过程控制系统及仪表(第3版)：14-04第3章2节(温度.ppt

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1、1,1,2,3-2 温度测量仪表,温度检测方法,2,温度仪表的选用,3,概述,1,3,测温原理温度是国际单位制(SI)基本物理量之一。温度反映物体的冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。温度的定量测量以热平衡现象为基础，两个受热程度不同的物体相接触后，经过一段时间的热交换，达到共同的平衡态后具有相同的温度。温度测量原理:选择合适的物体作为温度敏感元件，其某一物理性质随温度而变化的特性为已知，通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，即可确定被测对象的温度。,3.2.1 概述,4,测温仪表的分类:从测量元件与被测介质是否接触的角度来看分为：接触式和非接触式两大类。接触式测温 测

2、温原理：在两种不同温度的物体相互接触过程中，由于有温差存在，热量就会从高温物体向低温物体传递。在足够长的时间内两者达到热平衡。特点：优点：接触式测量仪表简单、可靠、测量精度高。缺点：1.由于感温元件在热交换过程中，达到热平衡的时间较长，因而有测量滞后现象。2.可能产生化学反应，不适宜于直接对腐蚀性介质测温。3.受耐高温材料限制，不能用于极高温测量。,3.2.1 概述,5,非接触式测温测温原理：利用物体的热辐射（或其它特性），通过对辐射能量的检测实现温度测量的。特点：优点：可从超低温到极高温，测温速度快。缺点：易受粉尘、水气等因素的影响，测量误差大。,3.2.1 概述,6,常见温度仪表,7,热电

3、偶温度计是工业生产过程中应用最广泛的测温仪表。热电偶温度计构成：以热电偶作为测温元件，再配以连接导线和显示仪表或测量仪表构成。1.热电偶 热电偶是由具有不同导电特性的两种材料焊接而成。如图所示。,3.2.2 温度检测方法,一、热电偶温度计,8,组成热电偶的两根导体称为热电极。,一、热电偶温度计,冷端,1.热电偶,9,原理：热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。热电效应：如果将两种不同材料的金属导线 A 和 B 连成如图 3-5 所示的闭合回路，并将接点一端放入温度为 t 的热源中，使其温度高于另一接点处的温度 t0，则在该闭合回路中就有电流通过，即有热电势产生，我们把这种现象称为热电效应或

4、塞贝克效应（1821年）。,一、热电偶温度计,电子密度大正极,电子密度小负极,10,等效原理图,我们把在温度 t 下的接触电势差记作 eAB(t)，注脚 A 表示正极金属，B 表示负极金属。同理：把t0温度下的接触电势差记作 eAB(t0)。,一、热电偶温度计,11,等效原理图,整个闭合回路中总的热电势 EAB（t,t0）应为热电偶两接点处热电势的代数和，即：,定值,一、热电偶温度计,12,几点结论：（1）热电偶回路总的热电势只与组成热电偶的两种电极材料及两端温度有关，而与热电极的几何形状和尺寸无关；（2）只有当热电偶两端温度不同时，才能产生热电势，而当两端温度相等时，回路热电势等于零；（3）

5、只有用两种不同材料的导体才能构成热电偶，当两个热电极材料相同时，热电偶回路的电势始终等于零。,一、热电偶温度计,13,在实际应用中，为了测量热电偶回路中的热电势，总要在热电偶与测量仪表之间增加连接导线：,加入第三种导体后，热电势是否会受影响？,一、热电偶温度计,14,分析：,在图3-5中共有3个接点，其接触电势分别表示为eAB(t)，eBC(t0)，eCA(t0)，则回路中总电势为：,（3-11）,由热电偶测温原理知，只要回路中温度相同，则总的热电势为0，则：,（3-12）,将（3-12）代入（3-11），得：,一、热电偶温度计,15,结论：中间导体定则：当在热电偶回路中接入第三种金属导体时，

6、只要保证引入线两端温度相同，则热电偶所产生的热电势保持不变。同理，对于串入多种导线，只要引入两端的温度相同，热电偶的热电势将保持不变。,一、热电偶温度计,16,2.常用热电偶的种类,根据国际电工委员会的推荐，目前我国已经为8种热电偶制定了标准，这8种热电偶称为标准热电偶。8种标准热电偶如下表3-2。通常表示热电偶所用热电极材料时，前者为正极，后者为负极。,一、热电偶温度计,17,18,分度表在冷端T0=0条件下，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同热端温度下所产生的热电势值，可以列出对应的分度表。标准热电偶的热电势与温度的对应关系可以从热电偶分度表中查到。附录2（p246）给出了几

7、种常见的热电偶分度表。,一、热电偶温度计,19,3 热电偶的结构普通工业用热电偶的结构主要包括四个部分：热电偶、绝缘管、保护管和接线盒。,一、热电偶温度计,20,4 热电偶补偿导线及冷端温度补偿（1）补偿导线 补偿导线是用比两根热电极材料便宜得多的廉价金属材料制作，其在 0-100 范围内的热电性质与热电偶的热电性质几乎完全相同。使用补偿导线犹如将热电偶延长，从而把热电偶的冷端延伸到离热源较远且温度较恒定的地方。书P43页常用补偿导线。注意：为了保证热电特性一致，补偿导线要与热电偶配套使用，极性不能接反，热电偶和补偿导线连接处两接点温度必须保持相同，以免引起测量误差。,一、热电偶温度计,21,

8、4 热电偶补偿导线及冷端温度补偿（2）冷端温度补偿 需要补偿的原因：标准热电偶的分度表及与热电偶配套使用的显示仪表都是按热电偶的冷端温度为 O 刻度的。尽管利用补偿导线将热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方延伸至温度较低且较恒定的地方，但冷端温度并不为0。这样必然引入测量和指示误差。因此，在实际使用中，还必须采取一些冷端温度补偿措施。,一、热电偶温度计,22,a 冰点恒温法,23,中间温度定则：热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势EAB(T,T0)等于热电偶AB在接点温度为T、TC和TC、T0时的热电势EAB(T,TC)、EAB(TC,T0)的代数和。计算公式：,b 计算校正法,EAB(T

9、,T0)=EAB(T,TC)+EAB(TC,T0),24,式中：EAB（t,0）表示热电偶测量端温度为 t，冷端温度为 0 时的热电势；EAB（t,t0）表示热电偶测量端温度为 t，冷端温度为 t 0 时的热电势，即实际测得的热电势；EAB（t0,0）表示将冷端当作工作端，0 作为冷端时的热电势，该值可以直接查分度表求得。其中冷端温度 t 0可以用另一支温度计（比如水银温度计）测出。,根据这一定则，只需列出热电偶在参比端温度为0的分度表，就可以求出参比端在其它温度时的热电势值。,b 计算校正法,EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0),25,例题：利用铂铑10-铂热电偶测量某一

10、炉温，已知冷端温度t0=20，测得的热电势E(t,t0)=9.819mV，求被测炉温的实际值。,解：查热电偶的分度表知：E(20,0)=0.113mV由中间温度定则：EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)E(t,0)=E(t,20)+E(20,0)=9.819+0.113=9.932mV 查表知：t=1030,b 计算校正法,26,练习题1,用铂铑10-铂(分度号S)的热电偶测温，已知参比端温度为20，测得热电势E(t,20)=11.30mV，试求被测温度t？解：查热电偶的分度表知：E(20,0)=0.113mV由中间温度定则：E(t,0)=E(t,20)+E(20,0)=1

11、1.30+0.113=11.413mV 查表知：t=1155,b 计算校正法,27,练习题2,用镍镉-镍硅(分度号K)的热电偶测温，已知参比端温度为25，检测端温度为506，求产生的热电势是多少？解：查热电偶的分度表知：E(506,0)=20.896mVE(25,0)=1.000mV由中间温度定则：E(506,25)=E(506,0)-E(25,0)=20.896-1.000=19.896mV,b 计算校正法,28,c 补偿电桥法,补偿电桥法是利用补偿电桥产生的不平衡电压来抵消热电偶回路冷端不为零带来的影响。,29,二、热电阻温度计 原理：热电阻温度计是基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特

12、性来测量温度的。热电阻温度计以热电阻为感温元件，并配以相应的显示仪表和连接导线所组成。值得注意的是：为了防止连接导线过长，导线的阻值将随环境温度变化给测量带来附加误差，热电阻连接导线采用三线制接法。,3.2.2 温度检测方法,30,工业中常用的热电阻以金属热电阻为主。常见的有铂电阻、铜电阻和半导体电阻等。,1常用热电阻,31,（1）铂电阻 铂电阻的使用范围是-200-850，铂电阻的电阻值与温度之间的关系可采用下列公式描述：,1常用热电阻,32,（2）铜电阻 铜电阻的电阻温度系数大，容易提纯和加工，价格便宜。铜电阻的使用温度范围为-50 0C+150 0c，其电阻值与温度之间的关系可用下式描述

13、：,可近似线性关系式表示：Rt=R0(1+at)式中 a 电阻温度系数，a=4.25 x10-3。,1常用热电阻,33,（3）镍电阻镍电阻的电阻率及温度系数比铂和铜大得多，因而具有较高的灵敏度，且体积可以做的较小。一般测温范围：-50180.（4）半导体热敏电阻简称热敏电阻特点：电阻值与温度之间呈严重的非线性关系，而且具有负的温度系数。广泛用作温度补偿元件。,1常用热电阻,34,2.热电阻的结构,35,热电偶,热电阻,mv,R,温度变送器,DDZ-,4-20mA,三、温度变送器 温度变送器与热电偶和热电阻配套使用的仪表，主要作用是将温度检测元件的电信号（mv或R)转换成统一的标准信号4-20m

14、A电流信号，作为显示或调节仪表的输入信号。,温度检测方法,36,四、智能化温度变送器核心部件：微处理器特点：1、与任一种测温元件都可配套 2、功能广泛：零点迁移、量程调整、温度补偿、线性化补偿等。随着工厂自动化水平的提高，智能温度变送器的应用会越来越多。,温度检测方法,37,产品特点：一体化温度变送器将温度传感元件（热电阻或热电偶）与信号转换放大单元有机集成在一起，除输出与温度成线性的420mA信号之外，同时具有现场显示功能。信号准确、可远传（最大1000米），该系列产品分普通型和隔爆型两种。热电阻测量范围：-200450-50150热电偶测量范围：01200 080001600 01800,

15、五、数显一体化温度变送器,供电电源：24VDC10%测量精度：0.25%0.5%0.75%,38,六 非接触式测温,非接触式测温 非接触式测温方法以辐射测温为主。具有一定温度的物体都会向外辐射能量，其辐射强度与物体的温度有关，可以通过测量辐射强度来确定物体的温度。辐射测温时，辐射感温元件不与被测介质相接触，不会破坏被测温度场，可实现遥测；测量元件不必达到与被测对象相同的温度，测量上限可以很高；辐射测温适用于很宽的测量范围，可达-506000。但是，影响其测量精度的因素较多，应用技术较复杂。,39,辐射测温仪表的组成主要由光学系统、检测元件、转换电路和信号处理等部分组成。光学系统包括瞄准系统、透

16、镜、滤光片等，把物体的辐射能通过透镜聚焦到检测元件；检测元件为光敏或热敏器件；转换电路和信号处理系统将信导转换、放大、进行辐射率修正和标度变换后，输出与被测温度相应的信号。,六 非接触式测温,40,常用方法光学系统和检测元件对辐射光谱均有选择性，因此，各种辐射测温系统一般只接收波长范围内的辐射能。辐射测温的常用方法有四种：亮度法：按物体的光谱或部分连续波长辐射亮度推算温度全辐射法：按物体全波长范围的辐射亮度推算温度比色法：按物体两个波长的光谱辐射亮度之比推算温度多色法：按物体多个波长的光谱辐射亮度和物体发射率随波长变化的规律来推算温度,六 非接触式测温,41,辐射温度计4002000比色温度计

17、5503200,六 非接触式测温,42,3.2.3 温度测量仪表的选用,正确选型由现场工作条件确定选择接触式还是非接触式温度计。接触式：根据温度测量范围和精度要求合理的选择感温元件。高温:热电偶 低温:热电阻,43,课程小结,了解温度的主要测量方法。了解常用温度仪表的基本工作原理、特点、使用场合、选用原则和要求等。重点掌握热电偶及热电阻的测温原理、热电偶的冷端温度补偿问题。,44,电信学院自动化系先进控制技术研究所,Thank You!,45,45,内容简介过程控制系统及仪表(第3版)内容简介：过程控制系统的理论分析和设计需要较多的数学知识，自动化仪表在设计制造方面也有许多技术问题值得探讨。但

18、是，对于工艺技术人员来说，主要关心的问题是控制系统和仪表的基本原理及其应用特性。因此，过程控制系统及仪表(第3版)尽量避免繁杂的数学推导，力求用简明扼要的文字和插图使读者对所学知识有更多的定性了解，通俗易懂，这是过程控制系统及仪表(第3版)的另一个特色。过程控制系统和仪表涉及的领域十分广阔，研究内容也极其丰富。本着理论联系实际、学以致用的原则，过程控制系统及仪表(第3版)在取材方面，不追求包罗万象、面面俱到，而是力争把最基本、最常用的内容都包含进来。突出重点，注重实用是过程控制系统及仪表(第3版)的第三个特色。,第3版2010-07,第2版出版日期：2006-08-01,46,46,目录 第1

19、篇 过程控制基础知识第1章 绪论1.1 生产过程自动化概述1.1.1 生产过程及其特点1.1.2 生产过程对控制的要求1.1.3 生产过程自动化的发展历程1.2 过程控制系统的组成及分类1.2.1 过程控制系统的组成1.2.2 过程控制系统的分类1.3 过程控制系统的方块图与工艺控制流程图1.3.1 过程控制系统的方块图1.3.2 过程控制系统的工艺控制流程图1.4 过程控制系统的过渡过程和性能指标1.4.1 过程控制系统的过渡过程1.4.2 过程控制系统的性能指标习题第2章 被控对象的特性2.1 概述2.1.1 基本概念2.1.2 被控对象的阶跃响应特性2.2 被控对象特性的数学描述2.2.

20、1 一阶对象的机理建模及特性分析2.2.2 二阶对象的机理建模及特性分析2.2.3 纯滞后对象的机理建模及特性分析2.3 被控对象的实验测试建模2.3.1 阶跃响应曲线的获取2.3.2 一阶纯滞后对象特性参数的确定2.3.3 二阶对象特性参数的确定习题,第2篇 过程自动化装置第3章 过程测量仪表 3.1 测量仪表中的基本概念3.1.1 测量过程及测量仪表3.1.2 检测系统的基本特性及性能指标 3.2 温度测量3.2.1 概述3.2.2 热电偶温度计3.2.3 热电阻温度计3.2.4 温度测量仪表的选用3.2.5 温度交迭器3.2.6 一体化温度变送器3.2.7 智能温度变送器 3.3 压力测

21、量3.3.1 概述3.3.2 弹性式压力表3.3.3 电容武压力变送器3.3.4 扩散硅压力变送器3.3.5 智能差压变送器3.3.6 压力表的选择和使用 3.4 流量测量3.4.1 概述3.4.2 差压式流量计3.4.3 容积式流量计3.4.4 浮子式流量计3.4.5 电磁流量计3.4.6 涡街流量计,47,47,3.5 物位测量3.5.1 概述3.5.2 静压式液位计3.5.3 磁浮子式液位计3.5.4 电容武物位计3.5.5 其他物位测量仪表 3.6 显示仪表3.6.1 概述3.6.2 模拟式显示仪表3.6.3 数字式显示仪表3.6.4 智能化、数字化记录仪习题 第4章 过程控制仪表4.

22、1 基本控制规律4.1.1 位式控制4.1.2 比例控制4.1.3 比例积分控制4.1.4 比例微分控制4.1.5 比例积分微分控制4.2 DDZ一型调节器4.2.1 主要功能4.2.2 构成原理4.3 可编程调节器4.3.1 KMM可编程调节器的构成4.3.2 KMM可编程调节器的主要功能4.3.3 正面板和侧面板,4.4 可编程控制器4.4.1 可编程控制器的产生与发展4.4.2 可编程控制器的应用场合4.4.3 可编程控制器的构成、分类及工作过程4.4.4 可编程控制器的编程语言4.4.5 可编程控制器选型基本原则4.4.6 松下FPI可编程控制器习题第5章 过程执行仪表5.1 概述5.

23、2 执行机构5.2.1 气动执行机构5.2.2 电动执行机构5.3 调节机构5.3.1 常用调节机构及特点5.3.2 流量系数与可调比5.3.3 流量特性5.4 电一气转换器和阀门定位器5.4.1 电一气转换器5.4.2 阀门定位器的主要用途5.4.3 电一气阀门定位器习题,48,48,第3篇 垃程控制系统 第6章 简单控制系统6.1 概述6.2 被控变量的选择6.3 操纵变量的选择6.3.1 对象静态特性对控制质量的影响6.3.2 对象动态特性对控制质量的影响6.3.3 选择操纵变量的原则6.4 控制系统中盼测量变送问题6.4.1 测量变送问题对控制质量的影响6.4.2 克服测量变送问题的措

24、施6.5 执行器的选择6.5.1 阀流量特性的选择6.5.2 执行器开闭形式的选择6.6 控制器的选择6.6.1 控制规律的选择6.6.2 控制器正反作用的确定6.7 控制系统的投运及控制器参数的整定6.7.1 控制系统的投运6.7.2 控制器参数的整定习题第7章 复杂控制系统7.1 串级控制系统7.1.1 串级控制系统的结构7.1.2 串级控制系统的工作过程7.1.3 串级控制系统的特点及应用场合7.1.4 串级控制系统设计中的几个问题7.1.5 串级控制系统的整定,7.2 比值控制系统7.2.1 概述7.2.2 比值控制系统的类型7.3 前馈控制系统7.3.1 概述7.3.2 前馈控制系统

25、的结构形式7.3.3 前馈控制系统的应用7.4 均匀控制系统7.4.1 均匀控制问题的提出7.4.2 均匀控制的特点7.4.3 均匀控制系统的结构形式7.5 分程控制系统7.5.1 基本概念7.5.2 分程控制系统的应用场合7.6 选择性控制系统7.6.1 基本概念7.6.2 选择性控制系统的实例分析7.7 多冲量控制系统习题第8章 先进过程控制系统介绍8.1 软测量技术8.1.1 辅助变量的选择8.1.2 数据采集与处理8.1.3 软测量模型的建立8.1.4 模型校正8.2 时滞补偿控制8.2.1 Smith预估补偿控制8.2.2 控制实施中的若干问题,49,49,8.3 解耦控制8.3.1

26、 耦合现象的影响及分析8.3.2 解耦控制8.4 预测控制8.4.1 预测控制的基本原理8.4.2 预测控制工业应用8.5 自适应控制8.5.1 自校正控制系统8.5.2 模型参考自适应控制系统8.6 推断控制8.7 模糊控制8.7.1 模糊控制的特点8.7.2 模糊控制的结构8.8 神经网络控制8.8.1 神经元模型8.8.2 人工神经网络厂8.8.3 神经网络在控制中的应用8.9 故障诊断与容错控制8.9.1 故障检测与诊断8.9.2 容错控制习题 第4篇 计算机控制系统 第9章 计算机控制系统基础9.1 概述9.2 系统的硬件组成9.3 系统的软件组成9.3.1 过程检测9.3.2 过程

27、控制9.3.3 组态软件习题,第10章 常用计算机控制系统介绍10.1 概述 10.1.1 数据采集系统10.1.2 操作指导控制系统10.1.3 直接数字控制系统10.1.4 监督计算机控制系统10.2 工业控制计算机10.2.1 结构组成10.2.2 功能特点10.3 分散控制系统10.3.1 结构组成 附录1 典型单元操作控制方案示例F1.1 化学反应器的控制F1.1.1 反应器的基本控制方案F1.1.2 反应器的新型控制方案F1.2 精馏塔的控制F1.2.1 精馏塔的基本控制方案F1.2.2 精馏塔的前馈、串级、比值、均匀控制F1.2.3 精馏塔的节能控制10.3.2 功能特点10.3.3 应用举例10.4 现场总线控制系统10.4.1 结构组成10.4 功能特点10.4.3 应用举例习题F1.3 泵和压缩机的控制F1.3.1 泵的控制方案F1.3.2 压缩机的控制方案F1.3.3 压缩机的串、并联运行F1.4 燃烧过程的控制 附录2 分度表F2.1 热电偶分度表F2.2 热电阻分度表 参考文献,