過程控制第二、三章

1、第二章第二章 單回路控制系統(tǒng)設計單回路控制系統(tǒng)設計 單回路過程控制系統(tǒng)又稱單回路過程控制系統(tǒng)又稱單回路調節(jié)系統(tǒng)單回路調節(jié)系統(tǒng)簡稱簡稱單回路系單回路系統(tǒng)。統(tǒng)。 單回路系統(tǒng)是指針對一個單回路系統(tǒng)是指針對一個被控過程被控過程（調節(jié)對象），采用（調節(jié)對象），采用一個一個測量變送器測量變送器監(jiān)測被控過程采用一個監(jiān)測被控過程采用一個控制（調節(jié)）器控制（調節(jié)）器來來保持一個保持一個被控參數被控參數恒定（或在很小范圍內變化），其輸出也恒定（或在很小范圍內變化），其輸出也只控制一個只控制一個執(zhí)行機構（調節(jié)閥）執(zhí)行機構（調節(jié)閥）。第一節(jié)第一節(jié) 過程控制系統(tǒng)工程設計概述過程控制系統(tǒng)工程設計概述一、對過程控制來統(tǒng)設計

2、的一般要求一、對過程控制來統(tǒng)設計的一般要求二、過程控制系統(tǒng)設計步驟二、過程控制系統(tǒng)設計步驟1. 1. 建立被控對象的數學模型建立被控對象的數學模型2. 2. 選擇控制方案選擇控制方案3. 3. 控制設備選型控制設備選型4. 4. 實驗和仿真實驗和仿真 1 1、方案設計、方案設計方案設計方案設計三、過程系統(tǒng)設計的主要內容三、過程系統(tǒng)設計的主要內容 過程控制系統(tǒng)設計主要內容：過程控制系統(tǒng)設計主要內容：方案設計方案設計、工程設計工程設計、工程安裝工程安裝和和儀表調校儀表調校、調節(jié)器參數整定等調節(jié)器參數整定等。 包括儀表（微機）選型、控制室和儀表盤設計、供水供包括儀表（微機）選型、控制室和儀表盤設計、

3、供水供電供氣設計、信號系統(tǒng)設計、安全防暴設計等。電供氣設計、信號系統(tǒng)設計、安全防暴設計等。3 3、工程安裝、工程安裝4 4、儀表調試、儀表調試5 5、參數整定、參數整定2 2、工程設計、工程設計四、系統(tǒng)設計中的若干問題四、系統(tǒng)設計中的若干問題1 1越限報警與聯(lián)鎖保護越限報警與聯(lián)鎖保護2 2其它系統(tǒng)安全保護對策其它系統(tǒng)安全保護對策第二節(jié)第二節(jié) 控制方案設計控制方案設計 單回路控制系統(tǒng)控制方案設計所包含的內容是：依據單回路控制系統(tǒng)控制方案設計所包含的內容是：依據生產工藝要求合理選擇生產工藝要求合理選擇系統(tǒng)性能指標系統(tǒng)性能指標，合理選擇，合理選擇被控參數被控參數和和控制參數控制參數，合理設計（選擇）

4、，合理設計（選擇）控制（調節(jié)）規(guī)律控制（調節(jié)）規(guī)律，并兼，并兼顧被控過程參數的顧被控過程參數的測量與變送測量與變送、控制執(zhí)行器控制執(zhí)行器（調節(jié)閥）的（調節(jié)閥）的選擇。選擇。 對復雜過程（多回路系統(tǒng)、多輸入多輸出系統(tǒng)）控制對復雜過程（多回路系統(tǒng)、多輸入多輸出系統(tǒng)）控制方案設計方案設計, ,除上述共性內容外，根據實際生產過程，選擇合除上述共性內容外，根據實際生產過程，選擇合適的控制系統(tǒng)結構。適的控制系統(tǒng)結構。液位檢測變送器液位控制器設定值執(zhí)行閥液位控制器執(zhí)行閥液位過程檢測變送器eu1q)(tf設定值實際液位)(SF)(SX)(SY)(SWC)(SWV)(0SW)(SWm)(SZ( )CWS 調節(jié)器

5、的傳遞函數( )VWS 調節(jié)閥的傳遞函數0( )W S 被控過程的傳遞函數( )mWS 測量變送器的傳遞函數過程控制系統(tǒng)性能的評價指標概括如下：過程控制系統(tǒng)性能的評價指標概括如下： 1)1)系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。 2)2)系統(tǒng)應能提供盡可能好的穩(wěn)態(tài)調節(jié)系統(tǒng)應能提供盡可能好的穩(wěn)態(tài)調節(jié)( (靜態(tài)指標靜態(tài)指標) )。 3)3)系統(tǒng)應能提供盡可能好的過渡過程系統(tǒng)應能提供盡可能好的過渡過程( (動態(tài)指標動態(tài)指標) )。 穩(wěn)定是系統(tǒng)性能中最重要、最根本的指標，只有在系穩(wěn)定是系統(tǒng)性能中最重要、最根本的指標，只有在系統(tǒng)是穩(wěn)定的前提下，才能討論靜態(tài)和動態(tài)指標?？刂葡到y(tǒng)統(tǒng)是穩(wěn)定的前提下，才能討論靜態(tài)

6、和動態(tài)指標?？刂葡到y(tǒng)性能指標應根據生產工藝過程的實際需要來確定，特別需性能指標應根據生產工藝過程的實際需要來確定，特別需要注意的是，不能不切實際地提出過高的控制性能指標。要注意的是，不能不切實際地提出過高的控制性能指標。 過程控制系統(tǒng)通常采用過程控制系統(tǒng)通常采用系統(tǒng)階躍響應性能指標系統(tǒng)階躍響應性能指標和和偏差偏差積分性能指標積分性能指標。后者在采用計算機仿真或分析時采用。后者在采用計算機仿真或分析時采用。二、過程控制系統(tǒng)的性能指標二、過程控制系統(tǒng)的性能指標 1 1階躍響應性能指標階躍響應性能指標 過渡過程過渡過程：從一個穩(wěn)態(tài)到達另一個穩(wěn)態(tài)的歷程。：從一個穩(wěn)態(tài)到達另一個穩(wěn)態(tài)的歷程。 在階躍擾動作

7、用下，控制系統(tǒng)過渡過程曲線有以下幾在階躍擾動作用下，控制系統(tǒng)過渡過程曲線有以下幾種典型形式：種典型形式：發(fā)散振蕩過程、非振蕩發(fā)散過程、等幅振蕩發(fā)散振蕩過程、非振蕩發(fā)散過程、等幅振蕩過程、衰減振蕩過程和非振蕩衰減過程。過程、衰減振蕩過程和非振蕩衰減過程。階躍擾動作用下控制系統(tǒng)過渡過程曲線：階躍擾動作用下控制系統(tǒng)過渡過程曲線：(a)(a)發(fā)散振蕩過程發(fā)散振蕩過程(b)(b)非振蕩發(fā)散過程非振蕩發(fā)散過程(c)(c)等幅振蕩過程等幅振蕩過程d)d)衰減振蕩過程衰減振蕩過程(e)(e)非振蕩衰減過程非振蕩衰減過程 (1) (1)穩(wěn)態(tài)誤差（余差）穩(wěn)態(tài)誤差（余差）e essss 穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)過渡過程終了

8、時給定值與被控參數穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)過渡過程終了時給定值與被控參數穩(wěn)態(tài)值之差，它是反映控制精度的一個穩(wěn)態(tài)指標。穩(wěn)態(tài)值之差，它是反映控制精度的一個穩(wěn)態(tài)指標。 一般要求穩(wěn)態(tài)誤差不超過預定值，最理想是等于零。一般要求穩(wěn)態(tài)誤差不超過預定值，最理想是等于零。)(yress1 1階躍響應性能指標階躍響應性能指標(2)(2)衰減比衰減比 衰減比是衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)衰減比是衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)性能指標。定性的一個動態(tài)性能指標?？啥x為可定義為: :21BBn 為了保持系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度，一般取衰減比為為了保持系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度，一般取衰減比為4 4：1 11010：1 1。其中。其中4 4：1 1衰

9、減比常作為評價過渡過程動態(tài)性能的一衰減比常作為評價過渡過程動態(tài)性能的一個理想指標。個理想指標。衰減率衰減率121BBB 衰減率一般取衰減率一般取0.750.750.90.9 對于定值系統(tǒng)來說，對于定值系統(tǒng)來說，最大偏差最大偏差是指被控參數第一個波是指被控參數第一個波峰值與給定值之差。峰值與給定值之差。對隨動系統(tǒng)通常采用對隨動系統(tǒng)通常采用超調量超調量指標：指標：rtyAp)(3)(3)最大偏差（超調量）最大偏差（超調量）%100)()()(yytyp (4) (4)過渡過程時間（回復時間）過渡過程時間（回復時間）t ts s。 過渡過程時間是指系統(tǒng)從受擾動作用時起，直到被過渡過程時間是指系統(tǒng)從受

10、擾動作用時起，直到被控參數進入新的穩(wěn)定值士控參數進入新的穩(wěn)定值士5 5( (或或2 2) )范圍內所經歷的范圍內所經歷的時間。它是反映系統(tǒng)快速性能的指標，通常要求以愈短時間。它是反映系統(tǒng)快速性能的指標，通常要求以愈短愈好。愈好。例例: : 階躍響應性能指標。階躍響應性能指標。 某發(fā)酵過程工藝規(guī)定操作溫度為某發(fā)酵過程工藝規(guī)定操作溫度為404022?，F設計?，F設計一定值控制系統(tǒng)，在階躍擾動作用下的過渡過程曲線一定值控制系統(tǒng)，在階躍擾動作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試確定該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比、超如下圖所示。試確定該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比、超調量和過渡過程時間。調量和過渡過程時間。三、被控參數三

11、、被控參數2 2、選擇的方法、選擇的方法(2)(2)選間接參數選間接參數)(PTfxDD，間接參數的選擇原則間接參數的選擇原則 必須考慮工藝生產的合理性和儀表的現狀。必須考慮工藝生產的合理性和儀表的現狀。 間接參數應與直接參數有某種單值函數關系。間接參數應與直接參數有某種單值函數關系。 間接參數要有足夠的靈敏度。間接參數要有足夠的靈敏度。 第三章第三章 過程檢測技術和變送器過程檢測技術和變送器 第一節(jié)第一節(jié) 檢測儀表組成檢測儀表組成 過程檢測儀表主要用于確定被控變量的當前值。包括過程檢測儀表主要用于確定被控變量的當前值。包括傳感器和變送器兩部分。傳感器和變送器兩部分。1 1傳感器傳感器 傳感器

12、是檢測儀表中的重要部件，它直接與被控對象傳感器是檢測儀表中的重要部件，它直接與被控對象發(fā)生關聯(lián)，感受被控參數的變化，并傳送出與之相適應的發(fā)生關聯(lián)，感受被控參數的變化，并傳送出與之相適應的電量或非電量信號。電量或非電量信號。 工程上通常也把這個過程稱為工程上通常也把這個過程稱為一次測量一次測量，所用儀表稱，所用儀表稱為為一次儀表一次儀表。2 2變送器變送器 將傳感器送來的檢測信號進行將傳感器送來的檢測信號進行轉換、放大、整形、濾波轉換、放大、整形、濾波等處理后，調制成相應的等處理后，調制成相應的標準信號標準信號，并輸出給，并輸出給控制器采樣控制器采樣或或進行進行模擬、數字顯示模擬、數字顯示，這部

13、分電路稱之為，這部分電路稱之為變送電路變送電路。 標準信號是物理量的形式和數值范圍都符合國際標準的標準信號是物理量的形式和數值范圍都符合國際標準的信號，如直流電流信號，如直流電流4 420mA20mA，空氣壓力，空氣壓力2020100kPa100kPa都是當前都是當前通用的標準信號。其中直流電流通用的標準信號。其中直流電流4 420mA20mA可用于遠距離可用于遠距離3 35km5km的傳輸。如果僅用于電氣控制柜內短距離傳輸，也可的傳輸。如果僅用于電氣控制柜內短距離傳輸，也可采用直流采用直流1 15V5V(DC)(DC)形式。形式。 工程上習慣將傳感器后面的計量顯示儀表稱為工程上習慣將傳感器后

14、面的計量顯示儀表稱為二次儀表二次儀表，有時也將傳感器和變送電路統(tǒng)稱為有時也將傳感器和變送電路統(tǒng)稱為變送器變送器。 第二節(jié)第二節(jié) 測量誤差及處理測量誤差及處理 測量的最終目的是為了求得被測變量的真實值。測測量的最終目的是為了求得被測變量的真實值。測量值與真實值之間總是存在著一定的差別，這個差別就量值與真實值之間總是存在著一定的差別，這個差別就是是測量誤差測量誤差。一、測量誤差的基本概念一、測量誤差的基本概念 1 1真值真值 被測變量本身所具有的真實值，稱為被測變量本身所具有的真實值，稱為真值真值，它是一，它是一個理想的概念，一般是無法得到的。所以在計算誤差時，個理想的概念，一般是無法得到的。所以

15、在計算誤差時，一般用約定真值來代替。一般用約定真值來代替。 約定真值約定真值是一個接近真值的值，它與真值之差可忽是一個接近真值的值，它與真值之差可忽略不計。實際測量中以在沒有系統(tǒng)誤差的情況下，足夠略不計。實際測量中以在沒有系統(tǒng)誤差的情況下，足夠多次的測量值的平均值作為約定真值。多次的測量值的平均值作為約定真值。 絕對誤差絕對誤差是指儀表輸出信號所代表的被測值與被測是指儀表輸出信號所代表的被測值與被測參數真值之差。顯然，絕對誤差只能是被測值與約定真參數真值之差。顯然，絕對誤差只能是被測值與約定真值之差。值之差。 =M-A=M-A 式中式中為絕對誤差為絕對誤差；M M為被測值為被測值；A A為約定

16、真值為約定真值。 儀表絕對誤差的求法是用精確度高的標準儀表和實儀表絕對誤差的求法是用精確度高的標準儀表和實用測量儀表，在相同的條件下，對同一參數進行測量，用測量儀表，在相同的條件下，對同一參數進行測量，然后進行數據比較，這項工作就叫做儀表的校驗。工業(yè)然后進行數據比較，這項工作就叫做儀表的校驗。工業(yè)用儀表要定期進行校驗，校驗合格后才能投入使用。用儀表要定期進行校驗，校驗合格后才能投入使用。 絕對誤差與約定真值的百分比，定義為儀表的絕對誤差與約定真值的百分比，定義為儀表的相對相對誤差誤差，即，即%100A 3. 3. 引用誤差引用誤差 絕對誤差與儀表量程的百分比，稱為儀表的引用誤差，絕對誤差與儀表

17、量程的百分比，稱為儀表的引用誤差，即即 式中以為儀表引用誤差；式中以為儀表引用誤差；為儀表的絕對誤差；為儀表的絕對誤差；X X為儀為儀表的量程，即儀表測量范圍的上限值與下限值之差。表的量程，即儀表測量范圍的上限值與下限值之差。例例 2 21 1誤差的計算。誤差的計算。 某壓力表刻度某壓力表刻度O O100kPa100kPa，在，在50kPa50kPa處計量檢定值為處計量檢定值為49495kPa5kPa，求在，求在50kPa50kPa處儀表的絕對誤差、相對誤差和引用處儀表的絕對誤差、相對誤差和引用誤差。誤差。%100X%5 . 0%1001005 . 0解：儀表的絕對誤差解：儀表的絕對誤差=50

18、-49.5=0.5kPa=50-49.5=0.5kPa 儀表的相對誤差儀表的相對誤差 儀表的引用誤差儀表的引用誤差%1%1005 .495 .0 4 4精度等級精度等級 儀表的精度等級是衡量儀表準確程度的一個品質指標。儀表的精度等級是衡量儀表準確程度的一個品質指標。常用引用誤差作為判斷精度等級的尺度。常用引用誤差作為判斷精度等級的尺度。 精度等級又稱精度等級又稱準確度級準確度級，是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤，是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小劃分成的等級。我國生產的儀表，其精度等級有：差大小劃分成的等級。我國生產的儀表，其精度等級有：O.001O.001、O.005O.005、O.02O.02、O.0

19、5O.05、O.1O.1、O.2O.2、O.4O.4、O.5O.5、1.O1.O、1.51.5、2.52.5、4.O4.O等。級數越小，精度等。級數越小，精度( (準確度準確度) )就越高。就越高。 通常，科學實驗用的儀表精度等級在通常，科學實驗用的儀表精度等級在O.05O.05級級以上；工以上；工業(yè)檢測用儀表多在業(yè)檢測用儀表多在O.1O.14.04.0級級，其中校驗用的標準儀表多，其中校驗用的標準儀表多為為0.10.1或或O.2O.2級級，現場使用多為，現場使用多為O.5O.54.O4.O級級。二、測量變送中的幾個問題二、測量變送中的幾個問題 1.1.純滯后問題純滯后問題 由于測量元件安裝位

20、置不當及測量儀表本身特性等容由于測量元件安裝位置不當及測量儀表本身特性等容易引入純滯后，為了消除純滯后的影響，只有合理選擇測易引入純滯后，為了消除純滯后的影響，只有合理選擇測量元件及其安裝位置，盡量減小純滯后。量元件及其安裝位置，盡量減小純滯后。 2.2.測量滯后問題測量滯后問題 測量滯后主要是由測量元件本身的慣性特性造成的。測量滯后主要是由測量元件本身的慣性特性造成的。在系統(tǒng)設計中可選用快速測量元件，一般選其時間常數為在系統(tǒng)設計中可選用快速測量元件，一般選其時間常數為控制通道時間常數控制通道時間常數1 11010以下為宜。以下為宜。 要注意正確選擇測量元件的安裝位置，將其安裝在被要注意正確選

21、擇測量元件的安裝位置，將其安裝在被控參數變化較靈敏的位置，也可在測量變送器的輸出端加控參數變化較靈敏的位置，也可在測量變送器的輸出端加入微分環(huán)節(jié)。入微分環(huán)節(jié)。 3 3信號傳送滯后問題信號傳送滯后問題 這里主要是指氣動儀表氣壓信號在管路傳送過程中所這里主要是指氣動儀表氣壓信號在管路傳送過程中所造成的滯后，電動儀表不存在這方面的問題?？朔盘杺髟斐傻臏?，電動儀表不存在這方面的問題?？朔盘杺魉蜏?，可采取以下措施：送滯后，可采取以下措施： 1)1)盡量縮短氣動信號傳遞管線，一般不能超過盡量縮短氣動信號傳遞管線，一般不能超過300m300m。 2)2)應用氣一電轉換器，將氣壓信號變換為電信號傳送。

22、應用氣一電轉換器，將氣壓信號變換為電信號傳送。 3)3)在氣壓管線上安裝氣動繼電器，或用氣動閥門定位在氣壓管線上安裝氣動繼電器，或用氣動閥門定位器，以提高氣壓信號的傳輸功率，減小信號傳送滯后。器，以提高氣壓信號的傳輸功率，減小信號傳送滯后。三、測量信號的處理三、測量信號的處理 這包括對測量信號進行這包括對測量信號進行線性化處理和濾波處理線性化處理和濾波處理等。等。 例如，對例如，對差壓流量信號差壓流量信號進行開平方處理，對進行開平方處理，對熱電偶信號熱電偶信號進行折線化處理進行折線化處理等實現測量信號的線性化。等實現測量信號的線性化。 而關于測量信號的濾波，可以采用而關于測量信號的濾波，可以采

23、用模擬電路模擬電路，如由運算，如由運算放大器構成的放大器構成的低通、高通、帶通或帶阻濾波電路低通、高通、帶通或帶阻濾波電路，也可以采，也可以采用計算機構成的用計算機構成的軟件濾波算法來消除噪聲軟件濾波算法來消除噪聲( (干擾干擾) )。 數字濾波數字濾波是一種程序濾波，即利用計算機自身能夠進行是一種程序濾波，即利用計算機自身能夠進行運算與判斷的特點，通過計算機軟件濾去干擾信號，以提高運算與判斷的特點，通過計算機軟件濾去干擾信號，以提高信號的真實性。采用數字濾波可以消除低頻干擾。信號的真實性。采用數字濾波可以消除低頻干擾。 一般常用的數字濾波方法有一般常用的數字濾波方法有4 4種：種：算術平均值

24、濾波算術平均值濾波、程程序判斷濾波序判斷濾波、中位值法濾波中位值法濾波。(1)(1)算術平均值濾波算術平均值濾波 算術平均值濾波又稱為遞推平均濾波，它對算術平均值濾波又稱為遞推平均濾波，它對周期性周期性等等幅振蕩的干擾有較明顯的濾波效果。其公式為幅振蕩的干擾有較明顯的濾波效果。其公式為 式中式中 為為n n次采樣的平均值，即濾波器的輸出；次采樣的平均值，即濾波器的輸出；X Xi i為第為第i i次的采樣值，即濾波器的輸入；次的采樣值，即濾波器的輸入；n n為采樣次數。為采樣次數。(2)(2)程序判斷濾波程序判斷濾波 當當 時，則時，則X Xi i為輸入計算機的采樣值；當為輸入計算機的采樣值；當

25、時，則將時，則將X Xi-1i-1采樣值作為第采樣值作為第i i次采樣值輸入計算機。次采樣值輸入計算機。 式中式中X Xi-1i-1為上次采樣值；為上次采樣值；X Xi i為本次采樣值；為本次采樣值；B B為閾值，為閾值，B B值的選擇主要決定于對象被測參數的變化速度。值的選擇主要決定于對象被測參數的變化速度。 程序判斷濾波可以有效濾除現場的隨機干擾程序判斷濾波可以有效濾除現場的隨機干擾。BXXii1niixnY11BXXii1Y (3) (3)中值法濾波中值法濾波 連續(xù)采樣三次以上的值，從中選擇大小居中的那個值連續(xù)采樣三次以上的值，從中選擇大小居中的那個值作為有效的測量信號，對某些變化速度不

26、是太快的參數，作為有效的測量信號，對某些變化速度不是太快的參數，為了去掉干擾脈沖，經常采用這種濾波方法。為了去掉干擾脈沖，經常采用這種濾波方法。 第三節(jié)第三節(jié) 溫度檢測溫度檢測一、熱電偶一、熱電偶 熱電偶：熱電偶：利用兩種不同的金屬連接在一起，當節(jié)點處溫度變利用兩種不同的金屬連接在一起，當節(jié)點處溫度變化時，應用其兩端產生電勢變化的原理而制成的傳感器?；瘯r，應用其兩端產生電勢變化的原理而制成的傳感器。 熱電極熱電極 測量端測量端 參考端參考端二、熱電偶測溫的工作原理二、熱電偶測溫的工作原理 1 1、熱電效應：、熱電效應：將兩種不同的金屬組成閉合回路，且使兩接將兩種不同的金屬組成閉合回路，且使兩接

27、觸點溫度不同，回路中會產生電流，表明回路中有電勢產生，觸點溫度不同，回路中會產生電流，表明回路中有電勢產生，這種物理現象稱為這種物理現象稱為熱電效應熱電效應或塞貝克或塞貝克(Seebeck(Seebeck) )效應。效應?；芈分械目傠妱莅ǎ夯芈分械目傠妱莅ǎ航佑|電勢接觸電勢珀爾貼珀爾貼(Peltier(Peltier) )電勢電勢溫差電勢溫差電勢湯姆遜湯姆遜(Thomson)(Thomson)電勢電勢珀爾貼電勢珀爾貼電勢接觸電勢接觸電勢 自由電子自由電子密度不同密度不同的兩種金屬接觸，在接觸點處由于的兩種金屬接觸，在接觸點處由于電子的電子的擴散擴散現象形成現象形成接觸（珀爾貼接觸（珀爾貼P

28、eltierPeltier ）電勢）電勢，此現，此現象稱為象稱為珀爾貼效應珀爾貼效應。接觸電勢為：接觸電勢為：BTATABnnekTTEln)(00ln)(00BTATABnnekTTE總接觸電勢：總接觸電勢：00lnln)()(00BTATBTATABABnnekTnnekTTETE)(TEAB)(0TEAB其中其中e e為電子的電量為電子的電量,K,K為波爾茲曼常數為波爾茲曼常數,n,nATAT、n nBTBT為為T T端端A A、B B金屬的自由電子的密度。金屬的自由電子的密度。湯姆遜電勢湯姆遜電勢溫差電勢溫差電勢 均質導體兩端均質導體兩端溫度不相等溫度不相等時，由于導體內自由電子從高時

29、，由于導體內自由電子從高溫端向低溫端的溫端向低溫端的擴散擴散，在其兩端形成的電勢稱為，在其兩端形成的電勢稱為溫差（湯姆溫差（湯姆遜遜ThomsonThomson）電勢）電勢，此現象稱為，此現象稱為湯姆遜效應湯姆遜效應。TTAAdTTTE0),(0導體導體A A中的中的湯姆遜湯姆遜電勢電勢： 式中，式中， A A為導體為導體A A中的中的湯姆遜系數湯姆遜系數。),(0TTEA)(TEAB),(0TTEA),(0TTEB)(0TEABTTAAdTTTE0),(0TTBBdTTTE0),(0導體導體A A、B B中的中的湯姆遜湯姆遜電勢電勢： 總電勢：總電勢：接觸電勢接觸電勢( (珀爾貼電勢珀爾貼電

30、勢) )：BTATABnnekTTEln)(00ln)(00BTATABnnekTTEdTnnekTnnekTTTETETTETETTETTABBTATBTATAABBABAB000)(lnln),()(),()()(00000，)()()(ln)(ln)()(lnln)()(lnln)(lnln)()()()(00000000000000000000000000TETEdTnnekTdTnnekTdTdTnnekTnnekTdTdTnnekTnnekTdTnnekTnnekTdTTETETTEABABTABBTATTABBTATTABTABBTATBTATTABTABBTATBTATTTAB

31、BTATBTATTTABABABAB，當當TT0TT0時，總的熱電勢為：時，總的熱電勢為： 稱為冷端電勢稱為熱端電勢)()(0TETEABAB1.1.均質導體定律均質導體定律 兩種均質金屬組成的熱電偶，其熱電勢大小與熱電極兩種均質金屬組成的熱電偶，其熱電勢大小與熱電極直直徑徑、長度長度及熱電極及熱電極長度上的溫度長度上的溫度分布無關，只與熱電極材料分布無關，只與熱電極材料和兩端溫度有關。和兩端溫度有關。 如果材質不均勻，則當熱電極上各處溫度不同時，將產如果材質不均勻，則當熱電極上各處溫度不同時，將產生附加熱電勢，造成無法估計的測量誤差，生附加熱電勢，造成無法估計的測量誤差，三、三、 熱電偶的基

32、本定律熱電偶的基本定律2 2中間溫度定律中間溫度定律 熱電偶的接點溫度為熱電偶的接點溫度為T T、T T0 0時，時，其熱電勢等于該熱電偶在接點溫度其熱電勢等于該熱電偶在接點溫度為為T T、T Tn n。和。和T Tn n、T T0 0時相應的熱電勢時相應的熱電勢的代數和的代數和, ,即即 這個定律可用于熱電偶的串聯(lián)，這個定律可用于熱電偶的串聯(lián)，測量總溫或平均溫度。測量總溫或平均溫度。),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB3 3中間導體定律中間導體定律 在熱電偶的參考端接人第三在熱電偶的參考端接人第三種均質金屬種均質金屬, ,若被插入金屬兩端若被插入金屬兩端溫度相同，則回路總

33、熱電勢為三溫度相同，則回路總熱電勢為三個接觸電勢與溫差電勢的代數和，個接觸電勢與溫差電勢的代數和，表示為表示為 由此可見引入第三個導體由此可見引入第三個導體C C后，只要保持后，只要保持C C兩端溫度相等，兩端溫度相等，不會影響回路中熱電勢的大小，即中間導體定律。不會影響回路中熱電勢的大小，即中間導體定律。 同樣可知若再插入第四種、第五種同樣可知若再插入第四種、第五種均質導體，只要均質導體，只要所插入的導體兩端溫度都與參考點相同，都不會影響原來熱所插入的導體兩端溫度都與參考點相同，都不會影響原來熱電勢的大小。電勢的大小。 因此我們可以用銅線將毫伏表接入熱電偶回路。使銅線因此我們可以用銅線將毫伏

34、表接入熱電偶回路。使銅線兩接點溫度一致，就可對熱電勢進行測量。兩接點溫度一致，就可對熱電勢進行測量。4. 4. 標準（參考）電極定律標準（參考）電極定律 如果兩種導體（如果兩種導體（A A，B B）分別與第三種）分別與第三種C C組合成熱電組合成熱電偶的熱電勢已知，則由這兩種導體（偶的熱電勢已知，則由這兩種導體（A A，B B）組成熱電偶組成熱電偶的熱電勢也就已知。即的熱電勢也就已知。即)()()(000TTETTETTEBCACAB，上式說明上式說明: : 兩種金屬組成熱電偶的熱電勢可以用它們分別與第兩種金屬組成熱電偶的熱電勢可以用它們分別與第三種金屬組成熱電偶的熱電勢之差來表示，這一定律即

35、三種金屬組成熱電偶的熱電勢之差來表示，這一定律即為為標準電極定律標準電極定律。 工程上常以鉑、銅等作為標準電極，若已知多種金工程上常以鉑、銅等作為標準電極，若已知多種金屬對標準電極的熱電勢，即可求出各種金屬間任意組成屬對標準電極的熱電勢，即可求出各種金屬間任意組成熱電偶的熱電勢。熱電偶的熱電勢。 當兩熱電極固定以后（即當兩熱電極固定以后（即n nA A、n nB B、 A A、 B B為常數）。為常數）。熱電偶熱電偶測溫原理測溫原理)(ln)(ln)()()()(000000000dTnnekTdTnnekTdTTETETTETABBTATTABBTATTTABABABAB，當當T T0 0保

36、持不變時保持不變時CTETETETTEABABABAB)()()()(00，四、熱電偶的種類和結構四、熱電偶的種類和結構1 1熱電極材料的基本要求熱電極材料的基本要求 熱電極是感溫元件，熱電極是感溫元件，基本要求：基本要求： 熱電勢足夠大，測溫范圍寬、線性好；熱電勢足夠大，測溫范圍寬、線性好； 熱電特性穩(wěn)定；熱電特性穩(wěn)定； 性能穩(wěn)定，不易氧化、變形和腐蝕；性能穩(wěn)定，不易氧化、變形和腐蝕； 電阻溫度系數電阻溫度系數 、電阻率、電阻率??；?。?易加工、復制性好；易加工、復制性好； 價廉價廉 2 2 熱電偶的分類熱電偶的分類 熱電偶的分類及其性能，見下表。熱電偶的分類及其性能，見下表。 3. 3.

37、熱電偶的絕緣方法熱電偶的絕緣方法熱電偶電極的絕緣方法熱電偶電極的絕緣方法（a a）裸線熱電偶；（）裸線熱電偶；（b b）珠形絕緣熱電偶；）珠形絕緣熱電偶；（c c）雙孔絕緣子熱電偶；（）雙孔絕緣子熱電偶；（d d）石棉絕緣管熱電偶）石棉絕緣管熱電偶 普通型熱電偶普通型熱電偶普通型熱電偶結構見圖普通型熱電偶結構見圖引線口不銹鋼套管接線盒焊點 瓷絕緣套管安裝固定件普通型熱電偶結構普通型熱電偶結構. . 熱電偶的類型熱電偶的類型五、熱電偶的冷端補償及處理五、熱電偶的冷端補償及處理 熱偶標準分度表是以熱偶標準分度表是以T T0 000為參考溫度條件下測試制為參考溫度條件下測試制定的，若定的，若T T0

38、 000，則應進行，則應進行冷端補償冷端補償，其補償方法：，其補償方法： 1. 1. 補償導線補償導線 利用補償導線代替熱電極，引到溫度較穩(wěn)定的利用補償導線代替熱電極，引到溫度較穩(wěn)定的T T0 0端測端測試。要求：在一定的溫度范圍內，補償導線與配對的熱電試。要求：在一定的溫度范圍內，補償導線與配對的熱電偶具有相同或相近的偶具有相同或相近的熱電特性熱電特性。 2.2.冰浴冰浴法法 將熱電偶冷端置于冰水混合物的將熱電偶冷端置于冰水混合物的00恒溫器內，使其工恒溫器內，使其工作與分度狀態(tài)達到一致。作與分度狀態(tài)達到一致。 下圖是延長導線法和冰浴法的一個實例。下圖是延長導線法和冰浴法的一個實例。圖圖5-

39、95-9冷端處理的延長導線法和冷端處理的延長導線法和冰浴法冰浴法3.3.冷端溫度校正法冷端溫度校正法)0()()0(00，tEtTETEABABAB例如：鉑銠例如：鉑銠鉑熱電偶測溫，參考冷端溫度為室鉑熱電偶測溫，參考冷端溫度為室2121，測得，測得mVTEAB465. 0)21(，查表查表mVEAB119. 0)021(，則則mVTEAB584. 0119. 0465. 0)0(，由此查分度表由此查分度表 T T9292 若直接用若直接用0.465mV0.465mV查表，則查表，則T T7575。 4.4.補償電橋法補償電橋法 原理：原理：電橋輸出電壓電橋輸出電壓U(TU(T0 0 ,0 )=

40、 E ,0 )= EABAB(T(T0 0 ,0) ,0)，自動補償。，自動補償。 補償電路：補償電路：如圖如圖5-105-10所示。圖中所示。圖中R R1 1、R R2 2、R R3 3、R RW W為錳銅電阻，阻值為錳銅電阻，阻值幾乎不隨溫度變化，幾乎不隨溫度變化，R RCuCu為銅電阻，電阻值隨溫度升高而增大。為銅電阻，電阻值隨溫度升高而增大。T T0 0=0=0時，時，R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=RCuCu，電橋輸出，電橋輸出U Uabab=0=0，對熱電偶電勢無影響。，對熱電偶電勢無影響。T T0 000時，時，U Uabab00，U Uabab =E =EABAB

41、(T(T0 0 ,0) ,0)，熱電偶的熱電勢得到自動補償。，熱電偶的熱電勢得到自動補償。圖圖5-10 5-10 冷端溫度補償線路圖冷端溫度補償線路圖六、六、 熱電偶誤差分析熱電偶誤差分析 1 1測量基本誤差：測量基本誤差： （1 1）分度誤差：工業(yè)用熱電偶與標準熱電偶分度之間誤）分度誤差：工業(yè)用熱電偶與標準熱電偶分度之間誤差；差； （2 2）儀表誤差：測量儀表引入測量誤差；）儀表誤差：測量儀表引入測量誤差； （3 3）冷端處理誤差；）冷端處理誤差； （4 4）接線誤差：接線電阻影響，應選高內阻測量儀表；）接線誤差：接線電阻影響，應選高內阻測量儀表； （5 5）漏電誤差，必須保證良好絕緣。）漏

42、電誤差，必須保證良好絕緣。 2 2傳熱誤差傳熱誤差 熱電偶測溫存在熱交換平衡問題，存在熱電偶測量端溫熱電偶測溫存在熱交換平衡問題，存在熱電偶測量端溫度低于被測介質溫度現象，稱為傳熱誤差，應盡量減少熱電度低于被測介質溫度現象，稱為傳熱誤差，應盡量減少熱電偶的熱量損失。偶的熱量損失。 熱電阻傳感器定義：利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器。定義：利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器。主要檢測參數：溫度、與溫度有關的參量。主要檢測參數：溫度、與溫度有關的參量。分類：分類：1 1）金屬熱電阻（熱電阻）金屬熱電阻（熱電阻） 2 2）半導體熱電阻（熱敏電阻）半導體熱電阻（熱敏電阻）金屬熱電阻（熱電阻）金屬

43、熱電阻（熱電阻）材料：要求有較大的、穩(wěn)定的溫度系數，電阻材料：要求有較大的、穩(wěn)定的溫度系數，電阻 率率大，線性好，性能穩(wěn)定，便于生產大，線性好，性能穩(wěn)定，便于生產 （銅、鉑、鎳）。（銅、鉑、鎳）。特點：測溫精度較高，范圍廣（特點：測溫精度較高，范圍廣（-200-200600600），）， 穩(wěn)定性、重復性好。但熱慣性大，靈敏穩(wěn)定性、重復性好。但熱慣性大，靈敏 度低。度低。結構：熱電阻是由結構：熱電阻是由電阻體電阻體、絕緣套管絕緣套管和和接線盒接線盒等等 主要部件組成的，電阻絲是熱電阻的最主主要部件組成的，電阻絲是熱電阻的最主 要部分。要部分。 阻值與溫度的函數關系為阻值與溫度的函數關系為: :)

44、1 (20BtAtRRt)8500(00CC)100(1 320ttCBtAtRRt)0200(00CC其中：其中：A, B, C A, B, C 為常數為常數12731022. 410847. 51096847. 3CBA（一）鉑電阻（一）鉑電阻材料：材料：0.020.020.07mm Pt0.07mm Pt絲繞在云母等絕緣骨架上，裝入保護套管，絲繞在云母等絕緣骨架上，裝入保護套管，接出引線，接出引線， 圖圖6 66 6 鉑熱電阻的結構鉑熱電阻的結構特點：特點：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。我國分度：我國分度： 結構：結構：用很細的鉑絲繞在云母片制成的支架上，鉑絲繞

45、組的出線端與用很細的鉑絲繞在云母片制成的支架上，鉑絲繞組的出線端與銀絲引出線相焊，并穿上瓷套管加以絕緣和保護。銀絲引出線相焊，并穿上瓷套管加以絕緣和保護。（二）其他熱電阻（二）其他熱電阻4 4）銅電阻）銅電阻適用范圍：適用范圍：-50-501501500 0C ,C ,精度要求不高的場合精度要求不高的場合優(yōu)點：優(yōu)點：銅的電阻與溫度呈線性關系銅的電阻與溫度呈線性關系電阻溫度系數高電阻溫度系數高易提純，價格便宜易提純，價格便宜缺點：機械強度不高、易氧化等缺點：機械強度不高、易氧化等, , 溫度范圍小。溫度范圍小。阻值與溫度的函數關系為阻值與溫度的函數關系為: :.25.25.28.281010-3

46、 -3 / /0 0C C 分度號分度號: : WZG WZG型（常用銅熱電阻）型（常用銅熱電阻）3 3）其它金屬熱電阻：銦電阻，錳電阻，碳電阻）其它金屬熱電阻：銦電阻，錳電阻，碳電阻)1 (0tRRt4 4）熱敏電阻）熱敏電阻三、三、 溫度變送器溫度變送器 ( (一一) )概述概述 溫度變送器可與各種分度號的溫度變送器可與各種分度號的熱電偶熱電偶或或熱電阻熱電阻配合使配合使用，將被測溫度轉換成統(tǒng)一的標準電流用，將被測溫度轉換成統(tǒng)一的標準電流( (或電壓或電壓) )信號，作信號，作為顯示儀表或調節(jié)器的輸入，以實現對被測溫度的顯示、為顯示儀表或調節(jié)器的輸入，以實現對被測溫度的顯示、記錄或自動控制。記錄或自動控制。 DDZDDZ一一型溫度變送器為例，它的品種有：型溫度變送器為例，它的品種有：直流毫伏變直流毫伏變送器、送器、熱電偶溫度變送器熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器熱電阻溫度變送器