温度检测及其报警装置

1、内蒙古工业大学本科毕业设计说明书引 言人类已经进入21世纪，社会文明不断进步，科学技术迅猛发展，人类面临有限资源的综合利用问题，生产规模的扩大问题和相关工艺的复杂性问题，这种状况使得自动化技术和先进控制方法在工业生产中被广泛应用。社会经济的发展为自动化的应用开辟了无限广阔的前景，自动化技术的应用正迅速渗透到各行各业，检测装置是生产过程自动化和经营管理现代化的基础，特别受到人们的重视。如今的经典控制理论在解决简单的自动控制系统设计和应用方面是强有力的工具，并一直发挥着很大的作用。目前，由于此方面的控制理论、控制模式和研究已经达到相当成熟的程度，它在许多工业和生产部门起着非常大的作用，并形成了标准

2、化和系列化的产品。特别是温度检测、压力检测、流量检测等系统的应用在许多领域中占有很重要的地位。温度是表征生产过程中工质状态的一个基本物理量，它在工业生产和科学研究领域是一个很重要的物理参数，自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。随着社会的不断进步，科学技术的迅速发展，在很多生产过程中，温度测量和控制都直接和安全生产、保证产品质量、提高生产效率、节约能源等重大经济技术指标相联系，因此在国民经济各个领域中受到了相当的重视。本文第一章为温度检测及其报警装置概述，简单介绍了温度检测装置的构成原理和它的量程调整、零点调整和零点迁移；第二章是温度检测装置元件的介绍，主要讲述了热电偶和热电阻的特点

3、、种类、结构、优点、测温基本原理以及基本定律和测温误差；第三章为以热电偶温度变送器为核心的温度检测装置，主要介绍了温度检测装置放大单元的工作原理，量程单元的工作原理和热电偶的测温原理，以及热电偶冷端温度补偿电路的分析和线性化原理及其电路分析。第四章是对报警装置的设计进行详细地说明。由于本人缺乏实践经验，设计中有不妥之处，希望老师见谅并指正。第一章 温度检测及其报警装置概述一般，自动控制系统都是负反馈控制系统。在这一系统中，至少包括四个基本组成部分，即被控制对象、检测装置（主要指变送器）、调节器和执行机构。其中检测装置是自动控制系统的重要组成部分。任何一个针对物理过程的负反馈控制系统，检测装置都

4、是不可或缺的。而报警装置则是保证工业生产安全进行的前提。本设计主要完成一个温度检测及其报警装置的设计，该设计总体上按照先检测后报警的思路分成两部分完成。第一部分是温度检测装置的设计，与各种热电阻或热电偶配合使用。将温度信号转换成统一标准信号，作为报警装置的输入信号，以实现对温度变量的检测；第二部分是报警装置的设计，当检测到的温度信号超出给定范围时，报警装置发出报警信号。1.1 温度检测装置简介温度检测装置在线路结构上分为量程单元和放大单元两个部分，它们分别设置在两块印制电路板上，用接插件互相连接。其中放大单元是通用的，而量程单元则随品种、测量范围的不同而异。它是基于负反馈原理工作的，其构成原理

5、如图1-1所示，它包括测量部分（即输入转换部分）、放大器和反馈部分。图1-1 检测装置构成原理图测量部分用以检测被测变量小，并将其转换成能被放大器接受的输入信号（电压、电流、位移、作用力或力矩等信号）。反馈部分则把检测装置的输出信号转换成反馈信号进行比较，其差值送入放大器进行放大，并转换成标准输出信号。由图1-1可以求得检测装置输出与输入之间的关系为 （1-1）式中满足深度负反馈的条件，即时，式（1-1）变为 （1-2）式（1-1）表明，在的条件下，检测装置输出与输入之间的关系取决于测量部分和反馈部分的特性，而与放大器的特性几乎无关。如果转换系数和反馈系数是常数，则检测装置的输出与输入将保持良

6、好的线性关系。检测装置的输入输出特性示于图1-2中，、分别为被测变量的上限值和下限值，也即检测装置测量范围的上下限值（图中）；和分别为输出信号的上限值和下限值。它们与统一标准信号的上、下限值相对应。y0x图1-2 输入输出特性1.2 量程调整、零点调整和零点迁移检测装置涉及的另一个共性问题是量程调整、零点调整和零点迁移。1.2.1 量程调整量程调整（即满度调整）的目的是使检测装置输出信号的上限值（即统一标准信号的上限值）与测量范围的上限值相对应。量程调整相当于改变输入输出特性的斜率，也就是改变检测装置输出信号与被测变量之间的比例系数。量程调整通常是通过改变反馈系数F的大小来实现的。F大，量程就

7、大；F小，量程就小。1.2.2 零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移的目的，都是使检测装置输出信号的下限值（即统一标准信号的下限值）与测量范围的下限值相对应。在时，为零点调整；在时，为零点迁移。也就是说零点调整使检测装置的测量起始点为零，而零点迁移则是把测量起始点由零迁移到某一数值（正值或负值）。当测量起始点由零变为某一正值，称为正迁移；反之，当测量起始点由零变为某一负值，称为负迁移。零点迁移以后，检测装置的输入输出特性平移了一段距离，其斜率并没有改变，即测量装置的量程不变。进行零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量灵敏度。由式（1-2）可知，测量装置零点调整和零点迁移可通过改变调零信号

8、的大小来实现。当为负时可实现正迁移；而当为正时可实现负迁移。1.3 报警装置简介 本设计所介绍的报警电路主要是输入回路和偏差报警单元电路两部分。检测装置检测到的现场温度作为此单元电路的输入信号，偏差报警单元把输入信号与给定值进行比较，判断是否超出正常工作的温度范围。如果超出，则反应到报警铃或报警灯上。第二章 温度检测装置元件的介绍温度检测装置与各种热电偶或热电阻配合使用，将温度信号转换成统一标准信号作为指示、记录仪或调节器的输入信号，以实现对温度变量的显示、记录或自动控制。2.1 热电偶概述 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。它能把温度信号转化成统一的电信号，便于信号的远传和实现多点切换

9、测量，因此，它在工业生产和科学研究领域中被广泛用于测量温度。其优点是：（1）精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。（2）范围广。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。（3）简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，使用非常方便。2.1.1 热电偶简介常用的普通型热电偶本体是一端焊接的两根金属丝（热电极）。考虑到两根热电极之间的电气绝缘和防止有害介质侵蚀热电极，在工业上使用的热电偶一般都有绝缘管和保护套管。如果被测介质对热电偶不会发生侵蚀作用，

10、也可不用保护套管，以减少接触测温误差与滞后。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：（1）热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；（2）各个热电极彼此之间应很好地绝缘，防止短路；

11、（3）补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；（4）保护套管应能保证热电极与有害介质隔离开来。1.普通型热电偶（1）热电极：热电极的直径由材料的价格、机械强度、电导率以及热电偶的用途和测量范围等决定。贵金属热电极的直径一般是0.30.65mm ；常用金属热电极的直径一般是0.53.2mm 。热电偶的长度根据热端在介质中的插入深度来决定，通常为3502000mm 。热电偶热端通常采用焊接方式形成。为了减少热传导误差和滞后，焊点宜小，焊点直径应不超过两倍热电极直径。（2）绝缘材料：热电偶的两根热电极要很好地绝缘，以防短路。在低温下可用橡胶、塑料等作绝缘材料；在高温下采用氧化铝、陶瓷等制成圆形或椭圆

12、形的绝缘管，套在热电极上。（3）保护套管：为了防止热电极遭受化学腐蚀和机械损伤，热电偶通常都是装在不透气的、带有接线盒的保护套管内。接线盒内有连接热电极的两个接线柱，以便连接补偿导线或导线。对保护套管材料的要求是能承受温度的剧变、耐腐蚀、有良好的气密性和足够的机械强度，有高的热导率，在高温下不致和绝缘材料和热电极起作用，也不产生对热电极有害的气体。目前还没有一种材料能同时满足上述要求，因此应根据具体工作条件选择保护套管的材料。（4）接线盒：接线盒中有接线端子，它将热电极和连接导线连接起来。接线盒起密封和保护接线端子的作用。它有普通式、防溅式、防水式、隔爆式和插座式等。2.铠装热电偶铠装热电偶是

13、由金属套管、绝缘材料和热电极经拉伸加工而成的坚实组合体，套管材料有铜、不锈钢及镍基高温合金等。热电偶与套管之间填满了绝缘材料的粉末，目前采用的绝缘材料绝大部分为氧化镁。套管中的热电极有单丝的、双丝的和四丝的，彼此之间互相绝缘。目前生产的铠装热电偶，其外径一般为16mm ，长度为120mm ，外径最细的有0.2mm ，长度最长的有超过100mm的。它测量的温度上限除和热电偶有关外，还和套管的外径及管壁厚度有关。外径粗、管壁厚时测温上限可高些。铠装热电偶的热端有露端形、接壳形、绝缘形、扁变截面形及圆变截面形等，可根据使用要求选择所需的形式。它的主要优点是：（1）热端热容量小；（2）动态响应快；（3

14、）机械强度高，侥性好，耐高压、强烈震动和冲击；（4）可安装在结构复杂的装置上。 3.薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶。这种热电偶的热端既小又薄，热容量很小，可以用于微小面积上的温度测量；动态响应快，可测量瞬变的表面温度。其中片状结构的薄膜热电偶，是采用真空蒸镀法将两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上，上面在蒸镀一层二氧化硅薄膜作绝缘和保护层。我国研制成的铁-镍薄膜热电偶的长、宽、厚的尺寸分别是60、6、0.2mm ，金属薄膜厚度在36m 之间，测量范围为0300，时间常数小于0.01s 。如果将热电极材料直接蒸镀到被测表面上，其时间常数可达微秒级，可用来测量变化极快

15、的温度。也可将薄膜热电偶制成针状，针尖处为热端，可用来测量点的温度。2.1.2 热电现象和热电偶测温基本原理由两种不同的导体（或半导体）A、B组成的闭合回路，在这个闭合回路中，当导体A和B的两个接点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成电流，这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。热电势是由温差电势和接触电势组成的。温差电势是一根导体上因两端温度不同而产生的热电动势，当同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的多，结果高温端因失去电子而带正电荷，低温端因得到电子而带负电荷，从而在高、低

16、温端之间形成一个从高温端指向低温端的静电场。该电场阻止电子从高温端跑向低温端，同时加速电子从低温端跑向高温端，最后达到平衡状态，即从高温端跑向低温端的电子数等于从低温端跑向高温端的电子数。平衡状态时在导体两端产生一个相应的电位差，该电位差称为温差电势。温差电势只与导体性质和导体两端温度有关，而与导体长度、截面大小、沿导体长度上的温度分布无关。接触电势是在两种不同的导体A、B接触时产生的。A、B金属有不同的电子密度，设导体A的电子密度大于导体B的电子密度，则从A扩散到B的电子数目比从B扩散到A的多，A因失去电子而带正电荷，B因得到电子而带负电荷，于是在A、B的接触面上形成了一个A到B的静电场。这

17、个电场将阻碍电子扩散的继续进行，同时加速电子向相反方向转移，最后达到动态平衡。在动态平衡状态时A、B之间形成一个电位差，这个电位差称为接触电势，其数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。一个由A、B两种均匀导体组成的热电偶，当两个接点温度分别为和时，按顺时针取向，热电偶产生的热电势（，）为： （2-1）式中：表示总的热电势，下脚标A、B表示产生热电势的两种导体（或半导体），、代表两接点的温度，下脚标的顺序表示电动势的方向是由前者指向后者。及表示接触电势，温差电势二者合成的分电动势，它只与A、B的材料性质及温度、有关。若使热电偶的一个接点温度保持不变，则式（2-1）中的项也不变，设为常数，这

18、时上式可写为： （2-2）即热电偶产生的热电势只和温度有关。因此，测量热电势的大小，就可求得温度的数值了，这就是用热电偶测量温度的工作原理。组成热电偶的两种导体，称为热电极。通常把端称为热电偶的参考端、自由端或冷端，而端称为测量端、工作端或热端。2.1.3 热电偶的基本定律在使用热电偶测量温度时，还需要应用关于热电偶的三条基本定律，他们分别如下所述。1.均质导体定律由一种均质导体（或半导体）组成的闭合回路，不论导体（或半导体）的截面积大小以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。由此定律可以得到以下结论：（1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成；（2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如

19、产生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此，可检查热电极材料的均匀性。2.中间导体定律由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料的接触点温度都相同，则回路中的热电势总和为零。由此定律可得到如下的结论：（1）在热电偶回路中加入第三种均质材料，只要它的两端温度相同，对回路的热电势就没有影响。对于任何热电偶接点，只要它接触良好，温度相同，不论用何种方法构成接点，都不影响热电偶回路的热电势。（2）如果两种导体A、B对另一种参考导体C的热电势为已知，则这两种导体组成热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和。参考导体也称标准电极，因为铂的物理、化学性能稳定，熔点高，易提纯，复制性好，所以标准电极常用纯铂丝制

20、作。这个结论大大简化了热电偶的选配工作。只要取得一些热电极与标准铂电极配对的热电势，其中任何两种热电极配对时的热电势就可通过计算求得。3.连接温度（或中间温度）定律接点温度为和的热电偶，它的热电势等于接点温度分别为、和、的两个同性质的热电偶的热电势的代数和。由此定律可得到以下结论：（1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可在另外的冷端温度下使用。这就为制订热电偶的热电势温度关系分度表奠定了理论基础。（2）和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶的回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势，这就为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。在测温时，为了

21、使热电偶的冷端温度保持恒定，可以把热电偶做的很长，使冷端远离热端，并连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动较小的地方（如集中控制室）。但这种方法要耗费许多贵重的热电极材料，因此，一般是用一种所谓补偿导线和热电偶的冷端相连接，这种补偿导线是两种不同的金属材料，它在一定的温度范围内（0100）和所连接的热电偶具有相同的热电性质，可用它们来做热电偶的延长线。我国规定补偿导线分为补偿型和延伸型两种补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用碱金属制成的，但在低温下它们的热电性质是相同的。延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其热电性能的准确度要求略低。就一般而言，补偿导线电阻率较小，线径较粗，这有利

22、于减小热电偶回路的电阻。2.1.4 热电偶的测温误差用热电偶测温，其误差来源与其它仪表相似，也由两部分组成：热电偶温度计的基本误差和它的附加误差。基本误差是在规定使用条件下仍然存在的误差，而附加误差主要是由使用条件超出规定时所出现的误差。附加误差的大小与使用条件偏离标准条件的程度有关，如果使用得当，可以大大减小这项误差。1.基本误差 作为测温元件的热电偶，由于采用的测温方法不同，其误差确定方法也不同。（1）用标准分度表分度这是一般常用的已定型生产的工业用普通热电偶的分度法。这类热电偶的误差大小，决定于所用热电偶的热电特性允许与标准分度表的偏差大小，允许偏差愈小，则测量精度高。这个允许范围不是人

23、为简单规定的，主要取决于制作热电偶材料的工艺水平。标准分度表是根据本国有代表性生产热电偶丝厂生产产品的实测结果以及考虑到多方面因素确定下来的，一旦允许偏离的程度确定了，这个误差大小就成了采用这个热电偶的基本误差。（2）采用上一级标准单独分度用上一级标准对工作热电偶单独分度的方法主要用于没有标准分度的热电偶。有时有标准分度表的热电偶也可采用单独分度，这样可以得到较高的分度精度。因为采取这种方法可以避免制造热电偶丝时引起特性分散误差，即所用热电偶特性偏离表列标准值引起的误差。在采用单独分度时，热电偶的分度误差大致可包括以下几部分：上级标准仪表的传递误差；热电偶分度时内插计算误差；分度方法及操作影响

24、的误差；热电偶本身复现性及不稳定性误差；分度时电测仪表的误差。上级标准仪表的传递误差决定于所选标准的等级。不稳定性是反映热电偶热电特性随时间变化大小的一个指标。在很多情况下它是热电偶误差主要来源之一，它的一部分应列入热电偶基本误差，但也有一部分不稳定性是由于使用条件造成的。其次，热电偶材料不均匀在使用中也将引起误差。由于沿电极温场分布变化，将使具有不均匀性电极产生附加电动势等等。或是单独分度，当使用时沿电极温场分布与分度时温场分布不同也要产生此项误差，它是热电偶的基本误差。2.附加误差热电偶的附加误差都与使用条件以及对热电偶的处理有关。大多数热电偶在开始使用时本身的附加误差并不大，而在使用一段

25、时间后，由于环境影响将相应增加一些附加误差。例如，由于不合理地使用，对电极的影响将明显影响热电偶的输出电动势，在精密测量时应特别注意。其次，氧化还原也是很多热电偶稳定性变坏的一个原因。 有些含铜、康铜等电极的热电偶，温度较高时明显氧化，甚至不能继续使用，氧化、还原不但使热电特性发生变化，电极还将变脆。此外，在高温下使用，在放射环境下使用将会有热电极材料中某些组分挥发或使某些元素蜕变，改变了热电极的成分比例或使保护管具有放射性，降低绝缘性，都会导致热电偶附加误差的增大。产生附加误差的另一个因素是保护管绝缘不好。有些材料在较低温度时，表现有良好的绝缘性，而到高温，电阻率明显下降，给电动势测量带来误

26、差。从上述分析可知，附加误差的来源很多，要根据具体情况分析，采用正确措施可以大大降低附加误差。2.1.5 热电偶的使用误差正确使用热电偶不但可以准确得到温度的数值，保证产品合格，而且可以节省热电偶的材料消耗，既节省资金又能保证产品质量。实际使用中，安装不正确，热导和时间滞后等，都是引起热电偶误差的主要因素。1.安装不当引入的误差如热电偶安装的位置及插入深度不能反映炉膛的真实温度等，换句话说，热电偶不应装在太靠近门和加热的地方，插入的深度至少应为保护管直径的810倍；热电偶的保护套管与壁间的间隔未填绝热物质致使炉内热溢出或冷空气侵入，因此热电偶保护管和炉壁孔之间的空隙应用耐火泥或石棉绳等绝热物质

27、堵塞以免冷热空气对流而影响测温的准确性；热电偶冷端太靠近炉体使温度超过100；热电偶的安装应尽可能避开强磁场和强电场，所以不应把热电偶和动力电缆线装在同一根导管内以免引入干扰造成误差；热电偶不能安装在被测介质很少流动的区域内，当用热电偶测量管内气体温度时，必须使热电偶逆着流速方向安装，而且与气体充分接触。2.绝缘变差而引入的误差如热电偶绝缘了，保护管和拉线板污垢或盐渣过多致使热电偶极间与炉壁间绝缘不良，在高温下更为严重，这不仅会引起热电势的损耗而且还会引入干扰，由此引起的误差有时可达上百度。3.热惰性引入的误差由于热电偶的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化，在进行快速测量时这种影响尤为突

28、出。所以应尽可能采用热电极较细、保护管直径较小的热电偶。测温环境许可时，甚至可将保护管取去。由于存在测量滞后，用热电偶检测出的温度波动的振幅较炉温波动的振幅小。测量滞后越大，热电偶波动的振幅就越小，与实际炉温的差别也就越大。当用时间常数大的热电偶测温时，仪表显示的温度虽然波动很小，但实际炉温的波动可能很大。为了准确的测量温度，应当选择时间常数小的热电偶。时间常数与传热系数成反比，与热电偶热端的直径、材料的密度及比热成正比，如要减小时间常数，除增加传热系数以外，最有效的办法是尽量减小热端的尺寸。使用中，通常采用导热性能好的材料，管壁薄、内径小的保护套管。在较精密的温度测量中，使用无保护套管的裸丝

29、热电偶，但热电偶容易损坏，应及时校正及更换。4.热阻误差高温时，如保护管上有一层煤灰，尘埃附在上面，则热阻增加，阻碍热的传导，这时温度示值比被测温度的真值低。因此，应保持热电偶保护管外部的清洁，以减小误差。2.2 热电阻概述热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它已广泛应用于中、低温范围内的温度测量，一般常用于 -200500的测量。随着测温技术的发展，电阻温度计的测温范围在不断扩大。低温方面已成功地应用于13K的温度测量中，而高温方面也出现了多种用于10001300的电阻温度计。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的

30、基准仪。电阻温度计的优点是：（1）测量精度高；（2）有较大的测量范围，尤其在低温方面；（3）易于使用在自动测量中，也便于远距离测量。这里指的测量精度高，主要是一些材料的电阻温度特性稳定，复现性好。目前电阻的测试技术已达到很高水平，因而可以保证足够高的测温精度。2.2.1 热电阻测温原理热电阻测温的原理是利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化这一性质来进行温度测量的。实践证明，大多数导体的电阻值随温度的升高而增加，而半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高的多。由于目前半导体电阻的生产还存在一定的问题，如复现性、高温稳定性还不够理想，所以半导体电阻温度计的应用还受到一定的限制。2.2.2

31、 热电阻材料及常用热电阻虽然导体、半导体材料电阻随温度的变化是各种物质的基本特性，电阻与温度有相应的依赖关系，但适合制作温度测量敏感元件的电阻材料，还要具备以下特点：（1）要有尽可能大，且稳定的电阻温度系数；（2）电阻率要高，以便在同样灵敏度下减小元件的尺寸；（3）电阻温度系数要保持单值，且最好是常数，以保证电阻随温度变化的线性关系；（4）在电阻的使用范围内，其化学、物理性能应保持稳定；（5）材料的工艺性要好，如易提纯、可延性好、易于复制等等；根据上述要求，纯金属是制造热电阻的主要材料，特别是铂、铜、镍等，他们已得到广泛应用。下面介绍目前常用的几种电阻材料及它们的特性。1.铂电阻铂是一种贵金属

32、，因为它有很多优点，所以广泛地应用于实际测温。它的优点首先是物理化学性能极为稳定，尤其是耐氧化能力很强，并且在很宽的温度范围内（1200以下 ）都可以保持上述特性。另外，它易于提纯、复制性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝，或极薄的铂箔。与其它热电阻材料相比，它有较高的电阻率。因此它是较为理想的热电阻材料。它的缺点是电阻温度系数较小，在还原介质中工作时易被沾污变脆，另外它的价格较贵。主要因为它前述的优点，所以除作一般工业测温元件外，还广泛地应用于温度的基准、标准仪器中。2.铜热电阻铜仅用来制造 -50180范围内的工业用电阻温度计，它的特点为：在上述使用温度范围内，铜电阻与温度的关系是呈线

33、性的；电阻温度系数比铂高，但电阻率低；易得到纯态；加工性能好，可拉成细丝；价格便宜；易于氧化，不适合在腐蚀介质或高温下工作。由于以上特点，所以在温度不高、测温元件体积没有什么特殊限制时，可以使用铜电阻温度计。3.镍、铁电阻镍和铁电阻也适合做热电阻，但目前很少用，这是由于铁很容易氧化，化学稳定性不好。而镍非线性较严重，材料提纯也很困难，再现性较差。但由于铁的线性、电阻率和灵敏度都较高，所以在加以适当保护后，也可作为热电阻元件。镍电阻在稳定性方面优于铁，比铂更灵敏一些。目前已把镍热电阻列为定型热电阻，使用温度范围在 -60180内。4.热电阻骨架及保护材料制作热电阻除需要基本的电阻材料外，还要有电

34、阻骨架和保护管，以便绕制、支撑、绝缘及保护电阻丝。对热电阻骨架材料的要求为：（1）在整个工作温度范围内，有良好绝缘性；（2）体或线膨胀系数要小，保证测量中不会因为骨架的变形而带来附加误差；（3）耐高温，不易氧化；（4）在工作温度下有足够的机械强度；（5）在工作温度下不会析出对灵敏元件有害的成分。根据上述要求，目前被选作热电阻骨架材料的有：云母、陶瓷、石英、玻璃、塑料等。对保护陶管材料的要求基本上与骨架材料一致，要求有一定的机械强度、耐热、化学稳定性好、不会对敏感元件有化学侵蚀作用。目前使用的保护管材料有陶瓷、氧化铝、钢或不锈钢，在要求较高时也有用石英的。2.2.3 热电阻的结构1.精通型热电阻

35、工业常用热电阻感温元件（电阻体）目前已有多种型式的定型的铂和铜电阻温度计。也有根据不同用途制造的特殊结构热电阻。工业常用热电阻与热电偶外形极为相似，根据不同用途也有与热电偶相应的类型。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。2.铠装热电阻铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为28mm，最小可达1mm。与普通型热电阻相比，它有下列优点：（1） 体积小，内部无空气隙，热惯性小，测量滞后小；（2） 机械性能

36、好、耐振，抗冲击；（3） 能弯曲，便于安装；（4） 使用寿命长。3.端面热电阻端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材料绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更准确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。4.隔爆型热电阻隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引起爆炸。隔爆型热电阻可用于具有爆炸危险场所的温度测量。2.2.4 热电阻测温系统的组成热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。实际应用中需要注意以下两点：（1） 热电阻和显示仪表的分度号必须一致；（2）

37、为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。此外，电阻体的断路修理必然要改变电阻丝的长短而影响电阻值，为此更换新的电阻体为好，若采用焊接修理，焊后要校验合格后才能使用。第三章 热电偶温度检测装置温度检测装置是把与温度有关的电阻式温度计的电阻变化或与温度有关的热电偶的电压变化转换成一种标准信号。测量输入信号被转换成与温度成线性的输出信号或被转换成与电压成线性的输出信号，以实现对温度变量的显示、记录和自动控制。根据检测元件的不同，它可分为热电偶温度检测装置和热电阻温度检测装置。本章将重点介绍热电偶温度检测装置。3.1 温度检测装置的结构方框图下面是温度检测装置的结构方框图，图中空心箭头表示

38、供电回路，实线箭头表示信号回路。毫伏输入信号 或由测温元件送来的反映温度大小的输入信号与桥路部分的输出信号及反馈信号相叠加，送入集成运算放大器。放大了的电压信号再由功率放大器和隔离输出电路转换成统一的420mA直流电流和15V直流电压输出。图3-1 温度检测装置的结构方框图检测装置的主要性能指标：基本误差为±0.5；环境温度每变化25附加误差不超过±0.5；负载电阻在0100范围内变化时，附加误差不超过±0.5。3.2 热电偶温度检测装置的设计热电偶温度检测装置大体上分为量程单元和放大单元。其核心是热电偶温度变送器。热电偶温度变送器结构方框图如图3-2所示。图3-

39、2 热电偶温度检测装置结构简图温度检测装置的反馈部分有两种形式：一种是线性电阻网络，即线性反馈，结果保证输入电压与输出电流之间呈线性关系；另一种是反馈回路具有与测温元件相类似的特性，即非线性反馈，结果使被测温度与之间成线性关系，在热电偶变送器的反馈电路里就采用这种形式。 3.2.1 放大单元工作原理温度检测装置的放大单元由集成运算放大器、功率放大器、直流-交流-直流变换器、隔离输出等部分组成。放大单元的作用是将量程单元输出的毫伏信号进行电压和功率放大，输出统一的直流电流信号和直流电压信号。同时，输出电流又经反馈部分转换成反馈电压信号，送至量程单元。1.电压放大电路电压放大电路由集成运算放大器构

40、成。由于来自量程单元的输入信号很小，且放大电路采用直接耦合方式，故对温度漂移必须加以限制。为此应对集成运算放大器的温漂系数提出一定要求。这里，温漂系数主要是指失调电压随温度而变化的数值。若设检测装置的使用环境温度范围为，失调电压漂移系数为，则在温度变化时失调电压的变化量为： （3-1）现设为由于的变化给仪表带来的附加误差，即，则由式（3-1）可知： （3-2）式（3-2）表示了集成运算放大器的温漂系数和仪表相对误差的关系。漂移系数越大，引起的相对误差就越大。当温度检测装置的最小量程为3mV，温升为30，要求0.3%时，按式（3-2）就要求： （3-3）为了满足这一要求，温度检测装置中运算放大器

41、所用的线性集成电路需采用低漂移型的高增益运算放大器。2.功率放大电路功率放大电路的作用是把运算放大器输出的电压信号，转换成具有一定负载能力的电流信号。同时，通过隔离变压器实现隔离输出。图3-3 功率放大器原理图功率放大器线路如图3-3所示，由复合管、及其射极电阻、和隔离图3-4 热电偶温度检测装置电路图变压器等元件组成。它由直流-交流-直流变换器输出的交流方波电压供电，因而不仅具有放大作用，而且具有调制作用，以便通过隔离变压器传递信号。 在方波电压的前半个周期（其极性如图3-3所示），二极管导通，截止，由输入信号产生电流；在后半个周期内，二极管导通，截止，从而产生电流。由于和轮流通过隔离变压器

42、的两个绕组，于是在铁心中产生交变磁通，这个交变磁通使的副边产生交变电流，从而实现了隔离输出。采用复合管是为了提高输入阻抗、减小线性集成电路的功耗。引入射极电阻，一方面是为了稳定功率放大器的工作状态，另一方面是为了从两端取出反馈电压。由于阻值为50，故当流过的电流为420mA（其值与输出电流相等）时，反馈电压信号为0.21V，此电压送至量程单元，经过线性电阻网络或经过线性化环节反馈到运算放大器的输入端，以实现整机负反馈。3.隔离输出为了避免输出与输入之间有直接电的联系，在功率放大器与输出回路之间，采用隔离变压器来传递信号。隔离变压器实际上是电流互感器，其变流比为1：1，故输出电流等于功放电路复合

43、管的集电极电流。 图3-5 隔离输出电路图隔离输出电路图如图3-5所示。副边电流经过桥式整流和由、组成的阻容滤波器滤波，得到420mA的直流输出电流，在阻值为250的电阻上的压降（15V）作为检测装置输出电压信号。稳压管的作用在于当电流输出回路断线时，输出电流可以通过而流向，从而保证电压输出信号不受影响。二极管的作用是当输出端6处出现异常正电压时，二极管短路，将熔断丝烧断，从而对电路起保护作用。 4.直流交流直流（DC/AC/DC）变换器DC/AC/DC变换器用来对仪表进行隔离式供电。该变换器在DDZ型仪表中是一种通用部件，除了温度检测装置外，安全栅也要用它。它先把电源供给的24V直流电压转换

44、成一定频率（45kHz左右）的交流方波电压，再经过整流、滤波和稳压，提供直流电压。在温度检测装置中，它既为功率放大器提供方波电源，又为集成运算放大器和量程单元提供直流电源。（1）工作原理直流交流变换器（DC/AC）是DC/AC/DC变换器的核心部分。DC/AC变换器实质上是一个磁耦合对称推挽式多谐振荡器，它的线路如图3-6所示。图中、和为基极偏流电阻，太大会影响起振，太小则会使基极损耗增加。和为发射极电流负反馈电阻，用以稳定晶体管、的工作点，二极管是用来防止电源极性接反而损坏变换器。作为振荡电流的通路，并起保护三极管、的作用。电源接通以后，电源电压通过为两个晶体管和提供基极偏流，从而使它们的集

45、电极电流都具有增加的趋势。由于两个晶体管的变量不可能完全相同，现假定晶体管的集电极电流增加得快，则磁通向正方向增加。根据电磁感应原理，在两个基极绕组和上分别产生感应电势和，其方向如图3-6所示。由于同名端的正确安排，感应电势的方向遵循正反馈的关系，将使晶体管截止，而则使的基极回路产生，这使增加，的增加又使更大。这样，瞬间的正反馈作用使立即达到最大值，从而使立即进入饱和状态。处于饱和状态时，其管压降极小，在此瞬时，可认为电源电压等于集电极绕组上的感应电势，于是可从下式得知基极绕组的感应电势大小： （3-4）因为感应电势的大小与磁通的变化率成正比，即： （3-5）而近似为一常数。所以，铁心中的磁通

46、将随时间线性增加，在铁心磁化曲线的线性范围内，激磁电流亦随时间线性增加。这时，由于发射极电位的不断增加，基极电流将要下降，可从的基极回路列出以下关系式： （3-6）图3-6 直流交流变换器由式（3-6）可见，在集电极电流（近似等于）随时间线性增加的同时，基极电流将随时间线性下降，直至两者符合晶体管电流放大的基本规律为止。这时的工作状态由饱和区退到放大区，集电极电流达最大值，与此同时磁通也到达最大值，而不再增加。由于，基极绕组感应电势立即等于零，也立即由变为零。根据电磁感应原理，感应电势立即转变方向。再反向的作用下，立即截止，而反向的使立即饱和导通，这是另一方向的正反馈过程。随后开始向负方向增加

47、，磁通继续下降，基极电流的绝对值逐渐减小，直至使自饱和区退到放大区。此时集电极电流达负向最大，磁通为。按照同样的道理，使截止，又重新导通，如此周而复始，形成自激振荡。（2）振荡频率对于理想的变压器，当晶体管集电极电流到达最大值时，罐形磁心接近饱和，即在时间内磁通由增加到。因此，根据磁感应公式可求得振荡周期。式中为绕组中的感应电势，其绝对值为：从电磁感应公式可求得： （3-7）式中，为对应的磁感应强度，单位为特斯拉（T）；S为磁芯截面积，单位为。从式（3-7）可以看出，频率与电源电压的幅值成正比关系。3.2.2 热电偶温度检测装置量程单元量程单元由输入回路和反馈回路组成。为便于分析它的工作原理，

48、将量程单元和放大单元中的运算放大器联系起来画于图3-7。而热电偶温度检测装置的整机线路可见电路图3-4。1.温度检测装置输出与输入关系输入回路中的电阻、及稳压管、分别起限流和限压的作用，它使流入危险场所的电能量限制在安全电平以下。用以滤除输入信号中的交流分量。电阻、及零点调整电位器等组成零点调整和零点迁移电路。基准电压由集成稳压器提供，其输出电压为5V。反馈回路由量程电位器及电阻、等组成。反馈电压引自放大单元功率放大电路射极电阻的两端。因为的阻值很小，它对电路的影响可忽略，所以在计算反相输入端的电压时，不考虑上的压降。由图3-7可知，同相输入端电压是输入信号和基准电压共同作用的结果；而它的反相

49、输入端电压则分别由基准电压和反馈电压共同作用的结果。按叠加原理，运算放大器同相输入端和反相输入端的电压分别为： （3-8）其中：。图3-7 热电偶温度检测装置量程单元电路原理图 （3-9）在线路设计时，使，。又 所以式（3-8）和式（3-9）可改写成： （3-10） （3-11）其中：（为线性化电路决定的常系数）。据上述得到结果设：，。当为理想运算放大器时，所以从式（3-10）和式（3-11）可求得： （3-12）式（3-12）就是系统输出与输入的关系式，由此可以说明：（1）这一项表示了电路的调零信号，改变值可实现正向或负向迁移。更换电阻可大幅度地改变零点迁移量。而改变和调整电位器，可在小范围

50、内改变调零信号，它可以获得满量程的±5的零点调整范围。（2）为输出和输入之间的比例系数，输出信号范围（15V）是固定不变的，因而比例系数愈大就表示输入信号范围也即量程范围愈小。改变可大幅度改变检测装置量程范围。而调整电位器也可小范围地改变比例系数，它可获得满量程的±5的量程调整范围。（3）调整，改变比例系数，不仅调整了检测装置的输入（量程）范围，而且使调零信号也发生了变化，即调整量程会影响零位，这一情况与差压式检测装置相同。另一方面，调整不仅调整了零位，而且满度输出也会相应改变。因此在仪表调校时，零位和满度必须反复调整，才能满足精度要求。2.热电偶冷端温度补偿电路在温度检测

51、装置中，冷端温度补偿用了两个铜电阻，这两个电阻的阻值在0时都固定为50。当选用的热电偶型号不同时，需要调整阻值的是几个锰铜电阻或精密金属膜电阻。由图3-7可知，运算放大器同相输入端的电压，由输入信号和冷端温度补偿电势两部分组成。 （3-13）在电路设计时使，则式（3-13）可改写为： （3-14）式（3-14）表明，当冷端温度环境变化时，、的阻值也随之变化，是式中第二项也发生变化，从而补偿了由于环境温度升降引起的热电偶热电势的变化。 从式（3-14）还可知，当铜电阻的阻值增加时，补偿电势将增加的愈来愈快，即随温度而变的特性曲线是呈下凹形的（二阶导数为正），而热电偶特性曲线的起始段一般也呈下凹形

52、，两者相吻合。因此，这种电路的冷端补偿特性是具有一定优越性的。补偿电路中，、和为锰铜电阻或精密金属膜电阻，它们的阻值决定于选用哪一类检测装置和何种型号的热电偶。对热电偶温度检测装置而言，已确定为7.5。和的阻值可按0时冷端补偿电路为25mV和当温度变化t50时两个条件进行计算，也可先确定的阻值，再按上述条件求取和的阻值。图3-7中，当B端子板上的与端子相连接时，等于两端的电压，固定为25mV，故可以0为基准点，用毫伏信号来检查检测装置的零点。当B端子板上的与端子相连接时，即将冷端温度补偿电路接入。3.线性化原理及电路分析线性化电路的作用是使热电偶温度检测装置的输出信号（、）与被测温度信号之间成

53、线性关系。热电偶输出的热电势与所对应的温度之间是非线性的，而且不同型号的热电偶或同型号热电偶在测温范围不同时，其特性曲线形状也不一样。例如，铂铑-铂热电偶，特性是下凹形的；而镍铬-镍铝热电偶的特性曲线，开始时呈下凹形，温度升高后又变成上凸形的了。在测量范围为01000时的最大非线性误差，前者约为6，后者约为1。因此，为保证检测装置的输出信号与被测温度之间呈线性关系，必须采取线性化措施。 （1）线性化原理热电偶温度检测装置可画成如图3-8所示的方框图形式，将各部分特性描在相应位置上。由图可知，输入放大器的信号，其中在热电偶冷端温度不变时为常数，而和的关系是非线性的。如果和的关系也是非线性的，并且同热电偶的非线性关系相对应，那么，和的差值与的关系也就呈 图3-8 热电偶温度检测装置线性化原理方框图线性关系了，经线性放大器放大后的输出信号也就与呈线性关系了。显然，要实现线性化，反馈回路的特性（的特性亦即-特性）须与热电性相一致。（2）线性化电路要实现图3-