溫度檢測及其報警裝置

1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書引 言人類已經(jīng)進(jìn)入21世紀(jì)，社會文明不斷進(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。社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展為自動化的應(yīng)用開辟了無限廣闊的前景，自動化技術(shù)的應(yīng)用正迅速滲透到各行各業(yè)，檢測裝置是生產(chǎn)過程自動化和經(jīng)營管理現(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單的自動控制系統(tǒng)設(shè)計和應(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、壓力檢測、流量檢測等系統(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)過程中工質(zhì)狀態(tài)的一個基本物理量，它在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域是一個很重要的物理參數(shù)，自然界中任何物理、化學(xué)過程都緊密地與溫度相聯(lián)系。隨著社會的不斷進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，在很多生產(chǎn)過程中，溫度測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，因此在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域中受到了相當(dāng)?shù)闹匾?。本文第一章為溫度檢測及其報警裝置概述，簡單介紹了溫度檢測裝置的構(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)、測溫基本原理以及基本定律和測溫誤差；第三章為以熱電偶溫度變送器為核心的溫度檢測裝置，主要介紹了溫度檢測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。第四章是對報警裝置的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)地說明。由于本人缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計中有不妥之處，希望老師見諒并指正。第一章 溫度檢測及其報警裝置概述一般，自動控制系統(tǒng)都是負(fù)反饋控制系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中，至少包括四個基本組成部分，即被控制對象、檢測裝置（主要指變送器）、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中檢測裝置是自動控制系統(tǒng)的重要組成部分。任何一個針對物理過程的負(fù)反饋控制系統(tǒng)，檢測裝置都

4、是不可或缺的。而報警裝置則是保證工業(yè)生產(chǎn)安全進(jìn)行的前提。本設(shè)計主要完成一個溫度檢測及其報警裝置的設(shè)計，該設(shè)計總體上按照先檢測后報警的思路分成兩部分完成。第一部分是溫度檢測裝置的設(shè)計，與各種熱電阻或熱電偶配合使用。將溫度信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，作為報警裝置的輸入信號，以實(shí)現(xiàn)對溫度變量的檢測；第二部分是報警裝置的設(shè)計，當(dāng)檢測到的溫度信號超出給定范圍時，報警裝置發(fā)出報警信號。1.1 溫度檢測裝置簡介溫度檢測裝置在線路結(jié)構(gòu)上分為量程單元和放大單元兩個部分，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，而量程單元則隨品種、測量范圍的不同而異。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，它包括測量部分（即輸入轉(zhuǎn)換部分）、放大器和反饋部分。圖1-1 檢測裝置構(gòu)成原理圖測量部分用以檢測被測變量小，并將其轉(zhuǎn)換成能被放大器接受的輸入信號（電壓、電流、位移、作用力或力矩等信號）。反饋部分則把檢測裝置的輸出信號轉(zhuǎn)換成反饋信號進(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。由圖1-1可以求得檢測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，式（1-1）變?yōu)?（1-2）式（1-1）表明，在的條件下，檢測裝置輸出與輸入之間的關(guān)系取決于測量部分和反饋部分的特性，而與放大器的特性幾乎無關(guān)。如果轉(zhuǎn)換系數(shù)和反饋系數(shù)是常數(shù)，則檢測裝置的輸出與輸入將保持良

6、好的線性關(guān)系。檢測裝置的輸入輸出特性示于圖1-2中，、分別為被測變量的上限值和下限值，也即檢測裝置測量范圍的上下限值（圖中）；和分別為輸出信號的上限值和下限值。它們與統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號的上、下限值相對應(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)遷移檢測裝置涉及的另一個共性問題是量程調(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）的目的是使檢測裝置輸出信號的上限值（即統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號的上限值）與測量范圍的上限值相對應(yīng)。量程調(diào)整相當(dāng)于改變輸入輸出特性的斜率，也就是改變檢測裝置輸出信號與被測變量之間的比例系數(shù)。量程調(diào)整通常是通過改變反饋系數(shù)F的大小來實(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，都是使檢測裝置輸出信號的下限值（即統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號的下限值）與測量范圍的下限值相對應(yīng)。在時，為零點(diǎn)調(diào)整；在時，為零點(diǎn)遷移。也就是說零點(diǎn)調(diào)整使檢測裝置的測量起始點(diǎn)為零，而零點(diǎn)遷移則是把測量起始點(diǎn)由零遷移到某一數(shù)值（正值或負(fù)值）。當(dāng)測量起始點(diǎn)由零變?yōu)槟骋徽?，稱為正遷移；反之，當(dāng)測量起始點(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，可以提高儀表的測量靈敏度。由式（1-2）可知，測量裝置零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移可通過改變調(diào)零信號

8、的大小來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)為負(fù)時可實(shí)現(xiàn)正遷移；而當(dāng)為正時可實(shí)現(xiàn)負(fù)遷移。1.3 報警裝置簡介 本設(shè)計所介紹的報警電路主要是輸入回路和偏差報警單元電路兩部分。檢測裝置檢測到的現(xiàn)場溫度作為此單元電路的輸入信號，偏差報警單元把輸入信號與給定值進(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)到報警鈴或報警燈上。第二章 溫度檢測裝置元件的介紹溫度檢測裝置與各種熱電偶或熱電阻配合使用，將溫度信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號作為指示、記錄儀或調(diào)節(jié)器的輸入信號，以實(shí)現(xiàn)對溫度變量的顯示、記錄或自動控制。2.1 熱電偶概述 熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。它能把溫度信號轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的電信號，便于信號的遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換

9、測量，因此，它在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中被廣泛用于測量溫度。其優(yōu)點(diǎn)是：（1）精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，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)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800（如鎢-錸）。（3）簡單，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。如果被測介質(zhì)對熱電偶不會發(fā)生侵蝕作用，

10、也可不用保護(hù)套管，以減少接觸測溫誤差與滯后。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)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(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合的測量。我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結(jié)構(gòu)要求如下：（1）熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；（2）各個熱電極彼此之間應(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。1.普通型熱電偶（1）熱電極：熱電極的直徑由材料的價格、機(jī)械強(qiáng)度、電導(dǎo)率以及熱電偶的用途和測量范圍等決定。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 。熱電偶的長度根據(jù)熱端在介質(zhì)中的插入深度來決定，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接線柱，以便連接補(bǔ)償導(dǎo)線或?qū)Ь€。對保護(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)生對熱電極有害的氣體。目前還沒有一種材料能同時滿足上述要求，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。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 ，長度為120mm ，外徑最細(xì)的有0.2mm ，長度最長的有超過100mm的。它測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、管壁厚時測溫上限可高些。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量；動態(tài)響應(yīng)快，可測量瞬變的表面溫度。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。我國研制成的鐵-鎳薄膜熱電偶的長、寬、厚的尺寸分別是60、6、0.2mm ，金屬薄膜厚度在36m 之間，測量范圍為0300，時間常數(shù)小于0.01s 。如果將熱電極材料直接蒸鍍到被測表面上，其時間常數(shù)可達(dá)微秒級，可用來測量變化極快

15、的溫度。也可將薄膜熱電偶制成針狀，針尖處為熱端，可用來測量點(diǎn)的溫度。2.1.2 熱電現(xiàn)象和熱電偶測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，在這個閉合回路中，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個接點(diǎn)1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，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)來工作的。熱電勢是由溫差電勢和接觸電勢組成的。溫差電勢是一根導(dǎo)體上因兩端溫度不同而產(chǎn)生的熱電動勢，當(dāng)同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時，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、溫端之間形成一個從高溫端指向低溫端的靜電場。該電場阻止電子從高溫端跑向低溫端，同時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)時在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生一個相應(yīng)的電位差，該電位差稱為溫差電勢。溫差電勢只與導(dǎo)體性質(zhì)和導(dǎo)體兩端溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體長度、截面大小、沿導(dǎo)體長度上的溫度分布無關(guān)。接觸電勢是在兩種不同的導(dǎo)體A、B接觸時產(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A到B的靜電場。這

17、個電場將阻礙電子擴(kuò)散的繼續(xù)進(jìn)行，同時加速電子向相反方向轉(zhuǎn)移，最后達(dá)到動態(tài)平衡。在動態(tài)平衡狀態(tài)時A、B之間形成一個電位差，這個電位差稱為接觸電勢，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。一個由A、B兩種均勻?qū)w組成的熱電偶，當(dāng)兩個接點(diǎn)溫度分別為和時，按順時針取向，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢（，）為： （2-1）式中：表示總的熱電勢，下腳標(biāo)A、B表示產(chǎn)生熱電勢的兩種導(dǎo)體（或半導(dǎo)體），、代表兩接點(diǎn)的溫度，下腳標(biāo)的順序表示電動勢的方向是由前者指向后者。及表示接觸電勢，溫差電勢二者合成的分電動勢，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、時上式可寫為： （2-2）即熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只和溫度有關(guān)。因此，測量熱電勢的大小，就可求得溫度的數(shù)值了，這就是用熱電偶測量溫度的工作原理。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量溫度時，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。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，回路如

19、產(chǎn)生熱電勢，便說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，對回路的熱電勢就沒有影響。對于任何熱電偶接點(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。（2）如果兩種導(dǎo)體A、B對另一種參考導(dǎo)體C的熱電勢為已知，則這兩種導(dǎo)體組成熱電偶的熱電勢是它們對參考導(dǎo)體熱電勢的代數(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。這個結(jié)論大大簡化了熱電偶的選配工作。只要取得一些熱電極與標(biāo)準(zhǔn)鉑電極配對的熱電勢，其中任何兩種熱電極配對時的熱電勢就可通過計算求得。3.連接溫度（或中間溫度）定律接點(diǎn)溫度為和的熱電偶，它的熱電勢等于接點(diǎn)溫度分別為、和、的兩個同性質(zhì)的熱電偶的熱電勢的代數(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)于把熱電偶延長而不影響熱電偶應(yīng)有的熱電勢，這就為工業(yè)測溫中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。在測溫時，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，使冷端遠(yuǎn)離熱端，并連同測量儀表一起放置到恒溫或溫度波動較小的地方（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)，可用它們來做熱電偶的延長線。我國規(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 熱電偶的測溫誤差用熱電偶測溫，其誤差來源與其它儀表相似，也由兩部分組成：熱電偶溫度計的基本誤差和它的附加誤差?；菊`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 作為測溫元件的熱電偶，由于采用的測溫方法不同，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，則測量精度高。這個允許范圍不是人

23、為簡單規(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)本國有代表性生產(chǎn)熱電偶絲廠生產(chǎn)產(chǎn)品的實(shí)測結(jié)果以及考慮到多方面因素確定下來的，一旦允許偏離的程度確定了，這個誤差大小就成了采用這個熱電偶的基本誤差。（2）采用上一級標(biāo)準(zhǔn)單獨(dú)分度用上一級標(biāo)準(zhǔn)對工作熱電偶單獨(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，熱電偶的分度誤差大致可包括以下幾部分：上級標(biāo)準(zhǔn)儀表的傳遞誤差；熱電偶分度時內(nèi)插計算誤差；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；分度時電測儀表的誤差。上級標(biāo)準(zhǔn)儀表的傳遞誤差決定于所選標(biāo)準(zhǔn)的等級。不穩(wěn)定性是反映熱電偶熱電特性隨時間變化大小的一個指標(biāo)。在很多情況下它是熱電偶誤差主要來源之一，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。由于沿電極溫場分布變化，將使具有不均勻性電極產(chǎn)生附加電動勢等等?；蚴菃为?dú)分度，當(dāng)使用時沿電極溫場分布與分度時溫場分布不同也要產(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熱電偶的處理有關(guān)。大多數(shù)熱電偶在開始使用時本身的附加誤差并不大，而在使用一段

25、時間后，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，對電極的影響將明顯影響熱電偶的輸出電動勢，在精密測量時應(yīng)特別注意。其次，氧化還原也是很多熱電偶穩(wěn)定性變壞的一個原因。 有些含銅、康銅等電極的熱電偶，溫度較高時明顯氧化，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，都會導(dǎo)致熱電偶附加誤差的增大。產(chǎn)生附加誤差的另一個因素是保護(hù)管絕緣不好。有些材料在較低溫度時，表現(xiàn)有良好的絕緣性，而到高溫，電阻率明顯下降，給電動勢測量帶來誤

26、差。從上述分析可知，附加誤差的來源很多，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，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流而影響測溫的準(zhǔn)確性；熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100；熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避開強(qiáng)磁場和強(qiáng)電場，所以不應(yīng)把熱電偶和動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介質(zhì)很少流動的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)用熱電偶測量管內(nèi)氣體溫度時，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，這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾，由此引起的誤差有時可達(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溫度的變化，在進(jìn)行快速測量時這種影響尤為突

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。測溫環(huán)境許可時，甚至可將保護(hù)管取去。由于存在測量滯后，用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較爐溫波動的振幅小。測量滯后越大，熱電偶波動的振幅就越小，與實(shí)際爐溫的差別也就越大。當(dāng)用時間常數(shù)大的熱電偶測溫時，儀表顯示的溫度雖然波動很小，但實(shí)際爐溫的波動可能很大。為了準(zhǔn)確的測量溫度，應(yīng)當(dāng)選擇時間常數(shù)小的熱電偶。時間常數(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。在較精密的溫度測量中，使用無保護(hù)套管的裸絲

29、熱電偶，但熱電偶容易損壞，應(yīng)及時校正及更換。4.熱阻誤差高溫時，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)，這時溫度示值比被測溫度的真值低。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器。它已廣泛應(yīng)用于中、低溫范圍內(nèi)的溫度測量，一般常用于 -200500的測量。隨著測溫技術(shù)的發(fā)展，電阻溫度計的測溫范圍在不斷擴(kuò)大。低溫方面已成功地應(yīng)用于13K的溫度測量中，而高溫方面也出現(xiàn)了多種用于10001300的電阻溫度計。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的

30、基準(zhǔn)儀。電阻溫度計的優(yōu)點(diǎn)是：（1）測量精度高；（2）有較大的測量范圍，尤其在低溫方面；（3）易于使用在自動測量中，也便于遠(yuǎn)距離測量。這里指的測量精度高，主要是一些材料的電阻溫度特性穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好。目前電阻的測試技術(shù)已達(dá)到很高水平，因而可以保證足夠高的測溫精度。2.2.1 熱電阻測溫原理熱電阻測溫的原理是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化這一性質(zhì)來進(jìn)行溫度測量的。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)中工作時易被沾污變脆，另外它的價格較貴。主要因?yàn)樗笆龅膬?yōu)點(diǎn)，所以除作一般工業(yè)測溫元件外，還廣泛地應(yīng)用于溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)儀器中。2.銅熱電阻銅僅用來制造 -50180范圍內(nèi)的工業(yè)用電阻溫度計，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、測溫元件體積沒有什么特殊限制時，可以使用銅電阻溫度計。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。對熱電阻骨架材料的要求為：（1）在整個工作溫度范圍內(nèi)，有良好絕緣性；（2）體或線膨脹系數(shù)要小，保證測量中不會因?yàn)楣羌艿淖冃味鴰砀郊诱`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）在工作溫度下不會析出對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、不會對敏感元件有化學(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。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。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。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)部無空氣隙，熱慣性小，測量滯后小；（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。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端面的實(shí)際溫度，適用于測量軸瓦和其他機(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)場不會引起爆炸。隔爆型熱電阻可用于具有爆炸危險場所的溫度測量。2.2.4 熱電阻測溫系統(tǒng)的組成熱電阻測溫系統(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 熱電偶溫度檢測裝置溫度檢測裝置是把與溫度有關(guān)的電阻式溫度計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。測量輸入信號被轉(zhuǎn)換成與溫度成線性的輸出信號或被轉(zhuǎn)換成與電壓成線性的輸出信號，以實(shí)現(xiàn)對溫度變量的顯示、記錄和自動控制。根據(jù)檢測元件的不同，它可分為熱電偶溫度檢測裝置和熱電阻溫度檢測裝置。本章將重點(diǎn)介紹熱電偶溫度檢測裝置。3.1 溫度檢測裝置的結(jié)構(gòu)方框圖下面是溫度檢測裝置的結(jié)構(gòu)方框圖，圖中空心箭頭表示

38、供電回路，實(shí)線箭頭表示信號回路。毫伏輸入信號 或由測溫元件送來的反映溫度大小的輸入信號與橋路部分的輸出信號及反饋信號相疊加，送入集成運(yùn)算放大器。放大了的電壓信號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 溫度檢測裝置的結(jié)構(gòu)方框圖檢測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±0.5；負(fù)載電阻在0100范圍內(nèi)變化時，附加誤差不超過±0.5。3.2 熱電偶溫度檢測裝置的設(shè)計熱電偶溫度檢測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 熱電偶溫度檢測裝置結(jié)構(gòu)簡圖溫度檢測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溫元件相類似的特性，即非線性反饋，結(jié)果使被測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進(jìn)行電壓和功率放大，輸出統(tǒng)一的直流電流信號和直流電壓信號。同時，輸出電流又經(jīng)反饋部分轉(zhuǎn)換成反饋電壓信號，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。由于來自量程單元的輸入信號很小，且放大電路采用直接耦合方式，故對溫度漂移必須加以限制。為此應(yīng)對集成運(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)和儀表相對誤差的關(guān)系。漂移系數(shù)越大，引起的相對誤差就越大。當(dāng)溫度檢測裝置的最小量程為3mV，溫升為30，要求0.3%時，按式（3-2）就要求： （3-3）為了滿足這一要求，溫度檢測裝置中運(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，轉(zhuǎn)換成具有一定負(fù)載能力的電流信號。同時，通過隔離變壓器實(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，以便通過隔離變壓器傳遞信號。 在方波電壓的前半個周期（其極性如圖3-3所示），二極管導(dǎo)通，截止，由輸入信號產(chǎn)生電流；在后半個周期內(nèi)，二極管導(dǎo)通，截止，從而產(chǎn)生電流。由于和輪流通過隔離變壓器

42、的兩個繞組，于是在鐵心中產(chǎn)生交變磁通，這個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)流過的電流為420mA（其值與輸出電流相等）時，反饋電壓信號為0.21V，此電壓送至量程單元，經(jīng)過線性電阻網(wǎng)絡(luò)或經(jīng)過線性化環(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，采用隔離變壓器來傳遞信號。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）作為檢測裝置輸出電壓信號。穩(wěn)壓管的作用在于當(dāng)電流輸出回路斷線時，輸出電流可以通過而流向，從而保證電壓輸出信號不受影響。二極管的作用是當(dāng)輸出端6處出現(xiàn)異常正電壓時，二極管短路，將熔斷絲燒斷，從而對電路起保護(hù)作用。 4.直流交流直流（DC/AC/DC）變換器DC/AC/DC變換器用來對儀表進(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)過整流、濾波和穩(wěn)壓，提供直流電壓。在溫度檢測裝置中，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)上是一個磁耦合對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，太大會影響起振，太小則會使基極損耗增加。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，電源電壓通過為兩個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。由于兩個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，在兩個基極繞組和上分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢和，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，其管壓降極小，在此瞬時，可認(rèn)為電源電壓等于集電極繞組上的感應(yīng)電勢，于是可從下式得知基極繞組的感應(yīng)電勢大小： （3-4）因?yàn)楦袘?yīng)電勢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)，激磁電流亦隨時間線性增加。這時，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）隨時間線性增加的同時，基極電流將隨時間線性下降，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，基極電流的絕對值逐漸減小，直至使自飽和區(qū)退到放大區(qū)。此時集電極電流達(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）振蕩頻率對于理想的變壓器，當(dāng)晶體管集電極電流到達(dá)最大值時，罐形磁心接近飽和，即在時間內(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，其絕對值為：從電磁感應(yīng)公式可求得： （3-7）式中，為對應(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)系起來畫于圖3-7。而熱電偶溫度檢測裝置的整機(jī)線路可見電路圖3-4。1.溫度檢測裝置輸出與輸入關(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，它使流入危險場所的電能量限制在安全電平以下。用以濾除輸入信號中的交流分量。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?；鶞?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。鼘﹄娐返挠绊懣珊雎?，所以在計算反相輸入端的電壓時，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 熱電偶溫度檢測裝置量程單元電路原理圖 （3-9）在線路設(shè)計時，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，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，由此可以說明：（1）這一項(xiàng)表示了電路的調(diào)零信號，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，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范圍也即量程范圍愈小。改變可大幅度改變檢測裝置量程范圍。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)整了檢測裝置的輸入（量程）范圍，而且使調(diào)零信號也發(fā)生了變化，即調(diào)整量程會影響零位，這一情況與差壓式檢測裝置相同。另一方面，調(diào)整不僅調(diào)整了零位，而且滿度輸出也會相應(yīng)改變。因此在儀表調(diào)校時，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

51、裝置中，冷端溫度補(bǔ)償用了兩個銅電阻，這兩個電阻的阻值在0時都固定為50。當(dāng)選用的熱電偶型號不同時，需要調(diào)整阻值的是幾個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，由輸入信號和冷端溫度補(bǔ)償電勢兩部分組成。 （3-13）在電路設(shè)計時使，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，、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的變化。 從式（3-14）還可知，當(dāng)銅電阻的阻值增加時，補(bǔ)償電勢將增加的愈來愈快，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裝置和何種型號的熱電偶。對熱電偶溫度檢測裝置而言，已確定為7.5。和的阻值可按0時冷端補(bǔ)償電路為25mV和當(dāng)溫度變化t50時兩個條件進(jìn)行計算，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，等于兩端的電壓，固定為25mV，故可以0為基準(zhǔn)點(diǎn)，用毫伏信號來檢查檢測裝置的零點(diǎn)。當(dāng)B端子板上的與端子相連接時，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裝置的輸出信號（、）與被測溫度信號之間成

53、線性關(guān)系。熱電偶輸出的熱電勢與所對應(yīng)的溫度之間是非線性的，而且不同型號的熱電偶或同型號熱電偶在測溫范圍不同時，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，開始時呈下凹形，溫度升高后又變成上凸形的了。在測量范圍為01000時的最大非線性誤差，前者約為6，后者約為1。因此，為保證檢測裝置的輸出信號與被測溫度之間呈線性關(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，其中在熱電偶冷端溫度不變時為常數(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-