過程控制技術(shù)

關(guān)于過程控制技術(shù)圖2-1過程參數(shù)檢測儀表結(jié)構(gòu)

變送器，將敏感∕轉(zhuǎn)換元件的輸出電信號經(jīng)過加工調(diào)理，如放大、濾波或非線性處理等，變?yōu)楸阌趥鬏敽蛻?yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)電信號。對于DDZ-Ⅲ型電動組合儀表而言，該標(biāo)準(zhǔn)電信號為4～20mA的直流電流，或1～5V的直流電壓。該信號可以送往顯示儀表進(jìn)行顯示，或者反饋給控制器，或者傳輸給其它通信接口。

在實(shí)際測量過程中，由于測量設(shè)備精度的限制、測量方法的不同、測量環(huán)境的影響，都會使測量結(jié)果與測量的真實(shí)值不一致。測量結(jié)果與被測量真實(shí)值之差，就是測量誤差。其大小反映測量質(zhì)量的好壞。2.1.2測量誤差與分類

誤差公理的概念是：所有測量都有誤差，誤差自始至終存在于所有科學(xué)實(shí)驗(yàn)和測量實(shí)踐之中。人們研究測量誤差的目的就是尋找產(chǎn)生誤差的原因，認(rèn)識誤差的規(guī)律，找出減小誤差的方法和途徑，以獲得盡可能接近真實(shí)值的測量結(jié)果。測量誤差是不可避免的，測量的精度應(yīng)與測量的目的相符合，盲目追求精準(zhǔn)的測量結(jié)果，往往要付出很大的代價(jià)，其做法在實(shí)踐中并不可取。1.測量誤差的基本概念第2頁,共46頁，星期六，2024年，5月

真值（TrueValue）：被測物體在一定的時(shí)間及空間下，所體現(xiàn)的真實(shí)數(shù)值。它是一個理想的概念，客觀存在，但不可測量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測量結(jié)果的數(shù)值會不斷接近真值。在實(shí)際計(jì)量和測量工作中，常常使用“約定真值”和“相對真值”的概念。

（1）測量誤差的分類測量誤差目前有多種分類法，本文介紹的兩種是比較常見的，一是按表示方法分，二是按誤差性質(zhì)分。按表示方法分的誤差有：絕對誤差、相對誤差、引用誤差、滿度引用誤差和容許誤差等。1）絕對誤差（AbsoluteError,AbsE）：某一被測量的值x與真值的差其中，x為測量值，可用測量儀器的示值，標(biāo)準(zhǔn)量具的標(biāo)稱值，標(biāo)準(zhǔn)信號源的調(diào)定值；為被測量的2．測量誤差的分類與處理

示值（IndicatingValue）：由測量儀器給出或提供的量值，也稱測量值。

標(biāo)稱值（NominalValue）：計(jì)量或測量器具上的標(biāo)注值。如標(biāo)準(zhǔn)砝碼上標(biāo)出的1kg。它受制造、測量環(huán)境條件變化影響，標(biāo)稱值并不一定等于它的實(shí)際值，一般在給出標(biāo)稱值的同時(shí)也應(yīng)給出它的誤差范圍或精度等級

相對真值（RelativeTrueValue）：在滿足規(guī)定準(zhǔn)確度時(shí)，用來代真值使用的值，也稱實(shí)際值。

約定真值（ConventionalTrueValue）：按照國際公認(rèn)的單位定義，利用科技發(fā)展的最高水準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)的單位基準(zhǔn)值，它常以法律規(guī)定或指定的形式出現(xiàn)。例如，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，水的沸點(diǎn)是100℃，冰點(diǎn)是0℃。第3頁,共46頁，星期六，2024年，5月真值。由于其不可知性，常用約定真值或相對真值代替。在實(shí)際測量中，常用某一被測量多次測量的平均值，或上一級標(biāo)準(zhǔn)儀器測得的示值作約定真值，代替真值。絕對誤差不能說明測量質(zhì)量的好壞。2）相對誤差（RelativeError）：用來表示測量精度的高低。它又分為實(shí)際相對誤差和標(biāo)稱（示值）相對誤差。

實(shí)際相對誤差是用絕對誤差與被測量約定真值的百分比表示，即

標(biāo)稱（示值）相對誤差是絕對誤差與儀器示值的百分比值，該誤差是為了評價(jià)測量儀表精度而引入的，但實(shí)際中常用最大引用誤差（滿度引用誤差）來表述。

滿度引用誤差（簡稱滿度誤差）

其中，為絕對誤差最大值。

我國電工儀表中常用的儀表精度等級S是按滿度誤差分級，分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0七級。儀表精度的數(shù)字越小，精度越高。例如，某電壓表，則表示它的精度等級為2.5級，即滿度誤差不超過2.5%。假如此時(shí)電壓表量程為0～100V，則最大絕對誤差不超過±2.5V。4）容許誤差（AdmissibleError）：根據(jù)技術(shù)條件的要求，規(guī)定測量儀器誤差不應(yīng)超過的最大范圍。它是衡量儀器的重要指標(biāo)，儀器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度可用容許誤差來表示。它常用絕對誤差形式來第4頁,共46頁，星期六，2024年，5月表達(dá)。

按誤差性質(zhì)分，誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。

1）系統(tǒng)誤差（SystematicResiduals∕FixedError）：相同條件下，同一被測量被重復(fù)測量時(shí)，誤差固定不變，或按照一定規(guī)律變化的誤差。它定義為無限多次測量結(jié)果的平均值減去該被測量的真值。系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)是大小和方向恒定不變，或按一定規(guī)律變化。恒定不變的稱為恒值系統(tǒng)誤差，在誤差處理中可被修正；按一定規(guī)律變化的稱為變值系統(tǒng)誤差，在誤差估計(jì)時(shí)可歸結(jié)為系統(tǒng)不確定度。系統(tǒng)誤差的來源包括：測量設(shè)備的基本誤差、偏離額定工作條件產(chǎn)生的附加誤差、測量方法理論不完善帶來的方法誤差、以及試驗(yàn)人員主觀原因產(chǎn)生的誤差。

2）隨機(jī)誤差（AccidentalError∕RandomError）：在相同條件下，對同一物理量作多次重復(fù)測量時(shí)，受偶然因素影響而出現(xiàn)的沒有一定規(guī)律的測量誤差。它定義為測量示值減去在重復(fù)條件下同一被測量無限多次測量的平均值。引起隨機(jī)誤差的原因多方面的、微小的，且無法控制，一般用概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)描述和計(jì)算，它服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。3）粗大誤差（GrossError）：疏忽誤差，測量結(jié)果明顯偏離實(shí)值對應(yīng)的誤差。產(chǎn)生粗大誤差的原因可能有：讀數(shù)錯誤、記錄錯誤、計(jì)量器具有缺陷、實(shí)驗(yàn)條件的突變等。處理方法是從測量數(shù)據(jù)中剔除。在測量中，系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差是同時(shí)存在的，但它們對測量過程及結(jié)果的影響是不同的。同時(shí)，測量誤差的劃分是人為的、有條件的，不同測量場合，不同測量條件，誤差之間可以互相轉(zhuǎn)化。第5頁,共46頁，星期六，2024年，5月

（2）測量誤差的處理對誤差的處理：消除或減小。能夠消除的，應(yīng)該消除；消除不了的，或者要付出過高代價(jià)才能消除的，應(yīng)予以減小。系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)與處理往往比隨機(jī)誤差困難得多，對它的消除或減小應(yīng)考慮的幾方面：

從來源上考慮，如，選擇儀器設(shè)備、測量環(huán)境、測量條件、測量方法、人員素質(zhì)等；

利用修正法，對測量結(jié)果進(jìn)行修正，要定期檢查和校準(zhǔn)儀器；

采用一些特殊的測量技術(shù)和方法。對隨機(jī)誤差，根據(jù)隨機(jī)誤差的特點(diǎn)，多次測量，反復(fù)比較，用統(tǒng)計(jì)規(guī)律描述和確定。對粗大誤差，采用剔除數(shù)據(jù)的方法。

溫度是定量反映物體冷熱程度的物理量，自然界許多物質(zhì)的物理變化或化學(xué)變化都與溫度有關(guān)。溫度在工業(yè)生產(chǎn)過程中是一種基本的、常見的參數(shù)，對它的檢測與控制是實(shí)現(xiàn)眾多產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要條件，溫度在過程控制中一直受到重視。檢測溫度的方法不少，根據(jù)感受溫度的途徑不同，可分為接觸式測量和非接觸式測量。所謂接觸式測量，是測溫元件直接與被測物體接觸，通過熱交換感受被測物的冷熱程度及其變化；所謂非接觸式測量，就是感溫元件不直接與被測物體接觸，而是通過接受熱輻射或熱對流來實(shí)現(xiàn)測量。具體來說，接觸式測溫方法有：熱電偶測溫、電阻測溫、膨脹式測溫、壓力式測溫等；非接觸式2.2溫度檢測與變送2.2.1溫度檢測第6頁,共46頁，星期六，2024年，5月測溫方法主要有：亮度法、比色法、全輻射法和紅外輻射法等。詳見表2-1。表2-1測溫儀表分類及其特點(diǎn)測溫方法測溫原理溫度計(jì)名稱測溫范圍∕℃應(yīng)用場合接觸式體積變固體熱膨脹雙金屬溫度計(jì)-200～7000～300-20～600現(xiàn)場指示液體熱膨脹玻璃液體溫度計(jì)氣體熱膨脹壓力式溫度計(jì)熱阻效應(yīng)金屬熱電阻鉑、銅、鎳、銠鐵熱電阻-200～850液、氣體的中低溫測量，可遠(yuǎn)距離傳輸半導(dǎo)體熱敏電阻鍺、碳、金屬氧化物熱敏電阻熱電效應(yīng)普通金屬熱電偶銅-康銅、鎳鉻-鎳硅等熱電偶0～1800液、氣體的中高溫測量，可遠(yuǎn)距離傳輸貴重金屬熱電偶鉑銠-鉑、鉑銠-鉑銠等熱電偶難熔金屬熱電偶鎢-錸、鎢-鉬熱電偶非金屬熱電偶碳化物-硼化物等熱電偶

非接觸式熱輻射功率亮度法光學(xué)高溫計(jì)600～3200測火焰、爆炸物等危險(xiǎn)高溫場所全輻射法輻射高溫計(jì)比色法比色溫度計(jì)紅外輻射法光電高溫計(jì)紅外輻射溫度計(jì)第7頁,共46頁，星期六，2024年，5月

接觸式測溫儀表中，因膨脹引起體積變化的溫度計(jì)精度低、僅作現(xiàn)場指示用。熱電偶（ThermoelectricPair∕ThermoelectricCouple）和熱電阻（ThermalResistance）類的精度較高，輸出電信號也便于傳送，因而在工業(yè)生產(chǎn)中被大量采用。非接觸式測溫儀表測溫時(shí)遠(yuǎn)離溫度場，靈敏度高和響應(yīng)速度快，測溫上限可突破3000℃。但誤差大、受周圍環(huán)境干擾不小。溫標(biāo)是溫度的標(biāo)尺，度量單位，常用的有下面三種：

1.攝氏溫標(biāo)，單位為攝氏度（DegreeCentigrade/DegreeCelsius），用表示“℃”，該溫標(biāo)可用t表示。定義水的冰點(diǎn)為0℃，水的沸點(diǎn)為100℃，兩者之間均勻劃分100等份。

2.華氏溫標(biāo)，單位為華氏度（DegreeFahrenheit），用“℉”表示，該溫標(biāo)可用F表示。定義水的冰點(diǎn)為32℉，水的沸點(diǎn)為212℉，兩者之間均勻劃分為180等份。與攝氏溫標(biāo)的換算關(guān)系：3.國際實(shí)用溫標(biāo)，為熱力學(xué)溫度，單位為開爾文（Kelvin），用“K”表示，該溫標(biāo)可用符號T表示。與攝氏溫度的關(guān)系為：

2.2.2熱電偶

熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，主要用于中高溫場合，在冶金、建材、石油等生產(chǎn)行業(yè)被大量采用。

1.熱電偶的結(jié)構(gòu)與類型

熱電偶是由兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料焊接而成的，焊接的一端稱為熱端、測溫端或工作端，測溫時(shí)被插入測溫場中；另一端與導(dǎo)線或者顯示儀表連接，稱為冷端、參考端或自由端，測溫時(shí)被置于測溫場外。第8頁,共46頁，星期六，2024年，5月不論何種結(jié)構(gòu)，熱電偶一般都有熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等。普通型熱電偶將熱電極套上絕緣管，裝在保護(hù)套內(nèi)，連接通過接線盒引出，如圖2-2所示。圖2-2普通型熱電偶的結(jié)構(gòu)

工業(yè)常用熱電偶分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶規(guī)定了熱電動勢與溫度的關(guān)系、允許誤差和有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表，也有與之配套的顯示儀表供選用。按國際電工委員會（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）制定的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有8種，詳見表2-2；非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶沒有統(tǒng)一的分度表，一般用于特殊的場合。

另外，根據(jù)熱電偶安裝環(huán)境和場所的不同，熱電偶還分為普通型、鎧裝型、薄膜型、表面型和浸入型等。表2-2標(biāo)準(zhǔn)熱電偶第9頁,共46頁，星期六，2024年，5月

熱電偶名稱

分度號

測溫范圍∕℃特點(diǎn)適用場合鉑銠10-鉑S0～1700性能穩(wěn)定，抗氧化，測溫范圍廣，精度高，但線性度差，價(jià)格高精密測量，有氧化性和惰性氣體環(huán)境鉑銠30-鉑銠6B0～1700同上測高溫，不適宜還原性氣體場合

鎳鉻-鎳硅K-200～1300測溫范圍廣，熱電動勢大，線性度好，價(jià)格低廉，但穩(wěn)定性較上兩種差中高溫測量

鎳鉻-康銅E-200～1000熱電動勢大，中低溫穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉中低溫測量，有氧化性和惰性氣體環(huán)境

鐵-康銅J-200～1300熱電動勢較大，價(jià)格低廉多用于化工行業(yè)

銅-康銅T-200～400精度高，價(jià)格低廉，但易氧化低溫測量

鎳鉻硅-鎳硅N-200～1300高溫時(shí)穩(wěn)定性和使用壽命比K型好，性能與S型接近，價(jià)格低廉高溫場合

鉑銠13-鉑R0～1700熱電動勢較大，與S型熱電偶性能相近與S型熱電偶相同第10頁,共46頁，星期六，2024年，5月2.熱電偶的測溫原理

熱電偶的測溫原理是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。將兩種不同的導(dǎo)體A和B，組成一個閉合回路，如圖2-3所示，分別將兩端置于不同的溫度中，回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象就是熱電效應(yīng)。由兩個不同導(dǎo)體組成，并利用熱電效應(yīng)將溫度轉(zhuǎn)換為熱電動勢的傳感元件，就是熱電偶。

圖2-3熱電偶熱電效應(yīng)圖2-4熱電偶測溫示意圖

將兩根不同導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)A、B組成閉合回路，且A和B的連接點(diǎn)分別置于不同溫度場t和(假設(shè))，左邊溫度高的接點(diǎn)稱為熱端，右邊溫度低的接點(diǎn)稱為冷端。于是，回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，它包括接觸電動勢（ContactElectromotiveForce）和溫差電動勢（ThermalElectromotiveForce）。

接觸電動勢產(chǎn)生于導(dǎo)體A和B的接觸點(diǎn)上。由于材料不同，其電子密度也不一樣(設(shè)),

在兩者的接觸處就會有大量的自由電子擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果是導(dǎo)體A因失去電子而帶正電荷，導(dǎo)體B因得到電子而帶負(fù)電荷。擴(kuò)散的程度不僅與電子密度有關(guān)，而且還與溫度有關(guān)。最后在A、B接觸面上形成一個由A到B靜電場，它阻止擴(kuò)散繼續(xù)進(jìn)行。在確定的溫度下，如果從A移到B的電子數(shù)，與從B移到A的電子數(shù)相同，則達(dá)到了一種動態(tài)平衡，此時(shí)A、B間形成的電位差即為第11頁,共46頁，星期六，2024年，5月接觸電動勢，用表示，其大小不僅與材料有關(guān)，而且與溫度有關(guān)，溫度越高，自由電子越活躍，接觸電勢越高。同理，在另一端有。

溫差電動勢產(chǎn)生于同一導(dǎo)體A或B的兩端之間，這是因?yàn)閮啥说臏囟炔煌a(chǎn)生的電動勢，所以稱為溫差電動勢。由于同一導(dǎo)體的兩端溫度不同，自由電子具有不同的能量，高溫端電子能量大，向低溫端擴(kuò)散，于是高溫端帶正電，低溫端帶負(fù)電，形成一個由高溫端指向低溫端的靜電場。于是在導(dǎo)體兩端形成溫差電動勢和。溫差電動勢大小與材料和兩端點(diǎn)的溫度有關(guān)，但是與接觸電動勢比起來，它小很多，往往可以忽略不計(jì)。

于是，閉合回路熱電偶的總電動勢為（2-1）

對于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度恒定時(shí)，為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度t成單值函數(shù)關(guān)系，即

這一關(guān)系式在實(shí)際測量中是很有用的，即只要測出的大小，就能得到被測溫度t。3.熱電偶的幾條基本定律1）均質(zhì)導(dǎo)體定律（HomogeneousConductorLaw）由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸大小、形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。如果材料不均勻，當(dāng)導(dǎo)體上存在溫度梯度時(shí)，將會有附加電動勢產(chǎn)生。第12頁,共46頁，星期六，2024年，5月2）中間導(dǎo)體定律（MiddleConductorLaw）

在熱電偶測溫回路中接入第三種導(dǎo)體（中間導(dǎo)體），只要保證其兩端溫度相同，則對熱電偶的熱電動勢沒有影響。同理，熱電偶回路中接入多種導(dǎo)體后，如果接入的每種導(dǎo)體兩端溫度相同，則對熱電偶的熱電動勢沒有影響。熱電偶的這一特性，不但允許在其回路中接入電氣測量儀表（如圖2-4），而且也允許采用任何焊接方法來焊接熱電偶。3）中間溫度定律（MiddleTemperatureLaw）

在熱電偶測溫回路中，設(shè)為熱電極上某一點(diǎn)的溫度（中間溫度），熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、時(shí)的熱電勢等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t

、和、時(shí)的熱電勢和

的代數(shù)和

根據(jù)這一定律，設(shè)，則有

如果給出冷端為0℃時(shí)的熱電勢和溫度的關(guān)系（分度表），由可查得熱電動勢值，若測得冷端為任意溫度時(shí)的熱電動勢，則由式（2-2）可計(jì)算出

，并再次查分度表獲得所求溫度t。

（2-2）第13頁,共46頁，星期六，2024年，5月4.熱電偶的冷端補(bǔ)償

在溫度的實(shí)際測量中，處在同一地點(diǎn)的冷端溫度常常并不是一成不變的。比如，室外某一地點(diǎn)，中午的溫度與午夜的溫度往往相差很大，20～30℃之差不足為奇。另外，如果冷端距熱源較近，溫度波動也較大，這些都會給溫度的測量帶來誤差。為了減小誤差，人們想了許多方法，采用熱電偶冷端補(bǔ)償就是其中一類。下面僅就其中的補(bǔ)償電橋法和計(jì)算校正法加以介紹。

圖2-5為補(bǔ)償電橋，其中、為阻值恒定的錳銅電阻，為可調(diào)電阻，為銅電阻，其阻值隨溫度的變化而變化，E為橋路直流穩(wěn)壓電源，R為電源內(nèi)阻。所有電阻與熱電偶冷端處在同一環(huán)境溫度下，通過調(diào)整使電橋在（例如0℃）時(shí)，。當(dāng)熱電偶冷端溫度升高時(shí)，也隨著增大，也增大，但熱電偶的熱電動勢隨著冷端溫度的升高而減小，如果的增加量與熱電動勢的減小量相等時(shí)，則總輸出值不變，即不隨溫度而變化。圖2-5熱電偶冷端補(bǔ)償電橋電路1）補(bǔ)償電橋法第14頁,共46頁，星期六，2024年，5月2）計(jì)算校正法

如果冷端溫度變化，可利用另一只溫度計(jì)測得實(shí)時(shí)冷端溫度,并利用分度表查得，然后根據(jù)測得的熱電動勢，利用中間溫度定律，即式（2-2）有最后，根據(jù)求得的再次查分度表，即可得被測溫度t。

例2-1用鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶測爐溫，當(dāng)車間空氣溫度為40℃時(shí)，置于爐內(nèi)的熱電偶測得熱電動勢為35.72mV，試求爐溫為多少？

解：由題意知，且有。另外，查閱K型熱電偶分度表（見附錄3），可得：。

由式（2-2）有再查K型熱電偶分度表，得到：，即爐溫為900。2.2.3熱電阻

利用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的阻值隨溫度變化來實(shí)現(xiàn)溫度測量的傳感元件是熱電阻。它分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻。熱電阻具有如下特點(diǎn)：1）熱電阻測量的是一定空間溫度的平均值，而不像熱電偶是一點(diǎn)的溫度值，它具有熱慣性大，不適合用于溫度快速變化的場合；2）溫度引起熱電阻阻值變化，須通過一定的方法將這種阻值的變化轉(zhuǎn)化為電流或電壓的第15頁,共46頁，星期六，2024年，5月變化，如電橋電路，然后再輸出；3）熱電阻適合測量中、低溫區(qū)的溫度（﹤500℃），并且具有精度高、性能穩(wěn)定、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送特點(diǎn)；

通常用來溫度系數(shù)來描述熱電阻阻值隨溫度變化的大小，表示為其中，和分別為溫度為、t

時(shí)熱電阻的電阻值。

電阻溫度系數(shù)描述的是溫度每變化1℃，熱電阻阻值的相對變化量。對于金屬熱電阻而言，一般有，即隨著溫度的升高，阻值增加；對半導(dǎo)體熱電阻而言，可正可負(fù)，并且線性度不是很好。

1.金屬熱電阻A.金屬熱電阻的類型

一般來說，要求選作熱電阻的金屬材料具有這些特點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)大，以提高對溫度的敏感程度；電阻值與溫度之間有線性關(guān)系；熱電阻具有較好的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性。目前工業(yè)上常用的金屬熱電阻主要有：鉑（Pt）電阻、銅（Cu）電阻和鎳（Ni）電阻等，具體分度號和度量范圍見表2-3。表2-3常用金屬熱電阻

材質(zhì)鉑銅鎳分度號Pt10Pt100Cu50Cu100Ni100Ni300Ni500測溫范圍/℃0～850-200～850-50～150-60～180第16頁,共46頁，星期六，2024年，5月

鉑電阻：由貴金屬鉑構(gòu)成，具有精度高、穩(wěn)定性好、測量范圍寬等特點(diǎn)。但是，它價(jià)格較貴，溫度系數(shù)小、溫度與阻值之間呈弱非線性關(guān)系。阻值與溫度關(guān)系為其中，，,,、是溫度分別為t和0時(shí)的電阻值。

常見的鉑電阻是以云母片或石英玻璃柱作骨架，將直徑為0.03～0.07mm的鉑絲用雙線法繞在骨架上，以消除電感，鉑絲兩端與銀絲焊接后引至接線端處。銅電阻：具有較高的溫度系數(shù)，溫度與電阻值之間為線性關(guān)系，價(jià)格比鉑電阻便宜。但是，銅熔點(diǎn)低、易氧化、電阻率小、熱慣性大，測量范圍不寬。常見的銅電阻是用直徑為0.1mm的絕緣銅線，用無感雙線繞法分層繞在圓柱形塑料骨架上，由于電阻率低，所以最后繞好的銅電阻體積較大。

當(dāng)溫度為-50～150

時(shí)，有關(guān)系式其中，，、是溫度分別為t

和0

時(shí)的電阻值。

B.工業(yè)金屬熱電阻的結(jié)構(gòu)與接線

工業(yè)金屬熱電阻的結(jié)構(gòu)如圖2-6所示，其中1為接線盒，2為保護(hù)套管，3為絕緣管，4為引線，5為電阻絲，6為絕緣骨架。它由感溫器件（熱電阻絲）、絕緣體、保護(hù)套管和接線盒組成。熱電阻絲先進(jìn)行中間對折，然后雙線繞在玻璃或陶瓷構(gòu)建的絕緣骨架上。絲的末端與引線相連第17頁,共46頁，星期六，2024年，5月并連至接線盒。金屬熱電阻與外部電路的連接有兩線制、三線制和四線制幾種。工業(yè)上通常采用三線接線法與電橋相連，以實(shí)現(xiàn)將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流變化。在圖2-7中，熱電阻用三根導(dǎo)線引出，一根與電源相連，另兩根與電橋的兩臂相接。

圖2-6工業(yè)金屬熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖圖2-7熱電阻的三線制接法2.半導(dǎo)體熱敏電阻

半導(dǎo)體熱敏電阻是將一些金屬氧化物按一定比例混合，壓制和燒結(jié)而成的，它利用其電阻值隨溫度變化的特性來測量溫度。它具有溫度系數(shù)大、熱慣性小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但是其穩(wěn)定性和互換性不夠好，一般用于家電和汽車等行業(yè)的溫度測量。

根據(jù)材料和制造工藝的不同，有三種不同類型的半導(dǎo)體熱敏電阻：負(fù)溫度系數(shù)（NegativeTemperatureCoefficient,NTC）熱敏電阻、正溫度系數(shù)（PositiveTemperatureCoefficient,PTC）熱敏電阻和臨界溫度系數(shù)（CriticalTemperatureCoefficient,CTC）熱敏電阻。其熱敏電阻的溫阻特性如圖2-8所示。負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻主要用于測量溫度，測溫范圍大約在-50～300℃之間，但存在非線性。其他兩類熱敏電阻在某個溫度段內(nèi)，阻值變化劇烈—急劇上升或下降，利用其特性，可制成溫度開關(guān)元件。第18頁,共46頁，星期六，2024年，5月2.2.4溫度變送器

變送器（Transmitter）是一種將被測過程參數(shù)變換為標(biāo)準(zhǔn)電信號的儀表，它是電動單元組合儀表（DDZ儀表）的主要品種之一。DDZ儀表有Ⅱ型和Ⅲ型之分，Ⅱ型為早期版本，它采用晶體管等分立元件，標(biāo)準(zhǔn)信號為0～10mA直流電流（或0～5V直流電壓）；Ⅲ型為當(dāng)今版本，它選用集成電路，標(biāo)準(zhǔn)信號為4～20mA直流電流，或者1～5V直流電壓。圖2-8半導(dǎo)體熱敏電阻溫阻特性

從儀表使用來看，變送器涉及零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移，以及量程調(diào)整的問題。變送器零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移的目的是要使變送器輸出的下限值（Ⅲ型儀表為4mA直流電流）與測量值的下限值相對應(yīng)。當(dāng)時(shí)，若mA直流電流，則需進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整，使其為4mA

直流電流；當(dāng)，若(4mA直流)，則需進(jìn)行零點(diǎn)遷移，即將測量起始點(diǎn)由原來的零遷移到某一正值或負(fù)值。測量起始點(diǎn)由零遷為某一正值，則稱其為正遷移；測量起始點(diǎn)由零遷為某負(fù)值，則稱為負(fù)遷移。變送器零點(diǎn)遷移之后，輸入輸出特性僅僅沿x軸方向向左或右平移一段距離，其斜率并無變化，如圖2-9所示。第19頁,共46頁，星期六，2024年，5月

圖2-9變送器零點(diǎn)遷移(a)未遷移(b)正遷移(c)負(fù)遷移

量程調(diào)整也稱滿度調(diào)整，它是使變送器輸出信號的上限（Ⅲ型儀表為20mA電流）與被測值的上限相對應(yīng)，量程調(diào)整相當(dāng)于改變變送器輸入輸出特性的斜率。如圖2-10。圖2-10變送器量程調(diào)整前后輸入輸出特性第20頁,共46頁，星期六，2024年，5月

溫度變送器的功能是將熱電偶或熱電阻的輸出電信號經(jīng)過放大和線性化等處理后，變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電信號輸出。溫度變送器從信號制式上說，有模擬式和數(shù)字式之分。模擬式溫度變送器由模擬電路和器件組成，輸出也為模擬信號，目前廣泛使用的DDZ-III型溫度變送器就屬于這類；數(shù)字式溫度變送器是一類新型變送器，它采用了微處理器技術(shù)，具有濾波、放大、轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償?shù)榷喾N信號處理功能，輸出既可是模擬信號，又可為數(shù)字信號。此處僅討論模擬變送器。1.DDZ-Ⅲ型溫度變送器

該型溫度變送器的特點(diǎn)是：采用線性集成電路，提高了儀表的可靠性、穩(wěn)定性；根據(jù)需要，采用線性化方法，使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系；采取安全火花防爆措施，產(chǎn)品可用于危險(xiǎn)場所。

目前被廣泛使用的模擬式溫度變送器，其結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。從功能上說，它由量程單元和放大單元兩部分組成。量程單元可接受來自熱電偶、熱電阻或直流毫伏輸入三種信號的輸入，其主要功能是將來自溫度傳感器的毫伏信號和反饋信號進(jìn)行疊加，并送往放大單元，調(diào)整電路用于熱電偶冷端補(bǔ)償、熱電阻三線接入、零點(diǎn)遷移或量程調(diào)整等；放大單元進(jìn)行電壓放大和功率放大，隔離后輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號，該單元具有通用性。各部分工作電源采用了安全防爆措施（這部分內(nèi)容將在第4章詳細(xì)介紹），以便溫度檢測變送器可用于多種危險(xiǎn)生產(chǎn)場所。圖2-11中的虛線表示供電回路，實(shí)線為檢測信號回路。

2.量程單元

通常見到的量程單元有直流毫伏量程單元、熱電偶量程單元和熱電阻量程單元等，它們分別連接不同的轉(zhuǎn)換元件，并將其輸入信號和反饋信號傳送至放大單元。第21頁,共46頁，星期六，2024年，5月圖2-11溫度變送器結(jié)構(gòu)方框圖

1)直流毫伏量程單元

圖2-12為直流毫伏量程單元電路圖，它由三部分組成：輸入電路、零點(diǎn)調(diào)整遷移電路和反饋電路。圖2-12直流毫伏量程單元電路第22頁,共46頁，星期六，2024年，5月

輸入電路由、、、穩(wěn)壓管VS1和VS2等組成，它的功能是濾波和限能。、和組成低通濾波器，去除由毫伏輸入信號傳來的交流成分，減少交流干擾。穩(wěn)壓管VS1和VS2起限壓作用，即當(dāng)輸入端出現(xiàn)高壓，并超過穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓范圍時(shí)，它們便導(dǎo)通，起限幅作用，圖中用兩個穩(wěn)壓管的目的是增強(qiáng)可靠性。

零點(diǎn)調(diào)整遷移電路由RP1、R3～R7等組成，其功能是實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)遷移。隨著電位器RP1活動臂的移動，滑動點(diǎn)對地的電位為，它與輸入信號疊加后，送至集成運(yùn)算放大器的同相輸入端

。

反饋電路由、電位器和等組成，其功能是與放大單元一起構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋，當(dāng)輸入一定時(shí)，輸出穩(wěn)定。該反饋部分將放大單元的輸出信號經(jīng)隔離后（為），反饋至橋式電路，并經(jīng)

的滑動臂分壓后變?yōu)椋椭良蛇\(yùn)算放大器的反相輸入端。

下面具體看看輸出與輸入和電橋電源的關(guān)系。

設(shè)計(jì)電路，使其滿足下列條件

由疊加原理和電路定理，有（2-3）（2-4），，，第23頁,共46頁，星期六，2024年，5月

設(shè)并考慮為近似理想運(yùn)算放大器，從而有。由式（2-3）和（2-4）有假如反饋電壓為輸出電壓的1/5（通常變送器輸出與反饋之間為5倍關(guān)系），則

（2-5）

兩點(diǎn)說明：

（A）當(dāng)處在時(shí)，應(yīng)有,若一定，則可通過調(diào)節(jié)

和，分別實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)遷移和量程調(diào)整。即輸入為時(shí)，變送器輸出應(yīng)為1V（或4mA）直流，否則調(diào)

()，輸入為時(shí)，變送器輸出應(yīng)為5V（或20mA）直流，否則調(diào)()。

（B）式(2-5)中為調(diào)零項(xiàng)，若，即，則實(shí)現(xiàn)負(fù)遷移，若，即，則為正遷移。

2）熱電偶量程單元

熱電偶量程單元如圖2-13所示，它由輸入回路、冷端溫度補(bǔ)償與調(diào)整回路、以及非線性反饋回路組成。它與直流毫伏量程單元有些相似，但是，輸入電橋中增加了銅電阻，用以補(bǔ)償冷端溫度。除此之外，它還增加了集成運(yùn)算放大器、穩(wěn)壓管等非線性校正電路，以實(shí)現(xiàn)被測溫度與輸出電壓或電流之間的線性關(guān)系。，，第24頁,共46頁，星期六，2024年，5月圖2-13熱電偶量程單元

鑒于輸入回路與冷端補(bǔ)償前面已經(jīng)介紹過，下面談?wù)劮蔷€性反饋回路。由于熱電偶的熱電勢與被測溫度之間存在非線性關(guān)系，這將給控制帶來麻煩，所以，技術(shù)上需要采取線性化處理措施。這里采用反饋回路中加入非線性校正電路的方法來實(shí)現(xiàn)線性化。

從電路的角度看，非線性反饋回路由基準(zhǔn)電壓電路和非線性模擬電路兩部分組成。先看看基準(zhǔn)電壓電路，它是由恒流源、穩(wěn)壓器和分壓器組成的，如圖2-14所示。其中，、、和第25頁,共46頁，星期六，2024年，5月分別為運(yùn)算電路提供的基準(zhǔn)電壓。

圖2-14基準(zhǔn)電壓回路圖

假如穩(wěn)壓管和穩(wěn)壓值分別為和，晶體三極管的基射極壓降為，由基爾霍夫電壓定律，有于是有其中為

常數(shù)。如果各基準(zhǔn)電壓供電的負(fù)載電阻都很大，可認(rèn)為第26頁,共46頁，星期六，2024年，5月其中為常數(shù)。根據(jù)基爾霍夫電流定律，有常數(shù)

由此可知，當(dāng)電源電壓V變化時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流基本不變，所以使穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值保持恒定，進(jìn)而各分壓器給出各路基準(zhǔn)電壓、、和不受電源波動影響。

非線性模擬電路的目的就是要利用集成運(yùn)算電路，模擬一個與熱電偶相同的非線性輸入輸出關(guān)系，利用反饋原理，抵消非線性影響，使變送器輸出的信號與被測溫度之間呈線性關(guān)系。

圖2-15為非線性模擬電路，它由運(yùn)算放大器、穩(wěn)壓管、電阻等組成，基準(zhǔn)電壓分別接至穩(wěn)壓管。

放大單元中的功率放大器的輸出反饋電壓作為非線性模擬電路的輸入，進(jìn)入運(yùn)算放大器的同相輸入端，的輸出經(jīng)組成的分壓器，送至調(diào)零調(diào)量程回路，同時(shí)，經(jīng)非線性運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)反饋到的反相輸入端。如果電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇恰當(dāng)，可使得非線性模擬電路的輸入與輸出特性模擬熱電偶的非線性特性，并通過調(diào)零調(diào)量程回路，反饋至放大單元，使模擬熱電偶非線性特性與原熱電偶非線性特性相互抵消，最終獲得從熱電偶被測端的溫度到變送器的輸出電流（或電壓）之間呈現(xiàn)性關(guān)系。具體說明如下。

第27頁,共46頁，星期六，2024年，5月圖2-15非線性模擬電路

圖2-16為熱電偶量程單元線性化原理圖，變送器輸出反饋電壓與被測溫度t之間的關(guān)系為圖2-16熱電偶量程單元線性化原理圖第28頁,共46頁，星期六，2024年，5月其中，為熱電偶溫度-熱電動勢非線性特性，為采用分段線性化方法逼近的非線性校正特性，K為運(yùn)算放大器放大系數(shù)。假如，且有，于是有

顯然，越逼近，線性化效果越好。圖2-17為逼近（該曲線未畫出）曲線圖，橫坐標(biāo)為反饋電壓，縱坐標(biāo)為輸出，它由四段折線組成，各段折線斜率互不相同，并且，折線拐點(diǎn)a、b、c和d對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)為、、和。下面結(jié)合圖2-15具體談?wù)勲娐穼?shí)現(xiàn)。

當(dāng)熱電偶傳來的信號為零時(shí)，變送器的輸出為4mA（或1V）直流，模擬非線性曲線處在a點(diǎn)，其坐標(biāo)為，此時(shí)設(shè)計(jì)所有穩(wěn)壓管均不導(dǎo)通，此時(shí)通過非線性網(wǎng)絡(luò)的、到達(dá)

反相輸入端。隨著熱電偶輸入電壓升高，即，從開始增大，也從開始沿ab段增大。當(dāng)?shù)竭_(dá)b點(diǎn)時(shí)，，，電路設(shè)計(jì)使（為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，為基準(zhǔn)電壓），從而使處于導(dǎo)通，而仍不導(dǎo)通，此時(shí)除了像a點(diǎn)的

圖2-17模擬非線性曲線第29頁,共46頁，星期六，2024年，5月3)熱電阻量程單元

熱電阻量程單元電路如圖2-18所示，它與直流毫伏量程單元相似，但是輸入電路采用了三線制接法，其目的是要消除引線電阻引起的測量誤差。圖2-18中，為熱電阻，處在電橋的一個臂端上，起穩(wěn)壓作用，可進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整，可進(jìn)行量程調(diào)整。

必須指出，如果熱電偶非線性曲線不同，本模擬非線性電路的參數(shù)也應(yīng)相應(yīng)變化，最終使模擬非線性曲線與熱電偶非線性曲線基本一致，這樣才能達(dá)到線性化的目的。

一樣反饋至的反相輸入端外，還增加了沿、、和支路反饋，從而使輸出量大增，因而

沿bc段，以斜率增大，其增長速率快于ab段。如此類推，隨著繼續(xù)增大，隨之增大，、和依次導(dǎo)通，反饋支路增加，上升斜率進(jìn)一步增大，最終形成ab、bc、cd和de折線，模擬熱電偶非線性曲線。圖2-18熱電阻量程單元第30頁,共46頁，星期六，2024年，5月

此外，反饋電壓經(jīng)和分壓后，將上的電壓輸給同相輸入端，構(gòu)成正反饋。選用鉑電阻時(shí)，由于其分度特性具有“類飽和”性質(zhì)，即隨著溫度升高，輸出電動勢增長趨勢減小。但是，正反饋卻可彌補(bǔ)其增長不足，使得輸出電壓隨溫度的增長呈線性特性。如果采用銅電阻，由于其在測溫范圍內(nèi)線性度較好，所以無需進(jìn)一步采取線性化措施，相應(yīng)的線性化電路部分可以拆除。3.放大單元

放大單元連接上述三種量程單元的輸出和反饋，具有通用性。由圖2-11可知，它由集成運(yùn)算放大器、功率放大器、輸出隔離電路和直流-交流-直流變換器等組成（見圖2-11右半部分）。其作用是將量程單元送來的毫伏電壓信號進(jìn)行電壓放大和功率放大，通過隔離后，輸出4～20mA的直流電流信號，或者1～5V的直流電壓信號，并將輸出電壓反饋至量程單元。其中的直流-交流-直流變換器具有安全防爆功能（后面章節(jié)將具體介紹），具體電路見圖2-19所示（見下頁）。

輸出變壓器的二次電流是正負(fù)對稱的交流電流，由于的二次繞組與隔離變壓器繞組串連，的二次電流經(jīng)整流和、濾波后，可獲得與輸出電流成比例的直流反饋電壓，并通過端子11和5反饋到量程單元，完成非線性校正功能。

為了安全防爆和提高變送器抗共模干擾能力，直流電源也采取了變壓器隔離措施，即直流-交流-直流變換。直流24V電源通過熔絲、電容和二極管進(jìn)入放大單元，當(dāng)過高的直流電壓或交流電壓加到電源兩端時(shí)，將在二極管電路中產(chǎn)生大電流，并燒毀熔絲，切斷電源。直流電源經(jīng)由、和變壓器等構(gòu)成的多諧振蕩器，轉(zhuǎn)換成交流方波信號。經(jīng)由變壓器的二次側(cè)，將交變信號整流、濾波和穩(wěn)壓后，獲得±9V直流電源，給集成運(yùn)算放第31頁,共46頁，星期六，2024年，5月圖2-19放大單元原理圖第32頁,共46頁，星期六，2024年，5月大器供電，并由端子10、5送往各量程單元的集成穩(wěn)壓器，為電橋電路提供電源。2.2.5溫度檢測儀表的選擇

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，溫度檢測儀表的種類越來越多，性能越來先進(jìn)，根據(jù)實(shí)際需要，合理、恰當(dāng)?shù)剡x擇溫度檢測儀表顯得很重要。以下幾條是選擇溫度檢測器需要注意的：1.根據(jù)工藝和參數(shù)的誤差要求，合理確定溫度檢測儀表的精度等級，以及測溫范圍。儀表的精度等級越高，測量值與實(shí)際值越接近，但價(jià)格也越貴，所以溫度檢測滿足精度是一條基本要求，這也是保證整個控制系統(tǒng)控制精度符合要求的基礎(chǔ)；同時(shí)儀表的測量范圍也要符合實(shí)際，通常要求實(shí)際測量范圍為儀表測量范圍的90%，如果兩者相差較大，會影響精度或浪費(fèi)資源。2.從使用角度說，選用的儀表應(yīng)讀數(shù)方便顯目、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、調(diào)整和維護(hù)便利。3.通常熱電偶多用于測量較高溫度，熱電阻的測溫范圍低一些，且無需冷端補(bǔ)償。4.注意一些特殊場合、工藝流程對溫度檢測儀表的要求，如防爆、高壓、振動、腐蝕、碰撞等環(huán)境，檢測器往往采用特別材料、外套保護(hù)層等措施應(yīng)對。2.3.1壓力的定義、單位和儀表類型

工程技術(shù)上，垂直均勻地作用于單位面積上的力稱為壓力。國際單位制的壓力單位是：帕斯卡（Pascal,BlaisePascalwasaFrenchscientist），簡稱帕（Pa），它表示1牛頓的力垂直均勻2.3壓力檢測與變送第33頁,共46頁，星期六，2024年，5月地作用在1平方米面積上形成的壓力，即。有時(shí)嫌該單位過小，工程上常用兆帕（MPa）表示，。值得一提的是，工程技術(shù)中的壓力與物理學(xué)中的壓強(qiáng)有相同的概念。

還有一些壓力單位在實(shí)際中也被采用，如工程大氣壓、毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（AtmosphericPressure,atm）等，它們的定義，以及與Pa之間的關(guān)系如表2-4所示。表2-4幾種其它的壓力單位及其與Pa的關(guān)系

序號名稱定義與Pa的關(guān)系1工程大氣壓1cm2面積上垂直均勻地作用1kg力1kgf/cm2=9.90665×1042毫米汞柱在標(biāo)準(zhǔn)重力加速度下，1cm2面積上，1mmHg重量產(chǎn)生的壓力1mmHg=133.3224Pa3毫米水柱標(biāo)準(zhǔn)重力下，1cm2面積上1mmH2O重量產(chǎn)生的壓力1mmH2O=980665Pa4標(biāo)準(zhǔn)大氣壓水銀在地球緯度45°的海平面上形成的水銀柱壓力1atm=101325Pa第34頁,共46頁，星期六，2024年，5月

被測壓力往往有如下幾種表示：

絕對壓力：介質(zhì)承受的實(shí)際壓力，這里用表示。

表壓：高于大氣壓的絕對壓力與大氣壓之差：，其中，為大氣壓；

負(fù)壓（真空度）：大氣壓與低于大氣壓的絕對壓力之差：；

差壓：兩測點(diǎn)之間的絕對壓力差值，可用表示。

它們之間的關(guān)系見圖2-20。由于工藝設(shè)備和測量儀表本身就處在大氣壓下，所以用表壓或真空度來表示壓力大小較為方便。

圖2-20各種壓力之間的關(guān)系第35頁,共46頁，星期六，2024年，5月

目前測量壓力、壓差和負(fù)壓的儀表不少，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同，壓力檢測可分為以下四類：1.液柱式壓力檢測器根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度的測量計(jì)。通常有U形管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)和斜管壓力計(jì)等，常用于實(shí)驗(yàn)室的低壓、負(fù)壓和壓力差的檢測，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的特點(diǎn)。但只能目測獲得結(jié)果，不可遠(yuǎn)傳，并且測量范圍比較窄。

2.彈性式壓力檢測器將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移來實(shí)現(xiàn)測量的器具。常見的有彈簧管壓力計(jì)、波紋管壓力計(jì)和膜式壓力計(jì)等。

3.電氣式壓力檢測器利用敏感元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成電壓、電流、電容或頻率等，如電容式壓力變送器、電阻式壓力檢測器等。它具有量程大、線性度好以及便于遠(yuǎn)距離傳送等特點(diǎn)。

4.活塞式壓力檢測器基于液體傳送壓力的原理，將被測壓力與活塞上所加砝碼質(zhì)量進(jìn)行平衡來進(jìn)行測量。其測量精度可達(dá)很高。由于需要人工增減砝碼，自動測量很困難，多作為標(biāo)準(zhǔn)壓力測量儀，用來檢驗(yàn)和校核其它型壓力計(jì)。

以上四類壓力檢測儀表中，彈性壓力檢測器和電氣壓力檢測器使用最為廣泛。2.3.2彈性式壓力檢測儀表

利用彈性元件在外力作用下產(chǎn)生形變來測量壓力，稱這類儀表為彈性壓力檢測儀表。其彈性元件通常有彈性膜片、波紋管、彈簧管等，如圖2-21所示。1.彈性單膜片膜片一般是用金屬薄片支撐的，有時(shí)也用橡皮膜。由于該膜片位移較小，多用來測量微壓和粘滯性介質(zhì)壓力。2.波紋管是用金屬薄管折皺成的筒體，形狀像手風(fēng)琴的風(fēng)箱。當(dāng)其受到軸向壓力作用時(shí),

第36頁,共46頁，星期六，2024年，5月a)彈性膜片b)波紋管c)彈簧管d)多圈彈簧管能使自由端沿軸向產(chǎn)生較大的伸長或收縮，靈敏度較高，常用于不超過1MPa的壓力測量。

圖2-21壓力儀表中的彈性元件3.彈簧管由于它是法國人波登發(fā)明的，所以也稱波登管（Bourdontube）。將扁圓形或橢圓形的金屬空心管彎成圓弧形，一端封口作為自由端，另一端作為測量端，沖入壓力氣體或液體。當(dāng)被測壓力自固定端輸入后，由于彈簧管的非圓橫截面積，壓力使管有變圓并伸直的趨勢，產(chǎn)生的力矩使自由端向后（送氣方向）位移，中心角變小。被測壓力越大，自由端位移也越大。因而它可以反映被測壓力大小。另外，還有多圈的彈簧管，通以同樣的壓力，其自由端位移量比單圈的大。

從制作材料上看，不銹鋼、磷青銅的彈簧剛性較大，多用來測高壓；黃銅的彈簧管剛性較小，可用來測低壓。第37頁,共46頁，星期六，2024年，5月2.3.3電氣式壓力檢測儀表

利用壓力敏感元件，將被測壓力轉(zhuǎn)換為電阻、電容或電壓等電信號，再經(jīng)信號處理電路轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出或顯示。常用的電氣式壓力檢測器有應(yīng)變式、壓阻式、壓力傳感器和電容式差壓變送器等。

1.應(yīng)變壓力傳感器

應(yīng)變壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變原理工作的，它分金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬應(yīng)變片是基于金屬材料電阻應(yīng)變效應(yīng)工作的，即金屬導(dǎo)體的電阻值隨著它受力所產(chǎn)生機(jī)械變形(拉伸或壓縮)的大小而發(fā)生變化的原理；半導(dǎo)體應(yīng)變片是基于壓阻效應(yīng)工作的，即當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，由于載流子遷移率變化，使其電阻率發(fā)生變化的原理。利用電阻應(yīng)變片或半導(dǎo)體應(yīng)變片將被測壓力轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，再利用橋式電路獲得毫伏級電壓信號，最后通過變送器轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號。下面以金屬應(yīng)變片為例，予以討論。

應(yīng)變片電阻值其中，L為電阻絲長度，S為電阻絲橫截面積，為材料電阻率。對上式取微分，有第38頁,共46頁，星期六，2024年，5月

金屬電阻值變化的兩種情況：被測壓力使應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變，金屬絲被拉長，橫截面積變小，其阻值變大；當(dāng)金屬絲被壓縮變形時(shí)，絲長變短，橫截面積變大，阻值變小。將應(yīng)變片的阻值變化通過橋式電路轉(zhuǎn)化為電壓變化（毫伏級），并經(jīng)放大輸出。

圖2-22a)是一個應(yīng)變片傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為應(yīng)變筒，2為外殼，3為膜片。兩塊應(yīng)變片和分別以軸向和徑向用膠合劑固定在應(yīng)變筒上，作為測量片，作為補(bǔ)償片，應(yīng)變筒上端與外殼2相連，下端與不銹鋼密封膜片3相連，應(yīng)變片與筒體相互絕緣。當(dāng)被測壓力作用于膜片時(shí)，應(yīng)變筒軸向受壓變形，產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)變，其阻值減??；徑向應(yīng)變片受到縱向拉伸應(yīng)變，的阻值增大，但由于，所以。a）傳感筒

b)測量橋圖2-22應(yīng)變片式壓力傳感器結(jié)構(gòu)與測量電路第39頁,共46頁，星期六，2024年，5月圖2-22b)是由應(yīng)變片

和，以及固定電阻和組成的測量電橋。當(dāng)應(yīng)變筒受壓變形時(shí)，應(yīng)變片電阻和，一個減小，一個增大。設(shè)定壓力為零時(shí)，，輸出電壓為

當(dāng)被測壓力增大時(shí)，，，電橋輸出電壓為其中，E為電橋直流供電電壓，最大值可達(dá)10V。這類壓力計(jì)的被測壓力可達(dá)25MPa，電橋輸出電壓可達(dá)5mV直流電壓，傳感器工作頻率可大于