过程控制技术

关于过程控制技术图2-1过程参数检测仪表结构

变送器，将敏感∕转换元件的输出电信号经过加工调理，如放大、滤波或非线性处理等，变为便于传输和应用的标准电信号。对于DDZ-Ⅲ型电动组合仪表而言，该标准电信号为4～20mA的直流电流，或1～5V的直流电压。该信号可以送往显示仪表进行显示，或者反馈给控制器，或者传输给其它通信接口。

在实际测量过程中，由于测量设备精度的限制、测量方法的不同、测量环境的影响，都会使测量结果与测量的真实值不一致。测量结果与被测量真实值之差，就是测量误差。其大小反映测量质量的好坏。2.1.2测量误差与分类

误差公理的概念是：所有测量都有误差，误差自始至终存在于所有科学实验和测量实践之中。人们研究测量误差的目的就是寻找产生误差的原因，认识误差的规律，找出减小误差的方法和途径，以获得尽可能接近真实值的测量结果。测量误差是不可避免的，测量的精度应与测量的目的相符合，盲目追求精准的测量结果，往往要付出很大的代价，其做法在实践中并不可取。1.测量误差的基本概念第2页,共46页，2024年2月25日，星期天

真值（TrueValue）：被测物体在一定的时间及空间下，所体现的真实数值。它是一个理想的概念，客观存在，但不可测量。随着科学技术的发展，测量结果的数值会不断接近真值。在实际计量和测量工作中，常常使用“约定真值”和“相对真值”的概念。

（1）测量误差的分类测量误差目前有多种分类法，本文介绍的两种是比较常见的，一是按表示方法分，二是按误差性质分。按表示方法分的误差有：绝对误差、相对误差、引用误差、满度引用误差和容许误差等。1）绝对误差（AbsoluteError,AbsE）：某一被测量的值x与真值的差其中，x为测量值，可用测量仪器的示值，标准量具的标称值，标准信号源的调定值；为被测量的2．测量误差的分类与处理

示值（IndicatingValue）：由测量仪器给出或提供的量值，也称测量值。

标称值（NominalValue）：计量或测量器具上的标注值。如标准砝码上标出的1kg。它受制造、测量环境条件变化影响，标称值并不一定等于它的实际值，一般在给出标称值的同时也应给出它的误差范围或精度等级

相对真值（RelativeTrueValue）：在满足规定准确度时，用来代真值使用的值，也称实际值。

约定真值（ConventionalTrueValue）：按照国际公认的单位定义，利用科技发展的最高水准复现的单位基准值，它常以法律规定或指定的形式出现。例如，在标准条件下，水的沸点是100℃，冰点是0℃。第3页,共46页，2024年2月25日，星期天真值。由于其不可知性，常用约定真值或相对真值代替。在实际测量中，常用某一被测量多次测量的平均值，或上一级标准仪器测得的示值作约定真值，代替真值。绝对误差不能说明测量质量的好坏。2）相对误差（RelativeError）：用来表示测量精度的高低。它又分为实际相对误差和标称（示值）相对误差。

实际相对误差是用绝对误差与被测量约定真值的百分比表示，即

标称（示值）相对误差是绝对误差与仪器示值的百分比值，该误差是为了评价测量仪表精度而引入的，但实际中常用最大引用误差（满度引用误差）来表述。

满度引用误差（简称满度误差）

其中，为绝对误差最大值。

我国电工仪表中常用的仪表精度等级S是按满度误差分级，分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0七级。仪表精度的数字越小，精度越高。例如，某电压表，则表示它的精度等级为2.5级，即满度误差不超过2.5%。假如此时电压表量程为0～100V，则最大绝对误差不超过±2.5V。4）容许误差（AdmissibleError）：根据技术条件的要求，规定测量仪器误差不应超过的最大范围。它是衡量仪器的重要指标，仪器的准确度和稳定度可用容许误差来表示。它常用绝对误差形式来第4页,共46页，2024年2月25日，星期天表达。

按误差性质分，误差可分为系统误差、随机误差和粗大误差。

1）系统误差（SystematicResiduals∕FixedError）：相同条件下，同一被测量被重复测量时，误差固定不变，或按照一定规律变化的误差。它定义为无限多次测量结果的平均值减去该被测量的真值。系统误差的特点是大小和方向恒定不变，或按一定规律变化。恒定不变的称为恒值系统误差，在误差处理中可被修正；按一定规律变化的称为变值系统误差，在误差估计时可归结为系统不确定度。系统误差的来源包括：测量设备的基本误差、偏离额定工作条件产生的附加误差、测量方法理论不完善带来的方法误差、以及试验人员主观原因产生的误差。

2）随机误差（AccidentalError∕RandomError）：在相同条件下，对同一物理量作多次重复测量时，受偶然因素影响而出现的没有一定规律的测量误差。它定义为测量示值减去在重复条件下同一被测量无限多次测量的平均值。引起随机误差的原因多方面的、微小的，且无法控制，一般用概率和数理统计描述和计算，它服从统计规律。3）粗大误差（GrossError）：疏忽误差，测量结果明显偏离实值对应的误差。产生粗大误差的原因可能有：读数错误、记录错误、计量器具有缺陷、实验条件的突变等。处理方法是从测量数据中剔除。在测量中，系统误差、随机误差和粗大误差是同时存在的，但它们对测量过程及结果的影响是不同的。同时，测量误差的划分是人为的、有条件的，不同测量场合，不同测量条件，误差之间可以互相转化。第5页,共46页，2024年2月25日，星期天

（2）测量误差的处理对误差的处理：消除或减小。能够消除的，应该消除；消除不了的，或者要付出过高代价才能消除的，应予以减小。系统误差的发现与处理往往比随机误差困难得多，对它的消除或减小应考虑的几方面：

从来源上考虑，如，选择仪器设备、测量环境、测量条件、测量方法、人员素质等；

利用修正法，对测量结果进行修正，要定期检查和校准仪器；

采用一些特殊的测量技术和方法。对随机误差，根据随机误差的特点，多次测量，反复比较，用统计规律描述和确定。对粗大误差，采用剔除数据的方法。

温度是定量反映物体冷热程度的物理量，自然界许多物质的物理变化或化学变化都与温度有关。温度在工业生产过程中是一种基本的、常见的参数，对它的检测与控制是实现众多产品优质高产的重要条件，温度在过程控制中一直受到重视。检测温度的方法不少，根据感受温度的途径不同，可分为接触式测量和非接触式测量。所谓接触式测量，是测温元件直接与被测物体接触，通过热交换感受被测物的冷热程度及其变化；所谓非接触式测量，就是感温元件不直接与被测物体接触，而是通过接受热辐射或热对流来实现测量。具体来说，接触式测温方法有：热电偶测温、电阻测温、膨胀式测温、压力式测温等；非接触式2.2温度检测与变送2.2.1温度检测第6页,共46页，2024年2月25日，星期天测温方法主要有：亮度法、比色法、全辐射法和红外辐射法等。详见表2-1。表2-1测温仪表分类及其特点测温方法测温原理温度计名称测温范围∕℃应用场合接触式体积变固体热膨胀双金属温度计-200～7000～300-20～600现场指示液体热膨胀玻璃液体温度计气体热膨胀压力式温度计热阻效应金属热电阻铂、铜、镍、铑铁热电阻-200～850液、气体的中低温测量，可远距离传输半导体热敏电阻锗、碳、金属氧化物热敏电阻热电效应普通金属热电偶铜-康铜、镍铬-镍硅等热电偶0～1800液、气体的中高温测量，可远距离传输贵重金属热电偶铂铑-铂、铂铑-铂铑等热电偶难熔金属热电偶钨-铼、钨-钼热电偶非金属热电偶碳化物-硼化物等热电偶

非接触式热辐射功率亮度法光学高温计600～3200测火焰、爆炸物等危险高温场所全辐射法辐射高温计比色法比色温度计红外辐射法光电高温计红外辐射温度计第7页,共46页，2024年2月25日，星期天

接触式测温仪表中，因膨胀引起体积变化的温度计精度低、仅作现场指示用。热电偶（ThermoelectricPair∕ThermoelectricCouple）和热电阻（ThermalResistance）类的精度较高，输出电信号也便于传送，因而在工业生产中被大量采用。非接触式测温仪表测温时远离温度场，灵敏度高和响应速度快，测温上限可突破3000℃。但误差大、受周围环境干扰不小。温标是温度的标尺，度量单位，常用的有下面三种：

1.摄氏温标，单位为摄氏度（DegreeCentigrade/DegreeCelsius），用表示“℃”，该温标可用t表示。定义水的冰点为0℃，水的沸点为100℃，两者之间均匀划分100等份。

2.华氏温标，单位为华氏度（DegreeFahrenheit），用“℉”表示，该温标可用F表示。定义水的冰点为32℉，水的沸点为212℉，两者之间均匀划分为180等份。与摄氏温标的换算关系：3.国际实用温标，为热力学温度，单位为开尔文（Kelvin），用“K”表示，该温标可用符号T表示。与摄氏温度的关系为：

2.2.2热电偶

热电偶具有结构简单、性能稳定、响应速度快等特点，主要用于中高温场合，在冶金、建材、石油等生产行业被大量采用。

1.热电偶的结构与类型

热电偶是由两种不同导体或半导体材料焊接而成的，焊接的一端称为热端、测温端或工作端，测温时被插入测温场中；另一端与导线或者显示仪表连接，称为冷端、参考端或自由端，测温时被置于测温场外。第8页,共46页，2024年2月25日，星期天不论何种结构，热电偶一般都有热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等。普通型热电偶将热电极套上绝缘管，装在保护套内，连接通过接线盒引出，如图2-2所示。图2-2普通型热电偶的结构

工业常用热电偶分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。标准热电偶规定了热电动势与温度的关系、允许误差和有统一的标准分度表，也有与之配套的显示仪表供选用。按国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）制定的标准，标准热电偶有8种，详见表2-2；非标准热电偶没有统一的分度表，一般用于特殊的场合。

另外，根据热电偶安装环境和场所的不同，热电偶还分为普通型、铠装型、薄膜型、表面型和浸入型等。表2-2标准热电偶第9页,共46页，2024年2月25日，星期天

热电偶名称

分度号

测温范围∕℃特点适用场合铂铑10-铂S0～1700性能稳定，抗氧化，测温范围广，精度高，但线性度差，价格高精密测量，有氧化性和惰性气体环境铂铑30-铂铑6B0～1700同上测高温，不适宜还原性气体场合

镍铬-镍硅K-200～1300测温范围广，热电动势大，线性度好，价格低廉，但稳定性较上两种差中高温测量

镍铬-康铜E-200～1000热电动势大，中低温稳定性好，价格低廉中低温测量，有氧化性和惰性气体环境

铁-康铜J-200～1300热电动势较大，价格低廉多用于化工行业

铜-康铜T-200～400精度高，价格低廉，但易氧化低温测量

镍铬硅-镍硅N-200～1300高温时稳定性和使用寿命比K型好，性能与S型接近，价格低廉高温场合

铂铑13-铂R0～1700热电动势较大，与S型热电偶性能相近与S型热电偶相同第10页,共46页，2024年2月25日，星期天2.热电偶的测温原理

热电偶的测温原理是以热电效应为基础的。将两种不同的导体A和B，组成一个闭合回路，如图2-3所示，分别将两端置于不同的温度中，回路中就会产生热电动势，这种现象就是热电效应。由两个不同导体组成，并利用热电效应将温度转换为热电动势的传感元件，就是热电偶。

图2-3热电偶热电效应图2-4热电偶测温示意图

将两根不同导体(或半导体)A、B组成闭合回路，且A和B的连接点分别置于不同温度场t和(假设)，左边温度高的接点称为热端，右边温度低的接点称为冷端。于是，回路中就会产生热电动势，它包括接触电动势（ContactElectromotiveForce）和温差电动势（ThermalElectromotiveForce）。

接触电动势产生于导体A和B的接触点上。由于材料不同，其电子密度也不一样(设),

在两者的接触处就会有大量的自由电子扩散，扩散的结果是导体A因失去电子而带正电荷，导体B因得到电子而带负电荷。扩散的程度不仅与电子密度有关，而且还与温度有关。最后在A、B接触面上形成一个由A到B静电场，它阻止扩散继续进行。在确定的温度下，如果从A移到B的电子数，与从B移到A的电子数相同，则达到了一种动态平衡，此时A、B间形成的电位差即为第11页,共46页，2024年2月25日，星期天接触电动势，用表示，其大小不仅与材料有关，而且与温度有关，温度越高，自由电子越活跃，接触电势越高。同理，在另一端有。

温差电动势产生于同一导体A或B的两端之间，这是因为两端的温度不同而产生的电动势，所以称为温差电动势。由于同一导体的两端温度不同，自由电子具有不同的能量，高温端电子能量大，向低温端扩散，于是高温端带正电，低温端带负电，形成一个由高温端指向低温端的静电场。于是在导体两端形成温差电动势和。温差电动势大小与材料和两端点的温度有关，但是与接触电动势比起来，它小很多，往往可以忽略不计。

于是，闭合回路热电偶的总电动势为（2-1）

对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时，为常数，则总的热电动势就只与温度t成单值函数关系，即

这一关系式在实际测量中是很有用的，即只要测出的大小，就能得到被测温度t。3.热电偶的几条基本定律1）均质导体定律（HomogeneousConductorLaw）由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的尺寸大小、形状及沿电极各处的温度分布无关。如果材料不均匀，当导体上存在温度梯度时，将会有附加电动势产生。第12页,共46页，2024年2月25日，星期天2）中间导体定律（MiddleConductorLaw）

在热电偶测温回路中接入第三种导体（中间导体），只要保证其两端温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响。同理，热电偶回路中接入多种导体后，如果接入的每种导体两端温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响。热电偶的这一特性，不但允许在其回路中接入电气测量仪表（如图2-4），而且也允许采用任何焊接方法来焊接热电偶。3）中间温度定律（MiddleTemperatureLaw）

在热电偶测温回路中，设为热电极上某一点的温度（中间温度），热电偶AB在接点温度为t、时的热电势等于热电偶AB在接点温度为t

、和、时的热电势和

的代数和

根据这一定律，设，则有

如果给出冷端为0℃时的热电势和温度的关系（分度表），由可查得热电动势值，若测得冷端为任意温度时的热电动势，则由式（2-2）可计算出

，并再次查分度表获得所求温度t。

（2-2）第13页,共46页，2024年2月25日，星期天4.热电偶的冷端补偿

在温度的实际测量中，处在同一地点的冷端温度常常并不是一成不变的。比如，室外某一地点，中午的温度与午夜的温度往往相差很大，20～30℃之差不足为奇。另外，如果冷端距热源较近，温度波动也较大，这些都会给温度的测量带来误差。为了减小误差，人们想了许多方法，采用热电偶冷端补偿就是其中一类。下面仅就其中的补偿电桥法和计算校正法加以介绍。

图2-5为补偿电桥，其中、为阻值恒定的锰铜电阻，为可调电阻，为铜电阻，其阻值随温度的变化而变化，E为桥路直流稳压电源，R为电源内阻。所有电阻与热电偶冷端处在同一环境温度下，通过调整使电桥在（例如0℃）时，。当热电偶冷端温度升高时，也随着增大，也增大，但热电偶的热电动势随着冷端温度的升高而减小，如果的增加量与热电动势的减小量相等时，则总输出值不变，即不随温度而变化。图2-5热电偶冷端补偿电桥电路1）补偿电桥法第14页,共46页，2024年2月25日，星期天2）计算校正法

如果冷端温度变化，可利用另一只温度计测得实时冷端温度,并利用分度表查得，然后根据测得的热电动势，利用中间温度定律，即式（2-2）有最后，根据求得的再次查分度表，即可得被测温度t。

例2-1用镍铬-镍硅（K型）热电偶测炉温，当车间空气温度为40℃时，置于炉内的热电偶测得热电动势为35.72mV，试求炉温为多少？

解：由题意知，且有。另外，查阅K型热电偶分度表（见附录3），可得：。

由式（2-2）有再查K型热电偶分度表，得到：，即炉温为900。2.2.3热电阻

利用金属导体或半导体的阻值随温度变化来实现温度测量的传感元件是热电阻。它分为金属热电阻和半导体热电阻。热电阻具有如下特点：1）热电阻测量的是一定空间温度的平均值，而不像热电偶是一点的温度值，它具有热惯性大，不适合用于温度快速变化的场合；2）温度引起热电阻阻值变化，须通过一定的方法将这种阻值的变化转化为电流或电压的第15页,共46页，2024年2月25日，星期天变化，如电桥电路，然后再输出；3）热电阻适合测量中、低温区的温度（﹤500℃），并且具有精度高、性能稳定、灵敏度高、可实现远距离传送特点；

通常用来温度系数来描述热电阻阻值随温度变化的大小，表示为其中，和分别为温度为、t

时热电阻的电阻值。

电阻温度系数描述的是温度每变化1℃，热电阻阻值的相对变化量。对于金属热电阻而言，一般有，即随着温度的升高，阻值增加；对半导体热电阻而言，可正可负，并且线性度不是很好。

1.金属热电阻A.金属热电阻的类型

一般来说，要求选作热电阻的金属材料具有这些特点：电阻温度系数大，以提高对温度的敏感程度；电阻值与温度之间有线性关系；热电阻具有较好的耐热性和化学稳定性。目前工业上常用的金属热电阻主要有：铂（Pt）电阻、铜（Cu）电阻和镍（Ni）电阻等，具体分度号和度量范围见表2-3。表2-3常用金属热电阻

材质铂铜镍分度号Pt10Pt100Cu50Cu100Ni100Ni300Ni500测温范围/℃0～850-200～850-50～150-60～180第16页,共46页，2024年2月25日，星期天

铂电阻：由贵金属铂构成，具有精度高、稳定性好、测量范围宽等特点。但是，它价格较贵，温度系数小、温度与阻值之间呈弱非线性关系。阻值与温度关系为其中，，,,、是温度分别为t和0时的电阻值。

常见的铂电阻是以云母片或石英玻璃柱作骨架，将直径为0.03～0.07mm的铂丝用双线法绕在骨架上，以消除电感，铂丝两端与银丝焊接后引至接线端处。铜电阻：具有较高的温度系数，温度与电阻值之间为线性关系，价格比铂电阻便宜。但是，铜熔点低、易氧化、电阻率小、热惯性大，测量范围不宽。常见的铜电阻是用直径为0.1mm的绝缘铜线，用无感双线绕法分层绕在圆柱形塑料骨架上，由于电阻率低，所以最后绕好的铜电阻体积较大。

当温度为-50～150

时，有关系式其中，，、是温度分别为t

和0

时的电阻值。

B.工业金属热电阻的结构与接线

工业金属热电阻的结构如图2-6所示，其中1为接线盒，2为保护套管，3为绝缘管，4为引线，5为电阻丝，6为绝缘骨架。它由感温器件（热电阻丝）、绝缘体、保护套管和接线盒组成。热电阻丝先进行中间对折，然后双线绕在玻璃或陶瓷构建的绝缘骨架上。丝的末端与引线相连第17页,共46页，2024年2月25日，星期天并连至接线盒。金属热电阻与外部电路的连接有两线制、三线制和四线制几种。工业上通常采用三线接线法与电桥相连，以实现将电阻变化转化为电压或电流变化。在图2-7中，热电阻用三根导线引出，一根与电源相连，另两根与电桥的两臂相接。

图2-6工业金属热电阻结构示意图图2-7热电阻的三线制接法2.半导体热敏电阻

半导体热敏电阻是将一些金属氧化物按一定比例混合，压制和烧结而成的，它利用其电阻值随温度变化的特性来测量温度。它具有温度系数大、热惯性小、响应快等优点，但是其稳定性和互换性不够好，一般用于家电和汽车等行业的温度测量。

根据材料和制造工艺的不同，有三种不同类型的半导体热敏电阻：负温度系数（NegativeTemperatureCoefficient,NTC）热敏电阻、正温度系数（PositiveTemperatureCoefficient,PTC）热敏电阻和临界温度系数（CriticalTemperatureCoefficient,CTC）热敏电阻。其热敏电阻的温阻特性如图2-8所示。负温度系数的热敏电阻主要用于测量温度，测温范围大约在-50～300℃之间，但存在非线性。其他两类热敏电阻在某个温度段内，阻值变化剧烈—急剧上升或下降，利用其特性，可制成温度开关元件。第18页,共46页，2024年2月25日，星期天2.2.4温度变送器

变送器（Transmitter）是一种将被测过程参数变换为标准电信号的仪表，它是电动单元组合仪表（DDZ仪表）的主要品种之一。DDZ仪表有Ⅱ型和Ⅲ型之分，Ⅱ型为早期版本，它采用晶体管等分立元件，标准信号为0～10mA直流电流（或0～5V直流电压）；Ⅲ型为当今版本，它选用集成电路，标准信号为4～20mA直流电流，或者1～5V直流电压。图2-8半导体热敏电阻温阻特性

从仪表使用来看，变送器涉及零点调整和零点迁移，以及量程调整的问题。变送器零点调整和零点迁移的目的是要使变送器输出的下限值（Ⅲ型仪表为4mA直流电流）与测量值的下限值相对应。当时，若mA直流电流，则需进行零点调整，使其为4mA

直流电流；当，若(4mA直流)，则需进行零点迁移，即将测量起始点由原来的零迁移到某一正值或负值。测量起始点由零迁为某一正值，则称其为正迁移；测量起始点由零迁为某负值，则称为负迁移。变送器零点迁移之后，输入输出特性仅仅沿x轴方向向左或右平移一段距离，其斜率并无变化，如图2-9所示。第19页,共46页，2024年2月25日，星期天

图2-9变送器零点迁移(a)未迁移(b)正迁移(c)负迁移

量程调整也称满度调整，它是使变送器输出信号的上限（Ⅲ型仪表为20mA电流）与被测值的上限相对应，量程调整相当于改变变送器输入输出特性的斜率。如图2-10。图2-10变送器量程调整前后输入输出特性第20页,共46页，2024年2月25日，星期天

温度变送器的功能是将热电偶或热电阻的输出电信号经过放大和线性化等处理后，变为标准的电信号输出。温度变送器从信号制式上说，有模拟式和数字式之分。模拟式温度变送器由模拟电路和器件组成，输出也为模拟信号，目前广泛使用的DDZ-III型温度变送器就属于这类；数字式温度变送器是一类新型变送器，它采用了微处理器技术，具有滤波、放大、转换、补偿等多种信号处理功能，输出既可是模拟信号，又可为数字信号。此处仅讨论模拟变送器。1.DDZ-Ⅲ型温度变送器

该型温度变送器的特点是：采用线性集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性；根据需要，采用线性化方法，使输出与输入之间呈线性关系；采取安全火花防爆措施，产品可用于危险场所。

目前被广泛使用的模拟式温度变送器，其结构如图2-11所示。从功能上说，它由量程单元和放大单元两部分组成。量程单元可接受来自热电偶、热电阻或直流毫伏输入三种信号的输入，其主要功能是将来自温度传感器的毫伏信号和反馈信号进行叠加，并送往放大单元，调整电路用于热电偶冷端补偿、热电阻三线接入、零点迁移或量程调整等；放大单元进行电压放大和功率放大，隔离后输出标准的电流或电压信号，该单元具有通用性。各部分工作电源采用了安全防爆措施（这部分内容将在第4章详细介绍），以便温度检测变送器可用于多种危险生产场所。图2-11中的虚线表示供电回路，实线为检测信号回路。

2.量程单元

通常见到的量程单元有直流毫伏量程单元、热电偶量程单元和热电阻量程单元等，它们分别连接不同的转换元件，并将其输入信号和反馈信号传送至放大单元。第21页,共46页，2024年2月25日，星期天图2-11温度变送器结构方框图

1)直流毫伏量程单元

图2-12为直流毫伏量程单元电路图，它由三部分组成：输入电路、零点调整迁移电路和反馈电路。图2-12直流毫伏量程单元电路第22页,共46页，2024年2月25日，星期天

输入电路由、、、稳压管VS1和VS2等组成，它的功能是滤波和限能。、和组成低通滤波器，去除由毫伏输入信号传来的交流成分，减少交流干扰。稳压管VS1和VS2起限压作用，即当输入端出现高压，并超过稳压管的稳压范围时，它们便导通，起限幅作用，图中用两个稳压管的目的是增强可靠性。

零点调整迁移电路由RP1、R3～R7等组成，其功能是实现零点迁移。随着电位器RP1活动臂的移动，滑动点对地的电位为，它与输入信号叠加后，送至集成运算放大器的同相输入端

。

反馈电路由、电位器和等组成，其功能是与放大单元一起构成闭环负反馈，当输入一定时，输出稳定。该反馈部分将放大单元的输出信号经隔离后（为），反馈至桥式电路，并经

的滑动臂分压后变为，送至集成运算放大器的反相输入端。

下面具体看看输出与输入和电桥电源的关系。

设计电路，使其满足下列条件

由叠加原理和电路定理，有（2-3）（2-4），，，第23页,共46页，2024年2月25日，星期天

设并考虑为近似理想运算放大器，从而有。由式（2-3）和（2-4）有假如反馈电压为输出电压的1/5（通常变送器输出与反馈之间为5倍关系），则

（2-5）

两点说明：

（A）当处在时，应有,若一定，则可通过调节

和，分别实现零点迁移和量程调整。即输入为时，变送器输出应为1V（或4mA）直流，否则调

()，输入为时，变送器输出应为5V（或20mA）直流，否则调()。

（B）式(2-5)中为调零项，若，即，则实现负迁移，若，即，则为正迁移。

2）热电偶量程单元

热电偶量程单元如图2-13所示，它由输入回路、冷端温度补偿与调整回路、以及非线性反馈回路组成。它与直流毫伏量程单元有些相似，但是，输入电桥中增加了铜电阻，用以补偿冷端温度。除此之外，它还增加了集成运算放大器、稳压管等非线性校正电路，以实现被测温度与输出电压或电流之间的线性关系。，，第24页,共46页，2024年2月25日，星期天图2-13热电偶量程单元

鉴于输入回路与冷端补偿前面已经介绍过，下面谈谈非线性反馈回路。由于热电偶的热电势与被测温度之间存在非线性关系，这将给控制带来麻烦，所以，技术上需要采取线性化处理措施。这里采用反馈回路中加入非线性校正电路的方法来实现线性化。

从电路的角度看，非线性反馈回路由基准电压电路和非线性模拟电路两部分组成。先看看基准电压电路，它是由恒流源、稳压器和分压器组成的，如图2-14所示。其中，、、和第25页,共46页，2024年2月25日，星期天分别为运算电路提供的基准电压。

图2-14基准电压回路图

假如稳压管和稳压值分别为和，晶体三极管的基射极压降为，由基尔霍夫电压定律，有于是有其中为

常数。如果各基准电压供电的负载电阻都很大，可认为第26页,共46页，2024年2月25日，星期天其中为常数。根据基尔霍夫电流定律，有常数

由此可知，当电源电压V变化时，流过稳压管的电流基本不变，所以使稳压管的稳压值保持恒定，进而各分压器给出各路基准电压、、和不受电源波动影响。

非线性模拟电路的目的就是要利用集成运算电路，模拟一个与热电偶相同的非线性输入输出关系，利用反馈原理，抵消非线性影响，使变送器输出的信号与被测温度之间呈线性关系。

图2-15为非线性模拟电路，它由运算放大器、稳压管、电阻等组成，基准电压分别接至稳压管。

放大单元中的功率放大器的输出反馈电压作为非线性模拟电路的输入，进入运算放大器的同相输入端，的输出经组成的分压器，送至调零调量程回路，同时，经非线性运算网络反馈到的反相输入端。如果电路结构和参数选择恰当，可使得非线性模拟电路的输入与输出特性模拟热电偶的非线性特性，并通过调零调量程回路，反馈至放大单元，使模拟热电偶非线性特性与原热电偶非线性特性相互抵消，最终获得从热电偶被测端的温度到变送器的输出电流（或电压）之间呈现性关系。具体说明如下。

第27页,共46页，2024年2月25日，星期天图2-15非线性模拟电路

图2-16为热电偶量程单元线性化原理图，变送器输出反馈电压与被测温度t之间的关系为图2-16热电偶量程单元线性化原理图第28页,共46页，2024年2月25日，星期天其中，为热电偶温度-热电动势非线性特性，为采用分段线性化方法逼近的非线性校正特性，K为运算放大器放大系数。假如，且有，于是有

显然，越逼近，线性化效果越好。图2-17为逼近（该曲线未画出）曲线图，横坐标为反馈电压，纵坐标为输出，它由四段折线组成，各段折线斜率互不相同，并且，折线拐点a、b、c和d对应的坐标点为、、和。下面结合图2-15具体谈谈电路实现。

当热电偶传来的信号为零时，变送器的输出为4mA（或1V）直流，模拟非线性曲线处在a点，其坐标为，此时设计所有稳压管均不导通，此时通过非线性网络的、到达

反相输入端。随着热电偶输入电压升高，即，从开始增大，也从开始沿ab段增大。当到达b点时，，，电路设计使（为稳压管的稳压值，为基准电压），从而使处于导通，而仍不导通，此时除了像a点的

图2-17模拟非线性曲线第29页,共46页，2024年2月25日，星期天3)热电阻量程单元

热电阻量程单元电路如图2-18所示，它与直流毫伏量程单元相似，但是输入电路采用了三线制接法，其目的是要消除引线电阻引起的测量误差。图2-18中，为热电阻，处在电桥的一个臂端上，起稳压作用，可进行零点调整，可进行量程调整。

必须指出，如果热电偶非线性曲线不同，本模拟非线性电路的参数也应相应变化，最终使模拟非线性曲线与热电偶非线性曲线基本一致，这样才能达到线性化的目的。

一样反馈至的反相输入端外，还增加了沿、、和支路反馈，从而使输出量大增，因而

沿bc段，以斜率增大，其增长速率快于ab段。如此类推，随着继续增大，随之增大，、和依次导通，反馈支路增加，上升斜率进一步增大，最终形成ab、bc、cd和de折线，模拟热电偶非线性曲线。图2-18热电阻量程单元第30页,共46页，2024年2月25日，星期天

此外，反馈电压经和分压后，将上的电压输给同相输入端，构成正反馈。选用铂电阻时，由于其分度特性具有“类饱和”性质，即随着温度升高，输出电动势增长趋势减小。但是，正反馈却可弥补其增长不足，使得输出电压随温度的增长呈线性特性。如果采用铜电阻，由于其在测温范围内线性度较好，所以无需进一步采取线性化措施，相应的线性化电路部分可以拆除。3.放大单元

放大单元连接上述三种量程单元的输出和反馈，具有通用性。由图2-11可知，它由集成运算放大器、功率放大器、输出隔离电路和直流-交流-直流变换器等组成（见图2-11右半部分）。其作用是将量程单元送来的毫伏电压信号进行电压放大和功率放大，通过隔离后，输出4～20mA的直流电流信号，或者1～5V的直流电压信号，并将输出电压反馈至量程单元。其中的直流-交流-直流变换器具有安全防爆功能（后面章节将具体介绍），具体电路见图2-19所示（见下页）。

输出变压器的二次电流是正负对称的交流电流，由于的二次绕组与隔离变压器绕组串连，的二次电流经整流和、滤波后，可获得与输出电流成比例的直流反馈电压，并通过端子11和5反馈到量程单元，完成非线性校正功能。

为了安全防爆和提高变送器抗共模干扰能力，直流电源也采取了变压器隔离措施，即直流-交流-直流变换。直流24V电源通过熔丝、电容和二极管进入放大单元，当过高的直流电压或交流电压加到电源两端时，将在二极管电路中产生大电流，并烧毁熔丝，切断电源。直流电源经由、和变压器等构成的多谐振荡器，转换成交流方波信号。经由变压器的二次侧，将交变信号整流、滤波和稳压后，获得±9V直流电源，给集成运算放第31页,共46页，2024年2月25日，星期天图2-19放大单元原理图第32页,共46页，2024年2月25日，星期天大器供电，并由端子10、5送往各量程单元的集成稳压器，为电桥电路提供电源。2.2.5温度检测仪表的选择

随着科学技术的发展与进步，温度检测仪表的种类越来越多，性能越来先进，根据实际需要，合理、恰当地选择温度检测仪表显得很重要。以下几条是选择温度检测器需要注意的：1.根据工艺和参数的误差要求，合理确定温度检测仪表的精度等级，以及测温范围。仪表的精度等级越高，测量值与实际值越接近，但价格也越贵，所以温度检测满足精度是一条基本要求，这也是保证整个控制系统控制精度符合要求的基础；同时仪表的测量范围也要符合实际，通常要求实际测量范围为仪表测量范围的90%，如果两者相差较大，会影响精度或浪费资源。2.从使用角度说，选用的仪表应读数方便显目、运行稳定可靠、调整和维护便利。3.通常热电偶多用于测量较高温度，热电阻的测温范围低一些，且无需冷端补偿。4.注意一些特殊场合、工艺流程对温度检测仪表的要求，如防爆、高压、振动、腐蚀、碰撞等环境，检测器往往采用特别材料、外套保护层等措施应对。2.3.1压力的定义、单位和仪表类型

工程技术上，垂直均匀地作用于单位面积上的力称为压力。国际单位制的压力单位是：帕斯卡（Pascal,BlaisePascalwasaFrenchscientist），简称帕（Pa），它表示1牛顿的力垂直均匀2.3压力检测与变送第33页,共46页，2024年2月25日，星期天地作用在1平方米面积上形成的压力，即。有时嫌该单位过小，工程上常用兆帕（MPa）表示，。值得一提的是，工程技术中的压力与物理学中的压强有相同的概念。

还有一些压力单位在实际中也被采用，如工程大气压、毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）和标准大气压（AtmosphericPressure,atm）等，它们的定义，以及与Pa之间的关系如表2-4所示。表2-4几种其它的压力单位及其与Pa的关系

序号名称定义与Pa的关系1工程大气压1cm2面积上垂直均匀地作用1kg力1kgf/cm2=9.90665×1042毫米汞柱在标准重力加速度下，1cm2面积上，1mmHg重量产生的压力1mmHg=133.3224Pa3毫米水柱标准重力下，1cm2面积上1mmH2O重量产生的压力1mmH2O=980665Pa4标准大气压水银在地球纬度45°的海平面上形成的水银柱压力1atm=101325Pa第34页,共46页，2024年2月25日，星期天

被测压力往往有如下几种表示：

绝对压力：介质承受的实际压力，这里用表示。

表压：高于大气压的绝对压力与大气压之差：，其中，为大气压；

负压（真空度）：大气压与低于大气压的绝对压力之差：；

差压：两测点之间的绝对压力差值，可用表示。

它们之间的关系见图2-20。由于工艺设备和测量仪表本身就处在大气压下，所以用表压或真空度来表示压力大小较为方便。

图2-20各种压力之间的关系第35页,共46页，2024年2月25日，星期天

目前测量压力、压差和负压的仪表不少，根据转换原理的不同，压力检测可分为以下四类：1.液柱式压力检测器根据流体静力学原理，将被测压力转换为液柱高度的测量计。通常有U形管压力计、单管压力计和斜管压力计等，常用于实验室的低压、负压和压力差的检测，具有结构简单、使用方便的特点。但只能目测获得结果，不可远传，并且测量范围比较窄。

2.弹性式压力检测器将被测压力转换成位移来实现测量的器具。常见的有弹簧管压力计、波纹管压力计和膜式压力计等。

3.电气式压力检测器利用敏感元件将被测压力转换成电压、电流、电容或频率等，如电容式压力变送器、电阻式压力检测器等。它具有量程大、线性度好以及便于远距离传送等特点。

4.活塞式压力检测器基于液体传送压力的原理，将被测压力与活塞上所加砝码质量进行平衡来进行测量。其测量精度可达很高。由于需要人工增减砝码，自动测量很困难，多作为标准压力测量仪，用来检验和校核其它型压力计。

以上四类压力检测仪表中，弹性压力检测器和电气压力检测器使用最为广泛。2.3.2弹性式压力检测仪表

利用弹性元件在外力作用下产生形变来测量压力，称这类仪表为弹性压力检测仪表。其弹性元件通常有弹性膜片、波纹管、弹簧管等，如图2-21所示。1.弹性单膜片膜片一般是用金属薄片支撑的，有时也用橡皮膜。由于该膜片位移较小，多用来测量微压和粘滞性介质压力。2.波纹管是用金属薄管折皱成的筒体，形状像手风琴的风箱。当其受到轴向压力作用时,

第36页,共46页，2024年2月25日，星期天a)弹性膜片b)波纹管c)弹簧管d)多圈弹簧管能使自由端沿轴向产生较大的伸长或收缩，灵敏度较高，常用于不超过1MPa的压力测量。

图2-21压力仪表中的弹性元件3.弹簧管由于它是法国人波登发明的，所以也称波登管（Bourdontube）。将扁圆形或椭圆形的金属空心管弯成圆弧形，一端封口作为自由端，另一端作为测量端，冲入压力气体或液体。当被测压力自固定端输入后，由于弹簧管的非圆横截面积，压力使管有变圆并伸直的趋势，产生的力矩使自由端向后（送气方向）位移，中心角变小。被测压力越大，自由端位移也越大。因而它可以反映被测压力大小。另外，还有多圈的弹簧管，通以同样的压力，其自由端位移量比单圈的大。

从制作材料上看，不锈钢、磷青铜的弹簧刚性较大，多用来测高压；黄铜的弹簧管刚性较小，可用来测低压。第37页,共46页，2024年2月25日，星期天2.3.3电气式压力检测仪表

利用压力敏感元件，将被测压力转换为电阻、电容或电压等电信号，再经信号处理电路转化为标准电信号输出或显示。常用的电气式压力检测器有应变式、压阻式、压力传感器和电容式差压变送器等。

1.应变压力传感器

应变压力传感器是利用电阻应变原理工作的，它分金属应变片和半导体应变片两种。金属应变片是基于金属材料电阻应变效应工作的，即金属导体的电阻值随着它受力所产生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生变化的原理；半导体应变片是基于压阻效应工作的，即当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率变化，使其电阻率发生变化的原理。利用电阻应变片或半导体应变片将被测压力转换为电阻值的变化，再利用桥式电路获得毫伏级电压信号，最后通过变送器转化为标准电信号。下面以金属应变片为例，予以讨论。

应变片电阻值其中，L为电阻丝长度，S为电阻丝横截面积，为材料电阻率。对上式取微分，有第38页,共46页，2024年2月25日，星期天

金属电阻值变化的两种情况：被测压力使应变片产生应变，金属丝被拉长，横截面积变小，其阻值变大；当金属丝被压缩变形时，丝长变短，横截面积变大，阻值变小。将应变片的阻值变化通过桥式电路转化为电压变化（毫伏级），并经放大输出。

图2-22a)是一个应变片传感器结构示意图，图中1为应变筒，2为外壳，3为膜片。两块应变片和分别以轴向和径向用胶合剂固定在应变筒上，作为测量片，作为补偿片，应变筒上端与外壳2相连，下端与不锈钢密封膜片3相连，应变片与筒体相互绝缘。当被测压力作用于膜片时，应变筒轴向受压变形，产生轴向压缩应变，其阻值减小；径向应变片受到纵向拉伸应变，的阻值增大，但由于，所以。a）传感筒

b)测量桥图2-22应变片式压力传感器结构与测量电路第39页,共46页，2024年2月25日，星期天图2-22b)是由应变片

和，以及固定电阻和组成的测量电桥。当应变筒受压变形时，应变片电阻和，一个减小，一个增大。设定压力为零时，，输出电压为

当被测压力增大时，，，电桥输出电压为其中，E为电桥直流供电电压，最大值可达10V。这类压力计的被测压力可达25MPa，电桥输出电压可达5mV直流电压，传感器工作频率可大于