热电阻温计PPT学习教案

1、会计学1 热电阻温计热电阻温计 热电阻温度计适用于测量-200+500范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度。 n 一、测温原理 利用热电阻的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。 31 00 1ttRRt 对于线性变化的热电阻来说，其电阻值与温度关系如下式 tRR tt 0 第1页/共55页 R4 R3 R2 Rt A E B C D U 图5.17 不平衡电桥原理 当温度处于测量下限时，RtRtmin 设计桥路电阻，满足R3RtminR2R4 此时电桥平衡， U0 当温度上升时，桥路失去平衡 设某一时刻RtRtmin+Rt min4 t t R UE RR 第2页/共55页 热电阻

2、的引线方式 1、两线制：在热电阻感温体两端各连一根导线的引线方式。 两线制引线方式适用于引线不长，测温精度要求较低的场合。 2、三线制：在热电阻感温体一端连一根导线，另一端连两根导线的引线方式。这种引线方式可以消除引线电阻对测量的影响。 A b a c C D R0 r1 r1 r 1 E R4 R3R2 Rt B U 图5.18 热电阻三线制桥路连 接 第3页/共55页 其中两根引线为热电阻提供恒流源 I， 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。这种接线方式能完全消除引线电阻带来的附加误差，这种引线方式主要用于高精度的温度检测。 第4页/共55页 3热电阻材料及常用热电阻

3、电阻温度系数、电阻率要大； 热容量要小； 在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质 和良好的复制性； 电阻值随温度的变化关系，最好呈线性； 价格便宜。 第5页/共55页 33 1.铂电 阻 金属铂容易提纯,在氧化性介质中具有很高的物理化学稳定性,有良好的复制性。但价格较贵。 要确定 Rtt的关系,首先要确定 R0的大小。R0不同, Rtt的关系也不同。这种Rtt的关系称为分度表,用分度号来表示。 目前我国常用的铂电阻有两种，分度号Pt100和Pt10， 最常用的是Pt100，R（0）100.00。 第6页/共55页 34 2.铜电阻 金属铜易加工提纯，价格便宜；它的电阻温度系数很大，且电阻

4、与温度呈线性关系；在测温范围为-50+150内，具有很好的稳定性。 tRRt1 0 在-50+150的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的。即 工业上常用的铂电阻有两种，一种是R050，对应的分度号为Cu50。另一种是R0100，对应的分度号为Cu100。 第7页/共55页 工业用普通热电阻温度传感器由电阻体、绝缘套管、保护管、接线盒和连接电阻体与接线盒的引出线等部件组成。 绝缘套管、保护管、接线盒与热电偶温度传感器基本相同，绝缘套管一般使用双芯或四芯氧化铝绝缘材料，引出线穿过绝缘管。 电阻体和引出线均装在保护管内。热电阻温度传感器外形与热电偶温度传感器相同。铂电阻体常见形式如图5.19所示，

5、第8页/共55页 8 7 6 4 5 3 2 1 (a ) (b ) 图5.19 铂电阻体的结构 1-引出银线；2-铂丝；3-锯齿形云母骨架；4-保护用云母片； 5-银绑带；6-铂电阻横截面；7-保护套管；8-石英骨架 （b）采用石英玻璃，具有良好的绝缘和耐高温特性，把铂丝双绕在直径为3mm的石英玻璃上，为使铂丝绝缘和不受化学腐蚀、机械损伤，在石英管外再套一个外径为5mm的石英管。铂电阻体用银丝作为引出线。 第9页/共55页 4 32 1 L 图542 铜电阻体的结构 1线圈骨架；2铜热电阻丝；3补偿组； 4铜引出线 图5.20 铜电阻体的结构 1-线圈骨架；2-铜热电阻丝；3-补偿组；4-铜

6、引出线； 为改善热传导，在电阻体与保护管之间常置有金属夹持件或内套管。 第10页/共55页 由于铠装热电阻的体积可以做得很小，因此它的热惯性小，反应速度快。 除电阻体部分外，其它部分可以做任何方向弯曲，因此它具有良好的耐震动和抗冲击的性能，并且不易被有害介质所侵蚀，其使用寿命比普通热电阻长。 第11页/共55页 第12页/共55页 热电偶特点热电偶特点热电阻特点热电阻特点 热电偶两端热电偶两端 存在温差就有热存在温差就有热 电势输出，能直电势输出，能直 接测量，但需要接测量，但需要 冷端温度补偿。冷端温度补偿。 同温度下输出信号大，易于测量；同温度下输出信号大，易于测量； 热电阻测量要借助外电

7、源，如电桥桥臂电阻热电阻测量要借助外电源，如电桥桥臂电阻 变化转化成电压输出；变化转化成电压输出； 和热电偶比，热电阻感温体结构复杂，体积和热电偶比，热电阻感温体结构复杂，体积 较大，热惯性大不适宜测体积狭小和温度变化较大，热惯性大不适宜测体积狭小和温度变化 快的温度；快的温度； 抗机械强度与振动性能较差；抗机械强度与振动性能较差； 同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限 高，但在低温区（高，但在低温区（t0），用热电阻测温较好），用热电阻测温较好 。 第13页/共55页 图5.21 半导体热敏电阻结构 (c )带 密 封 玻 璃 柱 的（ b ） 柱 型

8、 的 （ a ） 带 玻 璃 保 护 管 的 6 5 7 7 2 3 211 2 3 1 2 3 4 图 5 4 0 半 导 体 热 敏 电 阻 结 构 1 电 阻 体 ； 2 引 出 线 ； 3 玻 璃 保 护 管 ； 4 引 出 极 ； 5 锡 箔 ； 6 密 封 材 料 ； 7 导 体 1-电阻体；2-引出线；3-玻璃保护管；4-引出极； 5-锡箔；6-密封材料；7导体 第14页/共55页 （1）温度特性 热敏电阻按其性能可分为负温度系数NTC型热敏电阻；正温度系数PTC型热敏电阻；临界温度CTR型热敏电阻三种。 NTC型热敏电阻:主要由锰、铁、镍、钴、钛、钼、镁等复合氧化物高温烧结而成

9、。不同的材质组合，可以得到不同的热敏电阻。 电阻温度系数为负，电阻值随温度升高而减小。 PTC型热敏电阻：可用作位式（开关型）温度检测元件。 第15页/共55页 0.01 0.05 0.20.51 25102050100 0.5 0.2 0.1 1 2 5 10 20 I/mA U/V 50mW 10mW 1mW 1k 2.2k 4.7k 10k 22k 47k 100k 220k 470k 图2.3.4 热敏电阻伏安特性 图5.23 热敏电阻的伏安特性 热敏电阻只有在小电流范围内端电压和电流成正比。 但当电流增加到一定数值时，元件由于温度升高而阻值下降，故电压反而下降。 因此，要根据热敏电阻

10、的允许功耗线来确定电流，在测温中电流不能选得太高。 第16页/共55页 第17页/共55页 T/ R/ 0TLTMTH RH RM RL +VCC VO 差放 Rt RRA RB 图5.24 热电阻线性化电路 R 热敏电阻R-T特性 线性化后R-T特性 第18页/共55页 T/ R/ 0TLTMTH RH RM RL +VCC VO 差放 Rt RRA RB 图5.24 热电阻线性化电路 R 热敏电阻R-T特性 线性化后R-T特性 串联在热敏电阻中的R的最佳值为 MHL HLHLM RRR RRRRR R 2 2)( 电源电压的变动会影响输出，所以必须采用稳压电源。 热敏电阻参数仅提供25时的

11、标称电阻值，因此在确定TL、TH后，RL、RM、RH在实测时较为准确。 第19页/共55页 4热敏电阻的应用 NTC热敏电阻除了用于温度测量外，还适用于转换电源、开关电源、UPS电源、各类电加热器、电子节能灯、电子镇流器、各种电子装置电源电路的保护等。 在电源电路中串接一个功率型NTC热敏电阻器，能有效地抑制开机时的浪涌电流。 （开机时，温度低，电阻大，能抑制开机时的浪涌电流，电路工作一段时间后，温度升高，电阻减小） 完成抑制浪涌电流作用以后，功率型NTC热敏电阻器的电阻值将下降到非常小的程度，它消耗的功率可以忽略不计，不会对正常的工作电流造成影响。 所以，在电源回路中使用功率型NTC热敏电阻

12、器，是抑制开机时的浪涌，以保证电子设备免遭破坏的最为简便而有效的措施。 第20页/共55页 PTC热敏电阻的一个特点是在温度和电阻值上升到一定的程度后，可以自动保存自身的温度。 PTC热敏电阻主要用于电子镇流器的过流过热保护，直接串联在负载电路中，在线路出现异常状况时，能够自动限制过电流或阻断电流，当故障排除后又恢复原态，俗称“万次保险丝”。用于各种荧光灯电子镇流器、电子节能灯中，不必改动线路。 将适当的热敏电阻器跨接在灯管的谐振电容器两端，可以变电子镇流器、电子节能灯的硬启动为预热启动，使灯丝的预热时间达0.42秒可延长灯管寿命三倍以上。 第21页/共55页 根据输入信号的不同，DDZ-型温

13、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。 36 温度变送器与测温元件配合使用将温度信号转换成为统一标准信号420mADC或15VDC，以实现对温度的自动检测或自动控制。 直流毫伏变送器是将直流毫伏信号转换成420mADC电流信号，而热电偶、热电阻温度变送器是将温度信号线性地转换成420mADC电流信号。 温度变送器可分为以DDZ-温度变送器为主流的模拟温度变送器和智能化温度变送器两大类。在结构上，一体化结构和分体式结构。本节介绍DDZ-温度变送器、一体化温度变送器和智能化温度变送器。 541 DDZ-温度变送器 第22页/共55页 DDZ-型热电偶温度变送器和

14、热电阻温度变送器的结构大体上可以分为温度检测元件、输入电路、放大电路和反馈电路,其原理框图如图5-15所示。 温度检测元件输入电路放大电路 反馈电路 被测温度 输出电流I0 图5-15 温度变送器原理框图 37 DDZ-温度变送器属安全火花防爆仪表，采用四线制连接方式，分为量程单元和放大单元两部分，它们分别设置在两块印刷电路板上，用接插件相连接. 放大单元是通用的，而量程单元随品种、测量范围不同而不同。 第23页/共55页 I0 Ei 放大单元量程单元 420mADC 24VDC 图5.25 直流毫伏变送器构成框图 桥路部分整流滤波 功率放大前置运放 反馈回路 隔离输出 DC/AC/DC Vz

15、 Vf 表示供电回路表示信号传递回路 直流毫伏变送器是把直流毫伏信号直流毫伏变送器是把直流毫伏信号Ei转换成转换成420mADC电流信电流信 号。号。 1.直流毫伏变送器 在量程单元中调Vz可实现调零，调反馈信号Vf可实现调量程调整，放大单元实现信号放大、调制和隔离。 第24页/共55页 2热电偶温度变送器 热电偶温度变送器与热电偶配合使用，要求将温度信号线性地转换为420mADC电流信号或15VDC电压信号。 热电偶测量温度的两个特点：需冷端温度恒定，热电偶的热电势与热端温度成非线性的关系 Vf t I0 Vz Ei 量程单元 420mADC 图5.26 热电偶温度变送器构成框图 冷端补偿和

16、 零点调整 整流滤波 放 大 单 元 非线性反 馈校正 表示供电回路表示信号传递回路 热电偶 第25页/共55页 不同分度号热电偶的热电特性不相同，故与热电偶配套的温度变送器的非线性反馈电路随热电偶的分度号和测温的范围不同而不同，因此，不同分度号热电偶温度变送器不能通用。 图5.27 热电偶温度变送器 接线端子图 24VDC 15VDC输出 420mADC输出 “A”、“B”分别代表热电偶正负极连接端； “+”、“-”为24VDC电源的正负极接线端；“4”、“5”为热电偶温度变送器的15VDC电压输出端；“7”、“8”为热电偶温度变送器的420mADC电流输出端；有零点和量程调节螺钉。 第26

17、页/共55页 3热电阻温度变送器 热电阻温度变送器与热电阻配合使用，要求将温度信号线性地转换为420mADC电流信号或15VDC电压信号。 热电阻传感器的输出量是电阻，需引入桥路，将电阻的变化转换成电压的变化；由于热电阻温度特性具有非线性，故在直流毫伏线路的基础上需引入线性化环节。 Vf I0 Vz Ei 量程单元 420mADC 图5.28 热电阻温度变送器构成框图 零点调整放 大 单 元 反馈 表示供电回路表示信号传递回路 线性化器 整流滤波 热电阻 t 第27页/共55页 电阻温度变送器的线性化电路 :采用的是热电阻两端电压信号正反馈的方法，使流过热电阻的电流随电压增大而增大，即电流随温

18、度的增高而增大，最终使热电阻两端的电压信号与被测温度呈线性关系。 由于热电阻温度变送器本质上测量的是电阻的变化，故它对引线电阻的要求较高，一般采用三线制接法。 图5.29 热电阻温度变送器接线端子图 24VDC 15VDC输出 420mADC输出 “A”、“B” “H”分别代表热电阻连接端；“+”、“-”为24VDC电源的正负极接线端；“4”、“5”为15VDC电压输出端；“7”、“8”为420mADC电流输出端；有零点和量程调节螺钉。 第28页/共55页 4DDZ-温度变送器防爆措施 DDZ-温度变送器安全火花防爆措施有三条：在输入、输出及电源回路之间通过变压器而相互隔离；在输入端设有限压和

19、限流元件；在输出端及电源端装有大功率二极管及熔断丝。 542 一体化温度变送器 1一体化热电偶温度变送器 一体化热电偶温度变送器可以对各种固体、液体、气体温度进行检测，应用于温度自动检测、控制的各个领域。 一体化温度变送器的主要特点是将传感器与变送器融为一体 图示 一体化温度变送器结 构框图 它是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器。 第29页/共55页 一体化热电偶温度变送器的变送单元置于热电偶的接线盒中，取代接线座。安装后的一体化热电偶温度变速器外观结构如图5.31所示。 1-变送器模块；2-穿线孔；3-接线盒 ；4-进线孔；5-固定装置；6-保护套 管；7-热

20、电极 图5.31 一体化热电偶温度变送器构成 框图 图533 一体化温度变送器的外形结构 1变送器模块；2穿线孔；3接线盒；4进线孔 5固定装置；6保护套管；7热电极 变送器模块采用航天技术电子线路结构形式，减少了元器件；采用全密封结构，用环氧树脂浇注，抗震动、防潮湿、防腐蚀、耐温性能好，可用于恶劣的使用环境。 -20+80 第30页/共55页 变送器模块外形如图5.32所示 图533 一体化温度变送器的外形结构 1变送器模块；2穿线孔；3接线盒；4进线孔 5固定装置；6保护套管；7热电极 图534 变送器模块外形 图5.32 变送器模块外形 图中“1”、“2”分别代表热电偶正负极连接端；“4

21、”、“5”为电源和信号线的正负极接线端；“6”为零点调节；“7”为量程调节。 一体化热电偶温度变送器采用两线制，即电源和信号公用两根线，在提供24V供电同时，输出420mA电流信号。 一体化热电偶温度变送器的安装与其它热电偶安装要求基本相同，但要注意感温元件与大地间应保持良好绝缘，不然将直接影响测量准确性，严重时会影响仪表的正常运行。 两根热电极对应插入“1”和“2”接线柱，拧紧顶紧螺丝。将变送器固定在接线盒内，接好信号线，封接线盒盖，则一体化温度变送器组装完成。 第31页/共55页 2一体化热电阻温度传感器 与一体化热电偶温度传感器一样，一体化热电阻温度传感器将热电阻与变送器融为一体；将温度

22、值经热电阻测量后，转换成420mA的标准电流信号输出。 图5.34 变送器模块外形 + 6 2 7 4 5 31 （a）三线制 + 6 2 7 4 5 1 （b）二线制 图中，“1”“2”为热电阻引出线接线端，“3”为热电阻三线制输入的引线补偿端接线柱。 若采用引出线二线输入，则“3”和“2”必须短接，即实现一体化安装。如图5.34（a）所示，提供三线制接法。 第32页/共55页 543智能式温度变送器 HART协议 HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻 址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国 Rosement公司于1985年推出的一

23、种用于现场智能仪表 和控制室设备之间的通信协议。 HART通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上 实现数字信号通信。 第33页/共55页 在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4- 20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参 数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问 。 如对现场仪表设定，对现场仪表进行寿命监视，程序下 载等远程组态，设定和诊断） HART仪表都能提供仪表本身的信息，包括仪表的型号 、测量范围、制造厂名称、材料、工位号等，因此，调 试人员从屏幕上就能知道各个工位上安装的仪表是否是 正确的仪表，而不必到现场去一一确认。 第34页/共55页 由于HART仪表不断

24、向系统提供仪表自身的状态信息，因此，仪表维修人员对在线仪表的工作状态十分清楚。不像采用模拟仪表时，只能依靠经验和推理来怀疑某台仪表有问题，然后到现场去拆卸，送到仪表车间校验，而结果往往仪表是正常的。现在已经可以进行设备的网络管理以及实施前瞻性维护。 第35页/共55页 现场总线定义： mA只能单向传输一个测量信号，若传输上述大量信息，必得增加电缆数量，使系统费用增加。 现场总线Fieldbus能够支持双向，多支路，多变量，全数字化的信息传输，大大节约电缆，因此现场总线应用户的需求产生了。 现场总线的优势（特点）（优点） （）提高准确度 引入现场总线可消除模拟通信方式中数据传输时产生的误差，提高

25、传输精度 第36页/共55页 （）了解控制的实时性 （） 取消I/O的转换（柜） （） 节约信号电缆 （） 双向通信 （） 多变量检测和传递 用一台现场仪表可同时检测多个过程变量 用一台现场仪表可将测量的变量全部传递出去 如：一个自动调节传递一个控制信号。 一个开环信号和两个限位信号。如果采用系统-现场仪表则需要4根导线（根），而采用现场总线仪表，则需要一根导线。 第37页/共55页 操作站 控制站 操作站 DCSFCS 第38页/共55页 第39页/共55页 39 可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度； 具有量程范围宽、精度高； 环境温度和振动影响小、抗干扰能力强； 质量轻； 安装维护方

26、便。 由硬件部分和软件部分两部分构成。 第40页/共55页 输入板主电路板 液晶显示器 信号输入信号输出 图示 TT302温度变送器基本构成框图 40 TT302温度变送器具有双通道输入，可接受两个测量信号，用户可以通过上位管理计算机或挂接在现场总线通信电缆上的手持式组态器，对变送器进行远程组态，调用或删除功能模块。 可实现需要的控制策略。既可以直接安装在传感器上；也可通过支架安装在管线或平面上。 第41页/共55页 控制站没有取消 低层的基本控制功能由现场一般仪表完成 高层的基本控制功能（协调和高级控制功能）由控制站完成。 第42页/共55页 1.用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度,在没

27、有采取冷端温度补偿的情况下,显示仪表指示值为500,而这时冷端温度为60,试问实际温度应为多少?如果热端温度不变,设法使冷端温度保持在20,此时显示仪表的指示值应为多少? 显示仪表指示值为500时,由附录三可以查得这时显示仪表的实际输入电势为20.64mV,由于这个电势是由热电偶产生的,即 E(t,t0) = 20.64 (mV) 由附录三同样可以查得 E(t0 ,0) = E(60,0) = 2.436 (mV) 41 第43页/共55页 由式 (5-14)可以得到 E(t,0) = E(t,t0) + E(t0 ,0) = 20.64 + 2.436 = 23.076 (mV) 由23.0

28、76mV,查附录三,可得 t557 即被测实际温度为557。 当热端为557,冷端为20时,由于E(20 ,0) = 0.798mV,故有 E(t,t0) = E(t,0) - E(t0 ,0) = 23.076 - 0.798 = 22.278 (mV) 由此电势,查附录三,可得显示仪表指示值约为538.4。 由此可见,当冷端温度降低时,显示仪表的指示值更接近于被测温度实际值。 42 第44页/共55页 2.如果用两支铂铑10-铂热电偶串联来测量炉温,连接方式分别如图5-18(a)、(b)、(c)所示。已知炉内温度均匀,最高温度为1000,试分别计算测量仪表的测量范围 (以最大毫伏数表示)。

29、 图5-18 炉子温度测量 43 第45页/共55页 解: (a)由于这时热电偶的冷端均为0,每支热电偶对应于1000时的热电势可以由附录一查得 E(1000 ,0) = 9. 585 (mV) 两支热电偶串联,测量仪表所测信号的最大值为 Emax = 29.585 = 19.17 (mV) 根据这个数值可以确定仪表的测量范围。 (b)由于这时不仅要考虑补偿导线引出来以后的冷端温度(30),而且要考虑炉旁边补偿导线与热电偶的接线盒内的温度(100)对热电势的影响。 44 第46页/共55页 假定补偿导线 C、D与热电偶 A、B本身在100以下的热电特性是相同的,所以在冷端处形成的热电势为 E(

30、30 ,0) = 0.173 (mV) 在补偿导线C、D与热电偶的连接处1、4两点可以认为不产生热电势,但在接线盒内2、3两点形成的热电偶相当于热电偶在100时形成的热电势,即 E(100 ,0) = 0.645 (mV) 由于该电势的方向与两支热电偶在热端产生的电势方向是相反的,所以这时总的热电势为 E max = 2E(1000 ,0) - E(100 ,0) - E(30 ,0) = 29.585 - 0.645 - 0.173 = 18.352 (mV) 45 第47页/共55页 根据这个数值可以确定仪表的测量范围。在这种情况下,如果炉旁边接线盒内的温度变化,会以测量产生较大的影响,造成较大的测量误差。 (c)由于这时两支热电偶冷端都用补偿导线引至远离炉子处,冷端温度为30,故总的热电势为 Emax = 2E(1000 ,0) - 2E(30 ,0) = 29.585 - 20.173 = 18.824 (mV) 由此可知,在同样都是用两支热电偶串联来测量炉温时,由于接线不同,产生的热电势也是不相同的,在选择测量仪表时,一定要考虑这种情况。 46 第48页/共55页 3.在上题所述三种情况时,如果由测量仪表