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1、过程控制系统及其应用过程控制系统及其应用目录目录 第一章过程控制的基本概念第一章过程控制的基本概念第一节第一节 过程控制的发展概况过程控制的发展概况第二节第二节 过程控制系统的组成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、控制阀第三节第三节 过程控制的分类过程控制的分类 一、各种分类方法 二、设定值分类第四节第四节 生产对过控制的要求和指标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第二章 过程检测仪表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

2、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第三节 压力压力(差压差压)检测仪表检测仪表 一、概述 二、弹性式压力测量元件 三、压力（压差）变送器第四节第四节 流量检测仪表流量检测仪表 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、质量流量计第五节第五节 物位检测仪表物位检测仪表 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第三章 过程通道信号处理及调节仪表过程通道信号处理及调节仪表第一节第一节 温度变送器温度变送器 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、

3、DBW型温度变送器的型号表示 六、DCW型温度变送器第二节第二节 DDZ-型全刻度指示调节器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第四章 执行器执行器第一节第一节 电动执行器电动执行器 一、概述 二、电动执行单元组成及工作原理第二节第二节 气动执行机构气动执行机构 一、控制阀概述 二、控制阀的选择 三、阀门定位器第五章第五章 过程控制对象的动态特性过程控制对象的动态特性第一节第一节 有自平衡对象的动态特性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 第二节第二节 无自平衡能力对象的动态特性无自

4、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第三节 时域法辨识对象的动态特性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第六章 单回路控制系统单回路控制系统第一节第一节 系统组成和设计概述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第二节 控制量和操纵量的选择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第三节 比例、积分、微分控制及控制器的选型比例、积分、微分控制及控制器的选型 一、比例、积分、微分控制 二、控制器的选型

5、 三、控制器的正反作用选择第四节第四节 控制器的参数整定控制器的参数整定 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第七章 复杂控制系统复杂控制系统第一节第一节 串级控制系统串级控制系统 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第二节 前馈及复合控制前馈及复合控制 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第三节 大时延

6、控制原则大时延控制原则 一、概述 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第四节 比值控制系统比值控制系统 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第八章 计算机过程控制系统计算机过程控制系统第一节第一节 计算机控制技术概述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 第二节第二节 过程输入输出通道基本原理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（

7、Digital Output）通道第三节第三节 过程计算机常规控制技术过程计算机常规控制技术第四节第四节 闭环控制系统的仿真算法闭环控制系统的仿真算法 一、A/D单元的离散描述 二、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第五节 工业控制组态软件工业控制组态软件 一、概述 二、组态软件的系统结构与功能第六节第六节 集散控制系统（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第七节 现场总线技术现场总线技术 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

8、、现场总线的技术特点 四、几种典型的现场总线第九章第九章 过程自动化控制系统的应用实例过程自动化控制系统的应用实例第一节第一节 恒压供水控制系统恒压供水控制系统 一、概述 二、恒水压控制装置 三、其他方案第二节第二节 楼宇设备管理和监控系统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 参考文献第一章第一章 过程控制的基本概念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第一节 过程控制的发展

9、概况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。第一阶段第一阶段 第二阶段第二阶段 第三阶段第三阶段 第一阶段，以经典控制理论为基本方法，即用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

10、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 Co

11、ntrol,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

12、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）。第二节第二节 过程控制系统的组成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，

13、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：人工方法 锅炉水位控制：自动控制锅炉水位控制：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，

14、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。扰动扰动d设定值设定值r 偏差值偏差值e u a q 控制量控制量y 控制器控制器执行器执行器控制阀控制阀被控对象被控对象检测元件，变送器检测元件，变送器图1-2 过程控制系统原理方框图+-过程控制系统

15、中应该包括以下几个部分：一、被控对象被控对象 二、传感器和变送器、传感器和变送器 三、控制器三、控制器四四、执行器执行器 五、调节阀五、调节阀 一、被控对象被控对象 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、传感器和变送器 按生产工艺要求，被控对象

16、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、控制器三、控制器 扰动扰动：使被控量发生变化的任何作用称为扰动。内扰内扰：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

17、扰。外扰外扰：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，T0），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），叫做参比端（或自由端、冷端

18、）。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。ABT0TI图 2-2 热电效应示意图（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

19、分别为T和T0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),(),(00TTETTEAA EA（T，T0）-+-+TT0T1T1+dT1EFa）AEAB（T）-+EFABb）图2-3 温差电势与接触电势原理 TTAAATTNdTNeKTTE0)()(1),(0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

20、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

21、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（A端），如果改变脚注顺序，接触电势的正负符号也应改变，即 。)()(TETEBAAB 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

22、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。)()(ln)(TNTNeKTTEBAAB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）),()(),()(),(0000TTETETTETETTEAABBABAB)()(),(

23、00teteTTEABABAB),()(0TTETEBAB)(teAB),()(00TTETEAAB)(0teAB)()(0TETEABAB、),(),(00TTETTEAB、)()(0TETEABAB)(TEABAT0TI图 2-4 热电偶回路电势图BEA(T,T0)EAB(T)EAB(T0)EB(T,T0)EAB(T,T0)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

24、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：表表2-3 镍铬镍铬铜镍铜镍(康铜康铜)热电偶分度表（分度号：热电偶分度表（分度号：E）(参比端温度为参比端温度为0)表表2-4 镍铬镍铬镍硅镍硅(镍铬镍铬镍铝镍铝)热电偶分度表（分度号：热电偶分度表（分度号：K）(参比端温度为参比端温度为0)从分度表中可以看出，当热电偶冷端、热端温度

25、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）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。)(,0)(),(0teTETTEABABAB2）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、

26、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。),(),(),(322131TTETTETTEABABAB T1T3T3=T1T2+ABABABEAB=(T1,T2)EAB=(T2,T3)EAB=(T1,T3)图 2-5 热电偶的中间温度定律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

27、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)ATBEB(T,T0)T0T0EA(T,T0)CEAB(T)ECA(T0)ECB(T0)图 2-6 有 中 间 导 体 的 热 电 偶 回 路),()()(),()(),(00000TTETETETTETETTEBCBCAAABABC 而CA与CB的接触电势为：(2-7)将上式代入式(2-6)，可得 式(2

28、-7)与式(2-3)完全相同，与ECA（T0）和与ECB（T0）无关，可见当中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。)()()()(ln)()(ln)()(ln)()(0000000000000TETETNTNeKTTNTNeKTTNTNeKTTETEABBAABBCACCBCA),(),()(),()(),(00000TTETTETETTETETTEABBABAABABC3、

29、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

30、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。T0T0TAB现场仪表室补偿导线 TnTn图2-7 补偿导线连接图 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。表表2-5 热电偶的补偿导线特性热电偶的补偿导线特性 注：(1)X为延伸型补

31、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

32、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。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

33、)分度表可查得与其对应的实际温度为1000。)0,(),()0,(nABnABABTETTETE)0,(nABTEnT)0,(nABTE),(nABTTE)0,(nABTE)0,(TEAB（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：当冷端温度升高后热电偶回路总热电势

34、为：)(,0)(),(0teTETTEABABAB)()(),(00teteTTEABABAB 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。R1ABR2R3RCuRE+TEAB(T,T0)abcd图 2-8 冷端温度

35、补偿电桥T0T0+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。表表2-6 主要热电偶特性主要热电偶特性三、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

36、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，；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。)1(20BTATRRTTR0R)100(1 320TTCBTATRRT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。表表2-7 铂热电阻分度表分度号：铂热电阻分度表分度号：Pt100

37、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范围内是非线性的，可有下式表示为 式中 铜热电阻为T时的电阻值，；铜热电阻为0时的电阻值，；被测温度，；A常数，A=4.288991031；B常数，B=2.1331072。C常数，C=1.2331093。当然，在较小的温度范围(如0100)内，也可只取前两项，近似地将电阻与温度的关系看成线性的。我国工业上使用的铜热电阻的分度号为Cu100(R0=100)

38、和Cu50(R0=50)，其分度表分别见表2-8和2-9。)1(320CTBTATRRTTR0RT表表2-9铜热电阻分度表分度号：铜热电阻分度表分度号：Cu100 R0=100 表表2-8铜热电阻分度表分度号：铜热电阻分度表分度号：Cu50 R0=50 2、热电阻的温度测量电路 (1)工作原理 用热电阻作为感温元件测量温度时，被测介质温度的变化转化为电阻的变化，因而对温度的测量也就转化为对电阻的测量。测量热电阻值可使用不平衡电桥作成测温仪表，或使用数字式温度显示仪。这种不平衡电桥见图2-9所示。电桥三个桥臂R1、R2、R3都是固定电阻，第四个桥臂为热电阻R。A、C两端接以电源E，用可变电阻RP

39、调节电压使VAC为确定值，且在测量过程中恒定不变。B、D两端接入电流表A，其内阻为RG。通过电流表的电流IG可用以下求得：R2R1R3EABDRGRVRLRLRLRCAR2R1R3REI1I2I3I4ABDCAIGRVRG图2-9 输出电流信号的不平衡电桥 图2-10 电桥与热电阻的三线制连接I利用克希荷夫电流定律有：利用克希荷夫电压定律有：由以上六个独立方程解得：,0 ,0 ,0424321IIIIIIIIIGGRIRIRIRIRIRIRIRIGGGG433AC4223311V ,0 ,0)()()()(213321213132RRRRRRRRRRRRRRRRRVIGACG 假如被测温度0时

40、为电桥初始状态，且此时电桥处于平衡状态电流表指零，此时 当被测温度升高时，由于热电阻 电阻值的增大，就破坏了电桥的平衡，从而在B、D两端产生不平衡电压，电流表A中即有电流IG通过。被测温度愈高，电桥的不平衡程度愈大。这时电流表的示值也越大。在上述的电桥中，电阻R1、R2、R3和RG以及电压 维持不变。由上式可知，IG是 的单值函数，因此，电流表A可按温度进行刻度。又由于IG与VAC成正比，所以，在测量过程中应严格维持VAC不变，否则会带来测量误差。321RRRRRACVR（2）热电阻的三线制连接 在实际测温中，电桥与热电阻一般用铜导线连接，铜导线的电阻值随温度而变化，如连接导线较短，可忽略导线

41、阻值的变化，则采用上述二线制连接。如连接导线较长，由于导线电阻的变化量较大，而给测量带来较大的误差时，工业上常采用三线制连接以减少这种影响。三线制连接法见图2-10所示。将电阻RL分别接入两个相邻的桥臂中，当环境温度变化时，所引起的电阻变化相互补偿而不影响电桥的平衡状态。电桥平衡时有：LLRRRRRR321LRRRRRRR113132 当桥臂电桥R1=R3时，即可消除了导线阻值随环境温度变化对测量的影响。三线制连接对于不平衡电桥，只有在仪表刻度的始点电桥处于平衡状态时才使附加温度误差得到全补偿。但在仪表的其它刻度点，由于电桥处于不平衡状态，连接导线的附加温度误差依然存在。不过由于采用了三线制连

42、接，在仪表规定的使用条件下使用时，其最大附加误差可以控制在仪表允许的精度等级范围内。至于接电源的第三根导线的电阻变化，它主要影响A、C两端点间的电压，此时可以通过可变电阻RP进行调节。四、光辐射测温方法四、光辐射测温方法 1、概述 最近20多年来，非接触测温已成为一门迅速发展的工程技术，由于它实现了仪表和被测物体的不直接接触，具有不破坏原有温场的特点，所以被广泛应用于生产、科研、军事、医学等各领域。非接触测温主要是利用光辐射来测量物体温度。任何物体受热后都将有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、X光、紫外光、可见

43、光、红外光一直到电磁波。而在温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。红外温度计是一种非接触式测温仪表，在检测过程中，仪表的检测传感器与被测对象不接触，因此可以用来对热容量小的对象、热接触困难或不希望扰乱温度分布的对象以及运动体等进行非接触测量，尤其是用来实现快速测温和测量物体表面温度的分布。2、辐射测温的基本原理：物体受热，激励了原子中带电粒子，使一部分热能以电磁波的形式向空间传播，它不需任何物质作媒介(即在真空条件下也能传播)，将热能传递给对方，这种能量的传播方式称为热辐射(简称辐射)，传播的能量叫辐射能。物体的辐射能量的大

44、小与波长、温度有关。经过大量实验和理论研究，绝对黑体的单色辐射强度 与波长 和温度T的关系已由普朗克所确定，称作普朗克定律，即式中 波长(m)；e自然对数的底；普朗克第一辐射常数；普朗克第二辐射常数；绝对黑体的辐射强度。151012TCeCE1C2C0E0E 按照普朗克定律绘制的在中温和低温下的辐射光谱曲线见图2-11所示，由图可见2000K以下的曲线最高点所对应的波长已不是可见光而是红外线。从曲线可以看出，当温度上升时，单色辐射强度也随之增长，增长的程度视波长不同而不同。同时当温度上升时，单色辐射强度 的峰值，向波长较短的方向偏移。单色辐射强度峰值处的波长 和温度之间的关系由维恩位移定律所表

45、述，即如果物体的辐射光谱是连续的，而且它的曲线 和同温度下的绝对黑体的相应曲线相似，即在所有波长下 为定数时，就称该物体为“灰体”。)Km(2897Tm图图2-11 黑体辐射强度与波长及温度之间的光谱关系黑体辐射强度与波长及温度之间的光谱关系0Em)(fE 0/EE 把灰体辐射的能量和同一温度下绝对黑体辐射的能量相比较，就得到物体的另一个特征参数，叫做“相对辐射能力”或物体的“黑度”，。是一个小于1的定数。灰体的单色辐射强度 与波长 和温度T的关系为对于一定的灰体，为一常数，且 。由普朗克定律或维恩公式可知，物体在某一波长下的单色辐射强度与温度有单值关系，而且单色辐射强度的增长速度比温度的增长

46、速度快得多。根据这一原理可制成红外线单色辐射温度计，称为红外温度计。红外温度计主要由光学系统、红外探测器和电子测量线路等组成。红外探测器是接收被测物体红外辐射并能转换成电信号的器件。热敏型的红外探测器使用热敏电阻，它在接收红外辐射后，温度升高，从而引起电阻值的变化。其热敏电阻接成桥路形式并输出信号，当探测器接收辐射后，阻值发生变化，桥路失去平衡，由此产生的交流电信号经放大、相敏检波、放大调节及输出转换后，由表头指示出温度值。0/EE151)1(2TCeCEE10 3 红外辐射测温仪应用举例 现在Raytek公司型号为MR1SASF红外辐射测量仪为例进行介绍。该红外辐射测温变送仪外观图（2-13

47、）所示 （1）红外辐射测温仪工作模式 该红外辐射测温仪具有单色模式和双色模式两种工作方式。1C（1-Coor mode）单色测温模式用于在探测器和被测物体之间没有明显的故障物（无论是液体还是气体）。当被测特殊完全充满测量区域时，可以获得最佳的效果。2C（2-Coor mode）双色模式主要由于以下情况；1）被测物体只是部分可见，例如被其他物体遮挡，或者是透过一个孔才可以看到被测物体。2）被测物体的体积小于测量范围，且周围环境的温度比被测物体低。3）探测器和被测物体之间有强烈烟尘、遮挡干扰。4）目标物体的发射率很低或者是容易变化。该红外辐射测温变送仪外观图（2-13）所示（2）主要技术参数 1）

48、测温范围:6001400C。2）最小测量范围：600mm。3）测量距离与测量点范围S的关系如图2-14所示，测量的距离与测量点范围比D:S=44:1。4）安装距离：安装探测器时，要求探测器与物体之间的安装距离大于等于600mm，根据D:S关系，即可得出实际的S值，以此S值为依据来判断被测量物是否填充测量点范围。5）安装角度：探测器的中心轴线最好与被测物表面保持垂直，以达到最佳效果。不能满足时，按照以下原则处理：1C模式时：探测器中心轴线偏离物体表面垂直线 030角有效，不允许大于30角，否则测量将不正确。2C模式时：探测器中心轴线偏离物体表面垂直045角有效，不允许大于45角，否则测量将不正确

49、。（3）测量仪操作面板说明 测温仪操作面板说明如图2-15所示。测温仪操作面板2-15 测温仪操作面板MODE键为参数调整/显示切换键，当处于参数调整状态时，由递增（）、递减（）键调节参数值。S/E（Slope/Emissivity）值设定。在2C模式下设置（Slope）是指两种光谱的范围下物体发射率差，1C模式下设置此参数（Emissivity）是被测物体的发射率。PKH(Peak Hold）为峰值保持模式，在该模式下，课在设定的时间内（设定时间范围0300s）测得最大的温度值，即在该时间内出现最大的温度之后，测温仪维持在最大温度值显示的变送输出，一直持续到设定的时间范围内出现最大的温度值后

50、，温度仪维持在最大温度值显示与变送输出，一直持续到设定的时间长度Tp结束。AVG：平均模式。在该模式下，被测温度显示值与变送输出电流值与设定时间内（设定时间范围0300s）的平均值。其控制面板操作流程如2-16所示。（4）温度变送输出 红外辐射测温变送仪变送输出电流与温度呈线性关系，6001400C时对应输出电流420mA，当所测物体的温度小于600C时，变送输出电流为2.5mA，当所测物体的温度大于1400C时，变送输出的电流为2mA。红外辐射测温变送仪面板操作流程2-16第三节 压力(差压)检测仪表一、概述一、概述 压力或压差是工业与建筑环境设备的过程控制中，反映工况质量状态的重要参数。压