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3.2 温度检测温度检测的主要方法和分类热电偶及其测温原理热电阻及其测温原理温度变送器简介其它温度检测仪表简介温度检测仪表的选用和安装
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温度,表征物体冷热程度的物理量。温度概念的建立和温度的测量都是以热平衡现象为基础的。为了判断温度的高低，
只能借助于某种物质的某种特性（如体积、长度和电阻等）
随温度变化的规律来测量，于是就会有形形色色的温度计。
但是，迄今为止，还没有适应整个温度范围用的温度计（或物质）。
3.2.1温度和温标
1：温度比较理想的物质及相应的物理性质有：固体、液体、气体的热膨胀性质；导体或半导体受热后电阻值变化的性质；
热电偶的热电势和物体的热辐射。利用这些物理性质制成的测温仪表被广泛的应用着。此外，也应用了一些新的测温原理，如射流测温、涡流测温、激光测温等。
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测温方式 测温仪表 测温范围 ℃ 主要特点接触式膨胀式玻璃液体 － 100～600
结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉；
测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传双金属 － 80～600 结构紧凑、可靠；测量精度低、量程和使用范围有限热电效应 热电偶
－ 200～
1800
测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、
集中检测和自动控制，应用广泛；需自由瑞温度补偿，在低温段测量精度较低热阻效应铂电阻 － 200～600 测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温铜电阻 － 50～
150
半导体热敏电阻
－ 50～
150
灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制非接触式非接触式 辐射式 0～ 3500
不破坏温度场，测温范围大，响应块，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难
3.2.1 温度检测方法和分类
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温度,表征物体冷热程度的物理量。温度概念的建立和温度的测量都是以热平衡现象为基础的。为了判断温度的高低，
只能借助于某种物质的某种特性（如体积、长度和电阻等）
随温度变化的规律来测量，于是就会有形形色色的温度计。
但是，迄今为止，还没有适应整个温度范围用的温度计（或物质）。
3.2.1温度和温标
1：温度比较理想的物质及相应的物理性质有：固体、液体、气体的热膨胀性质；导体或半导体受热后电阻值变化的性质；
热电偶的热电势和物体的热辐射。利用这些物理性质制成的测温仪表被广泛的应用着。此外，也应用了一些新的测温原理，如射流测温、涡流测温、激光测温等。
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3.2.2 热电偶及其测温原理
热电效应和热电偶
热电偶中间导体定律 与 热电势的检测
热电偶的等值替代定律 和 补偿导线
标准化热电偶和分度表
热电偶 冷端温度 的处理
热电偶的结构型式
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——热电效应和热电偶热电效应 （ 热电偶测温的基本原理 ）,任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路,如果将它们的两个接点分别置于温度各为
t及 t0的热源中,则在该回路内就会产生热电势 。
A B BA
图 3-37 热电偶示意图
A B
eAB(t0)
eAB(t)
eA(t,t0) eB(t,t0)
图 3-38 热电现象
t 端称为 工作端 (假定该端置于热源中 ),又称测量端或热端
t0端称为 自由瑞,又称参考端或冷端这两种不同导体或半导体的组合称为 热电偶每根单独的导体或半导体称为 热电极
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A B
eAB(t0)
eAB(t)
eA(t,t0) eB(t,t0)
闭合回路中所产生的热电势由 接触电势 和 温差电势 两部分组成,
0 0 0 0(,) ( ) ( ) (,) (,)A B A B A B B AE t t e t e t e t t e t t
接触电势 温差电势下标 A表示正电极,B表示负电极,由于温差电势比接触电势小很多,常常把它忽略不计,这样热电偶的电势可表示为：
00(,) ( ) ( ) ( i)A B A B A BE t t e t e t
注意,如果下标次序改为 eBA,则热电势 e前面的符号也应相应改变,即
( ) ( )A B B Ae t e t
式 (i)就是热电偶测温的基本公式 。 当冷端温度 t0一定时,对于确定的热电偶来说,eAB(t0)为常数,因此,其总热电势 EAB(t,t0)
就与温度 t成单值函数对应关系,和热电偶的长短,直径无关 。
只要测量出热电势大小,就能判断被测温度的高低,这就是热电偶的温度测量原理 。
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重要结论：
1.如果组成热电偶的两种电极材料相同,则无论热电偶冷,热两端的温度如何,闭合回路中的总热电势为零；
2.如果热电偶冷,热两端的温度相同,则无论两电极材料如何,闭合回路中的总热电势也为零
3.热电偶产生的热电势除了冷,热两端的温度有关之外,
还与电极材料有关,也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的 。
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——中间导体定律和热电势的测量答：不会产生影响的 。 t
t0
A B
CC
毫伏计热电偶的输出信号是毫伏信号，毫伏信号的大小不仅与冷、热两端的温度有关，还和热电偶的电极材料有关，理论上任何两种不同导体都可以组成热电偶，都会产生热电势。
但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢？
因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表，
那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势，对热电偶回路产生影响呢？
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如果断开冷端,接入第三种导体 C,并保持 A和 C,B和
C接触处的温度均为 t0,则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和,
中间导体定律
t
A
B
C
t0
t0
A B
t
t0
0 0 0(,) ( ) ( ) ( )A B C A B B C CAE t t e t e t e t
当 t＝ t0时,有 0 0 0 0 0(,) ( ) ( ) ( ) 0A B C A B B C C AE t t e t e t e t
于是可得 0 0 0(,) ( ) ( ) (,)A B C A B A B A BE t t e t e t E t t
同理还可以证明,在热电偶中接入第四种,第五种 …… 导体以后,只要接入导体的两端温度相同,接入的导体对原热电偶回路中的热电势均没有影响 。
根据这一性质,可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线,只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出 。t
t0
A B
CC
毫伏计
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中间导体定律例：求热电偶回路的电势。
已知,eAB(240)=9.747mV,eAB(50)=2.023mV,eAC(50)=3.048mV,eAC（ l0） =0.591mV。
解一,E=eAB(240)+eBC(50)+eCA(10)，
而 eAB(50)+eBC(50)+eCA(50)=0
E= eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV
解二：利用中间导体定律
E=eAB(240)+eBA(50)+eAC(50)+eCA(10)
= eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV 。
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——等值替代定律和补偿导线如果热电偶 AB在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶 CD在同一温度范围内所产生的热电势相等,即,则这两支热电偶在该温度范围内是可以相互替换的,这就是所谓的热电偶等值替代定律 。
00(,) (,)A B CDE t t E t t?
t0
t
A A
A
B B
BDC
t
t0
tc tc
例 如左图,设,
证明该回路的总热电势为
00(,) (,)A B c CD cE t t E t t?
0(,)ABE t t
（ 略 ）
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某热电偶,热端温度为 t,冷端温度为 tc,显然冷端温度难以实现恒定,怎么办？
D
C
补偿导线冷端的延伸
t
tc
A B
热电偶被测设备生产现场
t0
毫伏计恒温环境
A
B
可以把热电偶做得很长,一直到控制室 。 把冷端温度延伸到控制室,变为 t0,恒定 t0比较容易此时,测得的热电势为 00(,) (,) (,)A B c A B c A BE t t E t t E t t
但热电偶一般为 （ 较 ） 贵重的金属,采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料,不妥 。
如果选用一组较廉价的材料 （ C,D）,且 CD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶 AB在同一温度范围内所产生的热电势相等,
就可以用 CD来替代 AB的延伸段 。
00(,) (,) (,)A B c C D c A BE t t E t t E t t
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D
C
补偿导线冷端的延伸
t
tc
A B
热电偶被测设备生产现场
t0
毫伏计恒温环境
A
B
CD即为热电偶 AB的补偿导线,通常 CD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成,一般在 0～
100℃ 范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质 。
在选择和使用补偿导线时,要和热电偶的型号相匹配,注意极性不能接错,热电偶与补偿导线连接处的温度一般不能高于 100℃ 。
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——标准化热电偶和分度号从理论上分析,似乎任何两种不同的导体都可以组成热电偶,用来测量温度 。
但实际情况并非如此,为了保证在工业现场应用可靠,并具有足够的精度,热电偶的电极材料在被测温度范围内应满足：
热电性质稳定,物理化学性能稳定,热电势随温度的变化率要大,热电势与温度尽可能成线性对应关系,具有足够的机械强度,复制性和互换性好等要求,目前在国际上被公认的热电偶材料只有几种 。
…………
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附录中列出了几种常用的标准热电偶分度表 。 根据标准规定,热电偶的分度表是以 t0＝ 0℃ 为基准进行分度的 。
当 t＝ 0℃ 时,所有型号热电偶产生的热电势为 0mV；
当 t<0℃ 时,热电势为负值 。
在所有标准化热电偶中,相同温度条件下 B型热电偶产生的热电势最小,E型最大 。 如果把各型号热电偶的热电势和温度制成曲线,可以看出二者呈一定的 非线性关系 。 即：
00(,) ( )ABE t t K t t
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例 用 K型热电偶来测量温度,在冷端温度为 t0＝ 25℃ 时,测得热电势为 22.9mV,求被测介质的实际温度 。
解 1,根据题意有 (,25 ) 22.9KE t m V? ( 2 5,0 ) 1,0 0 0KE m V?
因此有 (,0 ) (,2 5 ) ( 2 5,0 ) 2 2,9 1,0 0 0 2 3,9K K KE t E t E m V m V m V
反查分度表有 2 3,9 2 3,6 2 95 7 0 * 1 0 5 7 6,4
2 4,0 5 5 2 3,6 2 9tC
解 2,根据题意有 (,25 ) 22.9KE t m V? 直接查分度表有
2 2,9 2 2,7 7 65 5 0 * 1 0 5 5 2,9
2 3,2 0 3 2 2,7 7 6tC
因此再加上冷端温度,有 2 5 5 7 7,9t t C
哪种计算结果正确,为什么？
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——热电偶冷端温度的处理中间导体定律 拆开冷端,串入,毫伏计,,
可以测量热电势,而不影响总的热电势等值替代定律利用补偿导线来延伸冷端,是把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的现场延伸到温度较低和比较稳定的操作室内
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由于操作室内的温度往往高于 0℃,而且也是不恒定的
（ 即使有空调也是不恒定的 ）,这时,热电偶产生的热电势必然会随冷端温度的变化而变 。
因此,在应用热电偶时,只有把冷端温度保持为 0℃,
或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果,对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿 。
目前,热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法：
冰浴法计算修正法电桥补偿法
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冰浴法 ——把热电偶的冷端放入恒温装置中,保持冷端温度为 0℃,多用于实验室
t
tc
热电偶补偿导线毫伏计
0
℃
恒温装置计算修正法 ——如例 3.7。 这种方法适用于实验室或者临时测温 。
电桥补偿法 ——仪表中常用
t
+ － R
cu
E
R1 R2
R3
+ a b －
00tt
0(,)Et t?
0(,)Et t
+
－
图 3－ 44 电桥补偿法
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——热电偶的结构形式热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量,尤其适用于 500℃ 以上较高温度的测量,普通型热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构 。
接线盒保护套管绝缘管热电偶安装法兰 引线口普通型热电偶普通型热电偶主要由热电极,绝缘管,保护套管和接线盒等主要部分组成 。
贵重金属热电极的直径一般为 0.3～ 0.65mm,普通金属热电极的直径一般为 0.5～ 3.2mm；
热电极的长度由安装条件和插入深入而定,一般为 350～ 2000mm。
绝缘管用于防止两根电极短路保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤 材料的选择因工作条件而定普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式
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铠装型热电偶热电极 绝缘材料 金属套管热电极绝缘材料铠装型热电偶断面结构铠装型热电偶是由热电极,绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的金属套管一般为铜,不锈钢,镍基高温合金等保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末,常用的绝缘材料有氧化镁,氧化铝等 。
铠装型热电偶可以做得很细,一般为 2～ 8mm,在使用中可以随测量需要任意弯曲 。
铠装热电偶具有动态响应快,机械强度高,抗震性好,可弯曲等优点,可安装在结构较复杂的装置上,应用十分广泛 。
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3.2.3 热电阻及其测温原理
热电阻的测温原理
工业上常用的金属热电阻
热电阻的信号连接方式
热电阻的结构型式
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——热电阻的测温原理在工业应用中,热电偶一般适用于测量 500℃ 以上的较高温度 。 对于 500℃ 以下的中,
低温度,热电偶输出的热电势很小,这对二次仪表的放大器,抗干扰措施等的要求就很高,否则难以实现精确测量；而且,在较低的温度区域,冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出 。 所以测量中,低温度,一般使用热电阻温度测量仪表较为合适 。
热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的,即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性 。 因此,只要测出感温热电阻的阻值变化,就可以测量出被测温度 。
目前,主要有 金属热电阻 和 半导体热敏电阻 两类 。
— 调节仪表与过程控制系统 —
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金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：
0 0[ 1 ( )]ttR R t t
式中,为温度 t时对应的电阻值为温度 t0(通常 t0＝ 0℃ )时对应的电阻值为温度系数 。
tR
0tR
金属热电阻
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半导体热敏电阻,半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为：
式中,为温度 t时对应的电阻值
A,B是取决于半导体材料和结构的常数
tR
BttR Ae?
金属热电阻 和 半导体热敏电阻 的比较,
热敏电阻的温度系数更大,常温下的电阻值更高 （ 通常在数千欧以上 ）,但互换性较差,非线性严重,测温范围只有－ 50～ 300℃ 左右,大量用于家电和汽车用温度检测和控制 。
金属热电阻一般适用于测量－ 200～ 500℃ 范围内的温度测量,其特点测量准确,稳定性好,性能可靠,在过程控制领域中的应用极其广泛 。√
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——工业上常用的金属热电阻从电阻随温度的变化来看,大部分金属导体都有这种性质,
但并不是都能用作测温热电阻,作为热电阻的金属材料一般要求：
尽可能大而且 稳定的温度系数,电阻率要大,在使用的温度范围内具有 稳定的化学和物理性能,材料的 复制性好,
电阻值随温度变化要有 单值函数关系 （ 最好呈线性关系 ） 。
我国最常用的铂热电阻有 R0＝ 10Ω,R0＝ 100Ω和 R0＝ 1000Ω等几种,
它们的分度号分别为 Pt10,Pt100 和 Pt1000；
铜热电阻有 R0＝ 50Ω和 R0＝ 100Ω两种,
分度号分别为 Cu50和 Cu100
其中 Pt100 和 Cu50 的应用更为广泛
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——热电阻的信号连接方式热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件,通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上 。 常用的引线方式有三种：
E
R1 R2
R3
iU
tR
tR sI*i s tU I R?
tR iR
r
r
二线制,在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号 。 这种引线方式最简单但由于连接导线必然存在引线电阻 r,r的大小与导线的材质和长度等因素有关很明显,图中的 2
itR R r
因此,这种引线方式只适用于测量精度要求较低的场合 。
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ER1 R2
R3
iU
tR
三线制：在热电阻根部的一端连接一根引线,另一端连接两根引线的方式称为三线制这种方式通常与电桥配套使用,可以较好地消除引线电阻的影响,是工业过程中最常用的引线方式 。
I I
r
r
r
A
B
C
事实上电桥上 R1＝ R2>>Rt,R3,经过设计可以使两个桥臂上的电流相等,均为 I,且 I
几乎不受 Rt的影响三线制的连接,每根线上同样也存在导线电阻 r
此时,Ui＝ UAC＝？？
33( ) ( ) ( )i A B C B t tU U U I R r I R r I R R
3R 可以起到调零的作用
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30
四线制,在热电阻根部两端各连接两根导线的方式称为四线制,其中两根引线为热电阻提供恒定电流 Is,把 Rt转换为电压信号 Ui，
再通过另两根引线把 Ui引至二次仪表 。 可见这种引线方式可以完全消除引线电阻的影响,主要用于高精度的温度检测 。
tR
sI
*i s tU I R?
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31
——热电阻的结构形式和热电偶相同
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3.2.4 温度变送器简介
DDZ-III型温度变送器
一体化温度变送器
智能式温度变送器
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DDZ－ Ⅲ 型温度变送器是工业过程中使用比较广泛的一类模拟式温度变送器，它与各类型的热电偶、
热电阻配套使用，将温度或温差信号转换为 4～ 20mA
或 1～ 5VDC的统一标准信号输出。
——DDZ－ III型温度变送器
DDZ－ Ⅲ 型温度变送器主要有热电偶温度变送器、
热电阻温度变送器和直流毫伏变送器三种类型。三种变送器在线路结构上都由量程单元和放大单元两部分组成，
其中放大单元是通用的，而量程单元则随品种和测量范围的不同而不同。
— 调节仪表与过程控制系统 —
34
DDZ－ Ⅲ 型温度变送器具有如下特点：
①采用低漂移、高咱那故意的运算放大器作为主要放大器，具有线路简单、可靠性高、稳定好以及各项技术性能较好的特点。
②在配用热电偶和热电阻的变送器中采用线性化电路，使其输出电流 I0与被测温度呈线性关系，测量精度高。
③线路中采用了安全火花防爆技术措施，可用于易燃易爆场合。
④ 采用 24VDC集中供电，实现二线制接线方式。
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DDZ－ Ⅲ 型温度变送器的原理框图。
+
-
Ui
Uzˊ
Ufˊ
I0
V0
桥路部分 整流 部分 DC-AC-DC
变换器集成运算放大器反馈回路隔离输出功率放大器
DC24V
量程单元 放大单元图 3.75 DDZ－ Ⅲ 型温度变送器的原理框图
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+
_
U 0
VD 1
VD 2
R i 1
R i 2
Ri 3
RPi
RP i 1
R i 5
R i 4
C i
C f
U f
R f 3 RP f R f 2 R f 1
R i 6
R i 7
VD 3
RP f 1 RP f 2
U f ′
U c
U Z
VT Z
R Z
IC
输入环节 调零环节 反馈环节
＋
－
RP
图 3,76 直流毫伏变送器量程单元
U i
U Z 1
U T
U F
限流和限幅
，限制打火能量在安全火花范围内
LPF
调零 恒流源反馈回路
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+
_
U 0
VD 1
VD 2
R i 1
R i 2
C i
U f
R f 23
3
U c
U Z
VT Z
R Z
输入环节 调零环节 反馈环节图 3,77 热电偶温度变送器量程单元线性化负反馈通道
IC
-
+
C f
R cu
R P f R f 22
U F
U T
R i 3
R i 4
R i 5
R i 7
R i 4
VD 3
R P 1
U Z ′
U i
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U 1 U 2
R f 8
R f 7
R f 17
R f 18
R f 5
U 3
VD 3
VD 1 VD 2
R f 9
R f 12
R f 19
-
+
IC 2
U f
图 3,78 多段折线逼近法线性化原理区 区 区 区域 域 域 域
1 2 3 4
支路
1
支路
2
支路
3
支路
4
U a 5
U a 4
U a 3
U a 2
U a 1
U f 1 U ff 2 U ff 3 U f 4 U ff 5
( a )
( b )
U a
U f
321 UUU
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39
R i 1
R i 1
R i 5
R i 4
RP i 1
R f 3 RP f R f 2
R i 2
R t
r 3
r 2
r 1
VD 1 VD 2 VD 3 VD 4
RP f 1
R f 4
IC
+
-
U 0
U f
U Z
I 1 I 2
I 1 ′
I 2 ′
图 3,79 热电阻温度变送器量程单元原理图
321,,rrr
引线电阻
4321,,,VDVDVDVD
限压稳压管，
起安全火花防爆作用线性化
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40
图 3.81 温度变送器的放大单元为了拟制共模干扰信号，防止其沿信号线窜入仪表信号系统，从防爆安全考虑，
利用变压器把输入、输出、电源信号有效隔离开来
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——一体化温度变送器分为一体化热电偶温度变送器和一体化热电阻温度变送器两种热电偶温度变送器：把 mV信号转换为标准电流输出热电阻温度变送器：把 Ω 信号转换为标准电流输出所谓一体化温度变送器,是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内,变送器模块和测温元件形成一个整体,
可直接安装在被测设备上,输出为统一标准信号 4～ 20mA。
这种变送器具有体积小,重量轻,现场安装方便等优点,因而在工业生产中得到广泛应用 。
— 调节仪表与过程控制系统 —
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由于一体化温度变送器直接安装在现场,但由于变送器模块内部的集成电路一般情况下工作温度在 –20～ +80℃ 范围内,
超过这一范围,电子器件的性能会发生变化,变送器将不能正常工作,因此在使用中应特别 注意变送器模块所处的环境温度 。
一体化温度变送器品种较多,其变送器模块大多数以 一片专用变送器芯片 为主,外接少量元器件构成,常用的变送器芯片有 AD693,XTR101,XTR103,IXR100等 。 下面以 AD693构成的一体化温度变送器为例进行介绍 。
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一体化热电偶温度变送器
I1
I2
VT 1
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一体化热电偶温度变送器简图
AD693的 输入信号 Ui为热电偶所产生的热电势 Et与电桥的输出信号 UBD之代数和
11()i t C u wU E I R R
如果设 AD693的转换系数为 K,可得变送器输出与输入之间的关系为
oiI KU? 11[ ( ) ]t C u wK E I R R
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45
结论：
① 变送器的输出电流 I0 与热电偶的热电势 Et成正比关系 。
② RCu阻值随温度而变,合理选择 RCu的数值可使 RCu随温度变化而引起的 I1RCu变化量近似等于热电偶因冷端温度变化所引起的热电势 Et的变化值,两者互相抵消 。
③ W1的作用是调零,W2的作用是调满 （ 量程 ）
oiI KU? 11[ ( ) ]t C u wK E I R R
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46
一体化热电阻温度变送器
I2
I1
VT 1
AD693构成的热电阻温度变送器采用三线制接法,
与热电偶温度变送器的电路大致相仿,只是原来热电偶冷端温度补偿电阻 RCu
现用热电阻 Rt 代替 。
AD693的 输入信号 Ui为电桥的输出信号 UBD,即
1 2 1 1 1 0 1()i B D t W t t wU U I R I R I R I R R
同样可求得热电阻温度变送器的 输出与输入之间的关系 为
0 1 1 0 1()t t WI KI R KI R R
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47
——智能式温度变送器智能式温度变送器有采用 HART协议通信方式,也有采用现场总线通信方式 。
下面以 SMART公司的 TT302温度变送器为例进行介绍 。
TT302温度变送器是一种符合 FF通信协议的现场总线智能仪表,
它可以与各种热电阻或热电偶配合使用测量温度,
具有量程范围宽,精度高,环境温度和振动影响小,抗干扰能力强,重量轻以及安装维护方便等优点 。
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48
输入板包括多路转换器、
信号调理电路,A／ D转换器和隔离部分，其作用是将输入信号转换为二进制的数字信号，传送给
CPU,并实现输入板与主电路板的隔离。
用于热电偶 的 冷端温度补偿核心采样,计算 (
控制 )、输出产生并输出满足 FF标准的数字信号显示
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49
3.2.6 温度检测仪表的选用工业上常见的温度检测仪表主要有,
双金属温度计热电偶热电阻辐射式温度计等就地指示 精度不高在线检测适用于测量 500～ 1800℃ 范围的中高温度适用于测量 500℃ 以下的中低温度一般用于 2000℃ 以上的高温测量选择使用热电阻,热电偶时还应该根据相应的要求确定合适的分度号 。
— 调节仪表与过程控制系统 —
50
——温度检测仪表的安装一般来说,温度检测仪表的安装需要遵循以下原则：
检测元件的安装应确保测量的准确性,选择有代表性的安装位置 。
检测元件应该有足够的插入深度不应该把检测元件插入介质的死角,以确保能进行充分的热交换；
测量管道中的介质温度时,检测元件工作端应位于管道中心流速最大之处检测元件应该迎着流体流动方向安装,非不得已时,切勿与被测介质顺流安装,否则容易产生测量误差；
测量负压管道 （ 或设备 ） 上的温度时,必须保证有密封性,以免外界空气的吸入而降低精度 。
(a)逆流 (b)正交 (d)弯头图 3-56 温度检测元件的安装示意图
— 调节仪表与过程控制系统 —
51
检测元件的安装应确保安全,可靠 。
为避免检测元件的损坏,接触式测量仪表的保护套管应该具有足够的机械强度在使用时可以根据现场的工作压力,温度,腐蚀性等特性,合理地选择保护套管的材质,壁厚当介质压力超过 10Mpa时,必须安装保护外套,确保安全为了减小测量的滞后,可在保护套管内部加装传热良好的填充物,如硅油,石英砂等等接线盒出线孔应该朝下,以免因密封不良使水汽,灰尘等进入而降低测量精度 。
检测元件的安装应综合考虑仪表维修,校验的方便 。
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52
按照规定的型号配用热电偶的补偿导线,注意热电偶的正,负极与补偿导线的正,负极相连接 。
热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求 。
为了保护连接导线与补偿导线不受外来机械损伤,连接导线或补偿导线应穿入钢管内或走汇线槽 。
导线应尽量避免有接头 。 应有良好的绝缘 。 禁止与交流输电线合用一根穿线管,以免引起感应 。
补偿导线不应有中间接头,否则应加装接线盒 。 另外,最好与其他导线分开敷设 。
——布线要求
1
3.2 温度检测温度检测的主要方法和分类热电偶及其测温原理热电阻及其测温原理温度变送器简介其它温度检测仪表简介温度检测仪表的选用和安装
☆
★
★
☆
☆
★
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2
温度,表征物体冷热程度的物理量。温度概念的建立和温度的测量都是以热平衡现象为基础的。为了判断温度的高低，
只能借助于某种物质的某种特性（如体积、长度和电阻等）
随温度变化的规律来测量，于是就会有形形色色的温度计。
但是，迄今为止，还没有适应整个温度范围用的温度计（或物质）。
3.2.1温度和温标
1：温度比较理想的物质及相应的物理性质有：固体、液体、气体的热膨胀性质；导体或半导体受热后电阻值变化的性质；
热电偶的热电势和物体的热辐射。利用这些物理性质制成的测温仪表被广泛的应用着。此外，也应用了一些新的测温原理，如射流测温、涡流测温、激光测温等。
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3
测温方式 测温仪表 测温范围 ℃ 主要特点接触式膨胀式玻璃液体 － 100～600
结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉；
测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传双金属 － 80～600 结构紧凑、可靠；测量精度低、量程和使用范围有限热电效应 热电偶
－ 200～
1800
测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、
集中检测和自动控制，应用广泛；需自由瑞温度补偿，在低温段测量精度较低热阻效应铂电阻 － 200～600 测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温铜电阻 － 50～
150
半导体热敏电阻
－ 50～
150
灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制非接触式非接触式 辐射式 0～ 3500
不破坏温度场，测温范围大，响应块，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难
3.2.1 温度检测方法和分类
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4
温度,表征物体冷热程度的物理量。温度概念的建立和温度的测量都是以热平衡现象为基础的。为了判断温度的高低，
只能借助于某种物质的某种特性（如体积、长度和电阻等）
随温度变化的规律来测量，于是就会有形形色色的温度计。
但是，迄今为止，还没有适应整个温度范围用的温度计（或物质）。
3.2.1温度和温标
1：温度比较理想的物质及相应的物理性质有：固体、液体、气体的热膨胀性质；导体或半导体受热后电阻值变化的性质；
热电偶的热电势和物体的热辐射。利用这些物理性质制成的测温仪表被广泛的应用着。此外，也应用了一些新的测温原理，如射流测温、涡流测温、激光测温等。
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5
3.2.2 热电偶及其测温原理
热电效应和热电偶
热电偶中间导体定律 与 热电势的检测
热电偶的等值替代定律 和 补偿导线
标准化热电偶和分度表
热电偶 冷端温度 的处理
热电偶的结构型式
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6
——热电效应和热电偶热电效应 （ 热电偶测温的基本原理 ）,任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路,如果将它们的两个接点分别置于温度各为
t及 t0的热源中,则在该回路内就会产生热电势 。
A B BA
图 3-37 热电偶示意图
A B
eAB(t0)
eAB(t)
eA(t,t0) eB(t,t0)
图 3-38 热电现象
t 端称为 工作端 (假定该端置于热源中 ),又称测量端或热端
t0端称为 自由瑞,又称参考端或冷端这两种不同导体或半导体的组合称为 热电偶每根单独的导体或半导体称为 热电极
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7
A B
eAB(t0)
eAB(t)
eA(t,t0) eB(t,t0)
闭合回路中所产生的热电势由 接触电势 和 温差电势 两部分组成,
0 0 0 0(,) ( ) ( ) (,) (,)A B A B A B B AE t t e t e t e t t e t t
接触电势 温差电势下标 A表示正电极,B表示负电极,由于温差电势比接触电势小很多,常常把它忽略不计,这样热电偶的电势可表示为：
00(,) ( ) ( ) ( i)A B A B A BE t t e t e t
注意,如果下标次序改为 eBA,则热电势 e前面的符号也应相应改变,即
( ) ( )A B B Ae t e t
式 (i)就是热电偶测温的基本公式 。 当冷端温度 t0一定时,对于确定的热电偶来说,eAB(t0)为常数,因此,其总热电势 EAB(t,t0)
就与温度 t成单值函数对应关系,和热电偶的长短,直径无关 。
只要测量出热电势大小,就能判断被测温度的高低,这就是热电偶的温度测量原理 。
— 调节仪表与过程控制系统 —
8
重要结论：
1.如果组成热电偶的两种电极材料相同,则无论热电偶冷,热两端的温度如何,闭合回路中的总热电势为零；
2.如果热电偶冷,热两端的温度相同,则无论两电极材料如何,闭合回路中的总热电势也为零
3.热电偶产生的热电势除了冷,热两端的温度有关之外,
还与电极材料有关,也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的 。
— 调节仪表与过程控制系统 —
9
——中间导体定律和热电势的测量答：不会产生影响的 。 t
t0
A B
CC
毫伏计热电偶的输出信号是毫伏信号，毫伏信号的大小不仅与冷、热两端的温度有关，还和热电偶的电极材料有关，理论上任何两种不同导体都可以组成热电偶，都会产生热电势。
但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢？
因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表，
那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势，对热电偶回路产生影响呢？
— 调节仪表与过程控制系统 —
10
如果断开冷端,接入第三种导体 C,并保持 A和 C,B和
C接触处的温度均为 t0,则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和,
中间导体定律
t
A
B
C
t0
t0
A B
t
t0
0 0 0(,) ( ) ( ) ( )A B C A B B C CAE t t e t e t e t
当 t＝ t0时,有 0 0 0 0 0(,) ( ) ( ) ( ) 0A B C A B B C C AE t t e t e t e t
于是可得 0 0 0(,) ( ) ( ) (,)A B C A B A B A BE t t e t e t E t t
同理还可以证明,在热电偶中接入第四种,第五种 …… 导体以后,只要接入导体的两端温度相同,接入的导体对原热电偶回路中的热电势均没有影响 。
根据这一性质,可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线,只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出 。t
t0
A B
CC
毫伏计
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11
中间导体定律例：求热电偶回路的电势。
已知,eAB(240)=9.747mV,eAB(50)=2.023mV,eAC(50)=3.048mV,eAC（ l0） =0.591mV。
解一,E=eAB(240)+eBC(50)+eCA(10)，
而 eAB(50)+eBC(50)+eCA(50)=0
E= eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV
解二：利用中间导体定律
E=eAB(240)+eBA(50)+eAC(50)+eCA(10)
= eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV 。
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——等值替代定律和补偿导线如果热电偶 AB在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶 CD在同一温度范围内所产生的热电势相等,即,则这两支热电偶在该温度范围内是可以相互替换的,这就是所谓的热电偶等值替代定律 。
00(,) (,)A B CDE t t E t t?
t0
t
A A
A
B B
BDC
t
t0
tc tc
例 如左图,设,
证明该回路的总热电势为
00(,) (,)A B c CD cE t t E t t?
0(,)ABE t t
（ 略 ）
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13
某热电偶,热端温度为 t,冷端温度为 tc,显然冷端温度难以实现恒定,怎么办？
D
C
补偿导线冷端的延伸
t
tc
A B
热电偶被测设备生产现场
t0
毫伏计恒温环境
A
B
可以把热电偶做得很长,一直到控制室 。 把冷端温度延伸到控制室,变为 t0,恒定 t0比较容易此时,测得的热电势为 00(,) (,) (,)A B c A B c A BE t t E t t E t t
但热电偶一般为 （ 较 ） 贵重的金属,采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料,不妥 。
如果选用一组较廉价的材料 （ C,D）,且 CD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶 AB在同一温度范围内所产生的热电势相等,
就可以用 CD来替代 AB的延伸段 。
00(,) (,) (,)A B c C D c A BE t t E t t E t t
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14
D
C
补偿导线冷端的延伸
t
tc
A B
热电偶被测设备生产现场
t0
毫伏计恒温环境
A
B
CD即为热电偶 AB的补偿导线,通常 CD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成,一般在 0～
100℃ 范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质 。
在选择和使用补偿导线时,要和热电偶的型号相匹配,注意极性不能接错,热电偶与补偿导线连接处的温度一般不能高于 100℃ 。
— 调节仪表与过程控制系统 —
15
——标准化热电偶和分度号从理论上分析,似乎任何两种不同的导体都可以组成热电偶,用来测量温度 。
但实际情况并非如此,为了保证在工业现场应用可靠,并具有足够的精度,热电偶的电极材料在被测温度范围内应满足：
热电性质稳定,物理化学性能稳定,热电势随温度的变化率要大,热电势与温度尽可能成线性对应关系,具有足够的机械强度,复制性和互换性好等要求,目前在国际上被公认的热电偶材料只有几种 。
…………
— 调节仪表与过程控制系统 —
16
附录中列出了几种常用的标准热电偶分度表 。 根据标准规定,热电偶的分度表是以 t0＝ 0℃ 为基准进行分度的 。
当 t＝ 0℃ 时,所有型号热电偶产生的热电势为 0mV；
当 t<0℃ 时,热电势为负值 。
在所有标准化热电偶中,相同温度条件下 B型热电偶产生的热电势最小,E型最大 。 如果把各型号热电偶的热电势和温度制成曲线,可以看出二者呈一定的 非线性关系 。 即：
00(,) ( )ABE t t K t t
— 调节仪表与过程控制系统 —
17
例 用 K型热电偶来测量温度,在冷端温度为 t0＝ 25℃ 时,测得热电势为 22.9mV,求被测介质的实际温度 。
解 1,根据题意有 (,25 ) 22.9KE t m V? ( 2 5,0 ) 1,0 0 0KE m V?
因此有 (,0 ) (,2 5 ) ( 2 5,0 ) 2 2,9 1,0 0 0 2 3,9K K KE t E t E m V m V m V
反查分度表有 2 3,9 2 3,6 2 95 7 0 * 1 0 5 7 6,4
2 4,0 5 5 2 3,6 2 9tC
解 2,根据题意有 (,25 ) 22.9KE t m V? 直接查分度表有
2 2,9 2 2,7 7 65 5 0 * 1 0 5 5 2,9
2 3,2 0 3 2 2,7 7 6tC
因此再加上冷端温度,有 2 5 5 7 7,9t t C
哪种计算结果正确,为什么？
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18
——热电偶冷端温度的处理中间导体定律 拆开冷端,串入,毫伏计,,
可以测量热电势,而不影响总的热电势等值替代定律利用补偿导线来延伸冷端,是把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的现场延伸到温度较低和比较稳定的操作室内
— 调节仪表与过程控制系统 —
19
由于操作室内的温度往往高于 0℃,而且也是不恒定的
（ 即使有空调也是不恒定的 ）,这时,热电偶产生的热电势必然会随冷端温度的变化而变 。
因此,在应用热电偶时,只有把冷端温度保持为 0℃,
或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果,对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿 。
目前,热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法：
冰浴法计算修正法电桥补偿法
— 调节仪表与过程控制系统 —
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冰浴法 ——把热电偶的冷端放入恒温装置中,保持冷端温度为 0℃,多用于实验室
t
tc
热电偶补偿导线毫伏计
0
℃
恒温装置计算修正法 ——如例 3.7。 这种方法适用于实验室或者临时测温 。
电桥补偿法 ——仪表中常用
t
+ － R
cu
E
R1 R2
R3
+ a b －
00tt
0(,)Et t?
0(,)Et t
+
－
图 3－ 44 电桥补偿法
— 调节仪表与过程控制系统 —
21
——热电偶的结构形式热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量,尤其适用于 500℃ 以上较高温度的测量,普通型热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构 。
接线盒保护套管绝缘管热电偶安装法兰 引线口普通型热电偶普通型热电偶主要由热电极,绝缘管,保护套管和接线盒等主要部分组成 。
贵重金属热电极的直径一般为 0.3～ 0.65mm,普通金属热电极的直径一般为 0.5～ 3.2mm；
热电极的长度由安装条件和插入深入而定,一般为 350～ 2000mm。
绝缘管用于防止两根电极短路保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤 材料的选择因工作条件而定普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式
— 调节仪表与过程控制系统 —
22
铠装型热电偶热电极 绝缘材料 金属套管热电极绝缘材料铠装型热电偶断面结构铠装型热电偶是由热电极,绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的金属套管一般为铜,不锈钢,镍基高温合金等保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末,常用的绝缘材料有氧化镁,氧化铝等 。
铠装型热电偶可以做得很细,一般为 2～ 8mm,在使用中可以随测量需要任意弯曲 。
铠装热电偶具有动态响应快,机械强度高,抗震性好,可弯曲等优点,可安装在结构较复杂的装置上,应用十分广泛 。
— 调节仪表与过程控制系统 —
23
3.2.3 热电阻及其测温原理
热电阻的测温原理
工业上常用的金属热电阻
热电阻的信号连接方式
热电阻的结构型式
— 调节仪表与过程控制系统 —
24
——热电阻的测温原理在工业应用中,热电偶一般适用于测量 500℃ 以上的较高温度 。 对于 500℃ 以下的中,
低温度,热电偶输出的热电势很小,这对二次仪表的放大器,抗干扰措施等的要求就很高,否则难以实现精确测量；而且,在较低的温度区域,冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出 。 所以测量中,低温度,一般使用热电阻温度测量仪表较为合适 。
热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的,即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性 。 因此,只要测出感温热电阻的阻值变化,就可以测量出被测温度 。
目前,主要有 金属热电阻 和 半导体热敏电阻 两类 。
— 调节仪表与过程控制系统 —
25
金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：
0 0[ 1 ( )]ttR R t t
式中,为温度 t时对应的电阻值为温度 t0(通常 t0＝ 0℃ )时对应的电阻值为温度系数 。
tR
0tR
金属热电阻
— 调节仪表与过程控制系统 —
26
半导体热敏电阻,半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为：
式中,为温度 t时对应的电阻值
A,B是取决于半导体材料和结构的常数
tR
BttR Ae?
金属热电阻 和 半导体热敏电阻 的比较,
热敏电阻的温度系数更大,常温下的电阻值更高 （ 通常在数千欧以上 ）,但互换性较差,非线性严重,测温范围只有－ 50～ 300℃ 左右,大量用于家电和汽车用温度检测和控制 。
金属热电阻一般适用于测量－ 200～ 500℃ 范围内的温度测量,其特点测量准确,稳定性好,性能可靠,在过程控制领域中的应用极其广泛 。√
— 调节仪表与过程控制系统 —
27
——工业上常用的金属热电阻从电阻随温度的变化来看,大部分金属导体都有这种性质,
但并不是都能用作测温热电阻,作为热电阻的金属材料一般要求：
尽可能大而且 稳定的温度系数,电阻率要大,在使用的温度范围内具有 稳定的化学和物理性能,材料的 复制性好,
电阻值随温度变化要有 单值函数关系 （ 最好呈线性关系 ） 。
我国最常用的铂热电阻有 R0＝ 10Ω,R0＝ 100Ω和 R0＝ 1000Ω等几种,
它们的分度号分别为 Pt10,Pt100 和 Pt1000；
铜热电阻有 R0＝ 50Ω和 R0＝ 100Ω两种,
分度号分别为 Cu50和 Cu100
其中 Pt100 和 Cu50 的应用更为广泛
— 调节仪表与过程控制系统 —
28
——热电阻的信号连接方式热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件,通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上 。 常用的引线方式有三种：
E
R1 R2
R3
iU
tR
tR sI*i s tU I R?
tR iR
r
r
二线制,在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号 。 这种引线方式最简单但由于连接导线必然存在引线电阻 r,r的大小与导线的材质和长度等因素有关很明显,图中的 2
itR R r
因此,这种引线方式只适用于测量精度要求较低的场合 。
— 调节仪表与过程控制系统 —
29
ER1 R2
R3
iU
tR
三线制：在热电阻根部的一端连接一根引线,另一端连接两根引线的方式称为三线制这种方式通常与电桥配套使用,可以较好地消除引线电阻的影响,是工业过程中最常用的引线方式 。
I I
r
r
r
A
B
C
事实上电桥上 R1＝ R2>>Rt,R3,经过设计可以使两个桥臂上的电流相等,均为 I,且 I
几乎不受 Rt的影响三线制的连接,每根线上同样也存在导线电阻 r
此时,Ui＝ UAC＝？？
33( ) ( ) ( )i A B C B t tU U U I R r I R r I R R
3R 可以起到调零的作用
— 调节仪表与过程控制系统 —
30
四线制,在热电阻根部两端各连接两根导线的方式称为四线制,其中两根引线为热电阻提供恒定电流 Is,把 Rt转换为电压信号 Ui，
再通过另两根引线把 Ui引至二次仪表 。 可见这种引线方式可以完全消除引线电阻的影响,主要用于高精度的温度检测 。
tR
sI
*i s tU I R?
— 调节仪表与过程控制系统 —
31
——热电阻的结构形式和热电偶相同
— 调节仪表与过程控制系统 —
32
3.2.4 温度变送器简介
DDZ-III型温度变送器
一体化温度变送器
智能式温度变送器
— 调节仪表与过程控制系统 —
33
DDZ－ Ⅲ 型温度变送器是工业过程中使用比较广泛的一类模拟式温度变送器，它与各类型的热电偶、
热电阻配套使用，将温度或温差信号转换为 4～ 20mA
或 1～ 5VDC的统一标准信号输出。
——DDZ－ III型温度变送器
DDZ－ Ⅲ 型温度变送器主要有热电偶温度变送器、
热电阻温度变送器和直流毫伏变送器三种类型。三种变送器在线路结构上都由量程单元和放大单元两部分组成，
其中放大单元是通用的，而量程单元则随品种和测量范围的不同而不同。
— 调节仪表与过程控制系统 —
34
DDZ－ Ⅲ 型温度变送器具有如下特点：
①采用低漂移、高咱那故意的运算放大器作为主要放大器，具有线路简单、可靠性高、稳定好以及各项技术性能较好的特点。
②在配用热电偶和热电阻的变送器中采用线性化电路，使其输出电流 I0与被测温度呈线性关系，测量精度高。
③线路中采用了安全火花防爆技术措施，可用于易燃易爆场合。
④ 采用 24VDC集中供电，实现二线制接线方式。
— 调节仪表与过程控制系统 —
35
DDZ－ Ⅲ 型温度变送器的原理框图。
+
-
Ui
Uzˊ
Ufˊ
I0
V0
桥路部分 整流 部分 DC-AC-DC
变换器集成运算放大器反馈回路隔离输出功率放大器
DC24V
量程单元 放大单元图 3.75 DDZ－ Ⅲ 型温度变送器的原理框图
— 调节仪表与过程控制系统 —
36
+
_
U 0
VD 1
VD 2
R i 1
R i 2
Ri 3
RPi
RP i 1
R i 5
R i 4
C i
C f
U f
R f 3 RP f R f 2 R f 1
R i 6
R i 7
VD 3
RP f 1 RP f 2
U f ′
U c
U Z
VT Z
R Z
IC
输入环节 调零环节 反馈环节
＋
－
RP
图 3,76 直流毫伏变送器量程单元
U i
U Z 1
U T
U F
限流和限幅
，限制打火能量在安全火花范围内
LPF
调零 恒流源反馈回路
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+
_
U 0
VD 1
VD 2
R i 1
R i 2
C i
U f
R f 23
3
U c
U Z
VT Z
R Z
输入环节 调零环节 反馈环节图 3,77 热电偶温度变送器量程单元线性化负反馈通道
IC
-
+
C f
R cu
R P f R f 22
U F
U T
R i 3
R i 4
R i 5
R i 7
R i 4
VD 3
R P 1
U Z ′
U i
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U 1 U 2
R f 8
R f 7
R f 17
R f 18
R f 5
U 3
VD 3
VD 1 VD 2
R f 9
R f 12
R f 19
-
+
IC 2
U f
图 3,78 多段折线逼近法线性化原理区 区 区 区域 域 域 域
1 2 3 4
支路
1
支路
2
支路
3
支路
4
U a 5
U a 4
U a 3
U a 2
U a 1
U f 1 U ff 2 U ff 3 U f 4 U ff 5
( a )
( b )
U a
U f
321 UUU
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R i 1
R i 1
R i 5
R i 4
RP i 1
R f 3 RP f R f 2
R i 2
R t
r 3
r 2
r 1
VD 1 VD 2 VD 3 VD 4
RP f 1
R f 4
IC
+
-
U 0
U f
U Z
I 1 I 2
I 1 ′
I 2 ′
图 3,79 热电阻温度变送器量程单元原理图
321,,rrr
引线电阻
4321,,,VDVDVDVD
限压稳压管，
起安全火花防爆作用线性化
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图 3.81 温度变送器的放大单元为了拟制共模干扰信号，防止其沿信号线窜入仪表信号系统，从防爆安全考虑，
利用变压器把输入、输出、电源信号有效隔离开来
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——一体化温度变送器分为一体化热电偶温度变送器和一体化热电阻温度变送器两种热电偶温度变送器：把 mV信号转换为标准电流输出热电阻温度变送器：把 Ω 信号转换为标准电流输出所谓一体化温度变送器,是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内,变送器模块和测温元件形成一个整体,
可直接安装在被测设备上,输出为统一标准信号 4～ 20mA。
这种变送器具有体积小,重量轻,现场安装方便等优点,因而在工业生产中得到广泛应用 。
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由于一体化温度变送器直接安装在现场,但由于变送器模块内部的集成电路一般情况下工作温度在 –20～ +80℃ 范围内,
超过这一范围,电子器件的性能会发生变化,变送器将不能正常工作,因此在使用中应特别 注意变送器模块所处的环境温度 。
一体化温度变送器品种较多,其变送器模块大多数以 一片专用变送器芯片 为主,外接少量元器件构成,常用的变送器芯片有 AD693,XTR101,XTR103,IXR100等 。 下面以 AD693构成的一体化温度变送器为例进行介绍 。
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一体化热电偶温度变送器
I1
I2
VT 1
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一体化热电偶温度变送器简图
AD693的 输入信号 Ui为热电偶所产生的热电势 Et与电桥的输出信号 UBD之代数和
11()i t C u wU E I R R
如果设 AD693的转换系数为 K,可得变送器输出与输入之间的关系为
oiI KU? 11[ ( ) ]t C u wK E I R R
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结论：
① 变送器的输出电流 I0 与热电偶的热电势 Et成正比关系 。
② RCu阻值随温度而变,合理选择 RCu的数值可使 RCu随温度变化而引起的 I1RCu变化量近似等于热电偶因冷端温度变化所引起的热电势 Et的变化值,两者互相抵消 。
③ W1的作用是调零,W2的作用是调满 （ 量程 ）
oiI KU? 11[ ( ) ]t C u wK E I R R
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一体化热电阻温度变送器
I2
I1
VT 1
AD693构成的热电阻温度变送器采用三线制接法,
与热电偶温度变送器的电路大致相仿,只是原来热电偶冷端温度补偿电阻 RCu
现用热电阻 Rt 代替 。
AD693的 输入信号 Ui为电桥的输出信号 UBD,即
1 2 1 1 1 0 1()i B D t W t t wU U I R I R I R I R R
同样可求得热电阻温度变送器的 输出与输入之间的关系 为
0 1 1 0 1()t t WI KI R KI R R
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——智能式温度变送器智能式温度变送器有采用 HART协议通信方式,也有采用现场总线通信方式 。
下面以 SMART公司的 TT302温度变送器为例进行介绍 。
TT302温度变送器是一种符合 FF通信协议的现场总线智能仪表,
它可以与各种热电阻或热电偶配合使用测量温度,
具有量程范围宽,精度高,环境温度和振动影响小,抗干扰能力强,重量轻以及安装维护方便等优点 。
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输入板包括多路转换器、
信号调理电路,A／ D转换器和隔离部分，其作用是将输入信号转换为二进制的数字信号，传送给
CPU,并实现输入板与主电路板的隔离。
用于热电偶 的 冷端温度补偿核心采样,计算 (
控制 )、输出产生并输出满足 FF标准的数字信号显示
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3.2.6 温度检测仪表的选用工业上常见的温度检测仪表主要有,
双金属温度计热电偶热电阻辐射式温度计等就地指示 精度不高在线检测适用于测量 500～ 1800℃ 范围的中高温度适用于测量 500℃ 以下的中低温度一般用于 2000℃ 以上的高温测量选择使用热电阻,热电偶时还应该根据相应的要求确定合适的分度号 。
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——温度检测仪表的安装一般来说,温度检测仪表的安装需要遵循以下原则：
检测元件的安装应确保测量的准确性,选择有代表性的安装位置 。
检测元件应该有足够的插入深度不应该把检测元件插入介质的死角,以确保能进行充分的热交换；
测量管道中的介质温度时,检测元件工作端应位于管道中心流速最大之处检测元件应该迎着流体流动方向安装,非不得已时,切勿与被测介质顺流安装,否则容易产生测量误差；
测量负压管道 （ 或设备 ） 上的温度时,必须保证有密封性,以免外界空气的吸入而降低精度 。
(a)逆流 (b)正交 (d)弯头图 3-56 温度检测元件的安装示意图
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检测元件的安装应确保安全,可靠 。
为避免检测元件的损坏,接触式测量仪表的保护套管应该具有足够的机械强度在使用时可以根据现场的工作压力,温度,腐蚀性等特性,合理地选择保护套管的材质,壁厚当介质压力超过 10Mpa时,必须安装保护外套,确保安全为了减小测量的滞后,可在保护套管内部加装传热良好的填充物,如硅油,石英砂等等接线盒出线孔应该朝下,以免因密封不良使水汽,灰尘等进入而降低测量精度 。
检测元件的安装应综合考虑仪表维修,校验的方便 。
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按照规定的型号配用热电偶的补偿导线,注意热电偶的正,负极与补偿导线的正,负极相连接 。
热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求 。
为了保护连接导线与补偿导线不受外来机械损伤,连接导线或补偿导线应穿入钢管内或走汇线槽 。
导线应尽量避免有接头 。 应有良好的绝缘 。 禁止与交流输电线合用一根穿线管,以免引起感应 。
补偿导线不应有中间接头,否则应加装接线盒 。 另外,最好与其他导线分开敷设 。
——布线要求
