过程控制系统及其应用PPT.ppt

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1、过程控制系统及其应用,目录,第一章过程控制的基本概念第一节 过程控制的发展概况第二节 过程控制系统的组成 一、被控对象 二、传感器和变送器 三、控制器 四、执行器 五、控制阀第三节 过程控制的分类 一、各种分类方法 二、设定值分类第四节 生产对过控制的要求和指标 一、生产对过程控制的要求 二、过程控制系统的品质指标,第二章 过程检测仪表,第一节自动化仪表基本品质指标一、仪表测量过程的测量误差及表示 二、检测仪表的基本技术性能指标第二节 温度检测仪表 一、概述 二、热电偶温度计 三、热电阻温度计 四、光辐射测温方法,第三节 压力(差压)检测仪表 一、概述 二、弹性式压力测量元件 三、压力（压差）

2、变送器第四节 流量检测仪表 一、差压式流量计 二、电磁流量计 三、涡街流量计 四、超声波流量计 五、质量流量计第五节 物位检测仪表 一、物位仪表种类 二、静压式液位变送器 三、超声波液位计习题,第三章 过程通道信号处理及调节仪表,第一节 温度变送器 一、概述 二、放大单元工作原理 三、热电偶温度变送器量程单元 四、变送器的信号调试方法 五、DBW型温度变送器的型号表示 六、DCW型温度变送器第二节 DDZ-型全刻度指示调节器 一、概述 二、基型调节器的工作原理 三、可编程序数字调节器,第四章 执行器,第一节 电动执行器 一、概述 二、电动执行单元组成及工作原理第二节 气动执行机构 一、控制阀概

3、述 二、控制阀的选择 三、阀门定位器,第五章 过程控制对象的动态特性,第一节 有自平衡对象的动态特性 一、单容对象的动态特性 二、多容对象的动态特性 三、具有纯滞后对象的动态特性 第二节 无自平衡能力对象的动态特性 一、单容对象的动态特性 二、双容对象的动态特性第三节 时域法辨识对象的动态特性 一、阶跃响应曲线的测定 二、由阶跃响应曲线求对象的传递函数,第六章 单回路控制系统,第一节 系统组成和设计概述 一、单回路控制系统的组成 二、单回路控制系统的设计概述第二节 控制量和操纵量的选择 一、被控量的选择 二、操纵量的选择 三、过程静态特性分析 四、过程动态特性分析,第三节 比例、积分、微分控制

4、及控制器的选型 一、比例、积分、微分控制 二、控制器的选型 三、控制器的正反作用选择第四节 控制器的参数整定 一、过渡过程参数整定法 二、经验法 三、稳定边界法 四、衰减曲线法 五、响应曲线法 六、衰减频率特性法,第七章 复杂控制系统,第一节 串级控制系统 一、串级控制系统的概念 二、串级控制系统的工作特性及特点 三、串级控制系统的应用范围 四、串级控制系统的设计 五、串级控制系统的投运与整定第二节 前馈及复合控制 一、前馈及复合控制的基本概念 二、前馈控制系统的几种典型结构形式 三、前馈控制规律的实施 四、前馈控制系统的参数整定 五、前馈控制系统的选用原则,第三节 大时延控制原则 一、概述

5、二、常规控制方案 三、采样控制方案 四、Smith预估补偿方案第四节 比值控制系统 一、基本概念 二、常见的比值控制方案 三、比值控制系统设计中的几个问题 四、比值控制系统的参数整定,第八章 计算机过程控制系统,第一节 计算机控制技术概述 一、概述 二、过程计算机控制系统的组成 三、过程计算机控制系统的分类 第二节 过程输入输出通道基本原理 一、AI（Analog Input）通道 二、AI（Analog onput）通道 三、DI（Digital Input）、DO（Digital Output）通道第三节 过程计算机常规控制技术,第四节 闭环控制系统的仿真算法 一、A/D单元的离散描述 二

6、、D/A保持器的传递函数 三、离散闭环控制系统数字仿真编程的递推求解法 四、采样周期T的确定需注意的问题第五节 工业控制组态软件 一、概述 二、组态软件的系统结构与功能第六节 集散控制系统（DCS）一、集散控制系统在工业中的应用 二、集散控制系统的结构与功能 三、集散控制系统发展第七节 现场总线技术 一、现场总线技术及其产生的背景 二、现场总线的工作原理 三、现场总线的技术特点 四、几种典型的现场总线,第九章 过程自动化控制系统的应用实例,第一节 恒压供水控制系统 一、概述 二、恒水压控制装置 三、其他方案第二节 楼宇设备管理和监控系统 一、概述 二、系统的组成及工作原理 三、系统软件 四、系

7、统的特点第三节 变风量空调系统 一、变风量空调系统概述 二、变风量空调系统的自动控制 参考文献,第一章 过程控制的基本概念,第一节 过程控制的发展概况第二节 过程控制系统的组成第三节 过程控制的分类第四节 生产对过程控制的要求和指标,第一节 过程控制的发展概况,自20世纪50年代以来，由于计算机技术的发展，带来了自动化发展的惊人成就。自动化的发展首先从工业生产领域开始，而工业自动化的发展又与工业生产过程本身的发展有着密切的联系。随着生产从简单到复杂，从局部到全局，从低级到智能的发展，工业生产自动化也经历了一个不断发展的过程。第一阶段 第二阶段 第三阶段,第一阶段，以经典控制理论为基本方法，即用

8、传递函数进行数学描述，对系统进行分析的基本方法为根轨道法和频率法。在这个阶段，对系统的一般处理方法是将一个复杂过程分解为若干个简单的过程，然而采用单输入、单输出的控制系统。在这个阶段的控制目标主要是保持整个生产的正常平稳和安全，自动化水平处于比较低级的阶段，实现控制的手段主要是单个传感器、控制器和执行器。,第二阶段，由于生产过程向着大型化、连续性方向发展，原有简单控制的模式已不能满足要求。现代控制理论，为新的控制技术提供了理论基础。以状态空间为分析基础，包括以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值原理和动态规划为基础的优化控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最优估计三个部分。因此使分析系统的方法从外部

9、现象深入到揭示系统的内在规律，从局部控制发展到了全局最优控制。而自动控制的工具也产生了直接数字控制（Direct Digital Control,DDC）和监督计算机控(Supervisory Computer Control,SCC)。,第三个阶段最大成就就是大规模集成电路和微处理器的产生，这大大加速了工业计算机的商品化和计算机技术的普及和发展。为了满足工业计算机可靠性和灵活性的需要，作为一种全新的工业控制工具，集散控制系统产生了（Distributed Control Systems,DCS）。它是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术于一体的计算机系统。而另一方面，控制理论和其它

10、学科相互渗透，从而形成了以大系统理论和智能控制理论为代表的所谓第三代控制理论。,20世纪80年代以后计算机技术产生了突飞猛进的发展，并以计算机为工具产生了信息技术和网络技术。它在自动化技术领域产生极大的影响和推动作用，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成化系统为基础的企业信息控制管理系统。而自动化的实现工具也由DCS系统发展到了现场总线控制系统（Fieldbus Control System FCS）。,第二节 过程控制系统的组成,过程控制通常用于各工业部门生产过程的自动化，过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、流量、压力、液位等这样一些过程变量时的系统。下面以供热锅炉液位控

11、制系统为例，介绍过程控制系统的组成。,锅炉是整个供热系统中最重要的设备。锅炉在工作时必须将水位保持在一定的高度，水位过低，锅炉有可能烧干而酿成事故，如果水位过高，产生的蒸汽含水量太高，不成为过热蒸汽，造成供热管道积水。因此必须根据锅炉蒸汽负荷的大小调整锅炉的给水量，使水位始终维持在允许的范围内。锅炉水位控制：人工方法 锅炉水位控制：自动控制,锅炉水位控制的人工方法是靠人眼观察玻璃液位计，根据水位的变化，凭经验而去改变供水阀门的开度，使水位保持在规定的位置上(见图1-1 a)。,锅炉水位控制的自动控制，则用仪表作为控制工具来代替人眼和手，使水位保持在规定范围内（见图1-1b）。水位的变化首先由液

12、位变送器测量得到，并转换成规定的信号输入到控制器中，控制器将输入的信号和水位的设定的标准值信号相比较，当二者的偏差超出规定的范围时，它将经运算后发出控制命令，通过执行器改变阀门的开度以增减给水量，从而达到锅炉水位的平衡。这样就实现了水位的自动控制。,从以上例子中可以看出，要实现水位控制需要以下装置：1）测量水位变化的传感器或变送器。2）能将水位测量值和水位设定值进行比较并进 行控制运算的控制器。3）设定水位的定值器（可能包括在控制器内）。4）执行控制命令的执行器。5）调节给水量的调节阀。,这些装置和被控对象锅炉本身组成了一个过程控制系统，见图1-2所示。扰动d设定值r 偏差值e u a q 控

13、制量y,检测元件，变送器,图1-2 过程控制系统原理方框图,+,-,过程控制系统中应该包括以下几个部分：一、被控对象 二、传感器和变送器 三、控制器四、执行器 五、调节阀,一、被控对象 被控对象是指生产过程被控制的工艺设备或装置。例如上述例子中的锅炉。当被控对象中所需控制的参数仅有一个（例如锅炉的水位控制），则工艺设备与被控对象的特性是一致的。当工艺设备的被控参数二个以上（例如锅炉水位控制实际上决定于给水量，蒸汽流量和压力等参数），则往往会使其特性相互制约，这时应有一套可能是互相关联的控制系统，这样的工艺设备作为被控对象，应对其中不同的过程作不同的分析。,二、传感器和变送器 按生产工艺要求，被

14、控对象的有关控制参数应通过自动检测以获得可靠的信息。信息的获得依靠传感器或变送器来完成。被控的工艺参数一般为非电量物理量，通过传感器将其变成相对应的电信号。而变送器还会将此信号转换为标准信号。目前的标准电信号主要有二种，一种为型的标准电信号，即0-10mA 直流电流信号，另一种为型的电信号，是4-20mA的直流电流信号或1-5V的直流电压信号。也可转换成1.961049.8104 Pa的标准气压信号。传感器或变送器的输出也就是被控量的测定值z。,三、控制器 扰动：使被控量发生变化的任何作用称为扰动。内扰：在控制通道内，在控制阀未动情况下，由于通道内质量或能量等因素变化造成的扰动称为内扰。外扰：

15、而其他来自外部的影响统称为外扰。扰动一经产生，控制器发出控制命令对系统实行控制。工艺要求规定的被控量的参数值称为设定值r。在系统中，传感器或变送器的测量值z反馈到输入端和设定值r比较，从而得到了一个偏差值e，当 r时称为负偏差，r时称为正偏差。控制器根据e的大小，根据控制器规定的控制算法进行运算，输出一个相对应的控制信号u去推动执行器。,四、执行器 执行器接收控制器的控制信号u，经变换或放大后推动调节阀。目前的执行器有气动执行器和电动执行器，如控制器是电动的，而执行器是气动的，则在控制器与执行器之间要有电气转换器。如用电动执行器，则控制器输出须经伺服放大器放大才能驱动执行器以推动调节阀。,五、

16、调节阀 控制器输出控制信号u，经气动或电动执行器驱动调节阀，改变输入对象的操纵量q，使被控量受到控制。,第三节 过程控制的分类,一、各种分类方法1）按被控量分类：温度控制系统，压力控制系统，流量控制系统，液位控制系统等。2）按控制系统回路分类：开环控制系统及闭环控制系统，单回路控制和多回路控制。3）按控制器的控制算法分类：比例控制系统，比例积分控制系统，比例积分微分控制系统及位式控制系统等。4）按控制系统的模式分类：比值控制系统，均匀控制系统，前馈控制系统及自适应控制系统等。5）按控制器信号分类：常规的仪表控制系统，计算机控制系统，集散控制系统和现场总线控制系统等。,以上是人们视具体情况所采用

17、的不同的分类，并没有什么严格的规定。而作为过程控制而言。主要是分析反馈控制的特性，这就和设定值有密切关系，因此按设定值来分类则更有意义。,二、设定值分类：1)定值控制系统 2)随动控制系统 3)程序控制系统,1)定值控制系统 将系统被控量的设定值保持某一定值（或在某一很小范围内不变）的控制系统称为定值控制系统。这样的系统是过程控制中应用最多的一种控制系统。前面所述的锅炉水位控制系统就是这样的定值控制系统。在定值控制系统中，设定值固定不变，引起系统变化的只是扰动信号。,2)随动控制系统 随动控制系统是被控量的设定值随着时间任意变化的控制系统。其主要作用是克服一切扰动，使被控量及时跟踪设定值变化。

18、,3）程序控制系统 程序控制系统被控量的设定值是按预定的时间程序变化的。控制的目的是使被控量按规定的程序自动变化。如工业热处理炉等周期作业的加热设备，一般都有升温，保温和降温等按时间变化的规律，设定值按此程序进行控制，以达到控制的目的。,第四节 生产对过程控制的要求和指标,一、生产对过程控制的要求 二、过程控制系统的品质指标,一、生产对过程控制的要求 1.安全性 安全性指的是在生产的整个过程中，确保人身安全和设备的安全。这是最重要的要求。2.经济性 过程控制的经济性旨在使系统在生产相同质量和产量的条件下，所消耗的能源和材料最少，做到生产成本低，生产效率高。3.稳定性 稳定性即要求系统具有抑止外

19、部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。,二、过程控制系统的品质指标 过程控制系统在运行时有两种状态，一种称为稳态，系统的设定值保持不变，也没有受到整个外来的任何干扰，被调量保持不变，整个系统处于平衡稳定状态。另一种为动态，系统的设定值发生了变化，或者是系统受到了外来的干扰，原来的稳定遭到了破坏，系统的各部分将作出相应的调整，改变操纵量的大小，使被控量重新回复到设定值，使系统稳定。过渡过程:从前一个稳定状态到另一个稳定状态的过程。大多数系统经常处于动态过程中，评价一个系统的品质，不能单评价其稳态，更重要的是应该考虑它在动态过程中被调量随时间变化的情况。,在阶跃信号输入的情况下，整个过渡过程可能

20、有不同的状态，见图1-3所示，图1-3 a为发散振荡过程，图1-3b为等幅振荡过程，图1-3 c为衰减振荡过程，图1-3 d为非周期过程。一般希望过渡过程为衰减振荡过程。,图1-3 几种不同的过渡过程,显然，控制过程就是克服和消除干扰的过程。系统受到一个扰动以后能否在控制器的控制作用下再稳定下来，克服扰动回到设定值的准确性和快慢程度是评价系统的重要标志。,图1-4 过渡过程的品质指标,通常可以用以下几个指标来衡量。一、衰减比 二、动态偏差 三、调整时间TC 四、静态偏差,一、衰减比 衰减比n，即n=B1/B2。由图1-4可以看出，第一、二两个周期的振幅B1与B2的比值充分反映了振荡衰减的程度。

21、衰减比n表示曲线变化一个周期后的衰减快慢，一般用n：1表示。在实际控制中，衰减比习惯采用4：1。但对于象温度控制这样变化缓慢的过程，4：1的衰减比显得振荡过甚，是不适宜的，而采用10：1衰减比，效果可能会更好一些，因此衰减比需根据不同的对象来选取。衰减比也有用面积比表示的，如图1-4中阴影面积A1与A2之比，指标仍为4:1。,二、动态偏差 扰动发生后，被控量偏离稳定值或设定值的最大偏差称为动态偏差，也称为最大过调量，见图1-4中第一波峰B1。过渡过程到达此峰值的时刻称为峰值时间TP。如果动态偏差比较大，峰值时间又较长，这样的系统是不允许的。,三、调整时间TC 系统受到扰动后平衡状态被破坏，经控

22、制器作用后，被控量返回到允许的范围之内。通常在稳定值的5%（或2%）以内，达到新的平衡状态所经历的时间，称为调整时间TC，也称为过渡过程时间或稳定时间。过阻尼系统：一般以响应曲线由稳定值的a%上升到稳定值b%所经历的时间称为上升时间Tr。其中a一般为10或5，b一般取90或95。欠阻尼的系统：一般从0算起，上升到100%所经历的时间为上升时间。延迟时间：响应曲线第1次达到稳定值的50%的时间称为延迟时间Td。峰值时间：响应曲线达到第一个峰值的时间成为峰值时间Tp,四、静态偏差 经控制器控制以后，系统被控量将在规定的小范围内波动，被控量与最大稳定值或设定值之差称为静态偏差或残余偏差，简称余差，见

23、图1-4中的C，它是系统的一个静态指标，它的大小根据生产工艺过程的实际需要制订。从控制质量而言，自然是余差越小越好，但余差订得过小，对系统要求就提高了，系统投资将增加。,第二章 过程检测仪表,目前国际上统一的420 mA(DC)毫安直流电流作为标准信号。信号采用电流传送-电压接收的并联制传输工作方式。采用直流信号的优点是传输过程中不受传输线中电感及负载电阻变化的影响，适于信号的远距离传送；对于要求电压输入的受信仪表和元件，只需在电流回路中串联250电阻便可得到电压信号，故使用比较灵活。因为最小信号电流不为零，为现场变送器实现两线制创造了条件。两线制是指现场变送器和控制室仪表联系仅用两根导线。这

24、两根线既是电源线，又是信号线。这样不但节省了大量电缆线和安装费用，而且还有利于安全防爆。在仪表过程检测、信号变送及调节系统中，可将其分为放置在现场的检测仪表（俗称一次仪表）与放置在仪表控制室内的过程通道信号处理及调节仪表（俗称二次仪表）。本章将介绍常见的检测仪表的工作原理。,第一节 自动化仪表基本品质指标,一、仪表测量过程的测量误差以及表示 在进行物理量的测量过程中，物理量具有客观存在的量值，这一量值称之为真值，用Xo表示，通过检测仪表测量得到的结果称为测量值，也叫仪表示值，用X表示。在测量过程中所的到的测量值和真值是不一致的，其间的差值就是测量误差。测量误差是客观存在的事实，人们主观愿望是要

25、测得真值，但是，即使测量原理和方法很完善，测量工具极度精确，操作和管察非常仔细，仍然得不到绝对准确的真值，而只是比较接近真值而已。,1.示值的绝对误差 仪表的示（测量值）X与被测量的真值Xo之间的代数差值称为示值的绝对误差（x）即 x=X-Xo 通常都是以标准仪表提供的标准或精度较高的标准仪表测量值作为近似的真值，而称实际值。因此，示值绝对误差的数值和符号（正或负），表明了仪表的示值偏离真值（实际值）的程度的方向。,2.示值的相对误差 示值的相对误差是示值的绝对误差与所取的参考值（约定值）的比值，用百分数来表示。按所取参考值（约定值）的不同，示值的相对误差有三种表示法。（1）实际相对误差 仪表

26、示值绝对误差与被测量真值（实际值）的比值，称为示值的实际相对误差，以百分数表示为（2）标称相对误差 仪表示值绝对误差与仪表示值（测量值）的比值，称为示值的标称相对误差，以百分数表示为（3）引用相对误差 仪表示值绝对误差与仪表的量程（刻度范围）的比值，称为示值的引用相对误差，以百分该数表示为,二、检测仪表的基本技术性能指标 自动检测仪表的技术性能是选择和使用检测仪表及衡量仪表好坏的依据，因此，需要了解仪表的基本技术性能。仪表的技术性能指标有基本误差、精度等级、仪表的变差、仪表的灵敏度和灵敏限等。1.仪表的基本误差 用仪表的一个刻度点的绝对误差或相对误差来评价一个仪表的精确度是不够的，必须结合仪表

27、的标尺范围（即测量范围），全面地、合理地反应仪表的精确度。测量仪表的误差，通常采用折合成仪表标尺范围的百分数来表示，即用最大引用相对误差来表示仪表的基本误差，即 式中，是仪表的全量程中的最大绝对误差值。,举例说明：有A、B两个热电阻温度测量仪表，A表的量程为0100C,B表的量程为0200C，各主要刻度点的测量值如表2-1所示。,从表2-1可以看到；两表的最大绝对误差虽然同为2C，但因量程度范围不同，它们的相对百分误差也不同。量程大的B表比量程小得A表相对百分误差小，所以B表的精度较高。,2.仪表的精度等级 仪表的精度等级就是按国家统一规定的最大相对引用误差大小来划分的，即去掉最大相对误差百分

28、号和“”后的数字表示仪表的精度等级。例如，精度等级为0.5级的仪表，其允许的最大相对引用误差为 0.5%，也就是说，该仪表各点示值的绝对误差均不得超过仪表量程（刻度范围）的 0.5%。我国常用仪表的准确度等级见表2-2,精度等级的表示方法是去掉最大引用相对百分误差的百分数符号%后，若其数字正好在国家统一规定的仪表精度等级上，将数字标在圆圈或三角形内，如或，否则将其数字向下一级靠拢后再标在圆圈内或三角形内，印在仪表面板上。如上例中的B表，最大相对百分误差为1%，即可定位1.0级，而A表的相对百分误差为2.0%，统一规定的仪表等级中并无2.0级，故按下一级定为2.5级。可见，只要知道仪表的最大误差

29、和量程范围，就能很容易知道仪表的精度等级。反之，知道一个精度等级和量程范围，也能很容易求知该仪表的最大允许误差，这一点在调校仪表时是很有用处的。,3.仪表的变差 在规定的条件下，用同一仪表对被测量进行正、反行程的测量，即采用单方向逐渐增大和逐渐减小被测量的方法，使仪表从不同的方向同一被测量的示值。对某一测量点所得到的正、反行程两次示值之差称为该测量点上的示值变差，即 式中，为被测量为X测点的示值变差；、分别被测量为X测点的仪表正、反行程示值。,在整个仪表量程范围内，测量点中最大的值变差称为该仪表的变差，如图2-1.一般也以引用相对误差的形式来表示，即 式中，为仪表量程范围内各测点中最大示值变差

30、。仪表产生变差的原因很多，例如仪表运动系统的摩擦、间隙；弹性元件的弹性滞后以及电磁元件的磁滞影响等。合格的仪表，其变差不得超过仪表的允许误差。,4.仪表的灵敏度 仪表输出信号的变化量 和引起这个输出变化量的被测量变化量 的比值，称为仪表的灵敏度，即 仪表输出信号的变化量，可以是输出的模拟量的变化（包括指针显示仪表指针的移动或数字显示仪表的数字显示量变化）。仪表的灵敏度是表示仪表的对下限测量值反应能力的指标，仪表的灵敏度越高，其示值的位数越多，能反应的被测量值也就越小。例如，有A、B两个毫伏计，输入10mV时，A表指针转角为90，而B表指针偏转角有45，则 A B 可见A表的灵敏度比B表高。一般

31、在进行测量时希望采用灵敏度高的仪表，这是因为灵敏度高，角位移大，对参数的指示值比较明确清晰，容易辨认。,5.仪表的灵敏限 仪表响应输入量微小变化的能力称为仪表灵敏限，常用分辨力来表示。分辨力是指能引起仪表指示器发生可见变化的被测量的最小变化量。仪表的分辨力不足将会引起分辨误差，即在被测量变化到某一数值时，仪表示值不再变化，这个不能引起输出变化的输入信号的最大幅度，称为仪表的不灵敏区（或死区）。例如，有A、B两个毫伏计，标尺范围及精度等级条件均相同，当A表输入0.5mV时，指针开始偏转，而B表则在输入1.5mV时，指针开始移动，则A表的分辨力（灵敏限）优于B表。通常仪表的灵敏限的数值，以不大于仪

32、表允许误差绝对值的一半为合格。仪表的基本技术性能指标主要为以上4项，其他性能指标本书不作介绍。由于仪表测量对象、测量量值和测量要求不同，故不同仪表还有各自的性能指标。,第二节 温度检测仪表,一、概述1.温标 温度是表示物体冷热程度的物理量。用来度量物体温度高低的标尺叫做温度标尺，简称温标，温标是将温度数值化的一套规则和方法，它规定了温度的起点和测量温度的基本单位。历史上曾有过许多温标，至今仍被各国使用的有华氏、摄氏和开氏温标（热力学温标）它们的符号、单位与定点温度值列于下表2-1中表2-1 常用的温度及单位,（2）、非接触式测温 非接触式测温目前在工业上还是以辐射式测温为主。这种测温方法使测温

33、元件不与被测温物体直接接触，由于它是通过热辐射来测温，所以不会破坏被测物质原有的温度场，反映速度快。但它受被测物体热辐射率及环境因素，如被测物体与仪表间的距离、烟尘、水汽和测温范围等因素限制，当使用不当时，会引起额外的测量误差。工业测温仪表的分类及特性见表2-2。,二.热电偶温度计 热电偶外观见图2-1所示。热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。它用的热点偶作为传感器，把测的温度信号转化成电动势信号，经链接导线再配以毫伏级电压信号的显示仪表或变送仪表实现温度的测量与变送。热点偶温度计能测量较高的温度，测量范围宽；便于远距离传送；性能稳定、准确可靠；结构简单、维护方便；热容量和热惯性较小，可

34、用来测量点的温度。所以在工业生产和科学研究中应用广泛。,图2-1 热电偶外观图,1、热电偶的测温原理 热电偶作为温度测量传感器所依据的原理热电效应。当两种不同的导体A和B的两端相接成闭合回路，就组成了热电偶。见图2-2所示。如果导体A和B的两个接点温度不同（假定TT0），则在该回路中就会产生电流。这表明了该回路中存在电动势，这个物理现象称为热电效应或塞贝克效应，相应的电动势称为塞贝克电势，简称为热电势。热电势用符号EAB（T，T0）表示。组成热电偶的两种不同的导体或半导体称为热电极，放置在被测温度为T的介质中的接点叫做测量端（或工作端、热端）；另一个接点通常置于某个恒定的温度T0（如0），叫做

35、参比端（或自由端、冷端）。在热电偶回路中，产生的热电势由两部分组成，一部分叫温差电势，一部分叫接触电势。,（1）温差电动势 温差电势是同一导体两端因其温度不同而产生的一种热电势。在一根均质金属导体A上存在温度梯度时，处于高温端的电子能量比低温端的电子能量大，所以，从高温端向低温端扩散的电子数比从低温端向高温端扩散的电子数要多得多，当扩散达到相对动态平衡时，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电，在高、低温两端之间便形成一个从高温端指向低温端的静电场EF(TT0)，见图2-3（a）所示。在导体两端产生的电位差称为温差电势。用符号EA（T，T0）表示导体A在其两端温度分别为T和T0

36、时的温差电势。其电势的方向为在导体内部（可视为电源）由低电位端指向高电位端，在符号中括号内的温度T和T0的顺序表明了这种电势方向，即温度T端为+极，温度T0端为-极，若改变这一顺序，也要相应改变电势的正负号，即,根据物理学上的推导，温差电势可用下列公式表示：（2-1）式中 e 电子电荷量；K 波尔兹曼常数；NA（T）导体A的电子密度，为温度函数。上式（2-1）表明温差电势的大小只与导体的种类及导体两端温度T和T0有关，与导体的长度和截面大小无关。,（2）接触电势 接触电势产生的原因是,金属中都存在自由电子,不同金属中的自由电子密度是不同的，当两种不同金属A和B连接在一起时，两种金属的接触处就会

37、发生电子的扩散。电子的扩散速率与自由电子的密度和金属所处的温度有关。设金属A、B的自由电子密度分别为NA、NB，并且NANB。当A、B金属接触后，由金属A扩散到金属B的电子数要比金属B扩散到金属A的电子数多。这时，金属A因失去电子而带正电，金属B因得到电子而带负电。于是在金属导体A、B之间就产生了电位差，即在其接触处形成一个由A到B的静电场EF，见图2-3（b）所示。这个静电场将阻止电子扩散的继续进行。当电子的扩散能力与静电场的阻力相平衡时，A、B金属之间所形成的电位差称为接触电势，用符号EAB（T）表示在温度为T时的接触电势，其脚注AB的顺序代表接触电势的方向为由低电位端（B端）指向高电位端

38、（A端），如果改变脚注顺序，接触电势的正负符号也应改变，即。,根据物理学上电子理论的推导，接触电势可用下式表示（2-2）式中 Eab（T）为导体A、B的接点在温度为T时形成的接触电势；e 电子电荷量；K 波尔兹曼常数；NA（T）、NB（T）导体A、B在温度为T时的电子密度，为温度函数；可以看出，接触电势与两金属接触处的温度有关。综上所述，当两种不同的均质导体A和B首尾相接组成闭合回路，当两接点温度TT0时，闭合回路就会产生环流电流I，闭合回路的总热电势，用符号EAB（T，T0）表示，称作塞贝克电势，见图2-4所示。,设A、B导体的电子密度有NANB,则在回路内将会产生两个接触电势 和两个温差电

39、势，各电势方向见图所示。由于接触电势远远大于温差电势，且，回路总热电势方向将与热端接触电势方向相同,即为回路顺时针方向,也是回路的电流方向。热电偶回路的总热电势为（2-3）将 写作，写作 则回路总热电势可写作（2-4）,2、热电偶的应用（1）热电偶分度表 式（2-4）表明，热电偶回路的热电势大小取决于热电偶两个热电极材料和两端接点温度。因此当热电极材料一定时，热电偶的总热电势就仅是两个接点温度T和T0的函数差，如果能保持热电偶的冷端温度T0恒定，其热电势就只与热电偶测量端的温度T成单值关系。通常热电偶的热电势与温度的关系，都是规定热电偶冷端温度为0时，根据不同热电偶材质种类，按每增加1为一对应

40、点列成表格，为简化表格这里按每增加10为一对应点列成表格，这些表格就称为热电偶的分度表。而不同材料种类的热电偶通常以分度号加以区别。分度号为E、K型热电偶的分度表(IEC标准分度表)见表2-3和表2-4：,表2-3 镍铬铜镍(康铜)热电偶分度表（分度号：E）(参比端温度为0),表2-4 镍铬镍硅(镍铬镍铝)热电偶分度表（分度号：K）(参比端温度为0),从分度表中可以看出，当热电偶冷端、热端温度同时为0时，热电偶回路总电势为0mV；当热端不为零时，热电偶回路总电势为 式中eAB（t）即为分度表中对应温度的热电势（mV）。（2）、热电偶基本定律 在使用热电偶测量温度时，还必须应用热电偶基本定律。1

41、）均质导体定律 凡是由一种均质导体(或半导体)组成的闭合回路，不论导体(或半导体)的截面和长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不会产生热电势。该定律说明了任何热电偶都必须用两种性质不同的热电极构成；热电偶所产生的热电势仅与热电极材料的性质和热电偶两个接点的温度有关。,2）热电温度定律 热电偶AB在接点温度为T1、T3时的热电势EAB(T1、T3)等于热电偶AB在接点温度为T1、T2的热电势的(T1、T2)的热电势EAB(T1、T2)和T2、T3时的热电势EAB(T2，T3)的代数和。见图2-5所示，即(2-5)中间温度定律为热电偶分度表的应用奠定了理论基础。根据这一定律，对于冷端温度

42、不等于0时的热电势，均可按式(2-5)计算求得，这样，就可以对热电偶冷端温度进行修正。,3）中间导体定律 在热电偶回路中接入第三、第四种均质材料的导体后，只要中间接入的导体两端具有相同的温度，就不会影响热电偶的热电势。用中间导体C接入热电偶AB回路的形式，见图2-6所示。假定热电偶的NCNANB，TT0，根据接触电势和温差电势的概念，那么各个电势的方向见图2-6中所示。由于导体C两端温度相同，则无温差电势存在，则热电偶回路的总热电势为(2-6),而CA与CB的接触电势为：(2-7)将上式代入式(2-6)，可得 式(2-7)与式(2-3)完全相同，与ECA（T0）和与ECB（T0）无关，可见当中

43、间导体两端温度相同时，对热电偶回路的热电势没有影响。热电偶的这种性质使我们可以方便地在热电偶中接入补偿导线和所需的测量仪表来测量温度。但是如果图2-6中导体B、C和C、A接点处温度不同时，回路中总电势会发生变化。所以在使用热电偶测温时，冷端温度应该使之相等。,3、热电偶的冷端补偿 一般热电偶很短(几百mm几千mm)，热电偶冷端温度会随环境温度不断变化，为了使热电偶冷端温度保持恒定，可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，并连同测量仪表一起放到恒温或温度波动较小的仪表控制室。这种方法很不经济，因为从现场到仪表室一般较远，这将要耗费许多贵重的热电极材料。所以，一般是使用一种所谓补偿导线与热电偶冷端

44、相连接，见图2-7所示，这种补偿导线是两根不同金属丝，它和连接的热电偶具有相同的热电性能，而所选用的材料是廉价金属，用它们来做热电偶的延伸线，这样就可将热电偶的冷端延伸到温度较恒定的仪表室内。这类补偿导线为补偿型补偿导线。另一类非贵金属热电偶，为了接线方便，也用补偿导线，这一类补偿导线称为延伸型补偿导线。常用热电偶补偿导线见表2-5。使用补偿导线时要注意型号和极性，尤其是补偿导线与热电偶连接的两个接点温度应相等，以免造成误差。,热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，而且还与冷端温度有关，只有冷端温度恒定，热电势才是热端温度的单值函数，才能正确反映热端温度的数值，在实际应用时，热电偶冷端暴露在大

45、气之中，受环境温度波动的影响较大，因此，热电偶冷端温度是变化的，为了消除冷端温度变化对测量精度的影响，可采用冷端温度补偿。,表2-5 热电偶的补偿导线特性,注：(1)X为延伸型补偿导线，其芯线材料与配用热电偶相同；(2)C为补偿型补偿导线，其芯线材料与配用热电偶不同。,（1）冷端温度冰浴法 在实验室精密测量中，一般要求热电偶冷端温度保持为0。通常是采用冰点器。冰点器用清洁的水制成冰屑和水相混合盛于冰点器的保温瓶内，并使其达到热平衡而保持恒定的0。将热电偶冷端放在插入冰点器的试管底部，并与少量的清洁水银相触，水银上面应充以少许蒸馏水或变压器油，最好再用石蜡封结，以防止水银蒸汽逸出。这样，所测得的

46、热电势即为热电偶分度表中的温度相对应。但是，此方法在工程环境中极为不便。,（2）计算修正法 由上所述，利用补偿导线使热电偶冷端延伸到了温度相对恒定的地方，但只要冷端温度不为0，则必须对指示值进行修正。根据热电偶的中间温度定律，可知在这种情况下产生的热电势关系式为(2-8)即为热电势的修正值，根据测得的 值便可从相应的热电偶分度表中查得。此时，只要测出热电偶实际产生的热电势 再加上这个热电势修正值，就可得到冷端温度为0的热电势，然后再从相应的热电偶分度表中查得被测温度T值。例1 利用镍铬镍硅热电偶测温，工作时冷端温度t0=30，测得的热电势E(T，T0)=40.096mV，试求被测介质的实际温度

47、。解：由表2-4中查出E（30，0）=1.203mV，则 E（T，0）=E（T，30）+E（30，0）=40.066+1.203=41.269 mV 由镍铬镍硅热电偶(K分度)分度表可查得与其对应的实际温度为1000。,（3）补偿电桥法 见图2-8所示，冷端温度补偿电桥是一个不平衡电桥，锰铜电阻器的电阻R1=R2=R3=1，RCu为铜材料制成的补偿电阻器；R为限流电阻器；E(=4V)是桥路的直流电源；电桥(桥臂电阻R1、R2、R3、RCu)与热电偶冷端感受相同的环境温度，通过选择RCu的阻值可使电桥的0时处于平衡状态，即RCu0=1，此时桥路输出Uac=0，当冷端为0时热电偶回路总热电势为：当

48、冷端温度升高后热电偶回路总热电势为：,当热电偶热端温度不变，热电偶的总热电势却随冷端温度增大而减小，而当冷端温度升高时，RCu随着增大，Uac也增大。若Uac的增加量等于总热电势的减少量时，则UAB=EAB（T，T0）+Uac的值不变，即可实现UAB的大小不随冷端温度而变化。通常也可将电桥设计在T0=20时处于平衡状态，道理是一样。采用冷端温度补偿器的补偿法比其他冷端补偿方法方便，其补偿精度也能满足工程测量的要求，它是目前工业上广泛采用的热电偶冷端温度处理方法。,4、主要热电偶的特性表2-6介绍了几种主要热电偶的特性。表2-6 主要热电偶特性,三、热电阻温度计 热电阻温度计是以金属导体制成的热

49、电阻作为感温元件的温度计。使用时将其置于被测介质中，由于其电阻值随温度而变化，便可通过测量电阻值的变化反映出被测温度的数值。它属于冷端温度补偿，在-200650C中低温测区域中的应用非常广泛。,1、常用热电阻性能(1)、铂电阻 铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，在氧化性介质中，甚至在高温下其物理、化学性质都非常稳定。但是铂电阻在还原性气氛中，特别是在高温下很容易被还原性气体污染，使铂丝变脆，并改变电阻与温度间的关系。因此，在这种情况下，必须用保护管把电阻体与有害的气体隔离开。在0850范围内，铂的电阻值与温度的关系可用下式表示：式中 铂在温度为T时的电阻值，；铂在温度为0时的电阻值，；

50、T 被测温度，；A常数，A=3.908021031；B常数，B=5.8021072。铂电阻体是用很细的铂丝绕在云母、石英或陶瓷支架上制成的。按我国统一设计标准，工业用铂电阻的R0值为100.00，其分度号为Pt100。,注：Pt10型热电阻分度表可将Pt100型分度表中电阻值的小数点左移一位而得。,表2-7 铂热电阻分度表分度号：Pt100 R0=100.00,(2)、铜电阻 工业上除了铂电阻应用很广外，铜电阻使用也较普遍。因为铜电阻的电阻与温度的关系几乎是线性的，而且材料容易提纯，价格便宜，所以在一些测量准确度要求不很高且温度较低的场合多使用铜电阻。铜电阻与温度的关系在50+150范围内是非