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1、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，其中包括包括测量指示仪表测量指示仪表及将被测参数转换成标准信号输及将被测参数转换成标准信号输出的出的测量变送器测量变送器。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、准确地测量某种物理量。因此，对于检测仪表的性能有一测量某种物理量
2、。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。11.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。22基本
3、基本误误差差 基本基本误误差是一种差是一种简简化的相化的相对误对误差，又称引用差，又称引用误误差或相差或相对对百分百分误误差。定差。定义为义为：而：而：仪仪表量程表量程 =测测量上限量上限测测量下限量下限仪仪表的基本表的基本误误差表明了差表明了仪仪表在表在规规定的工作条件定的工作条件下下测测量量时时，允，允许许出出现现的最大的最大误误差。差。33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
4、：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。4例例1 某台某台测测温温仪仪表的表的测测温范温范围为围为 100700，校校验该验该表表时测时测得全量程内最大得全量程内最大绝对误绝对误差差为为5，试试确定确定该仪该仪表的精度等表的精度等级级。解：解：该仪该仪表的基本表的基本误误差差为为：将将该该表的表的去
5、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。由于国家规规定的精度等定的精度等级级中没有中没有0.625级仪级仪表，而表，而该仪该仪表的表的误误差超差超过过了了0.5级仪级仪表所允表所允许许的最的最大大绝对误绝对误差。差。故：故：这这台台测测温温仪仪表的精度等表的精度等级为级为1.0级级。5例例2 某台某台测压仪测压仪表的表的测压测压范范围为围为 08MPa。根据工。根据工艺艺要求，要求，测压测压示示值值的的误误差不允差不允许许超超过过0.05 MPa，问应问应如何如何选择仪选择仪表的精度等表的精度等级级才能才能满满足以上要求？足以上要求？解：解：根据工根据工艺艺要求
6、，要求，仪仪表的允表的允许许基本基本误误差差为为：去掉去掉“”和和“”号后，号后，0.625介于介于0.51.0之之间间。若若选选精度精度为为1.0级级的的仪仪表，其允表，其允许许的最大的最大绝对误绝对误差差为为0.08 MPa。超。超过过了工了工艺艺允允许许的数的数值值。故：故：应选择应选择0.5级级的表。的表。6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等级精度等级数值越小，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
7、高。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；工业现级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多为场用的测量仪表，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上。仪表的精度等级一般用符号标志在仪表面板上。如如 74、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感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位移）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：与引起此位移的被测参数变化量之比表示：灵敏限灵敏
8、限表示指针式仪表示指针式仪表表在量程起点处，能引起在量程起点处，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。1001008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，其分辨率便为千分之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。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、最小被
9、测值。如一台温度指示仪，最末一位数字表示的温度值为如一台温度指示仪，最末一位数字表示的温度值为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，则用用分辨率分辨率和和分辨力分辨力表示灵表示灵敏度和灵敏限。敏度和灵敏限。95、变差变差在外界条件不变的情况下，同一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（正行仪表对被测量进行往返测量时（正行程和反行程），产生的最大差值与测程和反行程），产生的最大差值与测量范围之比称为变差。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100%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
10、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 xmaxOx106、响、响应时间应时间当当用用仪仪表表对对被被测测量量进进行行测测量量时时，被被测测量量突突然然变变化化以以后后，仪仪表表指指示示值值总总是是要要经经过过一一段段时时间间后后才才能能准准确确地地显示出来。这段时间称为响应时间。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：从从输输入入一一个个阶阶跃跃信信号号开开始始，到到仪仪表表的的输输出出信信号号（即即指指示示值值）变变化化到到新新稳稳态态值的值的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
11、检测仪表常用的性能指标。txytp112.2 温度检测及仪表温度检测及仪表温温度度是是表表征征物物体体冷冷热热程程度度的的物物理理量量。是是工工业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一一般般利利用用物物体体的的某某些些物物理理性性质质随随温温度度变变化化的的特特性来感知、测量温度。有性来感知、测量温度。有接接触触式式测测温温通通过过测测温温元元件件与与被被测测物物体体的的接接触而感知物体的温度。触而感知物体的温度。非非接接触触式式测测温温通通过过接接受受被被测测物物体体发发出出的的热热辐射来感知温度。辐射来感知温度。12接触式测温仪
12、表有：接触式测温仪表有：1、膨胀式温度计、膨胀式温度计膨膨胀胀式式温温度度计计是是基基于于物物体体受受热热时时体体积积膨膨胀胀的的性质而制成的。有性质而制成的。有液体膨胀式温度计：液体膨胀式温度计：利利用用液液体体（水水银银、酒酒精精）受受热热时时体体积积膨膨胀胀的的特性测温。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13 有固体有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属片叠焊接在一起制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，由于两金属片的膨胀长度不同成双金属片。受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲。而产生弯曲。若
13、将双金属片制成螺旋形，若将双金属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋的自由端便当温度变化时，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。刻度盘上指示出相应温度值。14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，双金随着温度上升，双金属片逐渐弯曲，当其触点属片逐渐弯曲，当其触点接触到固定触点时，报警接触到固定触点时，报警灯和继电器回路被接通。灯和继电器回路被接通。调节螺钉用来调整固调节螺钉用来调整固定触点的位置，以调整报定触点的位置，以调整报警温度。警温度。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
14、温控器。如图是一双金属温控器。继电器继电器15原原理理:封封闭闭容容器器中中的的液液体体、气气体体或或低低沸沸点点液液体体的的饱饱和和蒸蒸汽汽，受受热热后体积膨胀，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利用用封封闭闭容容器器中中的的介介质质压压力力随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。163、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质利用金属电阻值或半导体电阻值随温度变化的性质测温。测温。5、半导体温度计、半导体温度
15、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，通过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。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：非接触式测温的具体方法有：17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。182.2.2 热电偶热电偶热热电电偶偶是是以以热热电电效效应应为为原原理理的的测测温温元元件件，能能将温度信号转换
16、成电势信号（将温度信号转换成电势信号（mV）。特特点点：结结构构简简单单、测测温温准准确确可可靠靠、信信号号便便于于远传。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将两两种种不不同同的的导导体体或或半半导导体体连连接接成成闭闭合合回回路路，若若两两个个连连接接点点温温度度不不同同，回回路路中中会会产产生生电电势势。此此电势称为热电势。电势称为热电势。191、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
17、电子的相互扩散，致使在接触处产生处产生接触电势。接触电势。其其大小取决于大小取决于两种材料的种类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K 波尔兹曼常数波尔兹曼常数 202、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
18、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 Bt021 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而成，热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加而成，称称热电势热电势。由于温差电势很小，热电势基本由接触电势。由于温差电势很小，热电势基本由接触电势构成：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。实际此计算式中，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论：中用实测标定。但从上述公式可以得出基本结论：对于确定的热电偶，热电势
19、只与热端和冷端温度有对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。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 的单的单值函数。值函数。22 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/0010203040506070809000.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.151
20、10.56010.96911.38111.79330012.20712.63213.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.
21、38330.79931.21431.62932.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.897100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.05948.462120048.
22、82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.398232.2.2.2 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，不论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温度分布其截面和长度如何，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。如何，都不能产生热电势。因此，热电偶必须由两种不同材料的均质导体或半因此，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。导体组成。但其截面和长度不限。2
23、42、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，只要中间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回路的热导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路的热电势没有影响。电势没有影响。因因为为热热电电偶偶在在使使用用时时，总总要要将将热热电电偶偶回回路路打打开开，接接入入测测量量仪仪表表，即插入第三种导体。即插入第三种导体。测量仪表测量仪表25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)=
24、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由由此此可可知知，只只要要接接入入第第三三种种导导体体的的两两个个连连接接点点温温度度相相等等，它它的的接接入入对对回回路路电电势势毫毫无无影影响响。这这一一结结论论可可以以推推广至接入多种导体。广至接入多种导体。ABCt 0t 0t 263、中间温度定律、中间温度定律 一一支支热热电电偶偶在在两两接接点点温温度度为为t、t0 时时的的热热电电势势，等等于于两两支支同同温温度度特特性性热热电电偶偶在在接接点点温温度度为为t、ta和和ta、t
25、0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)据据此此，只只要要给给出出冷冷端端为为0时时的的热热电电势势关关系系EAB(t,0)，便可求出冷端任意温度时的热电势。，便可求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 272.2.2.3 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282.2.2.4 热
26、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电偶，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，必须对热电偶材料加以选择。但考虑有良好的应用性能，必须对热电偶材料加以选择。选取原则：在测温范围内具有稳定的化学及物理选取原则：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。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）规定了热电偶材料的）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，并给出了取材标准。用分度号命名不同取材的热电偶，并给出了标准的热电偶分度表。标准的热电偶分度表。29
27、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热电偶名称偶名称分度号分度号测测温范温范围围（）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/稳稳定性好定性好,精度高精度高,可可在氧化气氛使用在氧化气氛使用铂铑铂铑l0铂铂S0+160010V/同上，同上，线线性度性度优优于于B镍铬镍铬镍镍硅硅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康铜铜E-200+90080V/灵敏灵敏,价廉价廉,可在氧化可在氧化及弱及弱还还原气氛中使用原气氛中使用铜铜康康铜铜T-200+40050V/价廉价廉,但但铜铜易氧化易氧化,常
28、常用于用于150以下温度以下温度测测量量30铂铂及及其其合合金金（B、S）属属于于贵贵重重金金属属，价价格格很很贵贵，但但其其热热电电势势非非常常稳稳定定，主主要要用用做做标标准准热热电电偶偶及及测测量量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。312.2.2.5 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热端
29、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。时冷端温度较高且变化较大。为此应将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，称为补偿导线补偿导线。补偿导线补偿导线热偶热偶32 根据中间温度定律，补偿导
30、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 nt 0E(t,t0)33 使用补偿导线只是将热电偶的冷端延长到温度使用
31、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，其，用热电偶进行测量，其冷端温度为冷端温度为t0，测得的热电势为，测得的热电势为EAB（t,t0）。根据）。根据中间温度定律，有中间温度定律，有 EAB（t,0）EAB（t,t0）EAB（t0,0）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。34例例 用
32、用K型型(镍铬镍铬镍硅镍硅)热电偶测量某加热炉的温度。热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势测得的热电势E（t，t0）36.122mV，而自由端的温而自由端的温度度t030，求被测的实际温度。求被测的实际温度。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。352、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
33、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。100100363、冰浴法、冰浴法 把把热热电电偶偶的的冷冷端端插插入入盛盛有有绝绝缘缘油油的的试试管管中中，然然后后将将试试管管放放入入装装有有冰冰水水混混合合物物的的容容器器中中，保保持持冷端为冷端为0。这种方法多数用于热电偶的检定。这种
34、方法多数用于热电偶的检定。37 补补偿偿电电桥桥法法是是利利用用不不平平衡衡电电桥桥产产生生的的电电势势，来来补补偿偿热热电电偶偶因因冷冷端端温温度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。CE(t,t0)E(t0,0)E(t,t0)E(t0,0)E(t,0)电桥电桥补偿导线补偿导线4、补偿电桥法补偿电桥法385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性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。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。
35、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。Vbe392.2.3 热电阻热电阻 对对于于500以以下下的的中中、低低温温，热热电电偶偶输输出出的的热热电电势势很很小小，容容易易受受到到干干扰扰而而测测不不准准。一一般般使使用用热热电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 金金属属热热电电阻阻测测温温精精度度高高。
36、大大多多数数金金属属电电阻阻阻阻值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于锰电阻及碳电阻等用于低温及超低温测量。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：4142 电阻温度关系：电阻温度关系：R t=R0 1+At+B
37、t2+C(t-100)t3 (-2000)R t=R0(1+At+Bt2)(0850)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。432.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
38、阻有两种温度测量。铜电阻有两种分度号：分度号：Cu50，Cu100。电阻温度关系：。电阻温度关系：R t=R0(1+t)(-50150)44普通热电阻结构普通热电阻结构热热电电阻阻的的结结构构型型式式常常见见有有普普通通型型热热电电阻阻、铠铠装装热热电电阻阻。其其结结构构是是，以以云云母母片片或或石石英英玻玻璃璃柱柱作作骨骨架架，将将金金属属丝丝用用双双线线法法绕绕在在骨骨架架上上，以以消消除除电电感感。此外，还有薄膜型热电阻。此外，还有薄膜型热电阻。453.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
39、，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，三线接法可以消除此误差。桥输出带来较大误差，三线接法可以消除此误差。RtR3rrrR1R2RtR3rrR1R246所以，电阻测温信号通过电桥转换成电压时，所以，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热电阻必须用三线制接法，以抵消接线电阻随温度变化对电桥的影响。变化对电桥的影响。测量仪表测量仪表R tRtR3rrrR1R247 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
40、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 48 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在集成温度传感器将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成，相当于一个测温集成器件。一个芯片上构成，相当于一个测温集成器件。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
41、，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。49集成温度传感器利用晶体管的集成温度传感器利用晶体管的b-e结压降的不饱结压降的不饱和值和值Vbe与热力学温度与热力学温度T和通过发射极电流和通过发射极电流I的下述关的下述关系实现对温度的检测：系实现对温度的检测：电压输出型的灵敏度一般为电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度，温度0时输出为时输出为0，温度，温度25时输出时输出2.982V。电流输出型的。电流输出型的灵敏度一般为灵敏度一般为1 A/K。式中，式中，K波尔兹
42、常数；波尔兹常数；q电子电荷绝对值电子电荷绝对值。50例例 AD590简介简介AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（、流过器件的电流（A）等于器件所处环境）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：的热力学温度（开尔文）度数，即：IT=TIT流过器件的电流过器件的电 流，单位为流，单位为 A；T热力学温度，热力学温度，单位为单位为K。2、测温范围为、测温范围为-55+150。3、电源电压范围为、电源电压范围为4V30V。4、输出电阻为、输出电阻为710M。51AD5
43、90的基本应用电路的基本应用电路如图，当电阻如图，当电阻R1和电位器和电位器R2的电阻之和为的电阻之和为1k 时，输出电压时，输出电压VO随温度的变化为随温度的变化为1mV/K。由于由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。如此应对电路进行调整。如1、在、在0条件下调整条件下调整R2，使，使 VO=273.2mV2、在、在25条件下调整条件下调整R2，使，使 VO=273.2+25 =298.2mV522.2.5 温度显示与记录温度显示与记录 热电偶、热电阻等热电偶、热电阻等传感元件传感元件传感元件传感元件的测温信号，必须的测温信号，必须经后
44、级仪表处理，经后级仪表处理，将温度显示出来或记录保存。将温度显示出来或记录保存。将温度显示出来或记录保存。将温度显示出来或记录保存。2.2.5.1 动圈式指示仪表动圈式指示仪表 可可直直接接与与热热电电偶偶、热热电电阻阻配配套套显显示示温度，是最简单的模拟指示仪表。温度，是最简单的模拟指示仪表。10010053 动圈式仪表实质上是测量电流的仪表，其指示动圈式仪表实质上是测量电流的仪表，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
45、装在动圈上的指针移动，从而指示出被测参数。出被测参数。54动圈测量机构原理动圈测量机构原理当当测测量量信信号号通通过过张张丝丝加加在在动动圈圈上上，有有电电流流流流过过动圈时，动圈受磁场力作用而偏转。动圈时，动圈受磁场力作用而偏转。动动圈圈转转动动使使张张丝丝扭扭转转，于于是是张张丝丝产产生生反反抗抗动动圈圈转转动动的的力力矩矩，当当两两力力矩矩平平衡衡时时，动动圈圈就就停停留留在在某某一位置上，指针指示出被测参数值。一位置上，指针指示出被测参数值。55由由于于热热敏敏电电阻阻温温度度系系数数太太大大，用用一一个个锰锰铜铜电电阻阻RM（50）和和热热敏敏电电阻阻R T（6820）并并联联。RW
46、按按量量程程大大小小调调整。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。但有动圈电阻温度补偿和量程匹配问题要解决。但有动圈电阻温度补偿和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RDRMRwRTRx热电偶热电偶562）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：R外外=R热热+R线线+RX+RW =15R内内=表内电阻和表内电阻和RDRMRWRTRX热电偶热电偶572 2、配热
47、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 I1（RT+R0）I2 =R3 I1（RT0+RT+R0）I21）电桥工作原理）电桥工作原理RW RMRDR0R2R1RtR3abRTI2I1r r r 设设T0 时，电桥平衡。时，电桥平衡。58可可见见三三线线制制接接法法可可以以消消除除接接线线电电阻阻的的影影响响。一一般般规规定定每每根根连连接接导导线线的的电阻值为电阻值为5。RwRmRd
48、R0R2R1RtR3abRTI2I1r 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)I1（RT0+RT+R0+r）I2592.2.5.2 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：检检测测变变送送 寄寄存存器器 模模/数转换数转换 脉冲计数脉冲计数脉冲信号脉冲信号 数数字字译译码码器器 显显示示器器60 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
49、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612.2.5.3 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。621.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。可配接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。热电阻组成测温记录仪。63 平衡电桥测温原理平衡电桥测温原理 当当被被测测温温度度为为下下限限时时，R Rt t有有最最小小值值R Rt0t0，滑滑
50、动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，电桥的不平衡电压驱动电机，被测温度升高后，电桥的不平衡电压驱动电机，带动触点向右移动，直至新的平衡点。平衡时带动触点向右移动，直至新的平衡点。平衡时:两式相减得：两式相减得：R3（Rt0+Rt+Rp-r1）R2（R4+r1）64 Rp是是滑滑线线电电阻阻，r1与与B点点成成线线性性关关系系，电电机机带带动动触触点点B向向新新的的平平衡衡位位置置移移动动。到到达达平平衡衡点点时时，电电桥桥输输出出为为零零，电电机机停停止止。B的的位位置置就就可可以以反反映映Rt，即