过程参数检测与变送课件

武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表第三章第三章 过程参数检测与变送过程参数检测与变送1武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表第一节第一节 过程参数检测与变送概述过程参数检测与变送概述过控系统过控系统被控过程（被控的对象）被控过程（被控的对象）检测仪表检测仪表(含传感器和变送器含传感器和变送器)控制器控制器(调节器调节器)单元仪表单元仪表执行器单元仪表执行器单元仪表检测仪表部分是负反馈控制系统不可或缺的检测仪表部分是负反馈控制系统不可或缺的一部分，而且是整个系统中的一个重要部分。一部分，而且是整个系统中的一个重要部分。调节器调节器检测变送检测变送 干扰干扰过程过程调节阀调节阀R(s)E(S)U(S)Q(S)C(S)Y(S)-F(S)2武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表1.1.敏感元件敏感元件 (Sensor)(Sensor)2.2.传感器与变送器传感器与变送器传感器：将被测物理量转换为电信号的部件。传感器：将被测物理量转换为电信号的部件。变送器：将被测物理量转换为统一的标准气、电信号的部件变送器：将被测物理量转换为统一的标准气、电信号的部件,也即也即输出信号符合标准化要求的传感器。输出信号符合标准化要求的传感器。气动单元组合仪表：输出信号为标准压力信号。气动单元组合仪表：输出信号为标准压力信号。电动单元组合仪表：输出信号为标准电信号。电动单元组合仪表：输出信号为标准电信号。标准气压信号：标准气压信号：2020100Kpa100Kpa标准电信号：标准电信号：4 420mA20mA，DCDC（远距离）；（远距离）；1 15V5V，DCDC（柜内传输）（柜内传输）3.3.信号转换器信号转换器气电转换器和电气转换器气电转换器和电气转换器不同标准信号之间的转换不同标准信号之间的转换一一.基本概念基本概念3武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表 .仪表的职能仪表的职能（）基本传递特性（）基本传递特性,即仪表的工作原理即仪表的工作原理（）仪表的工作特性（）仪表的工作特性,即仪表在系统设计及其即仪表在系统设计及其运行中可发挥的潜在能力运行中可发挥的潜在能力,是应用特性是应用特性,是基本知是基本知识识二二.自动化仪表工作特性自动化仪表工作特性4武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表ByyupyinfKmKmyxBxBxxinfxup量程量程：与仪表规定输出范围相对应的：与仪表规定输出范围相对应的被测物理量范围。被测物理量范围。y=yup-yinfx=xup-xinfBx=xup-xinf 称为量程，亦即被测物理量的上限称为量程，亦即被测物理量的上限与下限代数差，它是有物理量纲的，如压力或与下限代数差，它是有物理量纲的，如压力或温度等。用温度等。用By代替代替y,是一个是一个标准化的物理量。标准化的物理量。.量程及其调整量程及其调整另外，令另外，令km=By/Bx，为测量，为测量仪表的传递特性。一般来说，仪表的传递特性。一般来说，在单元仪表的实体构造中，都在单元仪表的实体构造中，都具有针对量程调整的量程调整具有针对量程调整的量程调整机构。实际上，调整量程就是机构。实际上，调整量程就是改变仪表传递特性。改变仪表传递特性。5武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表 是仪表和变送单元另一个重要的工作特性，使仪表在应是仪表和变送单元另一个重要的工作特性，使仪表在应用中具有更大的灵活性和更强的适应能力。用中具有更大的灵活性和更强的适应能力。BxBxBxBxyinfyupykmkmkmkmxqxqXq=0+-XinfXupx03.3.零点及其迁移零点及其迁移零点零点：检测的起始点，即：检测的起始点，即与检测仪表输出下限值与检测仪表输出下限值yinf 相对应的被测物理量的最相对应的被测物理量的最小值，用小值，用xq表示。一般来说，表示。一般来说，在检测变送单元仪表的实在检测变送单元仪表的实体结构中，有零点大小和体结构中，有零点大小和方向的调整机构，即方向的调整机构，即零点零点迁移迁移机构。机构。6武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表三三.误差概念误差概念.测量误差与真值测量误差与真值t测量误差：测量值与真实值之间存在的差别。测量误差：测量值与真实值之间存在的差别。t真值：一个变量本身所具有的真实值，它是一个理想的概念，真值：一个变量本身所具有的真实值，它是一个理想的概念，一般是无法得到的。一般是无法得到的。t在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。2.2.约定真值与相对真值约定真值与相对真值t约定真值：一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。实约定真值：一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。实际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的测量值之平均值际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的测量值之平均值作为约定真值。作为约定真值。t相对真值：指当高一级标准器的误差仅为低一级的相对真值：指当高一级标准器的误差仅为低一级的1/31/3以下时，以下时，可认为高一级的标准器或仪表示值为低一级的相对真值。可认为高一级的标准器或仪表示值为低一级的相对真值。7武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表3.3.仪表读数误差仪表读数误差t读数误差的实质，是仪表读数与被测参数真实值之差。读数误差的实质，是仪表读数与被测参数真实值之差。t仪表的读数误差只能是读数与约定真值或相对真值之差。仪表的读数误差只能是读数与约定真值或相对真值之差。t=M-A=M-A t读数绝对误差；读数绝对误差；t M M仪表读数；仪表读数；t A A约定真值或相对真值。约定真值或相对真值。4.4.仪表绝对误差与相对误差仪表绝对误差与相对误差t绝对误差：在测量范围内，各读数误差的最大值。绝对误差：在测量范围内，各读数误差的最大值。t相对误差：仪表的绝对误差与真值的百分比。相对误差：仪表的绝对误差与真值的百分比。t引用误差：绝对误差与仪表量程的百分比。引用误差：绝对误差与仪表量程的百分比。8武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表5.5.仪表基本误差仪表基本误差t这是指在仪表制造厂保证的条件下仪表的相对误差值，这是指在仪表制造厂保证的条件下仪表的相对误差值，即规定使用条件下的相对误差。即规定使用条件下的相对误差。t规定使用条件：包括温度、相对湿度、电源电压、安装规定使用条件：包括温度、相对湿度、电源电压、安装方式等。方式等。6.6.仪表的附加误差仪表的附加误差t附加误差是仪表在非规定的参比工作条件下使用时另外附加误差是仪表在非规定的参比工作条件下使用时另外产生的误差。产生的误差。t如电源波动附加误差，温度附加误差等。如电源波动附加误差，温度附加误差等。9武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表7.7.仪表精度等级仪表精度等级t又称准确度级，是按国家统一规定的允许误差大小划分又称准确度级，是按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级。成的等级。t我国仪表精度等级有：我国仪表精度等级有：0.0010.001、0.0050.005、0.020.02、0.050.05、0.10.1、0.20.2、0.40.4、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.52.5、4.04.0等。等。t级数越小，精度（准确度）就越高。级数越小，精度（准确度）就越高。t科学实验用的仪表精度等级在科学实验用的仪表精度等级在0.050.05级以上；工业检测用级以上；工业检测用仪表多在仪表多在0.10.14.04.0级，其中校验用的标准表多为级，其中校验用的标准表多为0.10.1或或0.20.2级，现场用多为级，现场用多为0.50.54.04.0级。级。10武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表8.8.仪表的灵敏度仪表的灵敏度t仪表的灵敏度是表达仪表对被测参数变化的灵敏程度。仪表的灵敏度是表达仪表对被测参数变化的灵敏程度。t它是指仪表在达到稳定状态以后，仪表输出信号变化它是指仪表在达到稳定状态以后，仪表输出信号变化与引起此输出信号变化的被测参数（输入信号）变化量与引起此输出信号变化的被测参数（输入信号）变化量xx之比，用之比，用S S表示灵敏度。表示灵敏度。9.9.仪表的灵敏限仪表的灵敏限t指能够引起仪表指示值（输出信号）发出变化（动作）的被指能够引起仪表指示值（输出信号）发出变化（动作）的被测参数（输入信号）的最小（极限）变化量。测参数（输入信号）的最小（极限）变化量。t与灵敏度是不同的概念。与灵敏度是不同的概念。11武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表测量变送中的几个主要问题测量变送中的几个主要问题t纯滞后问题纯滞后问题 t由于测量元件安装位置不当及测量仪表本身特性等容由于测量元件安装位置不当及测量仪表本身特性等容易引入纯滞后。易引入纯滞后。t测量滞后问题测量滞后问题 t主要由测量元件本身的特性造成。在系统设计中可选主要由测量元件本身的特性造成。在系统设计中可选用快速测量元件。用快速测量元件。t信号传送滞后问题信号传送滞后问题 t主要是指主要是指QDZQDZ仪表气压信号在管路传送过程中所造成的仪表气压信号在管路传送过程中所造成的滞后。滞后。12武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表测量信号的处理测量信号的处理t测量信号噪声（干扰）的滤波测量信号噪声（干扰）的滤波 t测量信号的校正测量信号的校正 t对测量信号进行线性化处理对测量信号进行线性化处理数字滤波数字滤波t数字滤波即程序滤波，通过计算机软件运算与判断）滤去数字滤波即程序滤波，通过计算机软件运算与判断）滤去干扰信号，提高信号的真实性。干扰信号，提高信号的真实性。t在计算机中常采用数字滤波消除低频干扰常用的数字滤波在计算机中常采用数字滤波消除低频干扰常用的数字滤波有如下几种：算术平均值滤波、程序判断滤波、中位值法滤波有如下几种：算术平均值滤波、程序判断滤波、中位值法滤波和一阶惯性滤波等。和一阶惯性滤波等。13武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表1.1.算术平均值滤波算术平均值滤波t又称为递推平均滤波，对周期性等幅振荡的干扰有较明显的滤又称为递推平均滤波，对周期性等幅振荡的干扰有较明显的滤波效果。波效果。2.2.程序判断滤波程序判断滤波t当当 时，则时，则XiXi为输入计算机的采样值。为输入计算机的采样值。t当当 时，应将时，应将Xi-1Xi-1采样值作为第采样值作为第i i次采样值输入计算机。次采样值输入计算机。tB B值的选择主要决定于对象的被测参数的变化速度值的选择主要决定于对象的被测参数的变化速度3.3.中位值法滤波中位值法滤波t连续采样三次以上的被测值，从中选择大小居中的那个值作连续采样三次以上的被测值，从中选择大小居中的那个值作为有效的测量信号。为有效的测量信号。t适用场合：对变化速度不太快的参数，去掉其干扰脉冲。适用场合：对变化速度不太快的参数，去掉其干扰脉冲。4.4.一阶惯性滤波一阶惯性滤波实质上是通过计算机的算式来实现动态的实质上是通过计算机的算式来实现动态的RCRC低通滤波。低通滤波。14武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表智能仪表智能仪表t自动化仪表及装置向着智能化、数字化、模块化、高自动化仪表及装置向着智能化、数字化、模块化、高精度化和小型化的方向发展，智能化是最重要的特点。精度化和小型化的方向发展，智能化是最重要的特点。t与常规仪表相比，智能仪表：与常规仪表相比，智能仪表：t测量精度高测量精度高t自动校准自动校准t自动修正误差自动修正误差t自诊断的能力自诊断的能力t允许灵活地改变功能，实现高级控制。允许灵活地改变功能，实现高级控制。15武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表例题例题1 1t下图是乙烯裂解气温度控制系统。采用液态丙下图是乙烯裂解气温度控制系统。采用液态丙 烯，烯，使其汽化吸收热量以冷却乙烯裂解气。调节气态丙烯使其汽化吸收热量以冷却乙烯裂解气。调节气态丙烯流量使温度控制在（流量使温度控制在（151.5）。16武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表t指出系统中被控对象、被控变量和操纵变量各是什么？指出系统中被控对象、被控变量和操纵变量各是什么？t试画出该控制系统的组成方块图。试画出该控制系统的组成方块图。t试比较示意图和方块图，说明操纵变量的信号流向与物料的实际试比较示意图和方块图，说明操纵变量的信号流向与物料的实际流动方向有什么不同。流动方向有什么不同。17武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表t被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气的出被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气的出口温度；操纵变量为气态丙烯的流量。口温度；操纵变量为气态丙烯的流量。t在示意图中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。在示意图中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。而在方块图中，气态丙烯作为操纵变量，其信号的流向而在方块图中，气态丙烯作为操纵变量，其信号的流向是指向丙烯冷却器的。是指向丙烯冷却器的。18武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表例题例题2 2 某换热器的温度控制系统方块图如下图。系统的被控变量为出某换热器的温度控制系统方块图如下图。系统的被控变量为出口物料温度，要求保持在（口物料温度，要求保持在（20020），操纵变量为加热蒸汽的流，操纵变量为加热蒸汽的流量。量。t说明图中说明图中R、E、Q、C、F所代表的专业术语内容。所代表的专业术语内容。t说明说明Z、I、P的信号范围。的信号范围。t气动执行器的输入、输出各是什么物理量？气动执行器的输入、输出各是什么物理量？19武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表tR R为给定值，为给定值，E E为偏差（为偏差（E=R-ZE=R-Z），），Q Q为操纵变量，为操纵变量，C C为被控变量，为被控变量，F F为干扰变量。为干扰变量。tZ Z的信号范围为的信号范围为4 420mA DC20mA DC，I I的信号范围亦为的信号范围亦为4 420mA DC20mA DC，P P的信号范围为的信号范围为2020100kPa100kPa。t气动执行器的输入信号为气动执行器的输入信号为2020100kPa100kPa的气压信号，的气压信号，输出信号为加热蒸汽的流量。输出信号为加热蒸汽的流量。20武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表 第二节第二节 温度检测与变送温度检测与变送t温度：表征物体冷热程度的一个物理量。温度：表征物体冷热程度的一个物理量。t温标：将温度数值化的一套规则和方法，温标有起点、单位和方向。温标：将温度数值化的一套规则和方法，温标有起点、单位和方向。t温标有华氏、摄氏及开氏温标（热力学温标）。温标有华氏、摄氏及开氏温标（热力学温标）。摄氏摄氏(Celsius)(Celsius)：,水的冰点水的冰点0 0度度,沸点沸点100100度度,间隔间隔100100等分等分,每等分为每等分为1 1度。度。华氏华氏(Fahrenheit)(Fahrenheit)：F,F,水、冰、盐的混合物为水、冰、盐的混合物为0 0度度,人类体温为人类体温为100100度度,水的水的冰点为冰点为1212度度,水的沸点为水的沸点为212212度度,其间隔其间隔180180等分等分,每等分为每等分为1 1度。度。开氏开氏(Kelwen(Kelwen)：K,K,摄氏摄氏-273.15-273.15度为绝对度为绝对0 0度度,水沸点水沸点373.15373.15度度,间隔间隔 100100等分等分,每等分为每等分为1 1度。度。t华氏与摄氏温标换算公式华氏与摄氏温标换算公式一一.温度传感器温度传感器1、关于温度、关于温度21武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表2.非电参数温度传感器非电参数温度传感器(1)液体感温膨胀原理液体感温膨胀原理 如水银和酒精温度计，一般可就地刻度显示，也可做成如水银和酒精温度计，一般可就地刻度显示，也可做成简单位式温度传感输出。简单位式温度传感输出。(2)固体感温膨胀原理固体感温膨胀原理 如双金属片测温仪，一般也是就地刻度显示或者做成简如双金属片测温仪，一般也是就地刻度显示或者做成简单位式温度传感输出。单位式温度传感输出。(3)压力式温度传感器压力式温度传感器 一般是指气、液态物质受热后，体积膨胀引起压力升高一般是指气、液态物质受热后，体积膨胀引起压力升高再转换成机械位移输出或显示。再转换成机械位移输出或显示。其原理是基于机械膨胀。其原理是基于机械膨胀。22武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表压力敏感元件压力敏感元件 弹簧管、膜盒、膜片、波纹管，可应用于位式输出，弹簧管、膜盒、膜片、波纹管，可应用于位式输出，典型应用是在电冰箱的温度控制。典型应用是在电冰箱的温度控制。特点特点 精度较低精度较低 响应慢响应慢 简单可靠价廉简单可靠价廉 是本质安全型仪表，在生产部门大量生产和使用是本质安全型仪表，在生产部门大量生产和使用23武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表103245弹簧管弹簧管温包温包连杆及扇齿游丝连杆及扇齿游丝刻度盘刻度盘感温材料感温材料弹簧管温度传感器图弹簧管温度传感器图24武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表 这一变送器是根据这一变送器是根据力反馈平衡原理力反馈平衡原理工作的，这也是过程控工作的，这也是过程控制自动化仪表的基本工作原理，特点是气动和本安防爆。但此制自动化仪表的基本工作原理，特点是气动和本安防爆。但此装置的各部件的机械加工要求比较困难。装置的各部件的机械加工要求比较困难。量程调整量程调整零点迁移零点迁移支点膜片支点膜片测量波纹管测量波纹管反馈波纹管反馈波纹管气动功率放大器气动功率放大器气源气源气动输出信号气动输出信号20-100Kpa温包温包喷嘴喷嘴挡板挡板杠杆杠杆 毛细管毛细管气动压力式温度变送器气动压力式温度变送器25武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表3.电参数温度传感器电参数温度传感器热电动势与温度在小范围内基本上呈单值、线性关系；热电动势与温度在小范围内基本上呈单值、线性关系；稳定性和复现性较好；稳定性和复现性较好；响应时间较快；响应时间较快；测温范围宽，高温热电偶测温上限可达测温范围宽，高温热电偶测温上限可达2800；测温精度高，使用范围广。测温精度高，使用范围广。（1）热电偶）热电偶特点特点26武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表EAB(t,t0)=eAB(t)+eBA(t0)0 tt0在在t0为常数时为常数时(及冷端温度及冷端温度稳定不变稳定不变),温度温度t与热电势与热电势是一个单值对应关系是一个单值对应关系热电势热电势热电偶传感器电路工作特性热电偶传感器电路工作特性在实际工作中在实际工作中,存在影响被测温度正确传感的物理特性存在影响被测温度正确传感的物理特性,要采取必要的技术措施要采取必要的技术措施,即冷端补偿和延长导线，设在即冷端补偿和延长导线，设在冷端引进一个参考温度冷端引进一个参考温度 t0(比如比如 0),则有下述表示则有下述表示:EAB(t,t0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,t0)即即EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)EAB(t,0)为标准热电势为标准热电势,由此求得由此求得 t才是真实的被测温度才是真实的被测温度mVt热端热端ABt0t0C冷端冷端热电偶是将两种材质不同的导体或半导体在其端点实现物理接热电偶是将两种材质不同的导体或半导体在其端点实现物理接触构成回路触构成回路,当回路两端点温度不同时当回路两端点温度不同时,回路中就会出现热电势回路中就会出现热电势27武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表热电偶冷端补偿热电偶冷端补偿t只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数：的单值函数：tE E（T T，0 0）=E=E（T T，TnTn）+E+E（TnTn，0 0）t热电偶的冷端温度补偿：只有将冷端温度保持为热电偶的冷端温度补偿：只有将冷端温度保持为00，或，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。热电偶冷端补偿方法热电偶冷端补偿方法冷端温度保持为冷端温度保持为00；冷端温度修正法，包括温度修正法冷端温度修正法，包括温度修正法T=TT=T+kT+kT和热电势修正法和热电势修正法（查表法）；（查表法）；冷端温度自动补偿法，包括补偿电桥法和冷端温度自动补偿法，包括补偿电桥法和pnpn结补偿法；结补偿法；补偿导线法。补偿导线法。28武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表冷端处理：以冷端温度冷端处理：以冷端温度 t0固定不变为目标的措施固定不变为目标的措施冷端补偿：以输出为标准热电势冷端补偿：以输出为标准热电势EAB（t，t0）或）或 EAB（t，0）的技术）的技术mVt+-ABA补偿导线补偿导线Bt0冰水液冰水液铜导线铜导线.A补偿导线补偿导线BA +B-tRCURPRE铜导线铜导线abt0rru测测量量较较低低温温度度的的热热电电偶偶,材材质质低低廉廉,可可用用与与热热电电偶偶同同材材质质导导线线来来延延长长,测测量量较较高高温温度度的的热热电电偶偶,材材质质昂昂贵贵,则则要要根根据据热热电电偶偶材材料料A和和B的的热热电电特特性性选选配配特特制制的的廉廉价价合合金金导导线线来来实实现现冷冷端端的的延延长长,称称为为补补偿偿导导线线关于冷端延长和冷端补偿关于冷端延长和冷端补偿29武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表.A补偿导线补偿导线BA +B-tRCURPRE铜导线铜导线abt0rru设设R远大于任何其它电阻远大于任何其它电阻,E和和R形成恒形成恒流电桥流电桥,I=E/R,若若rRCU、RP,电压电压uab为为Uab=1/2*I(RCU-RP)而而RCU=R0(1+(t0-t0)=R0(1+t0)t0=0()(0t0150)RCU(t0)=R0t0=0为铜电阻的温度为铜电阻的温度系数系数,铜电阻适合于铜电阻适合于环境温度的传感环境温度的传感Uab=1/2*IR0(1+t0)-RP 令令RP0=R0 RP=RP-RP0=RP-R0则则uab=1/2*IR0（1+t0）-（R0+RP）=1/2*I（R0 t0-RP）=1/2*IR0 t0 （RP=R0,或或RP=0）=uab（t0，R0）=uab,c 即为铜电阻即为铜电阻 对对t0的传感的传感 30武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表E.A补偿导线补偿导线BA +B-tRCURPR铜导线铜导线abt0rruu=EAB(t,t0)+uab（t0，R0）=EAB(t,t0)+1/2*IR0 t0 为了实现冷端补偿为了实现冷端补偿,应该满足下式应该满足下式:1/2*IR0 t0=EAB(t0.m,0).t0这样一来这样一来,R0=2EAB(t0.m,0)I按此配置铜热电阻按此配置铜热电阻,就能实现就能实现:u=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)=EAB(t,0)亦即亦即 u 为标准热电势为标准热电势一般制造商随产品附送热电一般制造商随产品附送热电偶的标准温度偶的标准温度热电势数据热电势数据亦即亦即EAB(t,0)，而在环境，而在环境t0下为下为EAB(t0,0),可表示成可表示成:EAB(t0,0)=E0m t0 且且E0m=EAB(t0,0)=EAB(t0.m,0)t0=maxt0于是于是EAB(t0,0)=EAB(t0.m,0).t031武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表Uab=1/2(IR0t0)-1/2(I RP)uq=1/2(IRP)在冷端补偿实现后在冷端补偿实现后,有下式有下式:Uab=uab,c-uq=EAB(t0,0)-uquq称为零点电压称为零点电压,也为毫伏级调整也为毫伏级调整RP的大小，可实现零点迁移的大小，可实现零点迁移整个输出信号整个输出信号u=EAB(t,0)-uq当当RP0(即即RPR0)时时,uq0称为正迁移称为正迁移,用用uq+表示表示当当RP0(即即RPR0)时时,uq0称为负迁移称为负迁移,用用uq-表示表示当当RP=0,uq=0,则为无迁移则为无迁移红线条为热电偶标准特性曲线红线条为热电偶标准特性曲线零点迁移在其他单元仪表中也零点迁移在其他单元仪表中也有相应技术措施产生类似特性有相应技术措施产生类似特性u(mV)t()EAB(t,0)Uq-Uq+QQ-Q+tq讲电路实现方法讲电路实现方法,电桥电路利用电桥电路利用R0的设计和的设计和RP配合配合(RP=RP0=R0)实现冷端实现冷端补偿补偿,还可调整还可调整RP使使RP-RP0=RP0来实现零点设置或迁移来实现零点设置或迁移,前已得前已得:零点迁移零点迁移32武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表由图可见，热电由图可见，热电偶有上翘的非线偶有上翘的非线性特性，且测温性特性，且测温范围也各不相同范围也各不相同5040302010EAB（mv）t(102)24681012 1416180-5-2铂铑铂铑30-铂铑铂铑6铂铑铂铑10-铂铂 镍铬镍铬-镍硅镍硅(镍铝镍铝)铜铜-康铜康铜生产厂以分度表形式给出，严格保生产厂以分度表形式给出，严格保证冷端温度为摄氏零度的证冷端温度为摄氏零度的EAB(t,0),由由分度表绘制的分度表绘制的EAB(t,0)-t曲线如下图：曲线如下图：常用热电偶的标准热电势常用热电偶的标准热电势-温度曲线温度曲线33武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表工业常用热电偶工业常用热电偶 标准型热电偶：按国家规定定型生产、有标准化分度表的热电偶。标准型热电偶：按国家规定定型生产、有标准化分度表的热电偶。铂铑铂铑30-30-铂铑铂铑6 6热电偶（也称双铂铑热电偶，分度号热电偶（也称双铂铑热电偶，分度号B B）；）；铂铑铂铑10-10-铂电偶（分度号铂电偶（分度号S S）；）；镍铬镍铬-镍硅（镍铬镍硅（镍铬-镍铝，分度号镍铝，分度号K K）热电偶；）热电偶；镍铬镍铬-康铜（镍铬康铜（镍铬-铜镍，分度号铜镍，分度号E E）热电偶。）热电偶。铠装热电偶铠装热电偶将热电极、绝缘材料和金属保护套管加将热电极、绝缘材料和金属保护套管加工成一个坚实的整体，经复合拉伸后形工成一个坚实的整体，经复合拉伸后形成的热电偶；成的热电偶；细：一般直径为细：一般直径为1 18mm8mm；长：长度一般为长：长度一般为1 120m20m；具有体积小、精度高、动态响应快、可具有体积小、精度高、动态响应快、可靠性高、可挠性好、通常不用补偿导线靠性高、可挠性好、通常不用补偿导线等特点，特别适合于温度控制系统。等特点，特别适合于温度控制系统。34武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表（2）热电阻）热电阻t在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；t而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高；量精确度更高；t热电阻特点：性能稳定、测量精度高，一般可在热电阻特点：性能稳定、测量精度高，一般可在-270-270900900范围内使用（推荐在范围内使用（推荐在150150以下时选用）。以下时选用）。特点特点35武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表热电阻的材料要求热电阻的材料要求t一般要求工业热电阻的材料应具有：一般要求工业热电阻的材料应具有：t电阻温度系数大；电阻温度系数大；t电阻率大；电阻率大；t热容量小；热容量小；t在测温范围内具有稳定的物理和化学性能；在测温范围内具有稳定的物理和化学性能；t良好的复制性；良好的复制性；t电阻随温度的变化呈线性关系等电阻随温度的变化呈线性关系等 。常用热电阻材料常用热电阻材料t目前世界上用作热电阻的材料主要有铂、铜及镍；目前世界上用作热电阻的材料主要有铂、铜及镍；t我国镍储量较少，故只采用铂、铜两种金属热电阻。我国镍储量较少，故只采用铂、铜两种金属热电阻。36武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表热电阻温热电阻温度传感器度传感器导体型导体型(金属或合金金属或合金)电阻温度传感器电阻温度传感器半导体型电阻温度传感器半导体型电阻温度传感器特点特点:灵敏度高灵敏度高,测温范围比热电偶小测温范围比热电偶小,有分度表有分度表,表中表中W W100100=R=R100100/R/R0 0 是重要参数是重要参数材质材质 分度号分度号0时的电阻值时的电阻值R0()名义值名义值 允许误差允许误差 测温范围测温范围 电阻比电阻比W100 名义值名义值 允许误差允许误差铜铜Cu50 50 0.05Cu100 100 0.1-50-150 1.428 0.002铂铂Pt10Pt100 10 A级级:0.006 10 B级级:0.012 100 A级级:0.06 100 B级级:0.121.385 0.001镍镍Ni100 100 0.1Ni300 300 0.3Ni500 500 0.5-60-0 1.6170-1800.003工作原理及特性参数工作原理及特性参数-200-85037武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表01234-2000200400600800t()Rt/R0PtCuNi铜质热电阻计算公式铜质热电阻计算公式Rcu(t)=R0(1+At+Bt2+Ct3)R0:0时的铜电阻值时的铜电阻值()A=4.2889910-3/B=-2.13310-7/C=1.23310-9/近似为近似为:Rcu(t)R0(1+t)A=4.2910-3/铂热电阻计算公式铂热电阻计算公式当在当在-200-0范围内范围内:RPt(t)=R01+At+Bt2+Ct3(t-100)当在当在 0-850范围内范围内:RPt(t)=R0(1+At+Bt2)R0也是也是0时的电阻值时的电阻值A=3.9080210-3/B=-5.80210-7/2C=-4.273510-12/3镍质热电阻尚无镍质热电阻尚无分度表和计算公式分度表和计算公式绘制温度绘制温度-电阻电阻特性曲线如右图特性曲线如右图:38武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表电位差计电位差计rWrWrWrWR(t)电电流流源源Gu热热电电阻阻四线接法四线接法rWrWrWR(t)热热电电阻阻三线接法三线接法=E连线电阻连线电阻rw电源电源显示显示仪表仪表R(t)二线接法二线接法热热电电阻阻I连线结构连线结构rWrWrW热热电电阻阻rrRERPu三线法接入电桥三线法接入电桥R(t)39武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表I=ER(t)+rw=ER(t).R(t)R(t)+rw=I.R(t)R(t)+rwI I为回路电流的方法真为回路电流的方法真值值,则电流的相对误差则电流的相对误差:此即为由此即为由rw引起误差的定量表示引起误差的定量表示u是热电阻的实际传感工作信号是热电阻的实际传感工作信号,而而(u)为电流源波动引起的误差为电流源波动引起的误差,u为热电阻的传感理想输出信号为热电阻的传感理想输出信号,可以看出可以看出,保持保持I的稳定是重要条件的稳定是重要条件 四线接法四线接法中中,设电位差计的输入阻抗足够高设电位差计的输入阻抗足够高,则则:u=I R(t)设电流源是理想的设电流源是理想的,即是衡流源即是衡流源 I,则则:u=I R(t)u0=IR0u=u-u0=IR(t)-R0=IR(t)若考虑电流源也存在误差若考虑电流源也存在误差,即即I=IIuu0=R(t)R0则则亦即亦即:u=R0I+R(t)=(u)+u(I)=(I-I)/I=1/1+R(t)/rw两线接法两线接法中中,r,rW W 给测量结果造成影响给测量结果造成影响:在在三线制接法三线制接法中中,两条引线接入相邻两桥臂两条引线接入相邻两桥臂,影响抵消影响抵消,R RP P 和和 r r 的作用与前述相同的作用与前述相同,三线制是自动化仪表常用接法。三线制是自动化仪表常用接法。40武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表半导体热敏电阻半导体热敏电阻的的特性特性主要参数有主要参数有:标称阻值标称阻值RH(25,)温度系数温度系数(20,-1)散热系数散热系数H(W.-1)时间常数时间常数04080120160 180t()101102103104105106107108NTCPTCCTR半导体热敏电阻半导体热敏电阻集成温度传感器集成温度传感器负温度系数负温度系数(NTC)正温度系数正温度系数(PTC)临界型临界型(CTR)半导体温半导体温度传感器度传感器 3.其他温度传感器其他温度传感器 半导体温度传感器半导体温度传感器,它目前在自动化仪表中不是测温主流它目前在自动化仪表中不是测温主流器件器件,而是作电路的温度补偿或小范围温度测量。而是作电路的温度补偿或小范围温度测量。41武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表集成温度传感器集成温度传感器t利用利用pnpn结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种固态传感器。结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种固态传感器。t特点：特点：t体积小；体积小；t热惯性小、反应快；热惯性小、反应快；t测温精度高；测温精度高；t稳定性好；稳定性好；t价格低等。价格低等。t分电压型和电流型两种，电压型温度系数约分电压型和电流型两种，电压型温度系数约10mV/10mV/0 0C C；电流型温；电流型温度系数约度系数约1A/1A/0 0C C。AD590t两端元件；两端元件；t供电电压：直流（供电电压：直流（+4+30V+4+30V），），1.5mW(+5V)1.5mW(+5V)；t高阻抗（高阻抗（710M710M）输出；）输出；t0 00 0C C时输出时输出273.2A273.2A；t温度系数温度系数1A/0C1A/0C；t测温范围测温范围-55+1500-55+15000 0C C；t使用范围广泛。使用范围广泛。42武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表 温度变送器是自动化仪表的重要单元仪表温度变送器是自动化仪表的重要单元仪表,属于属于电动温度变送器。它可与热电偶或热电阻传感器配接电动温度变送器。它可与热电偶或热电阻传感器配接,输出信号是标准毫安级电流输出信号是标准毫安级电流,电动温度变送器输出有电动温度变送器输出有0-10mA(0-10mA(国产国产DDZ-DDZ-)和和4-20mA(4-20mA(DDZ-DDZ-)两种标准形两种标准形式。式。二二.温度变送器温度变送器43武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表输出为输出为 4-20mA DC(DDZ-)4-20mA DC(DDZ-)温度变送器介绍温度变送器介绍a.a.电路采用集成运算放大器电路采用集成运算放大器,可靠性高可靠性高,稳定稳定性好性好,体积小体积小b.b.采用单元体系的设计方法采用单元体系的设计方法,提供了通用和提供了通用和专用的灵活性专用的灵活性,放大器为通用放大器为通用;而热电偶而热电偶,热电热电阻和直流毫伏型为专用接入量程单元。阻和直流毫伏型为专用接入量程单元。c.c.在热电偶和热电阻的接入模块中在热电偶和热电阻的接入模块中,采用了采用了线性化电路线性化电路,变送器变送器 输出信号与被测温度呈输出信号与被测温度呈线性关系线性关系,方便了应用和与系统的配接。方便了应用和与系统的配接。d.d.仪表采用了统一的直流仪表采用了统一的直流 24V DC24V DC集中供电集中供电,变送器内无电源。变送器内无电源。e.e.采取了安全火花采取了安全火花(火花能量抑制火花能量抑制)防爆措施防爆措施,可以在具有爆炸危险场合进行温度或直流毫可以在具有爆炸危险场合进行温度或直流毫伏信号的检测。伏信号的检测。（1）变变送送器器构构成成（2）量量程程单单元元（3）放放大大单单元元a.直流毫伏量程单元直流毫伏量程单元b.热电偶电势量程单元热电偶电势量程单元c.热电阻量程单元热电阻量程单元44武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表1、变送器构成原理、变送器构成原理量程单元量程单元:在输入回路中在输入回路中有针对热电偶、热电阻和毫伏输入形式专用电路有针对热电偶、热电阻和毫伏输入形式专用电路,能能实现热电偶的冷端补偿、热电阻三线接入及零点迁移、量程调整实现热电偶的冷端补偿、热电阻三线接入及零点迁移、量程调整在在反馈回路中反馈回路中有热电偶和热电阻非线性校正的线性化电路。有热电偶和热电阻非线性校正的线性化电路。放大单元放大单元:主要功能是信号放大主要功能是信号放大,采用高性能集成运算放大器采用高性能集成运算放大器,隔离输出是为了隔离输出是为了防爆性能的实现。另外防爆性能的实现。另外,放大单元接受放大单元接受24V DC外部供电外部供电,经直经直-交交-直直变换、滤波变换、滤波,向输入回路、集成运放和功率放大电路提供直流电源。向输入回路、集成运放和功率放大电路提供直流电源。输入回路输入回路反馈回路反馈回路整流滤波整流滤波集成运放集成运放DC/AC/DC功率放大功率放大隔离输出隔离输出量程单元量程单元放大单元放大单元Vi+-VfVzIu24V45武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表C1C2R1R2R3R4R5R6R7RP1VD1VD2RP1uzRf 2Rf 1RPfRP”fRPf+-uiuzufuf量程单元量程单元放大单元放大单元+-uFuT输入电路输入电路零点迁移电路零点迁移电路反馈电路反馈电路A2u ui i由任何传感器或敏感元件提供由任何传感器或敏感元件提供,电阻电阻R R1 1、R R2 2和和VDVD1 1、VDVD2 2起限流作用起限流作用,R,R1 1、R R2 2和和C C1 1也起滤波作用。也起滤波作用。u uf f是由放大单元输出经隔离提供，是由放大单元输出经隔离提供，RPRPf f用于量程调整，即调反馈大小。用于量程调整，即调反馈大小。电桥部分还是为了零点迁移。电桥部分还是为了零点迁移。2、量程单元工作原理、量程单元工作原理a.a.直流毫伏量程单元直流毫伏量程单元46武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表RP1+R3R5=R6+Rf2+RPfR6+Rf2+RPf+Rf1=R6R5=且且A2是理想是理想,即满足即满足虚短和虚断虚短和虚断,uT=uFuf =ui+(-)uZ则则在放大单元电路中已经设计在放大单元电路中已经设计为为 u0=5uf这样一来这样一来,u0=5ui+(-)uZ由标准信号的规定由标准信号的规定,当当ui=0V时时,u0=1V DC可配合调整可配合调整RP1和和RPf来实现来实现R5R3+(RP1R4)R5=R7R7 R6R1 R2+RPf条条件件则则有有:uT=ui+RP1+R3R5uZuF=R6+Rf2+RPfR6+Rf2+RPf+Rf1uf +R6R5uZ对反馈部分作一推导：对反馈部分作一推导：47武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表 设设KA=，则要，则要y=x,即电信号大小代表测量的温度（即电信号大小代表测量的温度（Iout=t),须须 x fa()=y fb()及及fa()=fb(),需在反馈回路中设计与热需在反馈回路中设计与热电偶非线性特性电偶非线性特性(由分度表决定由分度表决定)相等或近似功能电路实现非相等或近似功能电路实现非线性补偿。下图分四段实现线性补偿。下图分四段实现fa（）x热电偶特性热电偶特性KAfb（）+-yufEi线性化校正线性化校正b b 热电偶电势量程单元热电偶电势量程单元非线性校正原理非线性校正原理：48武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表RCuR1R2R3R4R5R6R7uZRP1Rf23RPfRf22Rf21Rf20Rf2Rf19VD1VD2C1C2VD5VD4VD3VD67891011121314151617VD7Rf6+-A2+-A1Rf3Rf4Rf5VTuf+-EiUauRf1849武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表当当uf=0时时,ua=0,在在uf时时,ua但但VD3,VD4,VD5未导通时未导通时,A1为比例放大为比例放大Ua=Rf20+Rf21Rf20+Rf21+Rf19Rf8+Rf18+Rf7Rf8uf其中其中Rf21为为Rf21与与Rf22,RPf,Rf23,RP1,R6,R5,R7的并联阻值的并联阻值非线性校正电路分析非线性校正电路分析+-u11918782ufRf20Rf21Rf22A1ua在反馈回路在反馈回路复制的特性复制的特性ufua50武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表当当uf增加使增加使ua大于基准电压和大于基准电压和VD3稳压起点稳压起点,VD3导通导通,此时相当电路为此时相当电路为:+-u119189782ufRf20Rf21Rf22A1uaufu f R f 7R f 8R f 9+u f+u fR f 8=u1-u f R f 7R f 8+u fR f 18由图得出由图得出:51武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表由此解出由此解出u1与与uf的关系的关系,再得出再得出ua与与uf的式子的式子:u a=Rf20+Rf21Rf20+Rf21+Rf191+R f 18R f 9R f 7+R f 8+R f 18R f 8u f在反馈回路在反馈回路复制的特性复制的特性ufuaUa=Rf20+Rf21Rf20+Rf21+Rf19Rf8+Rf18+Rf7Rf8uf52武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表当当uf继续增加继续增加,VD4导通导通,则使其斜率更高则使其斜率更高 当当uf继续增加继续增加,VD5导通导通,此时与前述不同此时与前述不同,因本因本 支路与负载并联支路与负载并联,Rf19上压降增加上压降增加,使斜率降低使斜率降低在反馈回路在反馈回路复制的特性复制的特性ufua53武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院Wuhan University of Technology过程控制与检测仪表过程控制与检测仪表三线接入三线接入,线性化线性化tR