第03章过程参数的检测(T)

1、12测温方式 测温仪表 测温范围 主要特点 接触式 膨胀式 玻璃液体 100600 结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传 双金属 80600 结构紧凑、可靠；测量精度低、量程和使用范围有限 热电效应 热电偶 2001800 测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；需自由瑞温度补偿，在低温段测量精度较低 热阻效应 铂电阻 200600 测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温 铜电阻 50150 半导体热敏电阻 50150 灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一

2、定限制 非接触式 非接触式 辐射式 03500 不破坏温度场，测温范围大，响应块，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难 34 热电效应（热电偶测温的基本原理）：任何两种不同的导体或热电效应（热电偶测温的基本原理）：任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为 t 及及 t0 的热源中，则在该回路内就会产生热电势。的热源中，则在该回路内就会产生热电势。ABBA图图3-37 热电偶示意图A BeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)图图3-38 热电现象5A BeAB(t0)

3、eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)0000( , )( )( )( , )( , )ABABABBAEt tetetet tet t 接触电势温差电势00( , )( )( ) (i)ABABABEt tetet( )( )ABBAetet 67答：不会产生影响的。答：不会产生影响的。tt0ABCC毫伏计热电偶的输出信号是毫伏信号，毫伏信号的大小不仅与冷、热两端的温热电偶的输出信号是毫伏信号，毫伏信号的大小不仅与冷、热两端的温度有关，还和热电偶的电极材料有关，理论上任何两种不同导体都可以度有关，还和热电偶的电极材料有关，理论上任何两种不同导体都可以组成热电偶，都会产生热电势。组成热电

4、偶，都会产生热电势。但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢？但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢？因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表，因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表，那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势，对热电偶回路产生影响那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势，对热电偶回路产生影响呢？呢？8如果断开冷端，接入第三种导体如果断开冷端，接入第三种导体C C，并保持，并保持A A和和C C、B B和和C C接触处的温度均为接触处的温度均为t t0 0，则回路中的总热电势等于各接，则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和点处的接触电势之和: :

5、 tABCt0t0ABtt0000( , )( )( )( )ABCABBCCAEt tetetet当当t tt t0 0时，有时，有00000( , )( )( )( )0ABCABBCCAEt tetetet于是可得于是可得 000( ,)( )( )( ,)ABCABABABEt tetetEt t同理还可以证明，在热电偶中接入第四种、第五种同理还可以证明，在热电偶中接入第四种、第五种导体导体以后，只要接入导体的两端温度相同，接入的导体对原热电以后，只要接入导体的两端温度相同，接入的导体对原热电偶回路中的热电势均没有影响。偶回路中的热电势均没有影响。根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各

6、种仪表和连接导根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出。而不影响热电偶的输出。 tt0ABCC毫伏计9例：求热电偶回路的电势。例：求热电偶回路的电势。 已知：已知：e eABAB(240)=9.747mV(240)=9.747mV，e eABAB(50)=2.023mV(50)=2.023mV，e eACAC(50)=3.048mV(50)=3.048mV，e eACAC（l0l0）=0.591mV=0.591mV。 解一：解一：E=eE=eABAB(240)

7、+e(240)+eBCBC(50)+e(50)+eCACA(10)(10)， 而而 e eABAB(50)+e(50)+eBCBC(50)+e(50)+eCACA(50)=0(50)=0 E= e E= eABAB(240) +e(240) +eCACA(10)- e(10)- eABAB(50)-e(50)-eCACA(50)=10.181 mV(50)=10.181 mV解二：利用中间导体定律解二：利用中间导体定律 E=eE=eABAB(240)+e(240)+eBABA(50)+e(50)+eACAC(50)+e(50)+eCACA(10)(10) = e = eABAB(240) +e

8、(240) +eCACA(10)- e(10)- eABAB(50)-e(50)-eCACA(50)=10.181 mV (50)=10.181 mV 。 10如果热电偶如果热电偶ABAB在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶CDCD在同一温度范围内所在同一温度范围内所产生的热电势相等，即产生的热电势相等，即 ，则这两支热电偶在该温度范，则这两支热电偶在该温度范围内是可以相互替换的，这就是所谓的热电偶等值替代定律。围内是可以相互替换的，这就是所谓的热电偶等值替代定律。 00( , )( , )ABCDEt tEt tt0tAAABBBDCtt0tctc例例

9、 如左图，设如左图，设 ，证明该回路的总热电势为证明该回路的总热电势为 00(,)(,)ABcCDcEttEtt0( ,)ABEt t（略）（略）11某热电偶，热端温度为t，冷端温度为tc，显然冷端温度难以实现恒定，怎么办？DC补偿导线冷端的延伸ttcAB热电偶被测设备被测设备生产现场生产现场t0毫伏计恒温环境恒温环境AB可以把热电偶做得很长，一直到控制室。可以把热电偶做得很长，一直到控制室。 把冷端温度延伸到控制室，变为把冷端温度延伸到控制室，变为t t0 0，恒定，恒定t t0 0比较容易比较容易此时，测得的热电势为此时，测得的热电势为00( , )( , )( , )ABcABcABEt

10、 tEt tEt t 但热电偶一般为（较）贵重的金属，采用如图所示的但热电偶一般为（较）贵重的金属，采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料，不妥。延伸方式将需要大量的贵金属材料，不妥。如果选用一组较廉价的材料（如果选用一组较廉价的材料（C C、D D），且），且CDCD在一定温度范围内所在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶产生的热电势与热电偶ABAB在同一温度范围内所产生的热电势相等，在同一温度范围内所产生的热电势相等，就可以用就可以用CDCD来替代来替代ABAB的延伸段。的延伸段。00( , )( , )( , )ABcCDcABEt tEt tEt t12DC补偿导线冷端的延伸tt

11、cAB热电偶被测设备被测设备生产现场生产现场t0毫伏计恒温环境恒温环境AB CD CD即为热电偶即为热电偶ABAB的补偿导线，通常的补偿导线，通常CDCD采用比热电采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成，一般在偶电极材料更廉价的两种金属材料做成，一般在0 0100100范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质。几乎完全相同的热电性质。 在选择和使用补偿导线时，要和热电偶的型号在选择和使用补偿导线时，要和热电偶的型号相匹配，注意极性不能接错，热电偶与补偿导线连接相匹配，注意极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度一般不能高于处

12、的温度一般不能高于100100。 13 从理论上分析，似乎任何两种不同的导体都可以组从理论上分析，似乎任何两种不同的导体都可以组成热电偶，用来测量温度。成热电偶，用来测量温度。 但实际情况并非如此，为了保证在工业现场应用可但实际情况并非如此，为了保证在工业现场应用可靠，并具有足够的精度，热电偶的电极材料在被测温靠，并具有足够的精度，热电偶的电极材料在被测温度范围内应满足：度范围内应满足： 热电性质稳定、物理化学性能稳定、热电势随热电性质稳定、物理化学性能稳定、热电势随温度的变化率要大、热电势与温度尽可能成线性对应温度的变化率要大、热电势与温度尽可能成线性对应关系、具有足够的机械强度、复制性和互

13、换性好等要关系、具有足够的机械强度、复制性和互换性好等要求，目前在国际上被公认的热电偶材料只有几种。求，目前在国际上被公认的热电偶材料只有几种。 14附录中列出了几种常用的标准热电偶分度表。根据标准规附录中列出了几种常用的标准热电偶分度表。根据标准规定，热电偶的分度表是以定，热电偶的分度表是以t t0 000为基准进行分度的。为基准进行分度的。当当t t00时，所有型号热电偶产生的热电势为时，所有型号热电偶产生的热电势为0mV0mV；当当t0t0时，热电势为负值。时，热电势为负值。在所有标准化热电偶中，相同温度条件下在所有标准化热电偶中，相同温度条件下B B型热电偶产生的型热电偶产生的热电势最

14、小，热电势最小，E E型最大。如果把各型号热电偶的热电势和温型最大。如果把各型号热电偶的热电势和温度制成曲线，可以看出二者呈一定的度制成曲线，可以看出二者呈一定的。即：。即：00( , )()ABEt tK tt15例例 用用K K型热电偶来测量温度，在冷端温度为型热电偶来测量温度，在冷端温度为t t0 02525时，测时，测得热电势为得热电势为22.9mV22.9mV，求被测介质的实际温度。，求被测介质的实际温度。 解解1 1： 根据题意有根据题意有 ( ,25)22.9KEtmV(25,0)1.000KEmV因此有因此有( ,0)( ,25)(25,0)22.91.00023.9KKKEt

15、EtEmVmVmV反查分度表有反查分度表有23.923.629570*10576.424.05523.629tC解解2 2： 根据题意有根据题意有 ( ,25)22.9KEtmV直接查分度表有直接查分度表有 22.922.776550*10552.923.20322.776tC 因此再加上冷端温度，有因此再加上冷端温度，有 25577.9ttC哪种计算结果正确，为什么？哪种计算结果正确，为什么？ 16中间导体定律中间导体定律拆开冷端，串入拆开冷端，串入“毫伏计毫伏计”，可以测量热电势，而不影响总可以测量热电势，而不影响总的热电势的热电势等值替代定律等值替代定律利用补偿导线来延伸冷端，是把利用补

16、偿导线来延伸冷端，是把热电偶的冷端从温度较高和不稳热电偶的冷端从温度较高和不稳定的现场延伸到温度较低和比较定的现场延伸到温度较低和比较稳定的操作室内稳定的操作室内17 由于操作室内的温度往往高于由于操作室内的温度往往高于00，而且也是不恒定的，而且也是不恒定的（即使有空调也是不恒定的），这时，热电偶产生的热电势（即使有空调也是不恒定的），这时，热电偶产生的热电势必然会随冷端温度的变化而变。必然会随冷端温度的变化而变。 因此，在应用热电偶时，只有把冷端温度保持为因此，在应用热电偶时，只有把冷端温度保持为00，或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果，对热或者进行必要的修正和处理才能得出准确

17、的测量结果，对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿。电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿。目前，热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法：目前，热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法： 18ttc热电偶补偿导线毫伏计0恒温装置t+RcuER1R2R3+ ab 00tt0( , )E t t0( , )E t t+图344 电桥补偿法19热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于500500以上较高温度的测量，普通型以上较高温度的测量，普通型热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构。热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构。 接线盒保护套

18、管绝缘管热电偶安装法兰引线口普通型热电偶主要由热电极、绝缘管、保护普通型热电偶主要由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。套管和接线盒等主要部分组成。贵重金属热电极的直径一般为贵重金属热电极的直径一般为0.30.30.65mm0.65mm，普通金属热电极的直径一般为，普通金属热电极的直径一般为0.50.53.2mm3.2mm；热电极的长度由安装条件和插入深入而定，一般为热电极的长度由安装条件和插入深入而定，一般为3503502000mm2000mm。绝缘管用于防止两根电极短路绝缘管用于防止两根电极短路保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械

19、损伤普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式20热电极 绝缘材料 金属套管热电极绝缘材料铠装型热电偶断面结构铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的金属套管三者经过拉伸加工成型的金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。铠装型热电偶可以做得很细，一般为铠装型热电偶可以做得很细，一般为2 28mm8mm，在使用中

20、可以随测量需要任意弯曲。，在使用中可以随测量需要任意弯曲。铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。 2122在工业应用中，热电偶一般适用于测量在工业应用中，热电偶一般适用于测量500500以上的较高温度。对于以上的较高温度。对于500500以下的中、以下的中、低温度，热电偶输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就低温度，热电偶输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测

21、量；而且，在较低的温度区域，冷端温度的变化所引起的很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低的温度区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中、低温度，一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。相对误差也非常突出。所以测量中、低温度，一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。23金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示： 001()ttRRtt式中，式中， 为温度为温度t t时对应的电阻值时对应的电阻值 为温度为温度t t0 0( (通常通常t t0 00 0) )时对应的电阻值时对应的电阻值 为温度系数。为温度系数。 tR

22、0tR24：半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为：半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为： 式中，式中， 为温度为温度t t时对应的电阻值时对应的电阻值 A A、B B是取决于半导体材料和结构的常数是取决于半导体材料和结构的常数 tRB ttRAe： 热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有范围只有5050300300左右，大量用于家电和汽车用温度左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。检测和控制。 金属热电阻一般适用于测量金属热电阻一般适用于

23、测量200200500500范围内的温范围内的温度测量，其特点测量准确、稳定性好、性能可靠，在过度测量，其特点测量准确、稳定性好、性能可靠，在过程控制领域中的应用极其广泛。程控制领域中的应用极其广泛。 2526ER1R2R3iUtRtRsI*istUIRtRiRrr2itRRr27ER1R2R3iUtRIIrrr33()()()iABCBttUUUI RrI RrI RR3R28tRsI*istUIR29和热电偶相同和热电偶相同3031 DDZ DDZ型温度变送器是工业过程中使用比较广型温度变送器是工业过程中使用比较广泛的一类模拟式温度变送器，它与各类型的热电偶、泛的一类模拟式温度变送器，它与

24、各类型的热电偶、热电阻配套使用，将温度或温差信号转换为热电阻配套使用，将温度或温差信号转换为4 420mA20mA或或1 15VDC5VDC的统一标准信号输出。的统一标准信号输出。 DDZ DDZ型温度变送器主要有热电偶温度变送器、型温度变送器主要有热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器三种类型。三种变热电阻温度变送器和直流毫伏变送器三种类型。三种变送器在线路结构上都由量程单元和放大单元两部分组成，送器在线路结构上都由量程单元和放大单元两部分组成，其中放大单元是通用的，而量程单元则随品种和测量范其中放大单元是通用的，而量程单元则随品种和测量范围的不同而不同。围的不同而不同。32DD

25、ZDDZ型温度变送器具有如下特点：型温度变送器具有如下特点：采用低漂移、高咱那故意的运算放大器作为主要采用低漂移、高咱那故意的运算放大器作为主要放大器，具有线路简单、可靠性高、稳定好以及各项放大器，具有线路简单、可靠性高、稳定好以及各项技术性能较好的特点。技术性能较好的特点。在配用热电偶和热电阻的变送器中采用线性化电在配用热电偶和热电阻的变送器中采用线性化电路，使其输出电流路，使其输出电流I0I0与被测温度呈线性关系，测量精与被测温度呈线性关系，测量精度高。度高。线路中采用了安全火花防爆技术措施，可用于易线路中采用了安全火花防爆技术措施，可用于易燃易爆场合。燃易爆场合。 采用采用24VDC24VDC集中供电，实现二线制接线方式。集中供电，实现二线制接线方式。 33DDZDDZ型温度变送器的原理框图。型温度变送器的原理框图。 +-UiUzUfI0V0桥路部分整流部分DC-AC-DC