温度变送器

温度变送器与各种热电偶或电阻配合使用，将温度信号转换成统一标准信号，作为指示、记录仪或调节器等的输入信号，以实现温度参数的显示、记录或自动控制。此外，温度变送器还可以作为直流毫伏转换器来使用，以将其他能够转换成直流毫伏信号的工艺参数也变成相应的统一标准信号。

温度变送器有两线制和四线制之分，共有五个品种: 直流毫伏变送器、热电偶温度变送器、热电阻温度变送器、热电偶温差变送器、热电阻温差变送器。第一种是将直流毫伏信号转换成4～20mADC和1～5VDC的输出信号，后四种分别将热电偶、热电阻的温度信号线性地转换成统一输出信号。

本任务介绍的变送器均为四线制方式。变送器结构如图2－12所示:

图2－12 温度变送器结构框图

变送器在线路结构上分为量程单元和放大单元两部分，它们分别设置在两块印刷电路板上，用插件相互连接，其中放大单元是通用的，但量程单元则随变送器的品种、测量范围的不同而异。

来自测量元件的输入信号VI与零点高速信号V'Z，及反馈信号V'F相叠加，送入集成运算放大器，放大了的电压信号再经功率放大和隔离输出电路转换成统一的4～20mADC的电流I0和1～5VDC的电压V0输出。

温度变送器的主要技术性能指标如下:

(1) 测量范围。直流毫伏变送器: 最小量程3mV，最大量程100mV; 零点迁移量－50～+50mV。热电偶变送器: 最小量程3mV，最大量程60mV; 零点迁移量－50～+50mV。热电阻变送器: 测温范围－100～+5000℃。

(2) 基本误差。0.5%。

(3) 温度特性。环境温度每变化250C，附加误差不超过±0.5%。

(4) 输出信号。1～5VDC或4～20mADC。

(5) 恒流性能。当负载电阻在0～100Ω范围内变化时，附加误差不超过0.5%。

(6) 防爆指标。结构安全火花型; 防爆等级HШ; 防爆额定电压220V AC/DC。

(7) 环境温度。0～500℃。

(一) 热电偶温度变送器

热电偶温度变送器与各种测温热电偶配合使用，可以把温度信号变换为成比例的1～5V直流信号，同时亦可以输出4～20mA辅助信号。

1. 工作原理

热电偶温度变送器要求变送器的输出电压信号与相应的变送器输入的温度信号成线性关系。但一般热电偶输出的毫伏值与所代表的温度之间是非线性的，如图2－13所示。各种热电偶的非线性也是不一样的，而且同一种热电偶在不同的测量范围其非线性程度亦不相同。如铂铑－铂热电偶的特性曲线是凹向上的，而镍铬－镍铝热电偶特性曲线开始是凹向上的，温度升高时又变为凹下呈S形。

2－13 热电偶的输出特性曲线

热电偶是非线性的，而温度变送器放大回路是线性的，若将热电偶的热电势直接接到变送器的放大回路，则温度T与变送器的输出电压USC之间的关系是非线性的。因此为了使温度变送器的输入温度T与输出电压USC保持线性关系，则变送器的放大回路特性不能是线性的。假设热电偶的特性是凹向上的，若要使T与USC的关系呈线性变化，则变送器放大回路的特性曲线必须是凹向下的。

热电偶温度变送器是由热电偶输入回路和放大回路两部分组成的。为了得到线性关系，必须使放大回路具有非线性特性。放大器非线性特性一般是使反馈回路非线性来达到的图2－14为热电偶输入温度变送器框图，图中: W1(S) 为热电偶的传递函数; Wf (S) 为放大回路反馈电路的传递函数。

图2－14 热电偶输入温度变送器框图

则温度变送器的传递函数W (S)

W(S) =W1(S) ×W2(S) (2－3)

式中: W2(S) ——放大回路的传递函数。

由于变送器放大回路放大器的放大系数K很大; 故放大回路的传递函W2(S) 可以认为等于反馈电路的传递函数的倒数，即

则热电偶输入温度变送器的传递函数为

由式2－5可知，欲使热电偶输入的温度变送器保持线性，就要使反馈电路的特性曲线与热电偶的特性曲线相同，亦即变送器放大回路的反馈电路的特性曲线与热电偶的特性曲线相同，亦即变送器放大回路的反馈电路输入与输出特性要模拟成热电偶的非线性特性关系，如图2－15所示。

图2－15 热电偶输入的温度变送器线性原理

按图2－15原理实现的温度变送器即可使变送器输出电压USC输入温度信号T呈线性关系。由上可知，热电偶温度变送器的关键技术是如何使放大回路的反馈电路具有热电偶的非线性特性。

2. 基本误差调校

热电偶温度变送器调校按图2－16接线。调校时需用1Ω标准电阻，200Ω±0.05% Ω精密电阻，数字电压表，可调恒流源及24V直流稳压电源等基本设备。

调校前先在仪表B接线端子板上断开①、②端子接线，短接②、③端子接线。然后把输入温度量和分成4等份，并将温度量和查得相应的热电势值分为U0，U1…，U4。

调整图2－16中的恒流单无，给温度变送器输入一个U0信号，调整零点电位器使输出电压为1V，再加U1－U4输入信号，调整量和电位器使温度变送器的输出电压为2～5V，反复调整几次，调准为止，使输入信号分别为U0，U1，U2，U3，U4，此时输出电压的标准值分别对应为1V，2V，3V，4V，5V，用数字电压表测各点输出电压的实测值。温度变送器的基本误差按下式计算并应符合仪表技术标准的要求:

图2－16 热电偶温度变送器调校接线图

式中: δ——仪表实测基本误差;

U实——仪表输出电压的实测值V;

U标——对应于U实相同输入量时输出入时输出电压的标准值V;

4——仪表输出信号范围上、下限之差的电压值V。

仪表基本误差符合技术标准要求后，可继续进行其他项目试验或投入系统运行。

(二) 热电阻温度变送器

热电阻温度变送器与各种测温热电阻配合使用，可以将热电阻温度变化信号变换成比例的1～5V信号，同时亦可以输出4～20mA辅助信号。

1. 工作原理

热电阻温度变送器亦由输入回路和放大回路组成，所有温度变送器的放大回路均是统一的。热电阻温度变送器的输入回路主要起热电阻非线性校正、热电阻导线电阻补偿、仪表零点调整、量程调整和安全火花防爆等几个作用。

2. 基本误差调校

热电阻温度变送器校验按图2－17接线。图中R1、R2、R3分别代表热电阻导线电阻，其他为11Ω; 热电阻用可变电阻箱代替; 沿有数字电压表，直流稳压电源等设备。

接通电源待仪表稳定之后，调节代替热电阻的可变电阻箱，25%测温范围ΔT时的热电阻变化值为ΔR1，调整仪表零点电位器，使输出电压为2V，再调可变电阻箱阻值，使90%ΔT的阻值为ΔR3，调整仪表量程电位器，使输出电压为4V。仪表零点与量程反复调整几次，调准为止。

图2－17 热电阻温度变送器校验接线图

改变代替热电阻的可变电阻箱的电阻分别为ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4(ΔR1至ΔR4分别为测温范围25%ΔT…100%ΔT时相应的电阻)，则输出电压的标准值分别对应为1V，2V，3V，4V，5V。用数字电压表测实际输出的各点电压值，仪表的基本误差可同样按式2－6计算应符合技术标准的要求。

◇习题二◇

一、填空题

1. 在热电偶测温回路中，只要显示仪表和连接到线两端温度相同，热电偶总电势值不会因它们的接入而改变。这是根据__________、定律而得出的结论。

2. 热电偶产生热电势的条件是:__________、__________。

3. 热电偶热电势的大小与__________、及__________有关、与热偶丝的__________、__________和无关。

4. 铠装热电偶是把__________、__________和金属套管三者加工在一起的坚实缆状组合体。

二、选择题

1. 正常人的体温为37℃，则此时的华氏温度约为 ( )，热力温度约为( )。

A.32F，100K B.99F，236K

C.99F，310K D.37F，310K

2. ( ) 的数值越大，热电偶的输出热电动势就越大。

A. 热端直径 B. 热端和冷端的温度

C. 热端钢水的温度 D. 热电极的电导率

3. 测催水的温度，最好选择 ( ) 热电偶; 测量钢退火炉的温度，最好选择( ) 热电偶; 测量汽轮机高压蒸气 (200℃左右) 的温度，且希望灵敏高一些，最好选择 ( ) 热电偶。

A.R B.B C.S D.K E.E

4. 测量CPU散热片的温度应选用 ( ) 型的热电偶; 测量锅炉烟道中的烟气温度，应选用 ( ) 型的热电偶; 测量100m深的岩石钻孔中的温度，应选用 ( )型的热电偶。

A. 普通 B. 铠装 C. 薄膜 D. 热电堆

5. 镍铬－镍硅热电偶的分度号为 ( )，铂铑13－铂热电偶的分度号是( )，铂铑30－铂铑6热电偶的分度号是 ( )。

A.R B.B C.S D.K E.E

三、简答题

1. 在炼钢厂中，有时直接将廉价热电极 (易耗品，如镍铬、镍硅热偶丝，时间稍长即熔化) 插入钢水中测量钢水温度，试说明

(1) 为什么不必将工作端焊在一起?

(2) 要满足哪些条件才不影响测量精度? 采用上述方法是利用了热电偶的什么定律?

(3) 如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料行吗? 为什么?

2. 用镍铬－镍硅(K) 热电偶测温度，已知冷端温度t0为40℃，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为29.186V，求被测点温度。

3. 铜热电阻的阻值RT与温度T关系在0～150℃范围内可用下式近似表示:

Rt≈R0(1+at)

已知: 0℃时铜热电阻的R0为50℃，温度系数a为4.28×10－3/℃，求:

(1) 当温度为100℃的电阻值。

(2) 查附录的铜热电阻分度表，求150℃时的电阻值。

(3) 计算法的误差为多少欧姆?