溫度檢測(cè)及其報(bào)警裝置

1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書引 言人類已經(jīng)進(jìn)入21世紀(jì)，社會(huì)文明不斷進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，人類面臨有限資源的綜合利用問題，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大問題和相關(guān)工藝的復(fù)雜性問題，這種狀況使得自動(dòng)化技術(shù)和先進(jìn)控制方法在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展為自動(dòng)化的應(yīng)用開辟了無(wú)限廣闊的前景，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用正迅速滲透到各行各業(yè)，檢測(cè)裝置是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和經(jīng)營(yíng)管理現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，特別受到人們的重視。如今的經(jīng)典控制理論在解決簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面是強(qiáng)有力的工具，并一直發(fā)揮著很大的作用。目前，由于此方面的控制理論、控制模式和研究已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)成熟的程度，它在許多工業(yè)和生產(chǎn)部門起著非常大的作用，并形成了標(biāo)準(zhǔn)

2、化和系列化的產(chǎn)品。特別是溫度檢測(cè)、壓力檢測(cè)、流量檢測(cè)等系統(tǒng)的應(yīng)用在許多領(lǐng)域中占有很重要的地位。溫度是表征生產(chǎn)過(guò)程中工質(zhì)狀態(tài)的一個(gè)基本物理量，它在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域是一個(gè)很重要的物理參數(shù)，自然界中任何物理、化學(xué)過(guò)程都緊密地與溫度相聯(lián)系。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，在很多生產(chǎn)過(guò)程中，溫度測(cè)量和控制都直接和安全生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源等重大經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)相聯(lián)系，因此在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中受到了相當(dāng)?shù)闹匾暋１疚牡谝徽聻闇囟葯z測(cè)及其報(bào)警裝置概述，簡(jiǎn)單介紹了溫度檢測(cè)裝置的構(gòu)成原理和它的量程調(diào)整、零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移；第二章是溫度檢測(cè)裝置元件的介紹，主要講述了熱電偶和熱電阻的特點(diǎn)

3、、種類、結(jié)構(gòu)、優(yōu)點(diǎn)、測(cè)溫基本原理以及基本定律和測(cè)溫誤差；第三章為以熱電偶溫度變送器為核心的溫度檢測(cè)裝置，主要介紹了溫度檢測(cè)裝置放大單元的工作原理，量程單元的工作原理和熱電偶的測(cè)溫原理，以及熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電路的分析和線性化原理及其電路分析。第四章是對(duì)報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。由于本人缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)中有不妥之處，希望老師見諒并指正。第一章 溫度檢測(cè)及其報(bào)警裝置概述一般，自動(dòng)控制系統(tǒng)都是負(fù)反饋控制系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中，至少包括四個(gè)基本組成部分，即被控制對(duì)象、檢測(cè)裝置（主要指變送器）、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中檢測(cè)裝置是自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分。任何一個(gè)針對(duì)物理過(guò)程的負(fù)反饋控制系統(tǒng)，檢測(cè)裝置都

4、是不可或缺的。而報(bào)警裝置則是保證工業(yè)生產(chǎn)安全進(jìn)行的前提。本設(shè)計(jì)主要完成一個(gè)溫度檢測(cè)及其報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)總體上按照先檢測(cè)后報(bào)警的思路分成兩部分完成。第一部分是溫度檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，與各種熱電阻或熱電偶配合使用。將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，作為報(bào)警裝置的輸入信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變量的檢測(cè)；第二部分是報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)，當(dāng)檢測(cè)到的溫度信號(hào)超出給定范圍時(shí)，報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)。1.1 溫度檢測(cè)裝置簡(jiǎn)介溫度檢測(cè)裝置在線路結(jié)構(gòu)上分為量程單元和放大單元兩個(gè)部分，它們分別設(shè)置在兩塊印制電路板上，用接插件互相連接。其中放大單元是通用的，而量程單元?jiǎng)t隨品種、測(cè)量范圍的不同而異。它是基于負(fù)反饋原理工作的，其構(gòu)成原理

5、如圖1-1所示，它包括測(cè)量部分（即輸入轉(zhuǎn)換部分）、放大器和反饋部分。圖1-1 檢測(cè)裝置構(gòu)成原理圖測(cè)量部分用以檢測(cè)被測(cè)變量小，并將其轉(zhuǎn)換成能被放大器接受的輸入信號(hào)（電壓、電流、位移、作用力或力矩等信號(hào)）。反饋部分則把檢測(cè)裝置的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成反饋信號(hào)進(jìn)行比較，其差值送入放大器進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。由圖1-1可以求得檢測(cè)裝置輸出與輸入之間的關(guān)系為 （1-1）式中滿足深度負(fù)反饋的條件，即時(shí)，式（1-1）變?yōu)?（1-2）式（1-1）表明，在的條件下，檢測(cè)裝置輸出與輸入之間的關(guān)系取決于測(cè)量部分和反饋部分的特性，而與放大器的特性幾乎無(wú)關(guān)。如果轉(zhuǎn)換系數(shù)和反饋系數(shù)是常數(shù)，則檢測(cè)裝置的輸出與輸入將保持良

6、好的線性關(guān)系。檢測(cè)裝置的輸入輸出特性示于圖1-2中，、分別為被測(cè)變量的上限值和下限值，也即檢測(cè)裝置測(cè)量范圍的上下限值（圖中）；和分別為輸出信號(hào)的上限值和下限值。它們與統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的上、下限值相對(duì)應(yīng)。y0x圖1-2 輸入輸出特性1.2 量程調(diào)整、零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移檢測(cè)裝置涉及的另一個(gè)共性問題是量程調(diào)整、零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移。1.2.1 量程調(diào)整量程調(diào)整（即滿度調(diào)整）的目的是使檢測(cè)裝置輸出信號(hào)的上限值（即統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的上限值）與測(cè)量范圍的上限值相對(duì)應(yīng)。量程調(diào)整相當(dāng)于改變輸入輸出特性的斜率，也就是改變檢測(cè)裝置輸出信號(hào)與被測(cè)變量之間的比例系數(shù)。量程調(diào)整通常是通過(guò)改變反饋系數(shù)F的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。F大，量程就

7、大；F小，量程就小。1.2.2 零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移的目的，都是使檢測(cè)裝置輸出信號(hào)的下限值（即統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的下限值）與測(cè)量范圍的下限值相對(duì)應(yīng)。在時(shí)，為零點(diǎn)調(diào)整；在時(shí)，為零點(diǎn)遷移。也就是說(shuō)零點(diǎn)調(diào)整使檢測(cè)裝置的測(cè)量起始點(diǎn)為零，而零點(diǎn)遷移則是把測(cè)量起始點(diǎn)由零遷移到某一數(shù)值（正值或負(fù)值）。當(dāng)測(cè)量起始點(diǎn)由零變?yōu)槟骋徽?，稱為正遷移；反之，當(dāng)測(cè)量起始點(diǎn)由零變?yōu)槟骋回?fù)值，稱為負(fù)遷移。零點(diǎn)遷移以后，檢測(cè)裝置的輸入輸出特性平移了一段距離，其斜率并沒有改變，即測(cè)量裝置的量程不變。進(jìn)行零點(diǎn)遷移，再輔以量程調(diào)整，可以提高儀表的測(cè)量靈敏度。由式（1-2）可知，測(cè)量裝置零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移可通過(guò)改變調(diào)零信號(hào)

8、的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)為負(fù)時(shí)可實(shí)現(xiàn)正遷移；而當(dāng)為正時(shí)可實(shí)現(xiàn)負(fù)遷移。1.3 報(bào)警裝置簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)所介紹的報(bào)警電路主要是輸入回路和偏差報(bào)警單元電路兩部分。檢測(cè)裝置檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)溫度作為此單元電路的輸入信號(hào)，偏差報(bào)警單元把輸入信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，判斷是否超出正常工作的溫度范圍。如果超出，則反應(yīng)到報(bào)警鈴或報(bào)警燈上。第二章 溫度檢測(cè)裝置元件的介紹溫度檢測(cè)裝置與各種熱電偶或熱電阻配合使用，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作為指示、記錄儀或調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變量的顯示、記錄或自動(dòng)控制。2.1 熱電偶概述 熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。它能把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的電信號(hào)，便于信號(hào)的遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換

9、測(cè)量，因此，它在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中被廣泛用于測(cè)量溫度。其優(yōu)點(diǎn)是：（1）精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。（2）范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800（如鎢-錸）。（3）簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，使用非常方便。2.1.1 熱電偶簡(jiǎn)介常用的普通型熱電偶本體是一端焊接的兩根金屬絲（熱電極）?？紤]到兩根熱電極之間的電氣絕緣和防止有害介質(zhì)侵蝕熱電極，在工業(yè)上使用的熱電偶一般都有絕緣管和保護(hù)套管。如果被測(cè)介質(zhì)對(duì)熱電偶不會(huì)發(fā)生侵蝕作用，

10、也可不用保護(hù)套管，以減少接觸測(cè)溫誤差與滯后。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)它的結(jié)構(gòu)要求如下：（1）熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；（2）各個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，防止短路；

11、（3）補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；（4）保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)隔離開來(lái)。1.普通型熱電偶（1）熱電極：熱電極的直徑由材料的價(jià)格、機(jī)械強(qiáng)度、電導(dǎo)率以及熱電偶的用途和測(cè)量范圍等決定。貴金屬熱電極的直徑一般是0.30.65mm ；常用金屬熱電極的直徑一般是0.53.2mm 。熱電偶的長(zhǎng)度根據(jù)熱端在介質(zhì)中的插入深度來(lái)決定，通常為3502000mm 。熱電偶熱端通常采用焊接方式形成。為了減少熱傳導(dǎo)誤差和滯后，焊點(diǎn)宜小，焊點(diǎn)直徑應(yīng)不超過(guò)兩倍熱電極直徑。（2）絕緣材料：熱電偶的兩根熱電極要很好地絕緣，以防短路。在低溫下可用橡膠、塑料等作絕緣材料；在高溫下采用氧化鋁、陶瓷等制成圓形或橢圓

12、形的絕緣管，套在熱電極上。（3）保護(hù)套管：為了防止熱電極遭受化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷，熱電偶通常都是裝在不透氣的、帶有接線盒的保護(hù)套管內(nèi)。接線盒內(nèi)有連接熱電極的兩個(gè)接線柱，以便連接補(bǔ)償導(dǎo)線或?qū)Ь€。對(duì)保護(hù)套管材料的要求是能承受溫度的劇變、耐腐蝕、有良好的氣密性和足夠的機(jī)械強(qiáng)度，有高的熱導(dǎo)率，在高溫下不致和絕緣材料和熱電極起作用，也不產(chǎn)生對(duì)熱電極有害的氣體。目前還沒有一種材料能同時(shí)滿足上述要求，因此應(yīng)根據(jù)具體工作條件選擇保護(hù)套管的材料。（4）接線盒：接線盒中有接線端子，它將熱電極和連接導(dǎo)線連接起來(lái)。接線盒起密封和保護(hù)接線端子的作用。它有普通式、防濺式、防水式、隔爆式和插座式等。2.鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶是

13、由金屬套管、絕緣材料和熱電極經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體，套管材料有銅、不銹鋼及鎳基高溫合金等。熱電偶與套管之間填滿了絕緣材料的粉末，目前采用的絕緣材料絕大部分為氧化鎂。套管中的熱電極有單絲的、雙絲的和四絲的，彼此之間互相絕緣。目前生產(chǎn)的鎧裝熱電偶，其外徑一般為16mm ，長(zhǎng)度為120mm ，外徑最細(xì)的有0.2mm ，長(zhǎng)度最長(zhǎng)的有超過(guò)100mm的。它測(cè)量的溫度上限除和熱電偶有關(guān)外，還和套管的外徑及管壁厚度有關(guān)。外徑粗、管壁厚時(shí)測(cè)溫上限可高些。鎧裝熱電偶的熱端有露端形、接殼形、絕緣形、扁變截面形及圓變截面形等，可根據(jù)使用要求選擇所需的形式。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）熱端熱容量??；（2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；（3

14、）機(jī)械強(qiáng)度高，僥性好，耐高壓、強(qiáng)烈震動(dòng)和沖擊；（4）可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。 3.薄膜熱電偶薄膜熱電偶是由兩種金屬薄膜連接而成的一種特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。這種熱電偶的熱端既小又薄，熱容量很小，可以用于微小面積上的溫度測(cè)量；動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可測(cè)量瞬變的表面溫度。其中片狀結(jié)構(gòu)的薄膜熱電偶，是采用真空蒸鍍法將兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣基板上，上面在蒸鍍一層二氧化硅薄膜作絕緣和保護(hù)層。我國(guó)研制成的鐵-鎳薄膜熱電偶的長(zhǎng)、寬、厚的尺寸分別是60、6、0.2mm ，金屬薄膜厚度在36m 之間，測(cè)量范圍為0300，時(shí)間常數(shù)小于0.01s 。如果將熱電極材料直接蒸鍍到被測(cè)表面上，其時(shí)間常數(shù)可達(dá)微秒級(jí)，可用來(lái)測(cè)量變化極快

15、的溫度。也可將薄膜熱電偶制成針狀，針尖處為熱端，可用來(lái)測(cè)量點(diǎn)的溫度。2.1.2 熱電現(xiàn)象和熱電偶測(cè)溫基本原理由兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B組成的閉合回路，在這個(gè)閉合回路中，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)接點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因而在回路中形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。熱電勢(shì)是由溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)組成的。溫差電勢(shì)是一根導(dǎo)體上因兩端溫度不同而產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí)，高溫端的電子能量比低溫端的電子能量大，因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電荷，低溫端因得到電子而帶負(fù)電荷，從而在高、低

16、溫端之間形成一個(gè)從高溫端指向低溫端的靜電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子從高溫端跑向低溫端，同時(shí)加速電子從低溫端跑向高溫端，最后達(dá)到平衡狀態(tài)，即從高溫端跑向低溫端的電子數(shù)等于從低溫端跑向高溫端的電子數(shù)。平衡狀態(tài)時(shí)在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電位差，該電位差稱為溫差電勢(shì)。溫差電勢(shì)只與導(dǎo)體性質(zhì)和導(dǎo)體兩端溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體長(zhǎng)度、截面大小、沿導(dǎo)體長(zhǎng)度上的溫度分布無(wú)關(guān)。接觸電勢(shì)是在兩種不同的導(dǎo)體A、B接觸時(shí)產(chǎn)生的。A、B金屬有不同的電子密度，設(shè)導(dǎo)體A的電子密度大于導(dǎo)體B的電子密度，則從A擴(kuò)散到B的電子數(shù)目比從B擴(kuò)散到A的多，A因失去電子而帶正電荷，B因得到電子而帶負(fù)電荷，于是在A、B的接觸面上形成了一個(gè)A到B的靜電場(chǎng)。這

17、個(gè)電場(chǎng)將阻礙電子擴(kuò)散的繼續(xù)進(jìn)行，同時(shí)加速電子向相反方向轉(zhuǎn)移，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)A、B之間形成一個(gè)電位差，這個(gè)電位差稱為接觸電勢(shì)，其數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。一個(gè)由A、B兩種均勻?qū)w組成的熱電偶，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度分別為和時(shí)，按順時(shí)針取向，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)（，）為： （2-1）式中：表示總的熱電勢(shì)，下腳標(biāo)A、B表示產(chǎn)生熱電勢(shì)的兩種導(dǎo)體（或半導(dǎo)體），、代表兩接點(diǎn)的溫度，下腳標(biāo)的順序表示電動(dòng)勢(shì)的方向是由前者指向后者。及表示接觸電勢(shì)，溫差電勢(shì)二者合成的分電動(dòng)勢(shì)，它只與A、B的材料性質(zhì)及溫度、有關(guān)。若使熱電偶的一個(gè)接點(diǎn)溫度保持不變，則式（2-1）中的項(xiàng)也不變，設(shè)為常數(shù)，這

18、時(shí)上式可寫為： （2-2）即熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)只和溫度有關(guān)。因此，測(cè)量熱電勢(shì)的大小，就可求得溫度的數(shù)值了，這就是用熱電偶測(cè)量溫度的工作原理。組成熱電偶的兩種導(dǎo)體，稱為熱電極。通常把端稱為熱電偶的參考端、自由端或冷端，而端稱為測(cè)量端、工作端或熱端。2.1.3 熱電偶的基本定律在使用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，還需要應(yīng)用關(guān)于熱電偶的三條基本定律，他們分別如下所述。1.均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成的閉合回路，不論導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）的截面積大小以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。由此定律可以得到以下結(jié)論：（1）熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料構(gòu)成；（2）由一種材料組成的閉合回路存在溫差時(shí)，回路如

19、產(chǎn)生熱電勢(shì)，便說(shuō)明該材料是不均勻的。據(jù)此，可檢查熱電極材料的均勻性。2.中間導(dǎo)體定律由不同材料組成的閉合回路中，若各種材料的接觸點(diǎn)溫度都相同，則回路中的熱電勢(shì)總和為零。由此定律可得到如下的結(jié)論：（1）在熱電偶回路中加入第三種均質(zhì)材料，只要它的兩端溫度相同，對(duì)回路的熱電勢(shì)就沒有影響。對(duì)于任何熱電偶接點(diǎn)，只要它接觸良好，溫度相同，不論用何種方法構(gòu)成接點(diǎn)，都不影響熱電偶回路的熱電勢(shì)。（2）如果兩種導(dǎo)體A、B對(duì)另一種參考導(dǎo)體C的熱電勢(shì)為已知，則這兩種導(dǎo)體組成熱電偶的熱電勢(shì)是它們對(duì)參考導(dǎo)體熱電勢(shì)的代數(shù)和。參考導(dǎo)體也稱標(biāo)準(zhǔn)電極，因?yàn)殂K的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，易提純，復(fù)制性好，所以標(biāo)準(zhǔn)電極常用純鉑絲制

20、作。這個(gè)結(jié)論大大簡(jiǎn)化了熱電偶的選配工作。只要取得一些熱電極與標(biāo)準(zhǔn)鉑電極配對(duì)的熱電勢(shì)，其中任何兩種熱電極配對(duì)時(shí)的熱電勢(shì)就可通過(guò)計(jì)算求得。3.連接溫度（或中間溫度）定律接點(diǎn)溫度為和的熱電偶，它的熱電勢(shì)等于接點(diǎn)溫度分別為、和、的兩個(gè)同性質(zhì)的熱電偶的熱電勢(shì)的代數(shù)和。由此定律可得到以下結(jié)論：（1）已知熱電偶在某一給定冷端溫度下進(jìn)行的分度，只要引入適當(dāng)?shù)男拚?，就可在另外的冷端溫度下使用。這就為制訂熱電偶的熱電勢(shì)溫度關(guān)系分度表奠定了理論基礎(chǔ)。（2）和熱電偶具有同樣熱電性質(zhì)的補(bǔ)償導(dǎo)線可以引入熱電偶的回路中，相當(dāng)于把熱電偶延長(zhǎng)而不影響熱電偶應(yīng)有的熱電勢(shì)，這就為工業(yè)測(cè)溫中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。在測(cè)溫時(shí)，為了

21、使熱電偶的冷端溫度保持恒定，可以把熱電偶做的很長(zhǎng)，使冷端遠(yuǎn)離熱端，并連同測(cè)量?jī)x表一起放置到恒溫或溫度波動(dòng)較小的地方（如集中控制室）。但這種方法要耗費(fèi)許多貴重的熱電極材料，因此，一般是用一種所謂補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶的冷端相連接，這種補(bǔ)償導(dǎo)線是兩種不同的金屬材料，它在一定的溫度范圍內(nèi)（0100）和所連接的熱電偶具有相同的熱電性質(zhì)，可用它們來(lái)做熱電偶的延長(zhǎng)線。我國(guó)規(guī)定補(bǔ)償導(dǎo)線分為補(bǔ)償型和延伸型兩種補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線的材料與對(duì)應(yīng)的熱電偶不同，是用堿金屬制成的，但在低溫下它們的熱電性質(zhì)是相同的。延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線的材料與對(duì)應(yīng)的熱電偶相同，但其熱電性能的準(zhǔn)確度要求略低。就一般而言，補(bǔ)償導(dǎo)線電阻率較小，線徑較粗，這有利

22、于減小熱電偶回路的電阻。2.1.4 熱電偶的測(cè)溫誤差用熱電偶測(cè)溫，其誤差來(lái)源與其它儀表相似，也由兩部分組成：熱電偶溫度計(jì)的基本誤差和它的附加誤差。基本誤差是在規(guī)定使用條件下仍然存在的誤差，而附加誤差主要是由使用條件超出規(guī)定時(shí)所出現(xiàn)的誤差。附加誤差的大小與使用條件偏離標(biāo)準(zhǔn)條件的程度有關(guān)，如果使用得當(dāng)，可以大大減小這項(xiàng)誤差。1.基本誤差 作為測(cè)溫元件的熱電偶，由于采用的測(cè)溫方法不同，其誤差確定方法也不同。（1）用標(biāo)準(zhǔn)分度表分度這是一般常用的已定型生產(chǎn)的工業(yè)用普通熱電偶的分度法。這類熱電偶的誤差大小，決定于所用熱電偶的熱電特性允許與標(biāo)準(zhǔn)分度表的偏差大小，允許偏差愈小，則測(cè)量精度高。這個(gè)允許范圍不是人

23、為簡(jiǎn)單規(guī)定的，主要取決于制作熱電偶材料的工藝水平。標(biāo)準(zhǔn)分度表是根據(jù)本國(guó)有代表性生產(chǎn)熱電偶絲廠生產(chǎn)產(chǎn)品的實(shí)測(cè)結(jié)果以及考慮到多方面因素確定下來(lái)的，一旦允許偏離的程度確定了，這個(gè)誤差大小就成了采用這個(gè)熱電偶的基本誤差。（2）采用上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)單獨(dú)分度用上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工作熱電偶單獨(dú)分度的方法主要用于沒有標(biāo)準(zhǔn)分度的熱電偶。有時(shí)有標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶也可采用單獨(dú)分度，這樣可以得到較高的分度精度。因?yàn)椴扇∵@種方法可以避免制造熱電偶絲時(shí)引起特性分散誤差，即所用熱電偶特性偏離表列標(biāo)準(zhǔn)值引起的誤差。在采用單獨(dú)分度時(shí)，熱電偶的分度誤差大致可包括以下幾部分：上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)儀表的傳遞誤差；熱電偶分度時(shí)內(nèi)插計(jì)算誤差；分度方法及操作影響

24、的誤差；熱電偶本身復(fù)現(xiàn)性及不穩(wěn)定性誤差；分度時(shí)電測(cè)儀表的誤差。上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)儀表的傳遞誤差決定于所選標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)。不穩(wěn)定性是反映熱電偶熱電特性隨時(shí)間變化大小的一個(gè)指標(biāo)。在很多情況下它是熱電偶誤差主要來(lái)源之一，它的一部分應(yīng)列入熱電偶基本誤差，但也有一部分不穩(wěn)定性是由于使用條件造成的。其次，熱電偶材料不均勻在使用中也將引起誤差。由于沿電極溫場(chǎng)分布變化，將使具有不均勻性電極產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)等等?；蚴菃为?dú)分度，當(dāng)使用時(shí)沿電極溫場(chǎng)分布與分度時(shí)溫場(chǎng)分布不同也要產(chǎn)生此項(xiàng)誤差，它是熱電偶的基本誤差。2.附加誤差熱電偶的附加誤差都與使用條件以及對(duì)熱電偶的處理有關(guān)。大多數(shù)熱電偶在開始使用時(shí)本身的附加誤差并不大，而在使用一段

25、時(shí)間后，由于環(huán)境影響將相應(yīng)增加一些附加誤差。例如，由于不合理地使用，對(duì)電極的影響將明顯影響熱電偶的輸出電動(dòng)勢(shì)，在精密測(cè)量時(shí)應(yīng)特別注意。其次，氧化還原也是很多熱電偶穩(wěn)定性變壞的一個(gè)原因。 有些含銅、康銅等電極的熱電偶，溫度較高時(shí)明顯氧化，甚至不能繼續(xù)使用，氧化、還原不但使熱電特性發(fā)生變化，電極還將變脆。此外，在高溫下使用，在放射環(huán)境下使用將會(huì)有熱電極材料中某些組分揮發(fā)或使某些元素蛻變，改變了熱電極的成分比例或使保護(hù)管具有放射性，降低絕緣性，都會(huì)導(dǎo)致熱電偶附加誤差的增大。產(chǎn)生附加誤差的另一個(gè)因素是保護(hù)管絕緣不好。有些材料在較低溫度時(shí)，表現(xiàn)有良好的絕緣性，而到高溫，電阻率明顯下降，給電動(dòng)勢(shì)測(cè)量帶來(lái)誤

26、差。從上述分析可知，附加誤差的來(lái)源很多，要根據(jù)具體情況分析，采用正確措施可以大大降低附加誤差。2.1.5 熱電偶的使用誤差正確使用熱電偶不但可以準(zhǔn)確得到溫度的數(shù)值，保證產(chǎn)品合格，而且可以節(jié)省熱電偶的材料消耗，既節(jié)省資金又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)際使用中，安裝不正確，熱導(dǎo)和時(shí)間滯后等，都是引起熱電偶誤差的主要因素。1.安裝不當(dāng)引入的誤差如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實(shí)溫度等，換句話說(shuō)，熱電偶不應(yīng)裝在太靠近門和加熱的地方，插入的深度至少應(yīng)為保護(hù)管直徑的810倍；熱電偶的保護(hù)套管與壁間的間隔未填絕熱物質(zhì)致使?fàn)t內(nèi)熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護(hù)管和爐壁孔之間的空隙應(yīng)用耐火泥或石棉繩等絕熱物質(zhì)

27、堵塞以免冷熱空氣對(duì)流而影響測(cè)溫的準(zhǔn)確性；熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過(guò)100；熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避開強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)，所以不應(yīng)把熱電偶和動(dòng)力電纜線裝在同一根導(dǎo)管內(nèi)以免引入干擾造成誤差；熱電偶不能安裝在被測(cè)介質(zhì)很少流動(dòng)的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)用熱電偶測(cè)量管內(nèi)氣體溫度時(shí)，必須使熱電偶逆著流速方向安裝，而且與氣體充分接觸。2.絕緣變差而引入的誤差如熱電偶絕緣了，保護(hù)管和拉線板污垢或鹽渣過(guò)多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴(yán)重，這不僅會(huì)引起熱電勢(shì)的損耗而且還會(huì)引入干擾，由此引起的誤差有時(shí)可達(dá)上百度。3.熱惰性引入的誤差由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測(cè)溫度的變化，在進(jìn)行快速測(cè)量時(shí)這種影響尤為突

28、出。所以應(yīng)盡可能采用熱電極較細(xì)、保護(hù)管直徑較小的熱電偶。測(cè)溫環(huán)境許可時(shí)，甚至可將保護(hù)管取去。由于存在測(cè)量滯后，用熱電偶檢測(cè)出的溫度波動(dòng)的振幅較爐溫波動(dòng)的振幅小。測(cè)量滯后越大，熱電偶波動(dòng)的振幅就越小，與實(shí)際爐溫的差別也就越大。當(dāng)用時(shí)間常數(shù)大的熱電偶測(cè)溫時(shí)，儀表顯示的溫度雖然波動(dòng)很小，但實(shí)際爐溫的波動(dòng)可能很大。為了準(zhǔn)確的測(cè)量溫度，應(yīng)當(dāng)選擇時(shí)間常數(shù)小的熱電偶。時(shí)間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比，與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比，如要減小時(shí)間常數(shù)，除增加傳熱系數(shù)以外，最有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中，通常采用導(dǎo)熱性能好的材料，管壁薄、內(nèi)徑小的保護(hù)套管。在較精密的溫度測(cè)量中，使用無(wú)保護(hù)套管的裸絲

29、熱電偶，但熱電偶容易損壞，應(yīng)及時(shí)校正及更換。4.熱阻誤差高溫時(shí)，如保護(hù)管上有一層煤灰，塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導(dǎo)，這時(shí)溫度示值比被測(cè)溫度的真值低。因此，應(yīng)保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔，以減小誤差。2.2 熱電阻概述熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它已廣泛應(yīng)用于中、低溫范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，一般常用于 -200500的測(cè)量。隨著測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展，電阻溫度計(jì)的測(cè)溫范圍在不斷擴(kuò)大。低溫方面已成功地應(yīng)用于13K的溫度測(cè)量中，而高溫方面也出現(xiàn)了多種用于10001300的電阻溫度計(jì)。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的

30、基準(zhǔn)儀。電阻溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）測(cè)量精度高；（2）有較大的測(cè)量范圍，尤其在低溫方面；（3）易于使用在自動(dòng)測(cè)量中，也便于遠(yuǎn)距離測(cè)量。這里指的測(cè)量精度高，主要是一些材料的電阻溫度特性穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好。目前電阻的測(cè)試技術(shù)已達(dá)到很高水平，因而可以保證足夠高的測(cè)溫精度。2.2.1 熱電阻測(cè)溫原理熱電阻測(cè)溫的原理是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化這一性質(zhì)來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。實(shí)踐證明，大多數(shù)導(dǎo)體的電阻值隨溫度的升高而增加，而半導(dǎo)體電阻一般隨溫度升高而減小，其靈敏度比金屬高的多。由于目前半導(dǎo)體電阻的生產(chǎn)還存在一定的問題，如復(fù)現(xiàn)性、高溫穩(wěn)定性還不夠理想，所以半導(dǎo)體電阻溫度計(jì)的應(yīng)用還受到一定的限制。2.2.2

31、 熱電阻材料及常用熱電阻雖然導(dǎo)體、半導(dǎo)體材料電阻隨溫度的變化是各種物質(zhì)的基本特性，電阻與溫度有相應(yīng)的依賴關(guān)系，但適合制作溫度測(cè)量敏感元件的電阻材料，還要具備以下特點(diǎn)：（1）要有盡可能大，且穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)；（2）電阻率要高，以便在同樣靈敏度下減小元件的尺寸；（3）電阻溫度系數(shù)要保持單值，且最好是常數(shù)，以保證電阻隨溫度變化的線性關(guān)系；（4）在電阻的使用范圍內(nèi)，其化學(xué)、物理性能應(yīng)保持穩(wěn)定；（5）材料的工藝性要好，如易提純、可延性好、易于復(fù)制等等；根據(jù)上述要求，純金屬是制造熱電阻的主要材料，特別是鉑、銅、鎳等，他們已得到廣泛應(yīng)用。下面介紹目前常用的幾種電阻材料及它們的特性。1.鉑電阻鉑是一種貴金屬

32、，因?yàn)樗泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，所以廣泛地應(yīng)用于實(shí)際測(cè)溫。它的優(yōu)點(diǎn)首先是物理化學(xué)性能極為穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強(qiáng)，并且在很寬的溫度范圍內(nèi)（1200以下 ）都可以保持上述特性。另外，它易于提純、復(fù)制性好，有良好的工藝性，可以制成極細(xì)的鉑絲，或極薄的鉑箔。與其它熱電阻材料相比，它有較高的電阻率。因此它是較為理想的熱電阻材料。它的缺點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)較小，在還原介質(zhì)中工作時(shí)易被沾污變脆，另外它的價(jià)格較貴。主要因?yàn)樗笆龅膬?yōu)點(diǎn)，所以除作一般工業(yè)測(cè)溫元件外，還廣泛地應(yīng)用于溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)儀器中。2.銅熱電阻銅僅用來(lái)制造 -50180范圍內(nèi)的工業(yè)用電阻溫度計(jì)，它的特點(diǎn)為：在上述使用溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度的關(guān)系是呈線

33、性的；電阻溫度系數(shù)比鉑高，但電阻率低；易得到純態(tài)；加工性能好，可拉成細(xì)絲；價(jià)格便宜；易于氧化，不適合在腐蝕介質(zhì)或高溫下工作。由于以上特點(diǎn)，所以在溫度不高、測(cè)溫元件體積沒有什么特殊限制時(shí)，可以使用銅電阻溫度計(jì)。3.鎳、鐵電阻鎳和鐵電阻也適合做熱電阻，但目前很少用，這是由于鐵很容易氧化，化學(xué)穩(wěn)定性不好。而鎳非線性較嚴(yán)重，材料提純也很困難，再現(xiàn)性較差。但由于鐵的線性、電阻率和靈敏度都較高，所以在加以適當(dāng)保護(hù)后，也可作為熱電阻元件。鎳電阻在穩(wěn)定性方面優(yōu)于鐵，比鉑更靈敏一些。目前已把鎳熱電阻列為定型熱電阻，使用溫度范圍在 -60180內(nèi)。4.熱電阻骨架及保護(hù)材料制作熱電阻除需要基本的電阻材料外，還要有電

34、阻骨架和保護(hù)管，以便繞制、支撐、絕緣及保護(hù)電阻絲。對(duì)熱電阻骨架材料的要求為：（1）在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，有良好絕緣性；（2）體或線膨脹系數(shù)要小，保證測(cè)量中不會(huì)因?yàn)楣羌艿淖冃味鴰?lái)附加誤差；（3）耐高溫，不易氧化；（4）在工作溫度下有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；（5）在工作溫度下不會(huì)析出對(duì)靈敏元件有害的成分。根據(jù)上述要求，目前被選作熱電阻骨架材料的有：云母、陶瓷、石英、玻璃、塑料等。對(duì)保護(hù)陶管材料的要求基本上與骨架材料一致，要求有一定的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱、化學(xué)穩(wěn)定性好、不會(huì)對(duì)敏感元件有化學(xué)侵蝕作用。目前使用的保護(hù)管材料有陶瓷、氧化鋁、鋼或不銹鋼，在要求較高時(shí)也有用石英的。2.2.3 熱電阻的結(jié)構(gòu)1.精通型熱電阻

35、工業(yè)常用熱電阻感溫元件（電阻體）目前已有多種型式的定型的鉑和銅電阻溫度計(jì)。也有根據(jù)不同用途制造的特殊結(jié)構(gòu)熱電阻。工業(yè)常用熱電阻與熱電偶外形極為相似，根據(jù)不同用途也有與熱電偶相應(yīng)的類型。從熱電阻的測(cè)溫原理可知，被測(cè)溫度的變化是直接通過(guò)熱電阻阻值的變化來(lái)測(cè)量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會(huì)給溫度測(cè)量帶來(lái)影響。為消除引線電阻的影響一般采用三線制或四線制。2.鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅(jiān)實(shí)體，它的外徑一般為28mm，最小可達(dá)1mm。與普通型熱電阻相比，它有下列優(yōu)點(diǎn)：（1） 體積小，內(nèi)部無(wú)空氣隙，熱慣性小，測(cè)量滯后??；（2） 機(jī)械性能

36、好、耐振，抗沖擊；（3） 能彎曲，便于安裝；（4） 使用壽命長(zhǎng)。3.端面熱電阻端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材料繞制，緊貼在溫度計(jì)端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更準(zhǔn)確和快速地反映被測(cè)端面的實(shí)際溫度，適用于測(cè)量軸瓦和其他機(jī)件的端面溫度。4.隔爆型熱電阻隔爆型熱電阻通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)引起爆炸。隔爆型熱電阻可用于具有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的溫度測(cè)量。2.2.4 熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的組成熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和顯示儀表等組成。實(shí)際應(yīng)用中需要注意以下兩點(diǎn)：（1） 熱電阻和顯示儀表的分度號(hào)必須一致；（2）

37、為了消除連接導(dǎo)線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。此外，電阻體的斷路修理必然要改變電阻絲的長(zhǎng)短而影響電阻值，為此更換新的電阻體為好，若采用焊接修理，焊后要校驗(yàn)合格后才能使用。第三章 熱電偶溫度檢測(cè)裝置溫度檢測(cè)裝置是把與溫度有關(guān)的電阻式溫度計(jì)的電阻變化或與溫度有關(guān)的熱電偶的電壓變化轉(zhuǎn)換成一種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。測(cè)量輸入信號(hào)被轉(zhuǎn)換成與溫度成線性的輸出信號(hào)或被轉(zhuǎn)換成與電壓成線性的輸出信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變量的顯示、記錄和自動(dòng)控制。根據(jù)檢測(cè)元件的不同，它可分為熱電偶溫度檢測(cè)裝置和熱電阻溫度檢測(cè)裝置。本章將重點(diǎn)介紹熱電偶溫度檢測(cè)裝置。3.1 溫度檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)方框圖下面是溫度檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)方框圖，圖中空心箭頭表示

38、供電回路，實(shí)線箭頭表示信號(hào)回路。毫伏輸入信號(hào) 或由測(cè)溫元件送來(lái)的反映溫度大小的輸入信號(hào)與橋路部分的輸出信號(hào)及反饋信號(hào)相疊加，送入集成運(yùn)算放大器。放大了的電壓信號(hào)再由功率放大器和隔離輸出電路轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的420mA直流電流和15V直流電壓輸出。圖3-1 溫度檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)方框圖檢測(cè)裝置的主要性能指標(biāo)：基本誤差為±0.5；環(huán)境溫度每變化25附加誤差不超過(guò)±0.5；負(fù)載電阻在0100范圍內(nèi)變化時(shí)，附加誤差不超過(guò)±0.5。3.2 熱電偶溫度檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)熱電偶溫度檢測(cè)裝置大體上分為量程單元和放大單元。其核心是熱電偶溫度變送器。熱電偶溫度變送器結(jié)構(gòu)方框圖如圖3-2所示。圖3-

39、2 熱電偶溫度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖溫度檢測(cè)裝置的反饋部分有兩種形式：一種是線性電阻網(wǎng)絡(luò)，即線性反饋，結(jié)果保證輸入電壓與輸出電流之間呈線性關(guān)系；另一種是反饋回路具有與測(cè)溫元件相類似的特性，即非線性反饋，結(jié)果使被測(cè)溫度與之間成線性關(guān)系，在熱電偶變送器的反饋電路里就采用這種形式。 3.2.1 放大單元工作原理溫度檢測(cè)裝置的放大單元由集成運(yùn)算放大器、功率放大器、直流-交流-直流變換器、隔離輸出等部分組成。放大單元的作用是將量程單元輸出的毫伏信號(hào)進(jìn)行電壓和功率放大，輸出統(tǒng)一的直流電流信號(hào)和直流電壓信號(hào)。同時(shí)，輸出電流又經(jīng)反饋部分轉(zhuǎn)換成反饋電壓信號(hào)，送至量程單元。1.電壓放大電路電壓放大電路由集成運(yùn)算放大器構(gòu)

40、成。由于來(lái)自量程單元的輸入信號(hào)很小，且放大電路采用直接耦合方式，故對(duì)溫度漂移必須加以限制。為此應(yīng)對(duì)集成運(yùn)算放大器的溫漂系數(shù)提出一定要求。這里，溫漂系數(shù)主要是指失調(diào)電壓隨溫度而變化的數(shù)值。若設(shè)檢測(cè)裝置的使用環(huán)境溫度范圍為，失調(diào)電壓漂移系數(shù)為，則在溫度變化時(shí)失調(diào)電壓的變化量為： （3-1）現(xiàn)設(shè)為由于的變化給儀表帶來(lái)的附加誤差，即，則由式（3-1）可知： （3-2）式（3-2）表示了集成運(yùn)算放大器的溫漂系數(shù)和儀表相對(duì)誤差的關(guān)系。漂移系數(shù)越大，引起的相對(duì)誤差就越大。當(dāng)溫度檢測(cè)裝置的最小量程為3mV，溫升為30，要求0.3%時(shí)，按式（3-2）就要求： （3-3）為了滿足這一要求，溫度檢測(cè)裝置中運(yùn)算放大器

41、所用的線性集成電路需采用低漂移型的高增益運(yùn)算放大器。2.功率放大電路功率放大電路的作用是把運(yùn)算放大器輸出的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換成具有一定負(fù)載能力的電流信號(hào)。同時(shí)，通過(guò)隔離變壓器實(shí)現(xiàn)隔離輸出。圖3-3 功率放大器原理圖功率放大器線路如圖3-3所示，由復(fù)合管、及其射極電阻、和隔離圖3-4 熱電偶溫度檢測(cè)裝置電路圖變壓器等元件組成。它由直流-交流-直流變換器輸出的交流方波電壓供電，因而不僅具有放大作用，而且具有調(diào)制作用，以便通過(guò)隔離變壓器傳遞信號(hào)。 在方波電壓的前半個(gè)周期（其極性如圖3-3所示），二極管導(dǎo)通，截止，由輸入信號(hào)產(chǎn)生電流；在后半個(gè)周期內(nèi)，二極管導(dǎo)通，截止，從而產(chǎn)生電流。由于和輪流通過(guò)隔離變壓器

42、的兩個(gè)繞組，于是在鐵心中產(chǎn)生交變磁通，這個(gè)交變磁通使的副邊產(chǎn)生交變電流，從而實(shí)現(xiàn)了隔離輸出。采用復(fù)合管是為了提高輸入阻抗、減小線性集成電路的功耗。引入射極電阻，一方面是為了穩(wěn)定功率放大器的工作狀態(tài)，另一方面是為了從兩端取出反饋電壓。由于阻值為50，故當(dāng)流過(guò)的電流為420mA（其值與輸出電流相等）時(shí)，反饋電壓信號(hào)為0.21V，此電壓送至量程單元，經(jīng)過(guò)線性電阻網(wǎng)絡(luò)或經(jīng)過(guò)線性化環(huán)節(jié)反饋到運(yùn)算放大器的輸入端，以實(shí)現(xiàn)整機(jī)負(fù)反饋。3.隔離輸出為了避免輸出與輸入之間有直接電的聯(lián)系，在功率放大器與輸出回路之間，采用隔離變壓器來(lái)傳遞信號(hào)。隔離變壓器實(shí)際上是電流互感器，其變流比為1：1，故輸出電流等于功放電路復(fù)合

43、管的集電極電流。 圖3-5 隔離輸出電路圖隔離輸出電路圖如圖3-5所示。副邊電流經(jīng)過(guò)橋式整流和由、組成的阻容濾波器濾波，得到420mA的直流輸出電流，在阻值為250的電阻上的壓降（15V）作為檢測(cè)裝置輸出電壓信號(hào)。穩(wěn)壓管的作用在于當(dāng)電流輸出回路斷線時(shí)，輸出電流可以通過(guò)而流向，從而保證電壓輸出信號(hào)不受影響。二極管的作用是當(dāng)輸出端6處出現(xiàn)異常正電壓時(shí)，二極管短路，將熔斷絲燒斷，從而對(duì)電路起保護(hù)作用。 4.直流交流直流（DC/AC/DC）變換器DC/AC/DC變換器用來(lái)對(duì)儀表進(jìn)行隔離式供電。該變換器在DDZ型儀表中是一種通用部件，除了溫度檢測(cè)裝置外，安全柵也要用它。它先把電源供給的24V直流電壓轉(zhuǎn)換

44、成一定頻率（45kHz左右）的交流方波電壓，再經(jīng)過(guò)整流、濾波和穩(wěn)壓，提供直流電壓。在溫度檢測(cè)裝置中，它既為功率放大器提供方波電源，又為集成運(yùn)算放大器和量程單元提供直流電源。（1）工作原理直流交流變換器（DC/AC）是DC/AC/DC變換器的核心部分。DC/AC變換器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)磁耦合對(duì)稱推挽式多諧振蕩器，它的線路如圖3-6所示。圖中、和為基極偏流電阻，太大會(huì)影響起振，太小則會(huì)使基極損耗增加。和為發(fā)射極電流負(fù)反饋電阻，用以穩(wěn)定晶體管、的工作點(diǎn)，二極管是用來(lái)防止電源極性接反而損壞變換器。作為振蕩電流的通路，并起保護(hù)三極管、的作用。電源接通以后，電源電壓通過(guò)為兩個(gè)晶體管和提供基極偏流，從而使它們的集

45、電極電流都具有增加的趨勢(shì)。由于兩個(gè)晶體管的變量不可能完全相同，現(xiàn)假定晶體管的集電極電流增加得快，則磁通向正方向增加。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在兩個(gè)基極繞組和上分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和，其方向如圖3-6所示。由于同名端的正確安排，感應(yīng)電勢(shì)的方向遵循正反饋的關(guān)系，將使晶體管截止，而則使的基極回路產(chǎn)生，這使增加，的增加又使更大。這樣，瞬間的正反饋?zhàn)饔檬沽⒓催_(dá)到最大值，從而使立即進(jìn)入飽和狀態(tài)。處于飽和狀態(tài)時(shí)，其管壓降極小，在此瞬時(shí)，可認(rèn)為電源電壓等于集電極繞組上的感應(yīng)電勢(shì)，于是可從下式得知基極繞組的感應(yīng)電勢(shì)大小： （3-4）因?yàn)楦袘?yīng)電勢(shì)的大小與磁通的變化率成正比，即： （3-5）而近似為一常數(shù)。所以，鐵心中的磁通

46、將隨時(shí)間線性增加，在鐵心磁化曲線的線性范圍內(nèi)，激磁電流亦隨時(shí)間線性增加。這時(shí)，由于發(fā)射極電位的不斷增加，基極電流將要下降，可從的基極回路列出以下關(guān)系式： （3-6）圖3-6 直流交流變換器由式（3-6）可見，在集電極電流（近似等于）隨時(shí)間線性增加的同時(shí)，基極電流將隨時(shí)間線性下降，直至兩者符合晶體管電流放大的基本規(guī)律為止。這時(shí)的工作狀態(tài)由飽和區(qū)退到放大區(qū)，集電極電流達(dá)最大值，與此同時(shí)磁通也到達(dá)最大值，而不再增加。由于，基極繞組感應(yīng)電勢(shì)立即等于零，也立即由變?yōu)榱?。根?jù)電磁感應(yīng)原理，感應(yīng)電勢(shì)立即轉(zhuǎn)變方向。再反向的作用下，立即截止，而反向的使立即飽和導(dǎo)通，這是另一方向的正反饋過(guò)程。隨后開始向負(fù)方向增加

47、，磁通繼續(xù)下降，基極電流的絕對(duì)值逐漸減小，直至使自飽和區(qū)退到放大區(qū)。此時(shí)集電極電流達(dá)負(fù)向最大，磁通為。按照同樣的道理，使截止，又重新導(dǎo)通，如此周而復(fù)始，形成自激振蕩。（2）振蕩頻率對(duì)于理想的變壓器，當(dāng)晶體管集電極電流到達(dá)最大值時(shí)，罐形磁心接近飽和，即在時(shí)間內(nèi)磁通由增加到。因此，根據(jù)磁感應(yīng)公式可求得振蕩周期。式中為繞組中的感應(yīng)電勢(shì)，其絕對(duì)值為：從電磁感應(yīng)公式可求得： （3-7）式中，為對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為特斯拉（T）；S為磁芯截面積，單位為。從式（3-7）可以看出，頻率與電源電壓的幅值成正比關(guān)系。3.2.2 熱電偶溫度檢測(cè)裝置量程單元量程單元由輸入回路和反饋回路組成。為便于分析它的工作原理，

48、將量程單元和放大單元中的運(yùn)算放大器聯(lián)系起來(lái)畫于圖3-7。而熱電偶溫度檢測(cè)裝置的整機(jī)線路可見電路圖3-4。1.溫度檢測(cè)裝置輸出與輸入關(guān)系輸入回路中的電阻、及穩(wěn)壓管、分別起限流和限壓的作用，它使流入危險(xiǎn)場(chǎng)所的電能量限制在安全電平以下。用以濾除輸入信號(hào)中的交流分量。電阻、及零點(diǎn)調(diào)整電位器等組成零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移電路。基準(zhǔn)電壓由集成穩(wěn)壓器提供，其輸出電壓為5V。反饋回路由量程電位器及電阻、等組成。反饋電壓引自放大單元功率放大電路射極電阻的兩端。因?yàn)榈淖柚岛苄?，它?duì)電路的影響可忽略，所以在計(jì)算反相輸入端的電壓時(shí)，不考慮上的壓降。由圖3-7可知，同相輸入端電壓是輸入信號(hào)和基準(zhǔn)電壓共同作用的結(jié)果；而它的反相

49、輸入端電壓則分別由基準(zhǔn)電壓和反饋電壓共同作用的結(jié)果。按疊加原理，運(yùn)算放大器同相輸入端和反相輸入端的電壓分別為： （3-8）其中：。圖3-7 熱電偶溫度檢測(cè)裝置量程單元電路原理圖 （3-9）在線路設(shè)計(jì)時(shí)，使，。又 所以式（3-8）和式（3-9）可改寫成： （3-10） （3-11）其中：（為線性化電路決定的常系數(shù)）。據(jù)上述得到結(jié)果設(shè)：，。當(dāng)為理想運(yùn)算放大器時(shí)，所以從式（3-10）和式（3-11）可求得： （3-12）式（3-12）就是系統(tǒng)輸出與輸入的關(guān)系式，由此可以說(shuō)明：（1）這一項(xiàng)表示了電路的調(diào)零信號(hào)，改變值可實(shí)現(xiàn)正向或負(fù)向遷移。更換電阻可大幅度地改變零點(diǎn)遷移量。而改變和調(diào)整電位器，可在小范圍

50、內(nèi)改變調(diào)零信號(hào)，它可以獲得滿量程的±5的零點(diǎn)調(diào)整范圍。（2）為輸出和輸入之間的比例系數(shù)，輸出信號(hào)范圍（15V）是固定不變的，因而比例系數(shù)愈大就表示輸入信號(hào)范圍也即量程范圍愈小。改變可大幅度改變檢測(cè)裝置量程范圍。而調(diào)整電位器也可小范圍地改變比例系數(shù)，它可獲得滿量程的±5的量程調(diào)整范圍。（3）調(diào)整，改變比例系數(shù)，不僅調(diào)整了檢測(cè)裝置的輸入（量程）范圍，而且使調(diào)零信號(hào)也發(fā)生了變化，即調(diào)整量程會(huì)影響零位，這一情況與差壓式檢測(cè)裝置相同。另一方面，調(diào)整不僅調(diào)整了零位，而且滿度輸出也會(huì)相應(yīng)改變。因此在儀表調(diào)校時(shí)，零位和滿度必須反復(fù)調(diào)整，才能滿足精度要求。2.熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電路在溫度檢測(cè)

51、裝置中，冷端溫度補(bǔ)償用了兩個(gè)銅電阻，這兩個(gè)電阻的阻值在0時(shí)都固定為50。當(dāng)選用的熱電偶型號(hào)不同時(shí)，需要調(diào)整阻值的是幾個(gè)錳銅電阻或精密金屬膜電阻。由圖3-7可知，運(yùn)算放大器同相輸入端的電壓，由輸入信號(hào)和冷端溫度補(bǔ)償電勢(shì)兩部分組成。 （3-13）在電路設(shè)計(jì)時(shí)使，則式（3-13）可改寫為： （3-14）式（3-14）表明，當(dāng)冷端溫度環(huán)境變化時(shí)，、的阻值也隨之變化，是式中第二項(xiàng)也發(fā)生變化，從而補(bǔ)償了由于環(huán)境溫度升降引起的熱電偶熱電勢(shì)的變化。 從式（3-14）還可知，當(dāng)銅電阻的阻值增加時(shí)，補(bǔ)償電勢(shì)將增加的愈來(lái)愈快，即隨溫度而變的特性曲線是呈下凹形的（二階導(dǎo)數(shù)為正），而熱電偶特性曲線的起始段一般也呈下凹形

52、，兩者相吻合。因此，這種電路的冷端補(bǔ)償特性是具有一定優(yōu)越性的。補(bǔ)償電路中，、和為錳銅電阻或精密金屬膜電阻，它們的阻值決定于選用哪一類檢測(cè)裝置和何種型號(hào)的熱電偶。對(duì)熱電偶溫度檢測(cè)裝置而言，已確定為7.5。和的阻值可按0時(shí)冷端補(bǔ)償電路為25mV和當(dāng)溫度變化t50時(shí)兩個(gè)條件進(jìn)行計(jì)算，也可先確定的阻值，再按上述條件求取和的阻值。圖3-7中，當(dāng)B端子板上的與端子相連接時(shí)，等于兩端的電壓，固定為25mV，故可以0為基準(zhǔn)點(diǎn)，用毫伏信號(hào)來(lái)檢查檢測(cè)裝置的零點(diǎn)。當(dāng)B端子板上的與端子相連接時(shí)，即將冷端溫度補(bǔ)償電路接入。3.線性化原理及電路分析線性化電路的作用是使熱電偶溫度檢測(cè)裝置的輸出信號(hào)（、）與被測(cè)溫度信號(hào)之間成

53、線性關(guān)系。熱電偶輸出的熱電勢(shì)與所對(duì)應(yīng)的溫度之間是非線性的，而且不同型號(hào)的熱電偶或同型號(hào)熱電偶在測(cè)溫范圍不同時(shí)，其特性曲線形狀也不一樣。例如，鉑銠-鉑熱電偶，特性是下凹形的；而鎳鉻-鎳鋁熱電偶的特性曲線，開始時(shí)呈下凹形，溫度升高后又變成上凸形的了。在測(cè)量范圍為01000時(shí)的最大非線性誤差，前者約為6，后者約為1。因此，為保證檢測(cè)裝置的輸出信號(hào)與被測(cè)溫度之間呈線性關(guān)系，必須采取線性化措施。 （1）線性化原理熱電偶溫度檢測(cè)裝置可畫成如圖3-8所示的方框圖形式，將各部分特性描在相應(yīng)位置上。由圖可知，輸入放大器的信號(hào)，其中在熱電偶冷端溫度不變時(shí)為常數(shù)，而和的關(guān)系是非線性的。如果和的關(guān)系也是非線性的，并且同熱電偶的非線性關(guān)系相對(duì)應(yīng)，那么，和的差值與的關(guān)系也就呈 圖3-8 熱電偶溫度檢測(cè)裝置線性化原理方框圖線性關(guān)系了，經(jīng)線性放大器放大后的輸出信號(hào)也就與呈線性關(guān)系了。顯然，要實(shí)現(xiàn)線性化，反饋回路的特性（的特性亦即-特性）須與熱電性相一致。（2）線性化電路要實(shí)現(xiàn)圖3-