常见仪表知识浙大中控DCS材料

工程人员手册

第五章 常见仪表知识

5.1 热电偶测温原理

5.1.1 热电效应与热电偶

热电效应是热电偶测温的基本原理。根据热电效应，任何两种不同的导体或半导体组成

的闭合回路，如图5.1-1所示，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。这两种不同导体或半导体的组合称

或半导体称为热电极。两个接点中，t端称为工作端（假定该端

置于被测的热源中），又称测量端或热端；t为热电偶。每根单独的导体

0端称为自由端，又

称参考端或冷端。

由热电效应可知，闭合回路中所产生的热电势由两部分组成， 图5.1-1 热电效应 即接触电势和温差电势，总电势由（5.1-1）式给出。实验结果表明，接触电势比温差

电势小很多，可忽略不计，则热电偶的电势可表示为

EAB（t,t0）= eAB( t )－eAB（t0） （5.1-1）

这就是热电偶测温的基本公式。；

当t0为一定时，eAB(t0) = C为常数。则对确定的热电偶电极，其总电势就只与温度t成单

函数关系，即

EAB（t,t0）= eAB( t )－C （5.1-2）

根据国际温标规定：t0 = 0℃时，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不

同的工作温度下所产生的热电势值，列成一张张表格，这就是常说的分度表。温度与热电势

之间的关系也可以用函数式表示，称为参考函数。新的ITS-90 的分度表和参考函数是由国

际电工委员会和国际计量委员会合作安排，国际上有权威的研究机构（包括中国在内）共同

参与完成的，它是热电偶的测温的主要依据。

5.1.2 热电偶基本定律

1、 中间导电定律 如图5.1-2所示将A、B构成的热电偶的t0端断开，接入第三种导体C，

并使A与C和B与C接触处的温度均为t0，则接入导体C后对热电偶

回路中的总电势没有影响。证明如下：

由于接触电势忽略不计，则回路中的总电势等于各

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接点的温差电势之和，即 图5.1-2 三种导体的热点回路

EABC（t，t0）＝eAB（t）＋ eBC（t0）＋ eCA（t0） （5.1- 3）

当t = t0 时，有

EABC（t，t0）＝eAB（t0）＋ eBC（t0）＋ eCA（t0）＝ 0 （5.1 - 4）

由上式可得eBC（t0）＋ eCA（t0）＝－eAB（t0），代入（3 – 3 ）式得

EABC（t，t0）＝eAB（t）－eAB（t0）＝EAB（t，t0） （5.1- 5）

同理还可以证明，加入第四、第五种导体后，只要加入的导体的两端温度相等，则总电

势与原热电偶回路的电势值相同。根据热电偶的这一性质，可以在热电偶回路种引入各种仪

表、连接导线等。例如，在热电偶的自由端接入一只测量电势的仪表，并保证两各接点的温

度一致就可以对热电势进行测量而且不影响热电偶的输出。

2、均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面如何以及各处的

温度分布如何，都不能产生热电势。这条定律说明，热电偶必须由两种不同性质的材料构成。

3、中间温度定律 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，t0的热电势EAB（t，tc）和EAB（tc，t0）的代数和（见图

5.1-3 ），即

EAB（t，t0）＝EAB（t，tc）＋EAB（tc，t0） （5.1–6 ）

4、等值替代定律 如果使热电偶AB在某一温度范围内所产生的热

电势等于热电偶CD在同一温度范围内所产生的热电势，即EAB（t，t0）

＝ECD（t，t0），则这两支热电偶在该温度范围内可以互相代用。 图 5.1-3 中间温度定律

5.2 热电阻测温原理 电阻的热效应早已被人们所认识，即电阻体的阻值随温度的升高而增加或减小。从电阻

随温度的变化原理来看，大部分的导体或半导体都有这种性质，但作为温度检测元件，这些

材料应满足以下这些要求：

1、要有尽可能大而且稳定的电阻温度系数；

2、电阻率要大，以便在同样灵敏度下减小元件的尺寸；

3、电阻值随温度变化要有单值函数关系，最好呈线性关系；

4、在电阻的使用温度范围内，其化学和物理性能稳定，并且材料复制性好，价格尽可

能便宜。

能用作温度检测元件的电阻体称为热电阻。根据上述要求，目前国际上最常见的热电阻

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有铂、铜及半导体热敏电阻等。

5.2.1金属热电阻

金属热电阻主要有铂电阻、铜电阻和镍电阻等，其中铂电阻和铜电阻最为常用，有一

套标准的制作要求和分度表、计算公式。

金属热电阻阻值随温度得变化大小用电阻温度系数α来表示，其定义为：

α＝（R100 －R0）/100R0 （5.2- 1）

式中R0和R100分别为0℃和100℃时热电阻的电阻值。可见R100 / R0越大，α值也越大，

说明温度升高使热电阻的电阻值增加越多。

金属的纯度对电阻温度系数影响很大，纯度越高，α值越大，例如，作为基准器用的

铂电阻，要求α＞3.925×10－3Ω/Ω·℃；一般工业上用的铂电阻则要求α＞3.85×10－3Ω/

Ω·℃。另外α值还与制造工艺有关。因为在电阻丝的拉伸过程中，电阻丝的内应力应会引

起α的变化，所以电阻丝在做成热电阻之前，必须进行退火处理，以消除内应力。

工业用热电阻温度计的分度公式和分度号作为标准用铂电阻温度计可以用一种严密、

合理的方程来描述其电阻比与温度的关系，但是该方程比较复杂。对于工业用铂电阻温度计

可用简单的分度公式来描述其电阻与温度的关系。工业用铂电阻温度计的使用范围是

-200 ～ 850℃，在如此宽的温度范围内，很难用一个数学公式准确表示，为此需要分成两

个温度范围分别表示，在-200 ～0℃的温度范围内用

Rt＝R0[1＋At＋Bt2＋C（t－100）t3 ] （5.2-2）

在0 ～850℃得温度范围内用

Rt＝R0（1＋At＋Bt2） （5.2-3）

式中Rt和R0分别为t℃和0℃时铂电阻的电阻值；A、B和C为常数。在ITS-90中，这些常数规

定为

A＝3.9083×10－13/℃

B＝-5.775×10－7/℃2

C＝-4.183×10－12/℃4

铜电阻温度计也有相应的分度公式。由于它在-50 ～ 150℃的使用范围内其它电阻值与

温度的关系几乎是线性的，因此在一般场合下可以近似地表示为

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Rt＝R0（1＋αt） （5.2-3）

式中α为铜电阻的温度系数，取α＝4.28×10－3/℃。

由于热电阻在温度t时的电阻值与R0有关，所以对R0的允许误差有严格的要求。另外R0的

大小也有相应的规定。R0愈大，则电阻体体积增大，不仅需要较多的材料，而且使测量的时

间常数增大，同时电流通过电阻丝产生的热量也增加，但引线电阻及其变化的影响变小；

R0愈小，情况与上述相反。因此，需要综合考虑选用合适的R0。目前，我国规定工业用铂电

阻有R0＝10Ω和R0＝100Ω两种，它们得分度号分别

50Ω和R为Pt10和Pt100；铜电阻温度计也有R0＝

0＝100Ω两种，其分度号分别为Cu50和

Cu100。

用表格形式给处在不同温度下各种热电阻分

度号的电阻值称为热电阻的分度表。图5.2-1给

出了电阻比Rt / R0 与温度t的特性曲线。由图可见，

铜热电阻的特性比较接近直线；而铂电阻的特性

呈现出一定的非线性，温度越高，电阻的变化率

越小。 图5.2-1 常用热电阻的特性曲线

2.3 压力传感器测量原理 压力传感器是压力检测系统的重要组成部分。由各种压力敏感元件将被测信号转换成容

易测量的电信号作输出，给显示压力值，或供控制和报警使用。

压力传感器的种类很多，常用压力传感器的性能比较如表5.3-1所示。

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表5.3-1 几种常见的压力传感器的性能比较

5.3.1应变式压力传感器

应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的。应变片是由金

属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力所产生的应变而变化。对于金属导体，电阻变

化率△R/R的表达式为：

△R/R≈（1＋2μ）ε

式中 μ—— 材料的泊松系数；

ε—— 应变量

图5.3-1为国产BPR-2型压力传感器的结构示意图

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图5.3-1 应变式压力传感器结构原理图 1—应变筒； 2—外壳； 3—密封膜片 在图5.3-1中，应变筒的上端与外壳2固定在一起，下边与密封膜片3紧密接触，两

片康铜丝应变片R1和R2用特殊胶合剂粘贴在应变筒的外壁上。R1沿应变筒的轴向粘贴作为温

度补偿片。必须注意，应变片与筒体之间不能产生相对滑动，并且要保持电气绝缘，当被测

压力p作用于膜片而使应变筒作轴向受压变形时，沿轴向贴置的应变片R1也将产生轴向压缩

应变ε1，于是R1的阻值变小；而沿径向贴放的应变片R2，由于应变筒的径向产生了拉伸变

形，也将产生拉伸应变ε2，于是R2的阻值变大。

应变片R1、R2与另两个固定电阻R3、R4组成一个桥式电路，见图5.3-1（b），由于R1和

R2的阻值变化使桥路失去平衡，从两获得不平衡电压作为传感器的输出信号。本传感器桥路

的电源为10V(直流)，最大的输出为5mV直流信号，再经前置放大成为电动单元组合仪表的

输入信号。

BPR-2型压力传感器有0～1MPa、0～10MPa、和0～30MPa等多种量程可供选用。选

择时测量上限一般以不超过仪表量程的80％为宜。本传感器主要适用于变化较快的压力测

量，其非线性及滞后误差小于土1％。

5.3.2压电式压力传感器

压电式压力传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。目前广泛使用的压电材料有

石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性

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