化工儀表及其自動化-第三章5檢測儀表與傳感器-變送器

化工儀表及自動化概述測溫儀表的分類溫度檢測的基本原理熱電偶溫度計熱電偶補償導(dǎo)線與冷端溫度補償1熱電阻溫度計測溫原理常用熱電阻上次課主要內(nèi)容一、溫度檢測方法分類按測量范圍

按用途

高溫計、溫度計標準儀表、實用儀表

按工作原理

膨脹式溫度計、壓力式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計和輻射高溫計

按測量方式

接觸式與非接觸式

231.膨脹式溫度計膨脹式溫度計是基于物體受熱時體積膨脹的性質(zhì)而制成的。2.壓力式溫度計

應(yīng)用壓力隨溫度的變化來測溫的儀表叫壓力式溫度計。

3.輻射式溫度計輻射式高溫計是基于物體熱輻射作用來測量溫度的儀表。4熱電偶溫度計是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的測溫儀表。二、熱電偶溫度計圖3-55熱電現(xiàn)象圖3-56接觸電勢形成的過程左圖閉合回路中總的熱電勢或圖3-57熱電偶原理及電路圖注意如果組成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體材料相同，則無論兩接點溫度如何，閉合回路的總熱電勢為零。如果熱電偶兩接點溫度相同，盡管兩導(dǎo)體材料不同，閉合回路的總熱電勢也為零。也就是說熱電偶產(chǎn)生的熱電勢除了與兩接點處的溫度有關(guān)外，還與熱電極的材料有關(guān)。56（1）插入第三種導(dǎo)線的問題利用熱電偶測量溫度時，必須要用某些儀表來測量熱電勢的數(shù)值，見下圖。

圖3-58熱電偶測溫系統(tǒng)連接圖說明：在熱電偶回路中接入第三種金屬導(dǎo)線對原熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢數(shù)值并無影響。不過必須保證引入線兩端的溫度相同。

7（2）熱電偶的結(jié)構(gòu)①普通型熱電偶②鎧裝熱電偶③表面型熱電偶

④快速熱電偶

冷端溫度的補償

在應(yīng)用熱電偶測溫時，只有將冷端溫度保持為０℃，或者是進行一定的修正才能得出準確的測量結(jié)果。這樣做，就稱為熱電偶的冷端溫度補償。一般采用下述幾種方法。圖3-61熱電偶冷端溫度保持０℃的方法（1）冷端溫度保持為０℃的方法8

在實際生產(chǎn)中，冷端溫度往往不是0℃，而是某一溫度t1，這就引起測量誤差。因此，必須對冷端溫度進行修正。（2）冷端溫度修正方法（3）校正儀表零點法

若采用測溫元件為熱電偶時，要使測溫時指示值不偏低，可預(yù)先將儀表指針調(diào)整到相當于室溫的數(shù)值上。注意：只能在測溫要求不太高的場合下應(yīng)用。（4）補償電橋法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢，來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。

9圖3-62具有補償電橋的熱電偶測溫線路10（5）補償熱電偶法

在實際生產(chǎn)中，為了節(jié)省補償導(dǎo)線和投資費用，常用多支熱電偶而配用一臺測溫儀表。圖3-63補償熱電偶連接線路三、熱電阻溫度計11測溫原理

利用熱電阻的電阻值隨溫度變化而變化的特性（電阻溫度效應(yīng)）來進行溫度測量的。

熱電阻的結(jié)構(gòu)（1）普通型熱電阻（2）鎧裝熱電阻（3）薄膜熱電阻例1在用熱電偶測量溫度時,除了要考慮冷端溫度的影響外,還要注意熱電偶極性不能接錯;熱電偶與補償導(dǎo)線要配套;熱電偶分度號與指示儀表要配套等問題。在用熱電阻測量溫度時,同樣要考慮熱電阻分度號與測量儀表配套、三線制接法等,下面給出幾個思考題及其結(jié)論,請大家自行證明(或說明)。12

(1)如果熱電偶熱端為600℃,冷端為30℃,儀表的機械零點為0℃,沒有加以冷端溫度補償。問該儀表的指示值將高于還是低于600℃?(低于600℃)。

(2)采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量溫度,將儀表機械零點調(diào)至25℃,但實際上室溫(冷端溫度為10℃),問這時儀表指示值將偏高還是偏低?(偏高)。

(3)有S分度號動圈儀表一臺,錯接入K分度號熱電偶,問指示值偏高還是偏低?(偏高)。

(4)當熱電偶補償導(dǎo)線極性接錯時,指示值偏高還是偏低?(偏低)。

(5)當熱電阻短路或斷路時,與之配套的動圈儀表指針將指向哪里?(始端、終端)。13溫度檢測及儀表內(nèi)容提要1溫度變送器電動溫度變送器一體化溫度變送器智能式溫度變送器現(xiàn)代檢測技術(shù)與傳感器的發(fā)展電動溫度變送器一體化溫度變送器智能式溫度變送器測溫元件的安裝一、電動溫度變送器2電動溫度變送器是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣泛的一種模擬式溫度變送器,它能與常用的各種熱電偶和熱電阻配合使用,將某點的溫度或某兩點的溫差轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的標準直流電流信號輸出。

DDZ-Ⅲ型溫度(溫差)變送器是電動單元組合儀表中的一個變送單元。

3溫度變送器有三種類型：

熱電偶溫度變送器；熱電阻溫度變送器；直流毫伏變送器。1.熱電偶溫度變送器結(jié)構(gòu)分為輸入橋路、放大電路及反饋電路。

圖3-66熱電偶溫度變送器的結(jié)構(gòu)方框圖4（1）輸入電橋

作用：冷端溫度補償、調(diào)整零點。圖3-67

輸入電橋（2）反饋電路

在DDZ-Ⅲ型的溫度變送器中，在溫度變送器中的反饋回路加入線性化電路。

圖3-68熱電偶溫度變送器的線性化方法方框圖（3）放大電路562.熱電阻溫度變送器結(jié)構(gòu)分為輸入電橋、放大電路及反饋電路。

圖3-69熱電阻溫度變送器的結(jié)構(gòu)方框圖二、一體化溫度變送器7

它是指將變送器模塊安裝在測溫元件接線盒或?qū)Ｓ媒泳€盒內(nèi)的一種溫度變送器。

圖3-70一體化溫度變送器結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)測溫元件和變送器模塊常用的變送器芯片：AD693、XTR101、XTR103、IXR100等變送器模塊的正常工作溫度-20～+80℃①變送器的輸出電流I0與熱電偶的熱電勢Et成正比關(guān)系；②RCu阻值隨溫度而變，合理選擇RCu的數(shù)值可使RCu隨溫度變化而引起的I1RCu變化量近似等于熱電偶因冷端溫度變化所引起的熱電勢Et的變化值，兩者互相抵消。結(jié)論8三、智能式溫度變送器9以SMART公司的TT302溫度變送器為例加以介紹。輸入板主電路板液晶顯示器信號輸入信號輸出圖3-72TT302溫度變送器基本構(gòu)成框圖輸入板包括多路轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器和隔離部分，其作用是將輸入信號轉(zhuǎn)換為二進制的數(shù)字信號，傳送給CPU，并實現(xiàn)輸入板與主電路板的隔離。

用于熱電偶的冷端溫度補償

核心采樣、計算(控制)、輸出

產(chǎn)生并輸出滿足FF標準的數(shù)字信號

顯示

TT302溫度變送器1011優(yōu)點

可以與各種熱電偶或熱電阻配合使用測量溫度；具有量程范圍寬、精度高；環(huán)境溫度和振動影響小、抗干擾能力強；質(zhì)量輕；安裝維護方便。結(jié)構(gòu)由硬件部分和軟件部分兩部分構(gòu)成。12TT302溫度變送器的硬件構(gòu)成輸入板主電路板液晶顯示器圖3-71TT302溫度變送器硬件構(gòu)成原理框圖TT302溫度變送器的軟件構(gòu)成系統(tǒng)程序功能模塊131.測溫元件的安裝要求（1）在測量管道溫度時，應(yīng)保證測溫元件與流體充分接觸，以減少測量誤差。見圖3-73。（2）測溫元件的感溫點應(yīng)處于管道中流速最大處。四、測溫元件的安裝圖3-73測溫元件安裝示意圖之一×圖3-74測溫元件安裝示意圖之二14（3）測溫元件應(yīng)有足夠的插入深度，以減小測量誤差。最好斜插安裝或在彎頭處安裝。見圖3-74。圖3-75小工藝管道上測溫元件安裝示意圖15（4）若工藝管道過小（直徑小于80mm），安裝測溫元件處應(yīng)接裝擴大管，如圖3-75所示。（5）熱電偶、熱電阻的接線盒面蓋應(yīng)向上，以避免雨水或其他液體、臟物進入接線盒中影響測量，如圖3-76所示。圖3-76熱電偶或熱電阻安裝示意圖16（6）為了防止熱量散失，測溫元件應(yīng)插在有保溫層的管道或設(shè)備處。（7）測溫元件安裝在負壓管道中時，必須保證其密封性，以防外界冷空氣進入，使讀數(shù)降低。172.布線要求（1）按照規(guī)定的型號配用熱電偶的補償導(dǎo)線，注意熱電偶的正、負極與補償導(dǎo)線的正、負極相連接，不要接錯。（2）熱電阻的線路電阻一定要符合所配二次儀表的要求。（3）為了保護連接導(dǎo)線與補償導(dǎo)線不受外來的機械損傷，應(yīng)把連接導(dǎo)線或補償導(dǎo)線穿入鋼管內(nèi)或走槽板。（6）補償導(dǎo)線不應(yīng)有中間接頭，否則應(yīng)加裝接線盒。另外，最好與其他導(dǎo)線分開敷設(shè)。（5）導(dǎo)線應(yīng)盡量避開交流動力電線。

（4）導(dǎo)線應(yīng)盡量避免有接頭。應(yīng)有良好的絕緣。禁止與交流輸電線合用一根穿線管，以免引起感應(yīng)。18第六節(jié)現(xiàn)代檢測技術(shù)與傳感器的發(fā)展一、軟測量技術(shù)的發(fā)展19解決工業(yè)過程的測量要求的兩條途徑：

沿襲傳統(tǒng)的檢測技術(shù)發(fā)展思路，通過研制新型的過程測量儀表，以硬件形式實現(xiàn)過程參數(shù)的直接在線測量；采用間接測量的思路，利用易于獲取的其他測量信息，通過計算來實現(xiàn)被檢測量的估計。（*）

定義：

依據(jù)易測過程變量與難以直接測量的待測過程變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過各種數(shù)學(xué)計算和估計方法，實現(xiàn)對待測過程變量的測量。

分類：

機理建模、回歸分析、狀態(tài)估計、模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、過程層析成像、相關(guān)分析、現(xiàn)代非線性信息處理技術(shù)。20二、現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展211.新材料、新功能的開發(fā)，新加工技術(shù)的使用；2.多維、多功能化的傳感器;3.微型化、集成化、數(shù)值化和智能化;4.新型網(wǎng)絡(luò)傳感器的發(fā)展。

圖3-77網(wǎng)絡(luò)傳感器連接圖例2：圖示為吹氣法測量液位的原理圖。壓縮空氣經(jīng)過定值器1、節(jié)流元件2、轉(zhuǎn)子流量計3，最后由裝在容器內(nèi)的導(dǎo)管下端敞口處逸出。當導(dǎo)管下端有微量氣泡逸出時，導(dǎo)管內(nèi)的氣壓幾乎與液封的壓力相等。試問：（1）吹氣法是如何測量液位的？（2）利用吹氣法測量液位的前提條件是什么？（3）用吹氣法測量液位時，當壓力變送器的安裝位置不能高于最高液位時，怎么辦？（4）吹氣法不適于測量何種液位？22解：（1）利用吹氣法可測出敞口容器內(nèi)的液位高度。

H=P/ρgP：壓力表顯示的壓力值；ρ：被測介質(zhì)的密度。（2）前提條件是：使導(dǎo)管下端有微量氣泡冒出。（3）當壓力變送器安裝位置不能高于最高液位時，必須安裝彎管，其高度必須高過最高液位，以防止被測介質(zhì)進入變送器。（4）吹氣法不適于測量靜壓力較高的密閉容器的液位。23例3：若用兩支鉑銠10-鉑熱電偶串聯(lián)來測量爐溫，連接方式分別如圖所示。已知爐內(nèi)溫度均勻，最高溫度為1000℃，假設(shè)補償導(dǎo)線C、D與熱電偶A、B本身在100℃以下具有相同的熱點特性。（1）試分別計算測量儀表的測量范圍（以最大毫伏數(shù)表示）（2）若測量儀表得到的信號是15mV，分別計算這時爐子的實際溫度。24解：（1）計算測量儀表的測量范圍（a）此時熱電偶冷端溫度均為0℃，查表可得

E（1000，0）=9.585mV兩支熱電偶串聯(lián)，測量儀表所測信號最大值為

Emax=2×E（1000，0）

=2×9.585=19.17mV根據(jù)這個數(shù)值可確定測量儀表的測量范圍。25（b）補償導(dǎo)線與熱電偶材料在100℃以下熱電特性相同，因此冷端的熱電勢為

E（30，0）=0.173mV補償導(dǎo)線與熱電偶連接處1、4兩點不產(chǎn)生熱電勢，但2、3兩點將產(chǎn)生相當于熱電偶在100℃時的熱電勢

E（100，0）=0.645mV側(cè)電勢方向與兩支熱電偶在熱端產(chǎn)生的熱電勢方向相反，故，總的熱電勢為26

Emax=2×E（1000，0）-E（100，0）-E（30，0）

=2×9.585-0.645-0.173=18.352mV根據(jù)這個數(shù)值可確定測量儀表的測量范圍。（c）此時兩支熱電偶的冷端都用補償導(dǎo)線引致遠離爐子處，冷端溫度為30℃，故總的熱電勢為

Emax=2×E（1000，0）-2×E（30，0）

=2×9.585-2×0.173=18.824mV根據(jù)這個數(shù)值可確定此種情況下測量儀表的測量范圍。比較可知，同樣都是用兩支熱電偶串聯(lián)測量爐溫時，由于接線不同，產(chǎn)生的熱電勢也不相同，在選擇測量儀表時，應(yīng)考慮到接線方式的影響。27對于第二種接法，爐旁邊接線盒的溫度變化，將會產(chǎn)生較大的影響（2）計算爐子的實際溫度（a）已知2×E（t，0）=15mV

所以E（t，0）=7.5mV，查表可得t=814℃。（b）已知

2×E（t，0）=15+E（30，0）+E（100，0）=15+0.1730.645=15.818mV

所以E（t，0）=7.909mV查表得t=851℃。28（c）已知

2×E（t，0）-2×E（30，0）=15mV

所以2×E（t，0）=15+2×0.173=15.346mV

故E（t，0）=7.673mV，查表得t=830℃。29例4：測溫系統(tǒng)如圖所示。請說出這是工業(yè)上用得哪種溫度計？已知熱電偶的分度號為K，但錯用與E配套的顯示儀表，當儀表指示為160℃時，試計算實際溫度為多少？（室溫為25℃）解：這是工業(yè)上用的熱電偶溫度計。查分度號E，可得160℃時的電勢為10.501mV，該電勢實際上是由K熱電偶產(chǎn)生的，即E（tx，25）=10.501mV查分度號K，可得E（25，0）=1mV故有E（tx，0）=10.501+1=11.501mV再查分度號K，可得實際溫度tx≈283℃。30第四章顯示儀表

內(nèi)容提要模擬式顯示儀表自動電子電位差計自動電子平衡電橋數(shù)字式顯示儀表數(shù)字式顯示儀表的特點及分類數(shù)字式顯示儀表的基本組成新型顯示儀表無筆、無紙記錄儀虛擬顯示儀表1概述顯示儀表：

凡能將生產(chǎn)過程中各種參數(shù)進行指示、記錄或累積的儀表。

顯示儀表一般都裝在控制室的儀表盤上。它和各種測量元件或變送單元配套使用；又能與控制單元配套使用，

分類模擬式顯示儀表數(shù)字顯示儀表屏幕顯示儀表2第一節(jié)模擬式顯示儀表一、自動電子電位差計電子電位差計

是用來測量直流電壓信號的，凡是能轉(zhuǎn)換成毫伏級直流電壓信號的工藝變量都能用它來測量。

1.手動電位差計工作原理

根據(jù)平衡法將被測電勢與已知的標準電勢相比較，當兩者的差值為零時，被測電勢就等于已知的標準電勢。圖4-1電壓平衡原理圖測量時，可調(diào)節(jié)滑動觸點C的位置，使同時有342.自動電子電位差計的工作原理根據(jù)這種電壓平衡原理來進行工作。特點用可逆電動機及一套機械傳動機構(gòu)代替了人手進行電壓平衡操作；用放大器代替了檢流計來檢測不平衡電壓并控制可逆電機的工作。圖4-2電子電位差計原理圖

電子電位差計既保持了手動電位差計測量精度高的優(yōu)點，而且無須用手去調(diào)節(jié)就能自動指示和記錄被測溫度值。結(jié)論53.自動電子電位差計的測量橋路圖4-3電位差計測量橋路原理圖圖4-2電子電位差計原理圖（1）冷端溫度補償問題

舉例用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量溫度，其熱端溫度不變，而冷端溫度從０℃升高到25℃，這時熱電勢將降低１mV，儀表指針會指示偏低。

如果把R２做成隨溫度變化的電阻，且在溫度從0℃升高到25℃時，其阻值變化量ΔR2＝0.5Ω，這時，電阻R2上的電壓降UDB也增大，ΔUDB＝ΔR2·I2＝1mV。為了統(tǒng)一規(guī)格，上支路的電流規(guī)定為4mA（或2mA），下支路電流規(guī)定2mA（或1mA）。因為測量橋路的補償電壓UCD＝UCB－UDB，現(xiàn)在UDB增加了1mV，那么UCD就會減少1mV，此時滑動觸點C的平衡位置不需變化。由于UCD的變化與熱電勢的變化相等，故能起到溫度補償作用，使儀表的指示值基本不受冷端溫度變化的影響。67（2）量程匹配問題

圖4-4XW系列電位差計測量橋路原理圖R2—冷端補償銅電阻；RM—量程電阻；RB—工藝電阻；RP—滑線電阻；R4—終端電阻（限流電阻）；R3—限流電阻；RG—始端電阻；E—穩(wěn)壓電源1V；I1—上支路電流4mA；I2—下支路電流2mA①R2銅電阻裝在儀表后接線板上以使其和熱電偶冷端處于同一溫度。②下支路限流電阻R3

它與R2配合，保證了下支路回路的工作電流為2mA。

③上支路限流電阻R4把上支路的工作電流限定在4mA。④滑線電阻RP

儀表的示值誤差、記錄誤差、變差、靈敏度以及儀表運行的平滑性等都和滑線電阻的優(yōu)劣有關(guān)。

⑤量程電阻RM決定儀表量程大小的電阻。⑥始端（下限）電阻RG

大小取決于測量下限的高低。

圖4-5電子電位差計方框原理圖84.自動電子電位差計的結(jié)構(gòu)測量橋路放大器可逆電機指示機構(gòu)記錄機構(gòu)

二、自動電子平衡電橋91.平衡電橋測溫原理利用平衡電橋來測量熱電阻變化。圖4-6平衡電橋

當被測溫度為下限時，Rt有最小值Rt0，滑動觸點應(yīng)在RP的左端，此時電橋的平衡條件是（4-3）

滑動觸點B的位置就可以反映電阻的變化，亦即反映了溫度的變化。并且可以看到觸點的位移與熱電阻的增量呈線性關(guān)系。結(jié)論當被測溫度升高后的平衡條件是（4-4）用式（4-4）減式（4-3），則得（4-5）10112.自動電子平衡電橋

為了準確地指示出被測溫度的數(shù)值，將熱電阻的連接采用三線制接法，并加外接調(diào)整電阻。圖4-7自動平衡電橋結(jié)構(gòu)原理圖圖4-8自動電子平衡電橋方框圖123.自動電子平衡電橋與自動電子電位差計的比較相同處與這兩種儀表配套的測溫元件（熱電偶、熱電阻）在外形結(jié)構(gòu)上十分相似。儀表的外形及其組成：