化工仪表自动化第三章

1、1 第第 2 篇篇 过程自动化装置过程自动化装置主要包括主要包括：过程测量仪表、：过程测量仪表、过程控制仪表、过程控制仪表、过程过程执行仪表执行仪表用于对生产过程中的温度、压力、流量、液位及用于对生产过程中的温度、压力、流量、液位及成份等工艺参数成份等工艺参数进行自动测量、控制和执行的装置，进行自动测量、控制和执行的装置，也是企业实现生产过程自动化必不可少的技术工具。也是企业实现生产过程自动化必不可少的技术工具。基本控制回路方框图基本控制回路方框图2自动化仪表分类自动化仪表分类l 按功能分类：测量仪表、控制仪表、执行仪表按功能分类：测量仪表、控制仪表、执行仪表l 按信号类型分：模拟仪表、数字仪

2、表按信号类型分：模拟仪表、数字仪表模拟式仪表模拟式仪表 仪表的输入输出信号是连续的电压量或电流量仪表的输入输出信号是连续的电压量或电流量数字式仪表数字式仪表 仪表的输入输出信号是离散的数字量或开关量信号.3气动单元组合仪表（气动单元组合仪表（ QDZ 仪表）仪表） 能源能源：0.14MPa 压缩空气。压缩空气。信号信号： 各单元之间以统一的各单元之间以统一的 0.02MPa 0.1MPa 气压标准气压标准信号联系。信号联系。特点特点： 优点优点：QDZ仪表具有结构简单、价格便宜、性能稳仪表具有结构简单、价格便宜、性能稳定和本质安全等优点。定和本质安全等优点。 缺点缺点：由于该类仪表体积庞大，信

3、号传输慢由于该类仪表体积庞大，信号传输慢(有容量有容量滞后滞后)。 l按使用能源分类：气动仪表和电动仪表。按使用能源分类：气动仪表和电动仪表。4电动单元组合仪表（电动单元组合仪表（ DDZ 仪表）仪表） DDZ-型仪表型仪表 能源：能源：DDZ-型表采用型表采用 220V AC电源；电源；信号：信号：DDZ-型各单元间以型各单元间以0-10mA DC 为统一联络信号，为统一联络信号， DDZ- 型仪表型仪表 能源：能源：型表以型表以 24VDC 为电源为电源 信号：信号：型表以型表以 4-20mA DC 为现场传输信号为现场传输信号，以以 1-5V DC为控制室联络信号，为控制室联络信号，特点

4、：特点： DDZ 型仪表具有传输距离长，速度快，集成化程型仪表具有传输距离长，速度快，集成化程度度高，功能多样且可构成安全火花型防爆系统等高，功能多样且可构成安全火花型防爆系统等优点，在优点，在生产控制过程中被大量生产控制过程中被大量采用。采用。53.1 测量仪表中的基本概念测量仪表中的基本概念1）检测过程及系统构成）检测过程及系统构成 检测过程检测过程a. 检测：检测： 获得信息的过程，是认识自然界的手段。获得信息的过程，是认识自然界的手段。 主要包括两方面内容：主要包括两方面内容：l 检验检验 用专门的技术工具，依靠实验、计算和比较的方用专门的技术工具，依靠实验、计算和比较的方法对研究法对

5、研究对象的特性进行度量、验证对象的特性进行度量、验证。l 测量测量 应用测试手段对应用测试手段对被测参数进行定量被测参数进行定量的过程。的过程。 第第3章章 过程测量仪表过程测量仪表b. 基本方法：基本方法： 能量转换（转换为电量信号）能量转换（转换为电量信号） + 单位比较单位比较c. 基本任务：基本任务： 获取被检测对象的信息。（在限定的时间内，尽获取被检测对象的信息。（在限定的时间内，尽可能正确地收集被测对象的有关信息）可能正确地收集被测对象的有关信息）d. 目的：目的：反映、揭示客观世界存在的各种运动状态及规律。反映、揭示客观世界存在的各种运动状态及规律。以检测为基础，实现对对象过程的

6、管理、控制、安全防以检测为基础，实现对对象过程的管理、控制、安全防护、优化处理等操作。护、优化处理等操作。7 测量设备测量设备 过程中常用的测量设备有检测元件、传感器、变过程中常用的测量设备有检测元件、传感器、变送器及显示单元。送器及显示单元。检测元件检测元件 一种能够灵敏地感受被测一种能够灵敏地感受被测变量并作出响应（变量并作出响应（将将被测参数的变化转换成另一种物理量变化）被测参数的变化转换成另一种物理量变化）的元件。的元件。传感器传感器（敏感元件（敏感元件 + 信号转换部分）信号转换部分）感受指定被测参量的变化，并按照一定规律将感受指定被测参量的变化，并按照一定规律将 其转换成一个相应的

7、便于应用的信号。其转换成一个相应的便于应用的信号。变送器变送器是从传感器发展起来的，输出标准信号的传感是从传感器发展起来的，输出标准信号的传感器就称为变送器。器就称为变送器。8 显示单元显示单元 接受传感器、变送器等输出信号，并以相应形接受传感器、变送器等输出信号，并以相应形式显示记录式显示记录。l主要功能主要功能 显示工业生产的工作状态：实时数据，趋势曲显示工业生产的工作状态：实时数据，趋势曲线，报警指示等线，报警指示等 记录生产过程参数，历史数据记录生产过程参数，历史数据，l显示单元主要应用设备显示单元主要应用设备模拟式显示仪表模拟式显示仪表数字式显示仪表数字式显示仪表数字数字-模拟式双回

8、路显示仪表模拟式双回路显示仪表屏幕式显示装置屏幕式显示装置11 检测系统构成检测系统构成信息获取转换显示和处理（信号检出部分）（信号变换部分）（信号分析处理部分、通信接口及总线）12智能电子警察监测系统检测系统举例检测系统举例号132）检测系统的性能指标）检测系统的性能指标 检测系统的性能指标很多，工程上常用以下几个指检测系统的性能指标很多，工程上常用以下几个指标衡量仪表或系统的品质。标衡量仪表或系统的品质。（1）灵敏度）灵敏度S 灵敏度灵敏度S表征了检测仪表对被测量变化的灵敏程度表征了检测仪表对被测量变化的灵敏程度。 常用常用仪表的输出变化量与输入变化量之比来表示。仪表的输出变化量与输入变化

9、量之比来表示。即：即： 灵敏度实质上是一个放大灵敏度实质上是一个放大倍数。倍数。 灵敏度具有可传递性；对于多个仪表串联构成的灵敏度具有可传递性；对于多个仪表串联构成的检测系统，其总的灵敏度是各个仪表灵敏度之积。检测系统，其总的灵敏度是各个仪表灵敏度之积。 ySxy：达到稳态时仪表输出的变化量（指针：达到稳态时仪表输出的变化量（指针的直线位移或转角）。的直线位移或转角）。 x：被测变量的变化值。：被测变量的变化值。 11 2(, ,)nsysiiSSin14相关概念：相关概念： 灵敏限灵敏限（分辨率，分辨率，一般反映测量中间过程指标）一般反映测量中间过程指标）描述能引起仪表输出发生可见变化的最小

10、输入描述能引起仪表输出发生可见变化的最小输入量。表示检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能量。表示检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能力。力。 分辨率是反映检测仪表灵敏程度的另一指标。分辨率是反映检测仪表灵敏程度的另一指标。一般情况下仪表的灵敏度高则分辨率也高。一般情况下仪表的灵敏度高则分辨率也高。 死区死区（起始位评价指标）（起始位评价指标）输入信号的变化量不能引起输出量发生可观输入信号的变化量不能引起输出量发生可观察变化的有限区间。死区区间内仪表灵敏度为零。察变化的有限区间。死区区间内仪表灵敏度为零。u 影响因素：电路偏置、机械传动的摩擦及间隙等。影响因素：电路偏置、机械传动的摩擦及间隙等。

11、15（2）变差（回差）变差（回差） 外界条件不变的情况下，同一仪表对某一参数进行正反外界条件不变的情况下，同一仪表对某一参数进行正反行程测量时，对应于同一被测值所得的示值之差即为该测点行程测量时，对应于同一被测值所得的示值之差即为该测点的仪表变差。的仪表变差。 检测仪表在全量程范围内的最大测点变差检测仪表在全量程范围内的最大测点变差为仪表为仪表变变差。差。maxF.S=100%Y变差变差产生原因：传动部件间隙、摩擦、弹性滞后等变差产生原因：传动部件间隙、摩擦、弹性滞后等。 变差示意图：变差示意图： 变差描述：变差描述： 仪表的变差由仪表在测量范围仪表的变差由仪表在测量范围内正反特性间指示值的最

12、大绝内正反特性间指示值的最大绝对误差与仪表标尺范围之比的对误差与仪表标尺范围之比的百分数表示百分数表示16（3）线性度）线性度(非线性误差非线性误差) 线性线性度是度是衡量检测仪表输出与输入之间偏离线性程衡量检测仪表输出与输入之间偏离线性程度的一种指标，用非线性误差来表示。度的一种指标，用非线性误差来表示。maxF.S=100%Y非线性误差 为了便于信号间的转换与现实，有利于提高系统准确度，为了便于信号间的转换与现实，有利于提高系统准确度，希望系统具有良好的线性特性。希望系统具有良好的线性特性。 非线性误差示意图非线性误差示意图 描述：描述：取取量程范围内，实际值与量程范围内，实际值与理论值之

13、间的绝对误差的理论值之间的绝对误差的最大值与仪表测量范围之最大值与仪表测量范围之比的百分数，比的百分数，即：即：17（4）准确度）准确度 准确度也称为精度。仪表的准确度通常用误差的大准确度也称为精度。仪表的准确度通常用误差的大小来表示。小来表示。误差种类：误差种类： 绝对误差绝对误差 绝对误差为检测仪表的输出值绝对误差为检测仪表的输出值x与被测参与被测参数的真值数的真值x0之间的代数差值，即之间的代数差值，即oxxx （3.4） 由于真值不能得到，实际上是用约定真值或相对真值来代替，通常以标准仪表(准确度等级更高的仪表)的测量结果作为相对真值。18 示值相对误差示值相对误差 (简称相对误差简称

14、相对误差) 仪表测量值的绝对误差与真值之比的百分数，即仪表测量值的绝对误差与真值之比的百分数，即 0 x100%x 注意注意：示值相对误差随测点的不同而异，只能说明不：示值相对误差随测点的不同而异，只能说明不同测量结果的准确程度，不能用来衡量检测同测量结果的准确程度，不能用来衡量检测仪表本身的质量。仪表本身的质量。当测量误差很小时，示值相对误差近似为当测量误差很小时，示值相对误差近似为 ：x100%x19 引用误差引用误差 （相对百分误差）（相对百分误差） 仪表检测直的绝对误差与仪表的量程仪表检测直的绝对误差与仪表的量程L之比的之比的百分数。即：百分数。即： 100%xqL（3.7） 式中：

15、maxminL=xxmaxminx,x 分别为测量上限值与测量下限值注意：注意： 反映了测量误差与测量范围的关系，但是各点的反映了测量误差与测量范围的关系，但是各点的测量相对百分误差不同，不能用来衡量检测仪表本测量相对百分误差不同，不能用来衡量检测仪表本身的精度。身的精度。20 最大引用误差（满量程相对误差，最大相对百分误最大引用误差（满量程相对误差，最大相对百分误差）差） 仪表量程范围内所有测量值的绝对误差的最大值与仪表量程范围内所有测量值的绝对误差的最大值与仪表的量程仪表的量程L比的百分数即比的百分数即 maxmax100%xqL（3.8） 式中：式中： maxminL=xx注意：注意：是

16、检测系统的最主要质量指标，表征检测系统的测是检测系统的最主要质量指标，表征检测系统的测量精度等级。量精度等级。21 仪表基本误差仪表基本误差 标准条件下，仪表在全量程范围内输出值误差标准条件下，仪表在全量程范围内输出值误差中绝对值最大者称为仪表的基本误差。中绝对值最大者称为仪表的基本误差。maxqx 允许误差允许误差 仪表仪表制造厂为保证仪表不超过基本误差而制造厂为保证仪表不超过基本误差而设定一设定一个限值个限值。把这个限值与仪表的量程。把这个限值与仪表的量程L L比的百分数称为仪比的百分数称为仪表的允许误差。即表的允许误差。即 100%xqL 允允仪表基本误差是表征仪表准确度的一个重要指标，

17、仪表基本误差是表征仪表准确度的一个重要指标，并且仪表的其他误差定义也以此为基础。并且仪表的其他误差定义也以此为基础。最大引用误差是仪表基本误差的主要形式。最大引用误差是仪表基本误差的主要形式。22 仪表精度（准确度）仪表精度（准确度） 国家标准国家标准规定规定，根据，根据仪表的允许误差仪表的允许误差(最大引用误最大引用误差差)，去掉，去掉“ ”及及“%”号后号后的的数值判定仪表数值判定仪表的的准准确度等级。确度等级。 国家统一规定所划分的国家统一规定所划分的等级等级 0.005, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.35, 1.0, 1.5, 2.5, 4.0 , 5.0准确度等级

18、准确度等级的数字越小仪表的准确度就越的数字越小仪表的准确度就越高。高。 工业用仪表精度等级为：工业用仪表精度等级为： 0.1, 0.2, 0.35, 1.0, 1.5, 2.5, 5.023 例例 某台测温仪表，其测量范围为某台测温仪表，其测量范围为100600，经检，经检验发现仪表的基本误差为验发现仪表的基本误差为6，试确定该仪表的精度，试确定该仪表的精度等级？等级？ 如果将该仪表的最大引用误差去掉如果将该仪表的最大引用误差去掉“”和和“%”%”号号后，其数值为后，其数值为1.21.2，由于国家规定的精度等级中没有，由于国家规定的精度等级中没有1.21.2级的仪表，该仪表的最大引用误差大于级

19、的仪表，该仪表的最大引用误差大于1.01.0级仪表的允许级仪表的允许误差，所以该仪表的精确度等级为误差，所以该仪表的精确度等级为1.51.5级。级。 max6100%1.2%600 100q 解：该仪表的最大引用误差为解：该仪表的最大引用误差为:24例例: 一台精度等级为一台精度等级为0.5级，量程范围为级，量程范围为5001200 的电位差计，它的基本误差是多少？的电位差计，它的基本误差是多少？ 100%xqL 允允解：解：100%0.5%12005003.5xqx 允允允则，该仪表的的则，该仪表的的基本误差是：基本误差是： 3.5 根据仪表精度等级与基本误差的关系根据仪表精度等级与基本误差

20、的关系有：有：25（5）测量范围及量程测量范围及量程 仪表仪表的测量范围通常指检测装置所能够测量的最小的测量范围通常指检测装置所能够测量的最小值与最大值之间的范围。（区间）值与最大值之间的范围。（区间） 该范围该范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限上限。 量程：仪表测量范围的上限及下限之差。（数值）量程：仪表测量范围的上限及下限之差。（数值）3）工业检测系统常用误差分类及特点：）工业检测系统常用误差分类及特点： 系统误差分类：系统误差，随机误差，粗大误差系统误差分类：系统误差，随机误差，粗大误差a.系统误差系统误差表现：表现：在相同条件下，多次重

21、复测量同一被测参量时，在相同条件下，多次重复测量同一被测参量时，其其测量误差的大小和符号保持不变测量误差的大小和符号保持不变 ; 或或在条件改变时，重复测量同一被测参量时，在条件改变时，重复测量同一被测参量时，误误差按某一确定的规律变化。差按某一确定的规律变化。系统误差产生的原因：系统误差产生的原因： 测量工具本身性能不完善；测量工具本身性能不完善； 安装、布置、调整不当或环境条件发生变化；安装、布置、调整不当或环境条件发生变化； 测量方法不完善、或者测量所依据的理论本身不测量方法不完善、或者测量所依据的理论本身不完善等；完善等； 操作人员视读方式不当。（注意与粗大误差的区操作人员视读方式不当

22、。（注意与粗大误差的区别）别） 系统误差特点及处理：系统误差特点及处理： 系统误差可通过实验等方法被设法确定，并可系统误差可通过实验等方法被设法确定，并可以通过引入校正值（函数）、零点调整等方法排除以通过引入校正值（函数）、零点调整等方法排除（或减小）系统误差对测量值的影响。（或减小）系统误差对测量值的影响。 b.随机误差随机误差表现：表现： 在相同条件下多次重复测量同一被测参量时，测量在相同条件下多次重复测量同一被测参量时，测量误差的大小与符号均无规律变化。误差的大小与符号均无规律变化。随机误差产生原因：随机误差产生原因： 检测仪器或测量过程中某些未知或无法控制的随机检测仪器或测量过程中某些

23、未知或无法控制的随机因素综合作用。因素综合作用。 (如仪器的某些元器件性能不稳定，外界温度、湿如仪器的某些元器件性能不稳定，外界温度、湿度变化，空中电磁波扰动，电网的畸变与波动等度变化，空中电磁波扰动，电网的畸变与波动等)特点及处理方法特点及处理方法 随机误差的变化通常难以预测，无法通过实验随机误差的变化通常难以预测，无法通过实验方法确定、修正和消除。方法确定、修正和消除。 随机误差服从某种统计规律随机误差服从某种统计规律(如正态分布、均匀如正态分布、均匀分布、泊松分布等分布、泊松分布等)。可以通过统计规律实现误。可以通过统计规律实现误差估计。差估计。4）过程工业主要被测参数）过程工业主要被测

24、参数温度，压力，流量，物位，成分温度，压力，流量，物位，成分30 3.2 温度测量仪表温度测量仪表温度检测方法2温度仪表的选用3 3概述3 1313.2.1、概述、概述l 温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量。温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量。l 在工业生产中，温度是表征工业过程状态的重要参数。在工业生产中，温度是表征工业过程状态的重要参数。温度检测与控制是工业生产和科学实验中的一个非常温度检测与控制是工业生产和科学实验中的一个非常重要的问题。重要的问题。温度温度 温度是热力学参数，不能直接测量温度是热力学参数，不能直接测量 温度或温度变化直接影响物质某些物理特性或参数温度或温度变化直

25、接影响物质某些物理特性或参数（如长度、电阻、分子运动、辐射能）的变化。（如长度、电阻、分子运动、辐射能）的变化。 温度测量基本思路：温度测量基本思路：选择合适的物质作为温度敏感元件，通过测量其某一选择合适的物质作为温度敏感元件，通过测量其某一物理参数的变化间接获得被测温度值。物理参数的变化间接获得被测温度值。32测温仪表的分类测温仪表的分类: 从测量元件与被测介质是否接触的角度，温度测量可分从测量元件与被测介质是否接触的角度，温度测量可分为：为：接触式和非接触式接触式和非接触式两大类。两大类。 接触式测温接触式测温 测温原理：测温原理： 敏感元件直接置入温度场中，两种不同温度的物体相互敏感元件

26、直接置入温度场中，两种不同温度的物体相互接触，敏感元件的温度将逐渐趋于温度场温度，导致敏接触，敏感元件的温度将逐渐趋于温度场温度，导致敏感元件的物理性态或特性参数发生变化。通过测量这些感元件的物理性态或特性参数发生变化。通过测量这些变化实现温度测量。变化实现温度测量。 特点：特点： 接触式测量仪表简单、可靠、测量精度高。接触式测量仪表简单、可靠、测量精度高。 但由于感温元件在热交换过程中，达到热平衡的时间较但由于感温元件在热交换过程中，达到热平衡的时间较长，因而有测量滞后现象。长，因而有测量滞后现象。 受到敏感元件物理化学性质的限制，不适宜于直接对腐受到敏感元件物理化学性质的限制，不适宜于直接

27、对腐蚀性介质测温，亦不能用于极高温测量。蚀性介质测温，亦不能用于极高温测量。33非接触式测温 测温原理： 利用物体的热辐射，通过对辐射能量的检测实现温度测量。 特点： 测温范围宽(从超低温到极高温)，测温速度快， 测温设备复杂, 易受粉尘、水气等环境因素的影响测量误差大。测温方式测温方式测温种类和仪表测温种类和仪表测温范围测温范围()主主 要要 特特 点点接触式接触式膨胀式膨胀式玻璃玻璃液体液体-100600结构简单、使用方便、测量精度较高、价格低廉；结构简单、使用方便、测量精度较高、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传双金属双

28、金属-80600结构紧凑、牢固、可靠；结构紧凑、牢固、可靠；测量精度较低、量程和使用范围有限测量精度较低、量程和使用范围有限压力式压力式液体液体-40600耐震、坚固、防爆、价格低廉；耐震、坚固、防爆、价格低廉；工业用压力式温度计精度较低、测温距离短、滞后大工业用压力式温度计精度较低、测温距离短、滞后大主要用于温度连续测量主要用于温度连续测量气体气体-100500热电阻热电阻铂电阻铂电阻-260850测量精度高，便于远距离、多点；测量精度高，便于远距离、多点；便于集中检测和自动控制；便于集中检测和自动控制；不能测高温，须注意环境温度的影响不能测高温，须注意环境温度的影响主要用于温度的连续测量主

29、要用于温度的连续测量铜电阻铜电阻-50150半导体热半导体热敏电阻敏电阻-50300灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制互换性较差，测量范围有一定限制主要用于温度开关及温度补偿主要用于温度开关及温度补偿热电热电效应效应热电偶热电偶-2001800测温范围广、测量精度高、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；便于远距离、多点、集中检测和自动控制；需自由端温度补偿，在低温段测量精度较低需自由端温度补偿，在低温段测量精度较低主要用于温度的连续测量主要用于温度的连续测量非接触式非接触式辐射式辐射式03500不

30、破坏温度场，测温范围大，可测运动物体的温度；不破坏温度场，测温范围大，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难易受外界环境的影响，标定较困难351）热电偶温度计）热电偶温度计热电偶温度计是工业生产过程中应用最广泛的测温热电偶温度计是工业生产过程中应用最广泛的测温仪表。仪表。热电偶温度计是以热电偶温度计是以热电效应热电效应为基础的测温仪表，它为基础的测温仪表，它以热电偶作为测温元件，再配以连接导线和显示仪以热电偶作为测温元件，再配以连接导线和显示仪表或测量仪表构成。表或测量仪表构成。3.2.2工业温度检测元件及测温方法工业温度检测元件及测温方法 热电偶测温原理热电偶测温原理 热电效应：

31、热电效应： 将两种不同的导体或半导体将两种不同的导体或半导体A、B连接成闭环回路，并将两个接点分连接成闭环回路，并将两个接点分别置于温度为别置于温度为T及及T0的热源中，则的热源中，则在该回路内将产生电动势的现象称在该回路内将产生电动势的现象称为热电效应或赛贝克效应。为热电效应或赛贝克效应。回路热电势构成及描述回路热电势构成及描述l 热电势组成热电势组成 接触电势，接触电势， 温差电势温差电势接触电势：接触电势： 由于两种材料的电子密度不同由于两种材料的电子密度不同引起的在接触面上发生材料间电引起的在接触面上发生材料间电子转移而产生的电动势称为接触子转移而产生的电动势称为接触电势。电势。温差电

32、势：温差电势： 单一材料由于两端温度不同单一材料由于两端温度不同引起内部电子转移而产生的电动引起内部电子转移而产生的电动势称为温差电势。势称为温差电势。l 回路热电势回路热电势 回路电势图：回路电势图：回路热电势描述式（接触电势回路热电势描述式（接触电势+温差电势）：温差电势）：实验结果表明，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，（回路图）热电偶的电势可表示为 ABABABABET TeTeTeT TeT T0000( ,)( )() ( ,)( ,) 00( ,)( )()ABABABET TeTeTeAB(T0)=C0( ,)( )ABABET TeTC结论：冷端温度恒定时，输出电势仅是热

33、端温度的函数T0为定值，小结：小结：l 热电偶回路产生热电势的条件：热电偶回路产生热电势的条件： a. 两种不同的材料构成回路，两种不同的材料构成回路， b. 两端接点处温度不同。两端接点处温度不同。l 热电势大小只与热电材料及两端温度有关，与热电势大小只与热电材料及两端温度有关，与电偶丝长短及粗细无关。电偶丝长短及粗细无关。l 热电极材料确定后热电势仅与冷、热端温度差热电极材料确定后热电势仅与冷、热端温度差有关。有关。 热电偶基本定律热电偶基本定律a. 均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面如何以及各处的温度分布如何

34、，都不能产生热电势。如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。 本定律说明，热电偶必须由两种不同性质的材料构成。本定律说明，热电偶必须由两种不同性质的材料构成。b. 中间导体定律中间导体定律 断开热电偶回路，接入第三种导体断开热电偶回路，接入第三种导体C，若导体，若导体C两端的温度两端的温度相等，则接入导体相等，则接入导体C后对热电偶回路中的总电势没有影响。后对热电偶回路中的总电势没有影响。 证明：证明： 回路总电势等于各接点接触电势之和，回路总电势等于各接点接触电势之和， 即即 EABC(T, T0) = eAB(T) + eBC(T0) + eCA(T0) T = T0时，回路热电势等

35、于零（时，回路热电势等于零（EABC(T0, T0) = 0），即），即 EABC(T0, T0) = eAB(T0) + eBC(T0) + eCA(T0) = 0 eBC(T0) + eCA(T0) = -eAB(T0)故有：故有： EABC(T, T0) = eAB(T) - eAB(T0) = EAB(T, T0)同理，对于串入多种导线，只要引入两端的温度相同，热电同理，对于串入多种导线，只要引入两端的温度相同，热电偶的热电势将保持不变。偶的热电势将保持不变。定理应用：定理应用：根据热电偶的这一性质，可以在热电偶回路中引入各根据热电偶的这一性质，可以在热电偶回路中引入各种仪表、连接导线

36、等实现对温度的测量。种仪表、连接导线等实现对温度的测量。在热电偶的自由端接入一只测量电势的仪表，并保在热电偶的自由端接入一只测量电势的仪表，并保证两个接点的温度一致就可以对热电势进行测量而证两个接点的温度一致就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出。不影响热电偶的输出。例:c. 中间温度定律中间温度定律 热电偶热电偶AB在接点温度为在接点温度为T、T0时的热电势时的热电势EAB(T，T0)等于热电偶等于热电偶AB在接点温度为在接点温度为T，TC和和TC，T0的热电的热电势势EAB(T，TC)和和EAB(TC，T0)的代数和的代数和即：即： EAB(T，T0) = EAB(T，TC)+EAB(

37、TC ，T0)定理应用：定理应用： 根据这一定律，只需列出热电偶在参比端温度为根据这一定律，只需列出热电偶在参比端温度为0的分度表，既可以求出参比端在其他温度时的的分度表，既可以求出参比端在其他温度时的热电偶的热电势。热电偶的热电势。d. 等值替代定律等值替代定律 如果使热电偶如果使热电偶AB在某一温度范围内所产生的热在某一温度范围内所产生的热电势等于热电偶电势等于热电偶CD在同一温度范围内所产生的热在同一温度范围内所产生的热电势，即电势，即 EAB(T，T0)=ECD(T，T0) 则这两支热电偶在该温度范围内可以互相代用。则这两支热电偶在该温度范围内可以互相代用。定理应用：定理应用： 此定理

38、提供了补偿导线应用的依据，此定理提供了补偿导线应用的依据， 补偿导线作用：将热电偶冷端延伸到某一恒温点。补偿导线作用：将热电偶冷端延伸到某一恒温点。 热电偶测温及温度确定方法热电偶测温及温度确定方法l热电偶测温示意图热电偶测温示意图查分度表法：查分度表法： 分度表：根据国际温标规定：分度表：根据国际温标规定：T0=0时，用实验时，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同的的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同的热端温度下所产生的热电势值，列成的表格。热端温度下所产生的热电势值，列成的表格。附录附录2（p.252）给出了几种常见的热电偶分度表。）给出了几种常见的热电偶分度表。参考函数

39、法参考函数法 用函数式表示温度与热电势的关系，称为参考函用函数式表示温度与热电势的关系，称为参考函数。数。44加入了第三种导线实际测温时环境温度不是0l 温度确定方法温度确定方法45 常用热电偶的种类常用热电偶的种类 根据国际电工委员会的推荐，目前我国已经为根据国际电工委员会的推荐，目前我国已经为8种热电偶制定了标准，这种热电偶制定了标准，这8种热电偶称为标准热电偶。种热电偶称为标准热电偶。 8种标准热电偶如下表种标准热电偶如下表3-2.4647 热电偶的结构热电偶的结构普通工业用热电偶的结构如图普通工业用热电偶的结构如图 3-8（a）所示。主要包括）所示。主要包括四个部分：热电偶、绝缘管、保

40、护管和接线盒。四个部分：热电偶、绝缘管、保护管和接线盒。铠装热电偶铠装热电偶如图如图 3-8（b）所示。）所示。实物图实物图48 热电偶补偿导线及冷端温度补偿热电偶补偿导线及冷端温度补偿l 补偿导线及应用补偿导线及应用补偿导线补偿导线 在一定温度范围内（在一定温度范围内（0100），具有与所匹配的热），具有与所匹配的热电偶的热电势标称值相同的一对带绝缘包覆的导线。电偶的热电势标称值相同的一对带绝缘包覆的导线。补偿导线应用目的补偿导线应用目的 将热电偶冷端延伸到一个温度恒定点，或用其将热将热电偶冷端延伸到一个温度恒定点，或用其将热电偶与测量装置联接，电偶与测量装置联接， 以削弱热电偶冷端的温度变

41、化以削弱热电偶冷端的温度变化所产生的影响。所产生的影响。补偿导线应用连接示意图补偿导线应用连接示意图常用补偿导线（常用补偿导线（P.43）49注意：为了保证热电特性一致，补偿导线要与热电偶配套使用， 极性不能接反，热电偶和补偿导线连接处两接点温度必须保持相同，以免引起测量误差。50l 热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿热电偶测温过程存在的问题：热电偶测温过程存在的问题： a. 标准热电偶的分度表及与热电偶配套使用的显标准热电偶的分度表及与热电偶配套使用的显示仪表都是按热电偶的冷端温度为示仪表都是按热电偶的冷端温度为 0 刻度的。实刻度的。实际测温过程冷端温度并不为际测温过程冷端温度并不为0

42、。 b. 测温过程不能保证冷端温度恒定。测温过程不能保证冷端温度恒定。冷端补偿目的：冷端补偿目的： 通过硬件或软件手段消除热电偶冷端温度不为通过硬件或软件手段消除热电偶冷端温度不为0时，或冷端温度波动对热电偶测温的影响。时，或冷端温度波动对热电偶测温的影响。冷端补偿主要方法：冷端补偿主要方法： a. 自由端恒温法自由端恒温法 b. 计算修正法计算修正法 c. 补偿电桥法补偿电桥法51 a 冰点恒温法（自由端恒温法）52确定热电偶冷端温度，测出热电偶回路的电势确定热电偶冷端温度，测出热电偶回路的电势值，根据值，根据中间温度定律中间温度定律，查表获取当前冷端温度与查表获取当前冷端温度与间热电偶应发

43、出热电势，通过计算获取在冷端温度间热电偶应发出热电势，通过计算获取在冷端温度为为0时当前热端温度下热电偶应产生的热电势，进时当前热端温度下热电偶应产生的热电势，进而求得被测实际温度。而求得被测实际温度。基本计算公式：基本计算公式：b 计算校正法计算校正法EAB(T，0)= EAB(T，T0)+EAB(T0，0)热电偶发出热电势查表值，热端为T0，冷端为0时电偶发出热电势53例题：例题：利用铂铑利用铂铑10-铂热电偶测量某一炉温，已知冷端铂热电偶测量某一炉温，已知冷端温度温度t0=20，测得的热电势，测得的热电势E(t,t0)=9.819mV，求被测，求被测炉温的实际值。炉温的实际值。解：查热电

44、偶的分度表知：解：查热电偶的分度表知： E(20,0)=0.113mV总热电势：总热电势： E(t,0)=E(t,20)+E(20,0)=9.819+0.113 =9.932mV被测温度（查分度表）：被测温度（查分度表）： t=1030 （E=9.819，T=1020）54练习题练习题1用铂铑用铂铑10-铂铂(分度号分度号S)的热电偶测温，已知参比的热电偶测温，已知参比端温度为端温度为20，测得热电势，测得热电势E(t,20)=11.30mV，试求，试求被测温度被测温度t？解：查热电偶的分度表知：解：查热电偶的分度表知：E(20,0)=0.113mVE(t,0)=E(t,20)+E(20,0)

45、=11.30+0.113=11.413mV 查表知：查表知：t=115555练习题练习题2用镍镉用镍镉-镍硅镍硅(分度号分度号K)的热电偶测温，已知参比的热电偶测温，已知参比端温度为端温度为25，检测端温度为，检测端温度为506，求产生的热电势，求产生的热电势是多少？是多少？解：查热电偶的分度表知：解：查热电偶的分度表知： E(506,0)=20.896mV E(25,0)=1.000mV E(506,25)=E(506,0)-E(25,0)=20.896-1.000=19.896mV56 c 补偿电桥法补偿电桥法 补偿电桥法是利用补偿电桥产生的不平衡电压补偿电桥法是利用补偿电桥产生的不平衡电

46、压来抵消热电偶回路冷端不为零或波动带来的影响。来抵消热电偶回路冷端不为零或波动带来的影响。572) 2) 热电阻温度计热电阻温度计 测温原理：热电阻温度计是基于导体或半导体的电测温原理：热电阻温度计是基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性来测量温度的。阻值随温度而变化的特性来测量温度的。 热电阻温度计以热电阻为感温元件，并配以相应的热电阻温度计以热电阻为感温元件，并配以相应的显示仪表和连接导线所组成。显示仪表和连接导线所组成。 主要介绍：主要介绍： 工业常用金属热电阻及特点工业常用金属热电阻及特点 金属热电阻的引线金属热电阻的引线 半导体热敏电阻半导体热敏电阻58 常用金属热电阻常用金属热

47、电阻 工业中常用的热电阻主要有金属热电阻和半导体热电工业中常用的热电阻主要有金属热电阻和半导体热电阻。阻。金属热电阻：大多数金属具有正的电阻温度系数，温金属热电阻：大多数金属具有正的电阻温度系数，温度越高电阻值越大。一般温度每升高度越高电阻值越大。一般温度每升高1，电阻约增，电阻约增加加0.40.6。半导体热敏电阻：由半导体制成的热敏电阻大多具有半导体热敏电阻：由半导体制成的热敏电阻大多具有负温度系数，温度每升高负温度系数，温度每升高1，电阻约减少，电阻约减少26。热电阻测温主要特点热电阻测温主要特点 优点：信号灵敏度高，易于连续测量，无须参比温度；优点：信号灵敏度高，易于连续测量，无须参比温

48、度； 金属热电阻稳定性高，互换性好，精度高。金属热电阻稳定性高，互换性好，精度高。 缺点：需要电源激励，有自热现象，测量温度不能太缺点：需要电源激励，有自热现象，测量温度不能太 高。高。a. 铂热电阻铂热电阻 分度号：分度号： Pt10 ： R0 = 10 Pt100 ： R0 = 100 温度温度-阻值分度式：阻值分度式： -2000： Rt = R01 + At + Bt2 + C(t-100)t3 0850： Rt = R0 (1 + At + Bt2 ) 式中式中Rt 和和 R0分别为分别为t和和0时铂电阻的电阻值；时铂电阻的电阻值； A、B和和C为常数。为常数。 常数规定（常数规定（

49、ITS一一90）：）： A = 3.908310-3 / B = 5.77510-7 / 2 C = 4.18310-12 / 4 测温范围：测温范围： 工业用铂电阻温度计的使用范围是工业用铂电阻温度计的使用范围是-200850。铂热电阻特性：铂热电阻特性：精度高，稳定性好，性能可靠；精度高，稳定性好，性能可靠；电阻与温度为非线性关系；温度越高，电阻的变化电阻与温度为非线性关系；温度越高，电阻的变化率越小；率越小；铂在还原性介质中，特别是在高温下很容易被从氧铂在还原性介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸气所沾污，使铂丝变脆，并改化物中还原出来的蒸气所沾污，使铂丝变脆，并改变它的

50、电阻与温度间的关系。（变它的电阻与温度间的关系。（550以上只适合在以上只适合在氧化环境中使用，真空和还原性介质将导致电阻值氧化环境中使用，真空和还原性介质将导致电阻值迅速漂移）迅速漂移）b. 铜电阻铜电阻 铜电阻分度号铜电阻分度号 Cu50： R0 = 50 Cu100：R0 = 100 温度温度-阻值分度式：阻值分度式： Rt = R0 (1 + At + Bt2 + Ct3) 或或 Rt = R0 (1 + t) 式中式中: A = 4.28899103 / B = -2.133107 / 2 C = 1.233109 / 3 = 4.28103 / 测温范围：测温范围： 工业用铜电阻温

51、度计的使用范围是工业用铜电阻温度计的使用范围是 -50150（线性区（线性区域）域）铜热电阻温度计特点：铜热电阻温度计特点：温度系数大，而且几乎不随温度而变，铜热电阻温度系数大，而且几乎不随温度而变，铜热电阻的特性比较接近直线的特性比较接近直线铜容易加工和提纯，价格便宜，铜容易加工和提纯，价格便宜，温度测量范围较窄。（高于温度测量范围较窄。（高于250电阻本身易于氧电阻本身易于氧化）化） 63c. 镍电阻镍电阻的电阻率及温度系数比铂和铜大得多，因而具有较高的灵敏度，且体积可以做的较小。一般测温范围：-50180. 金属热电阻的引线形式及接线金属热电阻的引线形式及接线 工业用热电阻自身阻值较小，

52、常安装在离控制室较工业用热电阻自身阻值较小，常安装在离控制室较远的生产现场，因此环境变化引起的热电阻引线电远的生产现场，因此环境变化引起的热电阻引线电阻的变化对测量结果有较大的影响。阻的变化对测量结果有较大的影响。热电阻引线热电阻引线 热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种形热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种形式。式。64热电阻接线热电阻接线两线制接线两线制接线65 两线制热电阻配线简单，安装两线制热电阻配线简单，安装费用低，费用低，但环境但环境干扰会引进引线电干扰会引进引线电阻的附加误差。阻的附加误差。 两线制热电阻不适用于高精度两线制热电阻不适用于高精度测温场合使用。并且在使用

53、时引线测温场合使用。并且在使用时引线及导线都不宜过长。及导线都不宜过长。 采用三线制热电阻的测温电桥采用三线制热电阻的测温电桥如图所示，引线电阻的变化同如图所示，引线电阻的变化同时引进电桥相邻的两臂，可以时引进电桥相邻的两臂，可以消除引线电阻的影响，测量精消除引线电阻的影响，测量精度高于两线制。目前三线制在度高于两线制。目前三线制在工业检测中应用最广。工业检测中应用最广。 一般，在测温范围窄或导线长，一般，在测温范围窄或导线长，导线途中温度易发生变化的场导线途中温度易发生变化的场合必须考虑采用三线制热电阻。合必须考虑采用三线制热电阻。66三线制热电阻接线四线制热电阻接线方式四线制热电阻接线方式

54、 四线制引线方式主要用于高四线制引线方式主要用于高精度温度检测。精度温度检测。 如图，其中两根引线为热电如图，其中两根引线为热电阻提供恒流源，在热电阻上阻提供恒流源，在热电阻上产生的压降产生的压降U=RtI, 通过另两通过另两根引线引至电位差计进行测根引线引至电位差计进行测量。因此，其电阻测量线路量。因此，其电阻测量线路上没有电流，可完全消除引上没有电流，可完全消除引线电阻对测量的影响。线电阻对测量的影响。67四线制热电阻与电位差计结合的的测温电路如图四线制热电阻与电位差计结合的的测温电路如图所示。所示。 金属热电阻的使用特点金属热电阻的使用特点 输出信号增量较大，易于测量。输出信号增量较大，

55、易于测量。金属热电偶稳定性高、精度高；互换性好。金属热电偶稳定性高、精度高；互换性好。工业测温用金属热电阻一般采用三线制接线。工业测温用金属热电阻一般采用三线制接线。热电阻的感温体结构复杂、体积较大，热惯性热电阻的感温体结构复杂、体积较大，热惯性大，不适宜应用于体积狭小场合和温度变化快大，不适宜应用于体积狭小场合和温度变化快的过程的温度测量，抗机械冲击与振动性能也的过程的温度测量，抗机械冲击与振动性能也较差；较差；热电阻适于低温段测量。热电阻适于低温段测量。68 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 热敏电阻是利用金属氧化物或某些半导体材料的电阻热敏电阻是利用金属氧化物或某些半导体材料的电阻值随温度的

56、升高而减小值随温度的升高而减小(或升高或升高)的特性制成的。一般的特性制成的。一般热敏电阻的测温范围是热敏电阻的测温范围是-100300。 热敏电阻种类热敏电阻种类 NTC型热敏电阻：负温度系数热敏电阻型热敏电阻：负温度系数热敏电阻 PTC型热敏电阻型热敏电阻 ：正温度系数热敏电阻：正温度系数热敏电阻 CTR 型热敏电阻：负温度系数临界温度热敏电阻型热敏电阻：负温度系数临界温度热敏电阻 69热敏电阻特点：热敏电阻特点：半导体热敏电阻具有以下一些优点：半导体热敏电阻具有以下一些优点：灵敏度高。灵敏度高。温度系数大。温度系数大。NTC型热敏电阻的电阻温度系数型热敏电阻的电阻温度系数都在都在-310

57、-2 -610-2之间，是金属热电之间，是金属热电阻的十多倍，因此可大大降低对显示仪表的精阻的十多倍，因此可大大降低对显示仪表的精度要求；度要求；电阻值高。半导体热敏电阻在常温下的阻值很电阻值高。半导体热敏电阻在常温下的阻值很大，通常在数千欧以上，引线电阻几乎对测温大，通常在数千欧以上，引线电阻几乎对测温没有影响，不必采用三线制或四线制，给使用没有影响，不必采用三线制或四线制，给使用带来了方便；带来了方便；体积小，热惯性也小，时间常数通常在体积小，热惯性也小，时间常数通常在0.53s；结构简单，价格低廉，化学稳定性好，使用寿结构简单，价格低廉，化学稳定性好，使用寿命长。命长。70半导体热敏电阻

58、的缺点：半导体热敏电阻的缺点：互换性较差，虽然近几年有明显的改善，但与金属互换性较差，虽然近几年有明显的改善，但与金属热电阻相比仍有较大差距；非线性严重；热电阻相比仍有较大差距；非线性严重；温度测量范围有一定限制，目前只能达到温度测量范围有一定限制，目前只能达到-50300左右。左右。72 热电阻的结构热电阻的结构73热电偶热电阻 mvR温度变送器DDZ- 4-20mA3）温度变送器 温度变送器与热电偶和热电阻配套使用的仪表，主要作用是将温度检测元件的电信号（mv或R)转换成统一的标准信号4-20mA电流信号，作为显示或调节仪表的输入信号。74智能化温度变送器智能化温度变送器 核心部件：微处理

59、器核心部件：微处理器 特点：特点： 1、与任一种测温元件都可配套、与任一种测温元件都可配套 2、功能广泛：零点迁移、量程调整、温度补偿、功能广泛：零点迁移、量程调整、温度补偿、线性化补偿等。线性化补偿等。 随着工厂自动化水平的提高，智能温度变送器的应随着工厂自动化水平的提高，智能温度变送器的应用会越来越多。用会越来越多。75 产品特点产品特点：一体化温度变送器将温：一体化温度变送器将温度传感元件（热电阻或热电偶）与度传感元件（热电阻或热电偶）与信号转换放大单元有机集成在一起，信号转换放大单元有机集成在一起，除输出与温度成线性的除输出与温度成线性的420mA信信号之外，同时具有现场显示功能。号之

60、外，同时具有现场显示功能。信号准确、可远传（最大信号准确、可远传（最大1000米），米），该系列产品分普通型和隔爆型两种。该系列产品分普通型和隔爆型两种。 热电阻测量范围热电阻测量范围： -200450-50150p 热电偶测量范围热电偶测量范围：01200 080001600 01800供电电源供电电源：24VDC10%测量精度测量精度： 0.25%0.5% 0.75% 仪表型号：数显一体化温度变送器763.2.3 温度测量仪表的选用温度测量仪表的选用正确选型正确选型由现场工作条件确定选择接触式还是非接触式由现场工作条件确定选择接触式还是非接触式温度计。温度计。接触式：根据温度接触式：根据温