表或 關(guān)系曲線：,對給定的熱電偶通過實(shí)驗(yàn)測得 時， 取不同溫度時的熱電勢

5、數(shù)據(jù)制成的“熱電勢 溫度 對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)表”，稱為該熱電偶的分度表（參見附錄A），也可繪成相應(yīng)的曲線。如下圖所示：,（二） 溫度的檢測,（二） 溫度的檢測,6)熱電偶的冷端處理：,注意事項(xiàng)：a）補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶配套使用；,（2）冷端的延伸補(bǔ)償導(dǎo)線法：,圖示：,（1）冷端恒溫法： 將冷端置于冰水混合液中； 將冷端置于恒溫槽中,（二） 溫度的檢測,b）補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶兩個接點(diǎn)的溫度必須相同；,c）補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極性以其絕緣層的顏色區(qū)分，在使用時，切不可接反（詳細(xì)情況可參閱出廠說明）。,d)補(bǔ)償導(dǎo)線連接端的工作溫度不能超出0100，否則會給 測量帶來誤差。,（二） 溫度的檢測,（3）電橋

6、補(bǔ)償法,b）圖中： 由錳銅構(gòu)成 銅電阻,（二） 溫度的檢測,例題 用一分度號為K的鎳鉻鎳硅熱電偶及毫伏刻度的顯示儀表測量爐溫，在自由端溫度為to30oC時，測得的熱電勢為E(t，to)3917mV，問爐溫是多少度?,查表，得E(970,0)=40.10, E(980,0)=40.49,則,7)常用工業(yè)熱電偶的類型：,按照國際電工委員會制訂的國際標(biāo)準(zhǔn)， 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶具有以下8種 ：,8) 熱電偶的結(jié)構(gòu)：,（1）普通型熱電偶,圖3-9 普通型熱電偶結(jié)構(gòu) 1-接線盒 2-接線柱 3-引線口 4-保護(hù)套管 5-絕緣管 6-熱電極,（2）鎧裝型熱電偶 將熱電極和陶瓷絕緣材料一起緊壓在金屬保護(hù)套管中， 三者

7、經(jīng)組合加工成可彎曲的堅(jiān)實(shí)組合體。 該類熱電偶響應(yīng)速度快、能彎曲、耐高溫，適用于狹窄或復(fù) 雜的測量場合。,6熱電偶選型,工業(yè)現(xiàn)場安裝的熱電偶,由于熱電偶安裝位置的溫度通常較高，過高的環(huán)境溫度對檢測電路的工作不利。有時需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延長！,返回,（二） 溫度的檢測,熱電阻具有很多與熱電偶不同的特性 : a）在同一被測溫度之下，與熱電偶相比有更高的靈敏度； b）熱電阻不需要冷端溫度補(bǔ)償，但須與橋式電路配接 才能將隨溫度變化的電阻值轉(zhuǎn)化為可測電信號 ； c）同類材料制成的熱電阻不如熱電偶測溫上限高， 但在中、低溫區(qū)穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高； d）感溫元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，熱慣性大，不適用 于測量

8、體積小和溫度瞬變對象的溫度。,2、熱電阻溫度傳感器,1)工作原理及其特點(diǎn) 熱電阻是利用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化 而改變的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)溫度測量。,近似式可表為：,銅質(zhì)熱電阻的溫度電阻特性,2）常用金屬熱電阻,由于銅易氧化、電阻率較小，所以銅電阻的體積大、熱慣性大，適宜在測量精度要求不高、溫度較低、無水分及無腐蝕性的環(huán)境下工作。,（二） 溫度的檢測,3）鉑熱電阻的溫度電阻特性,其中：,具有精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠、耐氧化能力強(qiáng)、測溫范圍寬等特點(diǎn)。但是其電阻溫度系數(shù)比較小，電阻值與溫度之間呈非線性關(guān)系，且價格較貴。,（二） 溫度的檢測,返回,3）熱電阻結(jié)構(gòu),引線方式,1）二線制,回路電流理

9、想值為：,回路實(shí)際電流值為：,回路電流誤差為：,2）四線制,兩根引線為熱電阻提供恒流源；在熱電阻上產(chǎn)生的壓降通過另兩根引線引至電位差計(jì)進(jìn)行測量 。 能完全消除引線電阻的附加誤差 ，主要用于高精度的溫度檢測。,（二） 溫度的檢測,當(dāng)橋路處于平衡時，,3） 三線制,當(dāng)R1=R4時，,引線電阻不會對電橋產(chǎn)生影響,（二） 溫度的檢測,半導(dǎo)體熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高；且體積小，熱慣性小，響應(yīng)快；,半導(dǎo)體溫度傳感器 半導(dǎo)體熱敏電阻是由多種金屬氧化物按比例燒結(jié)成的半導(dǎo)體構(gòu)成。 溫度電阻特性如圖示,（二） 溫度的檢測,（二） 溫度的檢測,返回,DDZ-III型溫度變送器特點(diǎn)： （1）采用低漂移、高增

10、益的線性集成運(yùn)算放大器，提高了儀表的可靠性、穩(wěn)定性和其它性能指標(biāo)。 （2）采用通用模塊與專用模塊相結(jié)合的單元體系結(jié)構(gòu)，使用靈活、方便。 （3）在熱電偶和熱電阻的接入模式中，設(shè)置了線性化電路，從而使變送器的輸出信號和被測溫度之間呈線性關(guān)系，方便了變送器與系統(tǒng)的配接。 （4）采用統(tǒng)一的24V.DC集中供電，變送器內(nèi)無電源，實(shí)現(xiàn)“二進(jìn)制”接線方式。 （5）采用安全火花防爆措施，適用于具有爆炸危險場所的溫度或直流毫伏信號的檢測。,(三）溫度變送器,(三）溫度變送器,1、溫度變送器結(jié)構(gòu)框圖,DDZ-III型溫度變送器結(jié)構(gòu)原理,量程單元具有熱電偶、熱電阻和毫伏輸入三種形式 輸入回路實(shí)現(xiàn)熱電偶的冷端補(bǔ)償、熱

11、電阻的三線制接入、零點(diǎn)遷移以及量程調(diào)整等功能； 反饋回路實(shí)現(xiàn)熱電偶和熱電阻的非線性校正等。 放大單元主要由集成運(yùn)放、功率放大和隔離輸出等電路構(gòu)成，具有通用性。 24V.DC外部電源經(jīng)直流交流直流變換器和整流、濾波，分別向輸入回路、集成運(yùn)放和功率放大供電。,2量程單元結(jié)構(gòu)與工作原理,（1）直流毫伏量程單元,三部分：輸入電路；零點(diǎn)調(diào)整遷移電路；反饋電路。,，,，,令,則,（2）熱電偶量程單元,1）輸入電路的電橋中增加了銅電阻RCu，用于實(shí)現(xiàn)熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償，原理見3.4.2。 2）輸入信號為熱電偶的熱電動勢信號Ei。 3）在反饋電路中增加了由集成運(yùn)放A1、穩(wěn)壓管VD3VD5等構(gòu)成的線性化電路，

12、以補(bǔ)償熱電偶的溫度熱電動勢特性之間的非線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)輸入溫度t與輸出電壓或電流之間的線性特性。,與直流毫伏量程單元的不同,(三）溫度變送器,熱電偶的非線性補(bǔ)償,1）補(bǔ)償原理：,要使 則必須,因?yàn)楫?dāng) 時，,為檢測元件傳遞函數(shù),為反饋回路傳遞函數(shù),其中：,(三）溫度變送器,如何產(chǎn)生 使其= ？,非線性的折線近似,(三）溫度變送器,電路分析：,與 之間的比例關(guān)系不變，但 與 之間的分壓關(guān)系由于 、 、 支路的并入而降低，則此階段 與 之間的關(guān)系為： ，且有 。,與相似，,有,。,的大小由 與 的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，并以此改變曲線的形狀，以適應(yīng)不同的熱電偶的溫度特性。,（3）熱電阻量程單元,其零點(diǎn)調(diào)整遷移電

13、路和反饋電路與直流毫伏量程單元相似。,輸入電路：,1）熱電阻采用三線制接入法，以消除引線電阻引起的誤差。 2）由A2、Rf4等元件構(gòu)成的正反饋線性化電路可以對鉑電阻等實(shí)現(xiàn)非線性校正。,(三）溫度變送器,3、溫度變送器的放大單元,1）直流交流直流變換電路： 采用變壓器將輸入、輸出、電源三者進(jìn)行隔離，使有效信號以差模方式進(jìn)行傳遞，抑制共模干擾信號。,外部集中供電的24V.DC電源電壓經(jīng)由VT1、VT2和變壓器Tr1構(gòu)成的多諧振蕩器，轉(zhuǎn)換成方波型交流電壓；由Tr2的二次側(cè)將交流信號經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓后，由端子8、9作為集成運(yùn)放A1的供電電源；由端子5、10送往各量程單元的集成穩(wěn)壓器，為電橋電路提供電

14、源電壓，并為集成運(yùn)放A2和功率放大器VTa1、VTa2提供電源。,(三）溫度變送器,2）集成運(yùn)放：高輸入阻抗、高放大倍數(shù). 3）功率放大。 功率放大電路由晶體管VTa1、VTa2構(gòu)成，其輸出電流在Tr1的二次側(cè)交流方波的激勵下，在Tr2的一次側(cè)產(chǎn)生交流電流，經(jīng)過變壓器Tr2，在二次側(cè)經(jīng)VD01VD04整流和R01、C01濾波，產(chǎn)生420mA.DC電流輸出，并在電阻R02上產(chǎn)生15V.DC電壓輸出；經(jīng)變壓器Tr3的二次側(cè)，并通過VDf1VDf4整流和Rf1、Cf1濾波，在端子5、11產(chǎn)生直流電壓uf，反饋到量程單元。 4）輸出回路。 5）反饋電路。,(三）溫度變送器,2）力求操作方便、運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)、合理，在同一工程中盡量減少