过程控制王再英版第2章1、2

1、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章第第2 2章章 检测仪表检测仪表 要控制一个生产过程，首先必须实时检测生产要控制一个生产过程，首先必须实时检测生产过程中的有关参数。例如温度、压力、流量、液位过程中的有关参数。例如温度、压力、流量、液位等。用来检测这些参数的工具称为检测仪表，其中等。用来检测这些参数的工具称为检测仪表，其中包括测量指示仪表及将被测参数转换成标准信号输包括测量指示仪表及将被测参数转换成标准信号输出的测量变送器。出的测量变送器。2.1检测仪表的基本技术指标检测仪表的基本技术指标 检测仪表种类繁多，但目的都是快速、准确地检测仪表种类繁多，但目的都是快速、准确地测量某种物

2、理量。因此，对于检测仪表的性能有一测量某种物理量。因此，对于检测仪表的性能有一套通用的评价指标。套通用的评价指标。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章1. 绝对误差绝对误差 检测仪表的指示值检测仪表的指示值X与被测量真值与被测量真值X t之间存在之间存在的差值称为绝对误差的差值称为绝对误差。表示为：。表示为： = XX t 由于真值是无法得到的理论值。实际计算时，由于真值是无法得到的理论值。实际计算时，可用精确度较高的标准表所测得的标准值可用精确度较高的标准表所测得的标准值X0代替真代替真值值X t，表示为：，表示为： = XX 0 仪表在其标尺范围内各点读数的绝对误差中最仪表在

3、其标尺范围内各点读数的绝对误差中最大的绝对误差称为最大绝对误差大的绝对误差称为最大绝对误差max。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2基本误差基本误差 基本误差是一种简化的相对误差，又称引用基本误差是一种简化的相对误差，又称引用误差或相对百分误差。定义为：误差或相对百分误差。定义为： 而：仪表量程而：仪表量程 = = 测量上限测量下限测量上限测量下限仪表的基本误差表明了仪表在规定的工作条件仪表的基本误差表明了仪表在规定的工作条件下测量时，允许出现的最大误差。下测量时，允许出现的最大误差。 max100%最大绝对误差基本误差仪表量程过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章3

4、精确度（精度）精确度（精度） 为了便于量值传递，国家规定了仪表的精确度为了便于量值传递，国家规定了仪表的精确度（精度）等级系列。（精度）等级系列。 如如0.5级，级，1.0级，级，1.5级等。级等。 仪表精度的确定方法：将仪表的基本误差去掉仪表精度的确定方法：将仪表的基本误差去掉“”号及号及“”号，套入规定的仪表精度等级系号，套入规定的仪表精度等级系列。列。 例如某台仪表的基本误差为例如某台仪表的基本误差为1.0，则确认该，则确认该表的精确度等级符合表的精确度等级符合1.0级；如果某台仪表的基本误级；如果某台仪表的基本误差为差为1.3，则该表的精确度等级符合则该表的精确度等级符合1.5级。级。

5、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章例例1 某台测温仪表的测温范围为某台测温仪表的测温范围为 100700，校验该表时测得全量程内最大绝对误差为校验该表时测得全量程内最大绝对误差为5，试确定该仪表的精度等级。试确定该仪表的精度等级。解：解： 该仪表的基本误差为：该仪表的基本误差为： 5100%0 625%700100 将该表的将该表的去掉去掉“十十”号与号与“”号，其数号，其数值为值为0.625。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0.625级仪表，而该仪表的误差超过了级仪表，而该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许级仪表所允许的最大绝对误差。的最大绝对误差。

6、故：故：这台测温仪表的精度等级为这台测温仪表的精度等级为1.0级。级。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章例例2 某台测压仪表的测压范围为某台测压仪表的测压范围为 08MPa。根据工。根据工艺要求，测压示值的误差不允许超过艺要求，测压示值的误差不允许超过0.05 MPa，问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？ 解：解： 根据工艺要求，仪表的允许基本误差为：根据工艺要求，仪表的允许基本误差为： 0 05MPa100%0 625%8MPa 去掉去掉“”和和“”号后，号后，0.625介于介于0.51.0之间。若选精度为之间。若选精度为1.

7、0级的仪表，其允许的最大绝级的仪表，其允许的最大绝对误差为对误差为0.08 MPa 。超过了工艺允许的数值。超过了工艺允许的数值。 故：故： 应选择应选择0.5级的表。级的表。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章目前，我国生产的仪表常用的精确度等级有目前，我国生产的仪表常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5等。等。精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。等级越高，也说明该仪表的精确度越高。0.05级以上的仪表，常用来作为标准表；工级以上的仪表，常

8、用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多为业现场用的测量仪表，其精度大多为0.5级以下。级以下。仪表的精度等级一般用符号标志在仪表面板仪表的精度等级一般用符号标志在仪表面板上。如上。如 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章4、灵敏度和分辨率、灵敏度和分辨率 灵敏度灵敏度表示指针式测量仪表对被测参数变化的敏表示指针式测量仪表对被测参数变化的敏感程度，常以仪表输出（如指示装置的直线位移或角感程度，常以仪表输出（如指示装置的直线位移或角位移）与引起此位移的被测参数变化量之比表示：位移）与引起此位移的被测参数变化量之比表示： 灵敏限灵敏限表示指针式仪表示指针式仪表表在量程起点处，能

9、引起在量程起点处，能引起仪表指针动作的最小被测仪表指针动作的最小被测参数变化值。参数变化值。 S 仪表灵敏度；仪表灵敏度；Y 仪表指针位移的距离（或转角）；仪表指针位移的距离（或转角）；X 引起引起Y的被测参数变化量。的被测参数变化量。YSX100过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章分辨率分辨率表示仪表显示值的精细程度。表示仪表显示值的精细程度。如一台仪表的显示位数为四位，其分辨率便为千如一台仪表的显示位数为四位，其分辨率便为千分之一。数字仪表的显示位数越多，分辨率越高。分之一。数字仪表的显示位数越多，分辨率越高。 分辨力分辨力是指仪表能够显示的、最小被测值。是指仪表能够显示的、最

10、小被测值。 如一台温度指示仪，最末一位数字表示的温度值如一台温度指示仪，最末一位数字表示的温度值为为0.1，即该表的分辨力为，即该表的分辨力为0.1 。对于数字式仪表，则对于数字式仪表，则用分辨率和分辨力表示灵用分辨率和分辨力表示灵敏度和灵敏限。敏度和灵敏限。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章5、 变差变差在外界条件不变的情况下，同在外界条件不变的情况下，同一仪表对被测量进行往返测量时一仪表对被测量进行往返测量时（正行程和反行程），产生的最大（正行程和反行程），产生的最大差值与测量范围之比称为变差。差值与测量范围之比称为变差。变差变差 =量程量程正反行程最大差值正反行程最大差值1

11、00%造成变差的原因造成变差的原因: 传动机构间存在的间隙和摩传动机构间存在的间隙和摩擦力擦力; 弹性元件的弹性滞后等。弹性元件的弹性滞后等。ymaxyxmin xmaxOx过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章6、响、响应时间应时间当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变化以后，仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确化以后，仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确地显示出来。这段时间称为响应时间。地显示出来。这段时间称为响应时间。响应时间的计算：响应时间的计算：从输入一个阶跃信号从输入一个阶跃信号开始，到仪表的输出信号开始，到仪表的输出信号（即

12、指示值）变化到新稳（即指示值）变化到新稳态值的态值的95所用的时间。所用的时间。 以上是检测仪表常用的性能指标。以上是检测仪表常用的性能指标。txytp过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2.2温度检测及仪表温度检测及仪表温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业生产中最普遍而重要的操作参数。生产中最普遍而重要的操作参数。2.2.1温度检测方法温度检测方法一般利用物体的某些物理性质随温度变化的特一般利用物体的某些物理性质随温度变化的特性来感知、测量温度。有性来感知、测量温度。有接触式测温接触式测温通过测温元件与被测物体的接通过测温元件与被测物体的接

13、触而感知物体的温度。触而感知物体的温度。非接触式测温非接触式测温通过接受被测物体发出的热通过接受被测物体发出的热辐射热来感知温度。辐射热来感知温度。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章接触式测温仪表有：接触式测温仪表有：1、膨胀式温度计、膨胀式温度计膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。有性质而制成的。有液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计：利用液体（水银、酒精）：利用液体（水银、酒精）受热时体积膨胀的特性测温。受热时体积膨胀的特性测温。玻璃管温度计玻璃管温度计电接点式电接点式玻璃管温度计玻璃管温度计过程控制系统与仪表过程控制系统与仪

14、表 第第2章章 固体固体膨胀膨胀式温度计式温度计：用两片线膨胀系数不同的金用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊接在一起制成双金属片。受热后，由于两金属片叠焊接在一起制成双金属片。受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲。属片的膨胀长度不同而产生弯曲。 若将双金属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋若将双金属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋的自由端便围绕着中心轴偏转，带动指针在刻度盘上的自由端便围绕着中心轴偏转，带动指针在刻度盘上指示出相应温度值。指示出相应温度值。 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章双金属片常用来做温度报警或控制双金属片常用来做温度报警或控制 随着温度上升，双金属随着

15、温度上升，双金属片逐渐弯曲，当其触点接触片逐渐弯曲，当其触点接触到固定触点时，报警灯和继到固定触点时，报警灯和继电器回路被接通。电器回路被接通。 调节螺钉用来调整固定调节螺钉用来调整固定触点的位置，以调整报警温触点的位置，以调整报警温度。度。双金属片双金属片调节螺钉调节螺钉绝缘柱绝缘柱 如图是一双金属温控器。如图是一双金属温控器。继电器继电器过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章原理原理: 封闭容器中的液体、气封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽，受热体或低沸点液体的饱和蒸汽，受热后体积膨胀，压力增大。后体积膨胀，压力增大。2、压力式温度计压力式温度计利用封闭容器中的介质压力

16、随利用封闭容器中的介质压力随温度变化的现象来测温。温度变化的现象来测温。 用压力表用压力表指示温度。指示温度。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章3、热电偶温度计、热电偶温度计 利用物体的热电性质测温。利用物体的热电性质测温。4、热电阻温度计、热电阻温度计 利用金属电阻值或半导体电阻值随温度变化的性利用金属电阻值或半导体电阻值随温度变化的性质测温。质测温。5、半导体温度计、半导体温度计 利用半导体利用半导体PN结的结电压随温度变化的特性，结的结电压随温度变化的特性，通过测量感温器元件（结）电压变化来测量温度。通过测量感温器元件（结）电压变化来测量温度。 非接触式测温的具体方法有：非

17、接触式测温的具体方法有：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章红外线测温计红外线测温计光学高温计光学高温计1、 辐射式温度计辐射式温度计 通过测量物体热辐射功率来测量温度。通过测量物体热辐射功率来测量温度。2、 红外式温度计红外式温度计 通过测量物体红外波段热辐射功率来测量温度。通过测量物体红外波段热辐射功率来测量温度。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2.2.2 热电偶热电偶热电偶是以热电效应为原理的测温元件，热电偶是以热电效应为原理的测温元件，能能将温度信号转换成电势信号（将温度信号转换成电势信号（mV） 。特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于特点：结构简单、测温

18、准确可靠、信号便于远传。一般用于测量远传。一般用于测量5001600之间的温度。之间的温度。2.2.2.1 热电偶的测温原理热电偶的测温原理将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。此若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。此电势称为热电势。电势称为热电势。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章1、接触电势接触电势 当不同导体当不同导体A、B接触时，两边接触时，两边的自由电子密度不同，在交界面上的自由电子密度不同，在交界面上产生电子的相互扩散，致使在接触产生电子的相互扩散，致使在接触处产生处产生接触电势。接

19、触电势。 其大小取决于两种材料的种类其大小取决于两种材料的种类和接触点的温度。和接触点的温度。t热端热端 A Bt0冷端冷端eAB( t ) = Ktel nNA( t ) NB( t ) NA( t )、 NB( t ) 自由电子密度；自由电子密度； e 单位电荷单位电荷过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2、温差电势温差电势 对于同一金属对于同一金属A（或或B），），其两端温度不同，自由电子所其两端温度不同，自由电子所具有的动能不同，也会产生相具有的动能不同，也会产生相应的电势，称为应的电势，称为温差电势。温差电势。 热电势由两部分组成：热电势由两部分组成：接触接触电势电势和和

20、温差电势温差电势。但温差电势。但温差电势值远小于接触电势，常忽略不值远小于接触电势，常忽略不计。计。t A Bt0过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 3、回路总电势回路总电势 热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加而成，称而成，称热电势热电势。由于温差电势很小，热电势基本。由于温差电势很小，热电势基本由接触电势构成：由接触电势构成： EAB （t，t0）= e AB （t）- e AB（t0） 此计算式中，有的常数很难确定，无法实用。此计算式中，有的常数很难确定，无法实用。实际中用实测标定。但从上述公式可以得出基本结实际中用实测标定。但从

21、上述公式可以得出基本结论：论： 对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。度有关。当冷端温度固定时，当冷端温度固定时， E（t，t0）是热端温度是热端温度 t 的单值函数。的单值函数。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 镍铬镍铬镍硅热电偶分度表（简表）镍硅热电偶分度表（简表） 分度号分度号 K t0=00，E/mVE/mVt/0010203040506070809000.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.

22、5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.63213.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927

23、.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.897100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.

24、86346.23846.61246.98547.35647.72648.05948.462120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.398过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2.2.2.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律1、均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体或半导体组成的闭合回路中，由一种均质导体或半导体组成的闭合回路中，不论其截面和长度如何，以及沿长度方向上各处的不论其截面和长度如何，以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不能产生热电势。温度分布如何，都不能产生热电势。 因

25、此，热电偶必须由两种不同材料的均质导体因此，热电偶必须由两种不同材料的均质导体或半导体组成。但其截面和长度不限。或半导体组成。但其截面和长度不限。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2、中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入另一种中间导体后，只要在热电偶回路中接入另一种中间导体后，只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路的热电势没有影响。回路的热电势没有影响。因为热电偶在使用因为热电偶在使用时，总要将热电偶回路时，总要将热电偶回路打开，接入测量仪表，打开，接入测量仪表，即插入第三种导体。即插入第三种导体。 测量仪表测量仪

26、表过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章有有 EABC (t，t0)=eAB(t)+ eBC(t0)+ eCA(t0) 当当 t = t0 时时 有有 eAB(t0)+ eBC(t0)+ eCA(t0)= 0 即即 eBC(t0)+e CA(t0)= e AB(t0) 则则 EABC (t，t0)= e AB(t) e AB(t0)设将热电偶设将热电偶ABAB一端打开，接入第三种导体一端打开，接入第三种导体C v由此可知，只要接入第三种导体的两个连接点温由此可知，只要接入第三种导体的两个连接点温度相等，它的接入对回路电势毫无影响。这一结度相等，它的接入对回路电势毫无影响。这一结论可以

27、推广至接入多种导体。论可以推广至接入多种导体。ABCt 0t 0t 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章3、中间温度定律中间温度定律 一支热电偶在两接点温度为一支热电偶在两接点温度为t 、t0 时的热电势，时的热电势，等于两支同温度特性热电偶在接点温度为等于两支同温度特性热电偶在接点温度为t 、ta和和ta、t0时的热电势之代数和。即时的热电势之代数和。即 E AB ( t ，to ) = E AB( t , 0 ) E AB( to , 0 ) 据此，只要给出冷端为据此，只要给出冷端为0时的热电势关系时的热电势关系EAB( t ,0 ) ，便可求出冷端任意温度时的热电势。，便可求

28、出冷端任意温度时的热电势。=符合分度符合分度表要求表要求ABt0t AB0t AB0t0 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2.2.2.3热电偶的构造热电偶的构造 热电偶是用两种不同材料的偶丝或薄膜一端焊热电偶是用两种不同材料的偶丝或薄膜一端焊接而成。其构造分普通型、铠装型、簿膜型等。接而成。其构造分普通型、铠装型、簿膜型等。普通型普通型铠装型铠装型普通热电偶普通热电偶过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2.2.2.4 热电偶类型热电偶类型 理论上任何两种导体或半导体都可以组成热理论上任何两种导体或半导体都可以组成热电偶，但考虑有良好的应用性能，必须对热电偶材电偶，但

29、考虑有良好的应用性能，必须对热电偶材料加以选择。料加以选择。 选取原则：在测温范围内具有稳定的化学及物选取原则：在测温范围内具有稳定的化学及物理性质，热电势要大，且与温度接近线性关系。理性质，热电势要大，且与温度接近线性关系。 国际电工委员会（简称国际电工委员会（简称IEC）规定了热电偶材）规定了热电偶材料的取材标准。用分度号命名不同取材的热电偶，料的取材标准。用分度号命名不同取材的热电偶，并给出了标准的热电势分度表。并给出了标准的热电势分度表。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 几种常用的标准型热电偶简介几种常用的标准型热电偶简介热电偶名称热电偶名称分度号分度号测温范围测温范围

30、（）平均灵敏度平均灵敏度特特 点点铂铑铂铑30铂铑铂铑6B0+180010V/稳定性好稳定性好,精度高精度高,可在可在氧化气氛使用氧化气氛使用铂铑铂铑l0铂铂S0+160010V/同上，线性度优于同上，线性度优于B镍铬镍铬镍硅镍硅K0+100040V/价廉价廉,，可在氧化及中，可在氧化及中性气氛中使用性气氛中使用镍铬镍铬康铜康铜E-200+90080V/灵敏灵敏,价廉价廉,可在氧化及可在氧化及弱还原气氛中使用弱还原气氛中使用铜铜康铜康铜T-200+40050V/价廉价廉,但铜易氧化但铜易氧化,常用常用于于150以下温度测量以下温度测量过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章铂及其合金（

31、铂及其合金（B、S）属于贵重金属，价格很贵，属于贵重金属，价格很贵，但其热电势非常稳定，主要用做标准热电偶及测量但其热电势非常稳定，主要用做标准热电偶及测量1100以上的高温。以上的高温。 镍铬镍铬镍硅（镍硅（K） 线性度最好线性度最好 镍铬镍铬康铜（康铜（E） 灵敏度最高灵敏度最高 铜铜康铜（康铜（T） 价格最便宜价格最便宜 不同材质的热电偶，其热电势与热端温度的特不同材质的热电偶，其热电势与热端温度的特性关系不同。性关系不同。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2.2.2.5 热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿 热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，还热电偶的热电势大小不仅与

32、热端温度有关，还与冷端温度有关。所以使用时，需保持与冷端温度有关。所以使用时，需保持热电偶热电偶冷端冷端温度恒定。但热电偶温度恒定。但热电偶的冷端和热端离得很近，使用的冷端和热端离得很近，使用时冷端温度较高且变化较大。为此应将时冷端温度较高且变化较大。为此应将热电偶热电偶冷端冷端延至温度稳定处。延至温度稳定处。 为了节约，工业上选用在低温区与所用热电偶为了节约，工业上选用在低温区与所用热电偶的热电特性相近的廉价金属，作为热偶丝在低温区的热电特性相近的廉价金属，作为热偶丝在低温区的替代品来延长的替代品来延长热电偶热电偶，称为补偿导线。，称为补偿导线。 补偿导线补偿导线热偶热偶过程控制系统与仪表过

33、程控制系统与仪表 第第2章章 根据中间温度定律，补偿导线和热电偶相连根据中间温度定律，补偿导线和热电偶相连后，其总的热电势等于两支热电偶产生的热电势后，其总的热电势等于两支热电偶产生的热电势的代数和。的代数和。 E (t,t0) = E偶偶 (t , t n) E补补(t n ,t0) 用补偿导线延长热电偶的必须条件是：补偿导用补偿导线延长热电偶的必须条件是：补偿导线的热电特性在低温段与所配热电偶相同。因此，线的热电特性在低温段与所配热电偶相同。因此，不同的热电偶配不同的补偿导线。常用热电偶的补不同的热电偶配不同的补偿导线。常用热电偶的补偿导线见表偿导线见表2.2。补偿导线补偿导线热偶热偶tt

34、 nt 0E (t,t0)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 使用补偿导线只是将热电偶的冷端延长到温度使用补偿导线只是将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方，而标准热电势要求冷端温度为零比较稳定的地方，而标准热电势要求冷端温度为零度，为此还要采取进一步的补偿措施。度，为此还要采取进一步的补偿措施。1查表法（计算法）查表法（计算法） 如果某介质的温度为如果某介质的温度为t，用热电偶进行测量，用热电偶进行测量，其冷端温度为其冷端温度为t0，测得的热电势为，测得的热电势为EAB（t,t0）。根）。根据中间温度定律，有据中间温度定律，有 EAB（t ,0）EAB（t ,t0） EAB（t

35、0 ,0） 得出标准热电势得出标准热电势EAB（t ,0），再查分度表就可），再查分度表就可得出被测温度。得出被测温度。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章例例 用用K型热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势型热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势E（t，t0）36.122mV，而自由端的温度而自由端的温度t030，求被测的实求被测的实际温度。际温度。解解 由分度表可以查得由分度表可以查得 E（30，0）1.203mV则则 E（t，0） E（t，30）+ E（30，0） 36.122+1.20337.325mV 再查分度表可以查得再查分度表可以查得37.325mV 对应的温度为对应

36、的温度为900 。v 计算法适用于实验或临时测温。计算法适用于实验或临时测温。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2、仪表零点调整法、仪表零点调整法 如果热电偶冷端温度比较稳定，与之相接的显如果热电偶冷端温度比较稳定，与之相接的显示仪表又可以调整零点，那么在测试前，将仪表指示仪表又可以调整零点，那么在测试前，将仪表指针就调整到冷端温度处，再开始测量。针就调整到冷端温度处，再开始测量。 此法比较简单，但由于冷端温度（室温）也有此法比较简单，但由于冷端温度（室温）也有波动，所以只能在测温要求不太高的场合下应用。波动，所以只能在测温要求不太高的场合下应用。100过程控制系统与仪表过程控制

37、系统与仪表 第第2章章3、冰浴法、冰浴法 把热电偶的冷端插入盛有绝缘油的试管中，把热电偶的冷端插入盛有绝缘油的试管中，然后将试管放入装有冰水混合物的容器中，保持然后将试管放入装有冰水混合物的容器中，保持冷端为冷端为0。这种方法多数用于热电偶的检定。这种方法多数用于热电偶的检定。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 补偿电桥法是利用不平衡电桥产补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。变化而引起的热电势变化值。E(t,0)E(t,t0)E(t0 ,0)E(t,t0)E(t0 ,0)E(t,0)电桥电桥补偿导线

38、补偿导线4、 补偿电桥法补偿电桥法过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章5半导体半导体PN結补偿法結补偿法 利用半导体利用半导体PN結电压随温度升高而降低的特結电压随温度升高而降低的特性自动补偿热电偶的冷端温度引起的误差。性自动补偿热电偶的冷端温度引起的误差。 图中半导体三极管基极结电压图中半导体三极管基极结电压V be随温度升高随温度升高而降低。将而降低。将V be放大后即可输出。放大后即可输出。 只要保持三只要保持三极管集电极电流极管集电极电流 Ic 恒定，冷端补恒定，冷端补偿电压偿电压e0 即与冷即与冷端温度成正比。端温度成正比。Vbe过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第

39、2章章2.2.3热电阻热电阻 对于对于500以下的中、低温，热电偶输出的热以下的中、低温，热电偶输出的热电势很小，容易受到干扰而测不准。一般使用热电电势很小，容易受到干扰而测不准。一般使用热电阻温度计来进行中低温度的测量。阻温度计来进行中低温度的测量。 热电阻有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。热电阻有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。2.2.3.1金属热电阻金属热电阻 金属热电阻测温精度高。大多数金属电阻阻值金属热电阻测温精度高。大多数金属电阻阻值随温度升高而增大。具有正温度系数。随温度升高而增大。具有正温度系数。=1 dRR dT温度系数温度系数过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章

40、 工业中用得最多工业中用得最多的是铂电阻和铜电阻，的是铂电阻和铜电阻，也有镍电阻、铟电阻、也有镍电阻、铟电阻、锰电阻及碳电阻等用锰电阻及碳电阻等用于低温及超低温测量。于低温及超低温测量。 电阻温度系数大，电阻率大；电阻温度系数大，电阻率大； 在测温范围内物理化学性能稳定；在测温范围内物理化学性能稳定； 温度特性的线性度好。温度特性的线性度好。作为工业用热电阻的材料要求：作为工业用热电阻的材料要求：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 电阻温度关系：电阻温度关系： R t =R0 1+At+Bt2+C(t-100)t3 (-2000) R t =R0 (1+At+Bt2) ( 085

41、0) 铂电阻有两种分度号：铂电阻有两种分度号：Pt10 , Pt1001.铂电阻铂电阻 铂材料容易提纯，其化学、物理性能稳定；铂材料容易提纯，其化学、物理性能稳定；测温复现性好、精度高。被国际电工委员会规定测温复现性好、精度高。被国际电工委员会规定为为-259+630 间的基准器，但线性度稍差，常间的基准器，但线性度稍差，常用于用于-200+600 温度测量。温度测量。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2.铜电阻铜电阻 铜电阻价格便宜，线性度好，但温度稍高易氧铜电阻价格便宜，线性度好，但温度稍高易氧化，常用于化，常用于-50+100 温度测量。铜电阻有两种分温度测量。铜电阻有两种

42、分度号：度号：Cu50 ，Cu100 。电阻温度关系：。电阻温度关系： R t =R0 (1 +t) (-50150) 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章普通热电阻结构普通热电阻结构热电阻的结构型式常见有普通型热电阻、铠热电阻的结构型式常见有普通型热电阻、铠装热电阻。其结构是，以云母片或石英玻璃柱作装热电阻。其结构是，以云母片或石英玻璃柱作骨架，将金属丝用双线法绕在骨架上，以消除电骨架，将金属丝用双线法绕在骨架上，以消除电感。此外，还有薄膜型热电阻。感。此外，还有薄膜型热电阻。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章3.热电阻的三线制接法热电阻的三线制接法 电阻测温信号通

43、过电桥转换成电压时，热电阻电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，必须用三线接法。桥输出带来较大误差，必须用三线接法。RtR3rrrR1R2RtR3rrR1R2过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻必须用三线制接法，以抵消接线电阻随温度变化对必须用三线制接法，以抵消接线电阻随温度变化对电桥的影响。电桥的影响。 测量仪表测量仪表R tRtR3rrrR1R2过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章

44、章 2.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 半导体材料的电阻值具有负温度系数，可以作温半导体材料的电阻值具有负温度系数，可以作温度传感元件，特点是：度传感元件，特点是：温度()1081061041021001601208040电阻()负温度系数热敏电阻特性负温度系数热敏电阻特性 电阻率大电阻率大电阻体积小，响应快；电阻体积小，响应快； 温度系数大温度系数大灵敏度高；灵敏度高； 非线性严重非线性严重影响精度。影响精度。 温度特性分散温度特性分散互换性差互换性差 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 2.2.4 集成温度传感器集成温度传感器 集成温度传感器将温敏晶体管和外围电路集成集成温度传

45、感器将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成，相当于一个测温器件。在一个芯片上构成，相当于一个测温器件。 特点：体积小、反应快、线性较好、价格便宜，特点：体积小、反应快、线性较好、价格便宜，测温范围为测温范围为-50150。 集成温度传感器按输集成温度传感器按输出量形式不同，可分为电出量形式不同，可分为电压型、电流型和数字型三压型、电流型和数字型三类。类。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 热电偶、热电阻等热电偶、热电阻等的测温信号，必须的测温信号，必须经后级仪表处理，经后级仪表处理，100 可直接与热电偶、热电阻配套显示可直接与

46、热电偶、热电阻配套显示温度，是最简单的模拟指示仪表。温度，是最简单的模拟指示仪表。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 动圈式仪表实质上是测量电流的仪表，动圈式仪表实质上是测量电流的仪表，其指示其指示机构的核心部件是一个磁电式毫安表。机构的核心部件是一个磁电式毫安表。 利用通电线圈在磁场中受到力矩的作用产生偏利用通电线圈在磁场中受到力矩的作用产生偏转的原理，带动装在动圈上的指针移动，从而指示转的原理，带动装在动圈上的指针移动，从而指示出被测参数。出被测参数。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章动圈测量机构原理动圈测量机构原理当测量信号通过张丝加在动圈上，有电流流当测量信

47、号通过张丝加在动圈上，有电流流过动圈时，动圈受磁场力作用而偏转。过动圈时，动圈受磁场力作用而偏转。动圈转动使张丝扭转，于是张丝产生反抗动动圈转动使张丝扭转，于是张丝产生反抗动圈转动的力矩，当两力矩平衡时，动圈就停留在某圈转动的力矩，当两力矩平衡时，动圈就停留在某一位置上，指针指示出被测参数值。一位置上，指针指示出被测参数值。100过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章RDRMR串串RTRL热电偶热电偶由于热敏电阻温度由于热敏电阻温度系数太大，用一个锰铜系数太大，用一个锰铜电阻电阻RM （50）和热敏）和热敏电阻电阻R T （6820）并）并联。联。 R串串按量程大小调按量程大小调整。

48、整。 1、配热电偶的动圈仪表、配热电偶的动圈仪表 热电偶直接输出毫伏信号，可以驱动动圈仪表。热电偶直接输出毫伏信号，可以驱动动圈仪表。但有但有动圈电阻温度补偿和动圈电阻温度补偿和量程匹配问题要解决。量程匹配问题要解决。1）用热敏电阻补偿动圈电阻的温度误差）用热敏电阻补偿动圈电阻的温度误差过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2） 外接电阻和外接调整电阻外接电阻和外接调整电阻热电偶和动圈仪表相接后，流过动圈的电流为：热电偶和动圈仪表相接后，流过动圈的电流为：内外总RRtERtEI) 0 ,() 0 ,(R外外 = R热热+ R补补+ R连连+ R调调R内内 = 表内电阻之和表内电阻之和

49、测量时要求回路：测量时要求回路：R总总=15通过调整通过调整R调调实现。实现。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2 2、配热电阻的动圈仪表、配热电阻的动圈仪表一般用电桥将热电阻信号转换成电压信号。一般用电桥将热电阻信号转换成电压信号。则则 R1R3 =R2（R0+RT0）且且 R1= R2 ， R3 = RT 0 + R0有：有：I1 = I2 = I 当当T 时，电桥输出时，电桥输出Uab =R3 I （RT+R0）I =R3 I （RT0+RT+R0）I = RT I1）电桥工作原理）电桥工作原理RwRmRdR0R2R1RtR3abRTI2I1r r r 设设T0 时，电桥平

50、衡。时，电桥平衡。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章可见三线制接可见三线制接法可以消除接线电法可以消除接线电阻的影响。一般规阻的影响。一般规定每根连接导线的定每根连接导线的电阻值为电阻值为5。RwRmRdR0R2R1RtR3abRTI2I1r r r 2） 三线制与外接调整电阻三线制与外接调整电阻 在考虑接线电阻后，电桥输出：在考虑接线电阻后，电桥输出：Uab =（R3+r) I （RT +RT +R0+r）I = RT I过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2.2.5.2 数字式指示仪表数字式指示仪表 数字式指示仪表是以数字式指示仪表是以数字电压表为主体而构成数字电

51、压表为主体而构成的测量仪表。其原理框图的测量仪表。其原理框图如下：如下： 检测变送检测变送 寄存器寄存器 模模/数转换数转换 脉冲计数脉冲计数脉冲信号脉冲信号 数字译码器数字译码器 显示器显示器过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 例：配热电偶的数字例：配热电偶的数字式测温仪表原理框图式测温仪表原理框图标准热标准热电势电势滤波滤波放大放大线性化线性化标度变换标度变换过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2.2.5.3自动记录仪表自动记录仪表 自动记录仪能实时记录被测参数。自动记录仪能实时记录被测参数。记录的方式有纸记录和无纸记录两类。记录的方式有纸记录和无纸记录两类。过程

52、控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章1.自动平衡电桥式记录仪自动平衡电桥式记录仪 RpRtR3r图图2.22 自动平衡电桥原理图自动平衡电桥原理图R0R2R1 利用电桥的平衡动作进行测量记录。可配利用电桥的平衡动作进行测量记录。可配接热电阻组成测温记录仪。接热电阻组成测温记录仪。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 平衡电桥测温原理平衡电桥测温原理 当被测温度为下限时，当被测温度为下限时，R Rt t有最小值有最小值R Rt0t0，滑动，滑动触点应在触点应在R Rp的左端，此时电桥的平衡条件是的左端，此时电桥的平衡条件是: : R3（Rt0+Rp）R2R4 被测温度升高后，

53、电桥输出不平衡电压，驱动被测温度升高后，电桥输出不平衡电压，驱动电机，带动触点向右移动，直至新的平衡点电机，带动触点向右移动，直至新的平衡点: tRRRRr3231两式相减得：两式相减得： R3（Rt0+ Rt+Rp-r1）R2（R4+ r1 ）过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 r1 是滑线电阻是滑线电阻Rp的输出可变电阻。电机带动的输出可变电阻。电机带动触点触点B向新的平衡位置移动，到达平衡点时，电向新的平衡位置移动，到达平衡点时，电桥输出为零，电机停止。桥输出为零，电机停止。 B的位置就可以反映的位置就可以反映Rt，即反映了温度的变化。即反映了温度的变化。tRRRRr323

54、1 触点位移与触点位移与Rt呈呈比例关系：比例关系：过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2.自动电位差计式记录仪自动电位差计式记录仪 自动电位差计式记录仪输入电压信号，因此可自动电位差计式记录仪输入电压信号，因此可配接热电偶。和自动平衡电桥式记录仪相比，两者配接热电偶。和自动平衡电桥式记录仪相比，两者除测量部分不同外，其余部分都相同。除测量部分不同外，其余部分都相同。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 配接热电偶，必须考虑冷端补偿问题。图配接热电偶，必须考虑冷端补偿问题。图2.23中，将中，将R2换成铜电阻，和热电偶的冷端置于同一温换成铜电阻，和热电偶的冷端置于同一温

55、度下。当冷端温度升高时，设计使电压度下。当冷端温度升高时，设计使电压VR2的增加的增加量恰好弥补热电势的减少值。量恰好弥补热电势的减少值。VR2 =E(t0,0)E(t,t0)过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章数字式记录仪表数字式记录仪表 形式多样，内装形式多样，内装CPU，无纸记录被测参数。可，无纸记录被测参数。可实时显示，也可随时调出历史曲线。可多通道记录。实时显示，也可随时调出历史曲线。可多通道记录。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2.2.6温度变送器温度变送器 检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送

56、器的任务就是将不标准的检测信的信号标准。变送器的任务就是将不标准的检测信号，如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号号，如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号输出。输出。 数字控制系统的信号标准有：数字控制系统的信号标准有： FF协议、协议、 HART协议等协议等 模拟控制系统的信号标准是：模拟控制系统的信号标准是： 型：型：010mA、010V III型：型：420mA、15V过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章2.2.6.1模拟式温度变送器模拟式温度变送器 模拟式温度变送器有多模拟式温度变送器有多个品种、规格，以配合不同个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需的传感元

57、件和不同的量程需要，但结构基本相同。要，但结构基本相同。-+电量电量传感元件传感元件被测温度被测温度输入电路输入电路放大电路放大电路反馈电路反馈电路输出电流输出电流图图2.24 温度变送器原理框图温度变送器原理框图E1过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章以以DDZ-III型热电偶温度变送器为例型热电偶温度变送器为例:Et反馈反馈反馈反馈放大电路放大电路 电源电源输入电路输入电路输出电路输出电路过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 下面具体分析各环节的工作原理。下面具体分析各环节的工作原理。1输入电路输入电路 热电偶温度变送器的输入电路主要是在热电偶热电偶温度变送器的输入

58、电路主要是在热电偶回路中串接一个电桥电路。电桥的功能是实现热电回路中串接一个电桥电路。电桥的功能是实现热电偶的冷端补偿和测量零点的调整。偶的冷端补偿和测量零点的调整。Ei=Et + VRcu VR4冷端补偿设计：冷端补偿设计：VRcut0=E(t0 ,0)Ei零点调整零点调整温度补偿温度补偿过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章Ei零点调整零点调整温度补偿温度补偿Ei = Et + VRcuVR4 = Et + VRcut0 + VRcu0 VR4 调调R4实现实现量程调整。量程调整。 冷端补偿：冷端补偿：VRcut0=E(t0 ,0)VRcut0t 0度时度时Rcu上压降增量上压降

59、增量VRcu0 0度时度时Rcu上压降，上压降，标准标准热电势热电势零点零点调整调整过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章 大幅度的零点调整叫大幅度的零点调整叫零点迁移零点迁移。实用价值是：。实用价值是： 有些工艺的参数变化范围很小，例如，某设备有些工艺的参数变化范围很小，例如，某设备的温度总在的温度总在5001000之间变化。如果仪表测量之间变化。如果仪表测量范围在范围在0 1800之间，则之间，则500以下、以下、1000以上以上的测量区域属于浪费。因为变送器的输出范围是一的测量区域属于浪费。因为变送器的输出范围是一定的。可通过零点迁移，配合量程调整，使仪表的定的。可通过零点迁移

60、，配合量程调整，使仪表的测量范围在测量范围在5001000之间，可提高测量精度。之间，可提高测量精度。Ei = Et + VRcut0 + VRcu0 VR4零点调整零点调整过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 第第2章章180050018000变送器输出变送器输出Io/mA温度温度T/50010000变送器输出变送器输出Io/mA温度温度T/50010000变送器输出变送器输出Io/mA温度温度T/204442020 a. 未迁移未迁移 b. 零点正向迁移零点正向迁移 c. 零点正向迁移零点正向迁移 且缩小量程且缩小量程图图2.26 温度变送器的零点迁移和量程调整温度变送器的零点迁移和量程调