各类温度变送器的工作原理
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广东石油化工学院自动化系
—控制仪表和计算机控制装置—
3.3 温度变送器
作用：
* 与测温元件配合使用，将温度或温差信 号转换成为标准的统一信号； * 作为直流毫伏变送器使用，用以将其 它能够转换成直流毫伏信号EI的工艺参数 转换成为标准的统一信号。
分类： 模拟式温度变送器 智能式温度变送器 在结构上，有一体化结构和分体式结构之分
负半周期时:
二极管VT6导通，VT5截止，从 而产生了电流ic2
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10
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—控制仪表和计算机控制装置—
c.隔离输出电路
作用：避免输出和输入之间有直接的联系
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11
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—控制仪表和计算机控制装置—
d.直流/交流/直流变换器
作用：对仪表进行隔离式供电
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2
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—控制仪表和计算机控制装置—
3.3.1.典型模拟式温度变送器
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3
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模拟式温度变送器实 例 ——— DDZ-ІІІ型温度
变送器
—控制仪表和计算机控制装置—
DDZ-ІІІ型温度变送器有带非线性补偿电路与不带
非线性补偿电路的热电偶温度变送器和热电阻温度变 送器以及直流毫伏变送器等多个品种，各品种的原理 和结构大致相仿。 现介绍其中三种：
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19
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—控制仪表和计算机控制装置—
线路上的两点修改
① 在输入回路增加了由铜补偿电阻 RCu1 、 RCu2 等 元件组成的热电偶冷端补偿电路。同时，在电路
安排上把零电位器W1和电阻R104移到了反馈回路的
支路上。
② 在反馈回路中增加了由运算放大器A2等构成的
线性化电路。
( )U z
I0
R4
Ei
R4
( )U Z
讨论：
当
b. R 为输出与输入之间的比例系数。改变R114可以大幅 4
时，得到正向调零信号，即可实现负向迁移； 而当 时，得到负向调零点迁移量；
R4
为直流毫伏变送器的调零信号。
度地改变送器的量程。而调整电位器W2，可以在小范围 内改变比例系数；
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27
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—控制仪表和计算机控制装置—
线性化电路
如果在UC=Us1+UVZ的时候，Uf=Uf2，则特性曲 线在Uf2对应的拐点处将向上绕。由图3-可以得
到第二段线段的斜率为
R121 R115 R121 R122 1 1 R122 R122 R120 // R119 U a r 2 R U f 1 0 Ra
设η 为由于Δ UOS的变化给变送器带来的附加误差
U OS 即 U i
U OS t / U i t
U OS U i t t
0.3V / C
因此，应采用低漂移型高增益运算放大器
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8
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—控制仪表和计算机控制装置—
①放大单元
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28
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3)热电阻温度变送器
与各种热电阻配合使用，可以将温度信号变换为 成比例的4～20mADC电流信号和1～5VDC电压信号
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29
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—控制仪表和计算机控制装置—
线路上的两点修改
① 输入回路增加了由A2、R16～R19等元 件构成的线性化电路 ② 增加了由R23、R24等元件构成的热电 阻导线电阻补偿电路 同时零点调整电路有所改变
RCu1RCu 2 1 Et ( R100 )U Z R105 R103 RCu1 RCu 2
t↑
Et
Uz
1 Et ( R100 R105
1 R103 1 1 RCu1 RCu 2 RCu 2 RCu1
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)U Z
|| Et | | U z
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22
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—控制仪表和计算机控制装置—
2)线性化电路
测温元件热电偶和被测 温度之间存在着非线性关系， 线性化电路处于反馈回路中，
因而它的特性应与所采用的
热电偶的特性相同。是一个 折线电路，它是用折线来近
似热电偶的非线性特性。
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23
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21
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—控制仪表和计算机控制装置—
RCu1、RCu2为铜线绕电阻，其阻值在0℃时为 50Ω 。 R105、R103和R 100为锰铜线绕电阻或精密度金 属膜电阻，R105=7.5kΩ ，R103和R 100的阻值决定 于所选用的热电偶型号，一般按0℃时冷端补偿电 势为25mV和当温度变化 t 50 ℃时 两个条件进行计算。
—控制仪表和计算机控制装置—
线性化电路原理
U a Ra R2 r1 (1 ) U f R1 R0 Ra
U a Ra // R R2 // R r 3 (1 ) U f R1 R0 Ra // R
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—控制仪表和计算机控制装置—
线性化电路
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25
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—控制仪表和计算机控制装置—
线性化电路
应用Δ →Y变换和同相端输入运放电路的输出输入关系 式 ,可以求得
R120 R121 R 115 R120 R121 R122 U b 1 R120 R122 R120 R121 R122
20
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—控制仪表和计算机控制装置—
1)热电偶冷端补偿电路
补偿原因：热电偶产生的热电势Et,与热电偶的冷端温度有关
补偿原理分析：
U T Et U z
RCu1RCu 2 R100 R103 RCu1 RCu 2 Et Uz R105 ( R Cu1 R103 ) // RCu 2 R100
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36
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—控制仪表和计算机控制装置—
放大单元包括放大器和直流/交流/
直流变换器两部分 放大器: 电压放大器、功率放大器 和隔离输出电路
直流/交流/直流变换器:直流/交流变换器 和整流、滤波、稳压电路
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9
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—控制仪表和计算机控制装置—
b.功率放大器
作用：放大和调制
正半周期时: 二极管VT5导通，VT6截止 ，由输入信号产生电流ic1
直流毫伏变送器
带非线性补偿电路的热电偶温度变送器 热电阻温度变送器。 上页
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4
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—控制仪表和计算机控制装置—
(1)直流毫伏变送器
——把直流毫伏信号Ei
转换成4～20mADC电流信号
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5
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—控制仪表和计算机控制装置—
直流毫伏变送器线路原理图
R106 R111 RW 21 R106 R115 Uz R4 I o R107 R111 R114 R115 R116
1/
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16
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—控制仪表和计算机控制装置—
UT Ei U Z U F U T
UF
a.
R4
I o U z
c.零点和满度必须反复调整。
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17
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—控制仪表和计算机控制装置—
(2)热电偶温度变送器
与各种热电偶配合使用，将温度信号变换为成比例
的4～20mADC电流信号和1～5VDC电压信号。
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18
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—控制仪表和计算机控制装置—
热电偶温度变送器量程单元
能 ,及量程调整。
输入信号断路报警电路
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14
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—控制仪表和计算机控制装置—
③变送器的静特性
I0
分压公式
Δ → Y变换
等效电源定理 叠加定理
分压公式
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15
广东石油化工学院自动化系
—控制仪表和计算机控制装置—
Rab R103 UT Ei Uz R103 RW 1 // R104 R105
① ② ③ ④ ⑤ 上页
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6
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—控制仪表和计算机控制装置—
直流毫伏变送器构成方框图
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7
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—控制仪表和计算机控制装置—
a.电压放大器
失调电压的温漂系数要求:
温度变化Δ t时失调电压的变化量Δ UOS为
U OS U OS t t
Ei
Rab R103 UZ R105
RW 22 R114 R115 //( R116 R4 ) R106 UF Uz R106 // R107 R111 RW 2 R114 R115 //( R116 R4 ) R106 R107
R106 // R107 R111 RW 21 R115 Uf R106 // R107 R111 RW 2 R114 R115 //( R116 R4 ) R115 R116
34
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—控制仪表和计算机控制装置—
3.3.2.一体化温度变送器
所谓一体化温度变送器，是指将变送器模 块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的 一种温度变送器。
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35
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—控制仪表和计算机控制装置—
一体化温度变送器模块和测温元件形成一个 整体，可以直接安装在被测温度的工艺设备上， 输出为标准统一信号。这种变送器具有体积小、 重量轻、现场安装方便以及输出信号抗干扰能力 强，便于远距离传输等优点，对于测温元件采用 热电偶的变送器，不必采用昂贵的补偿导线，可 节省安装费用。 使用中应特别注意变送器模块所处的环境温度。 变送器模块大多数以一片专用变送器芯片 为主，外接少量元器件构成
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12
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—控制仪表和计算机控制装置—
②量程单元
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13
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—控制仪表和计算机控制装置—
②量程单元
输入回路：起限流和限压作用
零点调整电路：实现零点调整和零点迁移的作用
反馈回路：保证变送器的输出与输入之间具有良
好的线性关系，并使变送器输出具有较好的恒流性
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30
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—控制仪表和计算机控制装置—
热电阻温度变送器量程单元
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31
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1)线性化电路
热电阻和被测温度之间也存在着非线 性关系
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—控制仪表和计算机控制装置—
R17 R16 UF Us I t ( R19 Rt ) R16 R17 R16 R17
R28 Ut It r1 It r3 U Z UO R30 R31 Rf Rf Ut 2It r U z R28
存在导线电阻补偿电路时，可求得
Rf
UO
Rf R28
U t I t r1 I c r2 U z
目 录
Rf R28
U t U z
UT It Rt
UT U F
gUs It 1 gRt
R17 式中g R16 R19
gUS U t I t Rt Rt 1 gRt
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33
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—控制仪表和计算机控制装置—
2)热电阻导线电阻补偿电路
为了消除导线电阻的影响，热电阻采用三线制接法。 不考虑R23、R24支路的作用，可求得
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1
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—控制仪表和计算机控制装置—
在与测温元件配合使用，温度变送器的输 出有两种形式： (1) 输出与温度之间呈线性关系，但输出与 变送器的输入信号（Et或Rt）之间呈非线性关系 (2) 输出与温度之间呈非线性关系，而输出 与变送器的输入信号（Et或Rt）之间呈线性关系 两种形式的区别仅在于变送器中有否非线 性补偿电路
Ra U b Ra Ro
U a U f 1
U f
R121 R115 R121 R122 1 R122 R122 R120 R 1 0 Ra
U a
1
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—控制仪表和计算机控制装置—
3.3 温度变送器
作用：
* 与测温元件配合使用，将温度或温差信 号转换成为标准的统一信号； * 作为直流毫伏变送器使用，用以将其 它能够转换成直流毫伏信号EI的工艺参数 转换成为标准的统一信号。
分类： 模拟式温度变送器 智能式温度变送器 在结构上，有一体化结构和分体式结构之分
负半周期时:
二极管VT6导通，VT5截止，从 而产生了电流ic2
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10
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—控制仪表和计算机控制装置—
c.隔离输出电路
作用：避免输出和输入之间有直接的联系
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—控制仪表和计算机控制装置—
d.直流/交流/直流变换器
作用：对仪表进行隔离式供电
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—控制仪表和计算机控制装置—
3.3.1.典型模拟式温度变送器
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模拟式温度变送器实 例 ——— DDZ-ІІІ型温度
变送器
—控制仪表和计算机控制装置—
DDZ-ІІІ型温度变送器有带非线性补偿电路与不带
非线性补偿电路的热电偶温度变送器和热电阻温度变 送器以及直流毫伏变送器等多个品种，各品种的原理 和结构大致相仿。 现介绍其中三种：
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—控制仪表和计算机控制装置—
线路上的两点修改
① 在输入回路增加了由铜补偿电阻 RCu1 、 RCu2 等 元件组成的热电偶冷端补偿电路。同时，在电路
安排上把零电位器W1和电阻R104移到了反馈回路的
支路上。
② 在反馈回路中增加了由运算放大器A2等构成的
线性化电路。
( )U z
I0
R4
Ei
R4
( )U Z
讨论：
当
b. R 为输出与输入之间的比例系数。改变R114可以大幅 4
时，得到正向调零信号，即可实现负向迁移； 而当 时，得到负向调零点迁移量；
R4
为直流毫伏变送器的调零信号。
度地改变送器的量程。而调整电位器W2，可以在小范围 内改变比例系数；
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线性化电路
如果在UC=Us1+UVZ的时候，Uf=Uf2，则特性曲 线在Uf2对应的拐点处将向上绕。由图3-可以得
到第二段线段的斜率为
R121 R115 R121 R122 1 1 R122 R122 R120 // R119 U a r 2 R U f 1 0 Ra
设η 为由于Δ UOS的变化给变送器带来的附加误差
U OS 即 U i
U OS t / U i t
U OS U i t t
0.3V / C
因此，应采用低漂移型高增益运算放大器
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—控制仪表和计算机控制装置—
①放大单元
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3)热电阻温度变送器
与各种热电阻配合使用，可以将温度信号变换为 成比例的4～20mADC电流信号和1～5VDC电压信号
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线路上的两点修改
① 输入回路增加了由A2、R16～R19等元 件构成的线性化电路 ② 增加了由R23、R24等元件构成的热电 阻导线电阻补偿电路 同时零点调整电路有所改变
RCu1RCu 2 1 Et ( R100 )U Z R105 R103 RCu1 RCu 2
t↑
Et
Uz
1 Et ( R100 R105
1 R103 1 1 RCu1 RCu 2 RCu 2 RCu1
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)U Z
|| Et | | U z
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—控制仪表和计算机控制装置—
2)线性化电路
测温元件热电偶和被测 温度之间存在着非线性关系， 线性化电路处于反馈回路中，
因而它的特性应与所采用的
热电偶的特性相同。是一个 折线电路，它是用折线来近
似热电偶的非线性特性。
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—控制仪表和计算机控制装置—
RCu1、RCu2为铜线绕电阻，其阻值在0℃时为 50Ω 。 R105、R103和R 100为锰铜线绕电阻或精密度金 属膜电阻，R105=7.5kΩ ，R103和R 100的阻值决定 于所选用的热电偶型号，一般按0℃时冷端补偿电 势为25mV和当温度变化 t 50 ℃时 两个条件进行计算。
—控制仪表和计算机控制装置—
线性化电路原理
U a Ra R2 r1 (1 ) U f R1 R0 Ra
U a Ra // R R2 // R r 3 (1 ) U f R1 R0 Ra // R
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—控制仪表和计算机控制装置—
线性化电路
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—控制仪表和计算机控制装置—
线性化电路
应用Δ →Y变换和同相端输入运放电路的输出输入关系 式 ,可以求得
R120 R121 R 115 R120 R121 R122 U b 1 R120 R122 R120 R121 R122
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—控制仪表和计算机控制装置—
1)热电偶冷端补偿电路
补偿原因：热电偶产生的热电势Et,与热电偶的冷端温度有关
补偿原理分析：
U T Et U z
RCu1RCu 2 R100 R103 RCu1 RCu 2 Et Uz R105 ( R Cu1 R103 ) // RCu 2 R100
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—控制仪表和计算机控制装置—
放大单元包括放大器和直流/交流/
直流变换器两部分 放大器: 电压放大器、功率放大器 和隔离输出电路
直流/交流/直流变换器:直流/交流变换器 和整流、滤波、稳压电路
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—控制仪表和计算机控制装置—
b.功率放大器
作用：放大和调制
正半周期时: 二极管VT5导通，VT6截止 ，由输入信号产生电流ic1
直流毫伏变送器
带非线性补偿电路的热电偶温度变送器 热电阻温度变送器。 上页
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—控制仪表和计算机控制装置—
(1)直流毫伏变送器
——把直流毫伏信号Ei
转换成4～20mADC电流信号
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—控制仪表和计算机控制装置—
直流毫伏变送器线路原理图
R106 R111 RW 21 R106 R115 Uz R4 I o R107 R111 R114 R115 R116
1/
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—控制仪表和计算机控制装置—
UT Ei U Z U F U T
UF
a.
R4
I o U z
c.零点和满度必须反复调整。
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(2)热电偶温度变送器
与各种热电偶配合使用，将温度信号变换为成比例
的4～20mADC电流信号和1～5VDC电压信号。
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—控制仪表和计算机控制装置—
热电偶温度变送器量程单元
能 ,及量程调整。
输入信号断路报警电路
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—控制仪表和计算机控制装置—
③变送器的静特性
I0
分压公式
Δ → Y变换
等效电源定理 叠加定理
分压公式
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—控制仪表和计算机控制装置—
Rab R103 UT Ei Uz R103 RW 1 // R104 R105
① ② ③ ④ ⑤ 上页
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直流毫伏变送器构成方框图
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—控制仪表和计算机控制装置—
a.电压放大器
失调电压的温漂系数要求:
温度变化Δ t时失调电压的变化量Δ UOS为
U OS U OS t t
Ei
Rab R103 UZ R105
RW 22 R114 R115 //( R116 R4 ) R106 UF Uz R106 // R107 R111 RW 2 R114 R115 //( R116 R4 ) R106 R107
R106 // R107 R111 RW 21 R115 Uf R106 // R107 R111 RW 2 R114 R115 //( R116 R4 ) R115 R116
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3.3.2.一体化温度变送器
所谓一体化温度变送器，是指将变送器模 块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的 一种温度变送器。
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一体化温度变送器模块和测温元件形成一个 整体，可以直接安装在被测温度的工艺设备上， 输出为标准统一信号。这种变送器具有体积小、 重量轻、现场安装方便以及输出信号抗干扰能力 强，便于远距离传输等优点，对于测温元件采用 热电偶的变送器，不必采用昂贵的补偿导线，可 节省安装费用。 使用中应特别注意变送器模块所处的环境温度。 变送器模块大多数以一片专用变送器芯片 为主，外接少量元器件构成
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—控制仪表和计算机控制装置—
②量程单元
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—控制仪表和计算机控制装置—
②量程单元
输入回路：起限流和限压作用
零点调整电路：实现零点调整和零点迁移的作用
反馈回路：保证变送器的输出与输入之间具有良
好的线性关系，并使变送器输出具有较好的恒流性
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热电阻温度变送器量程单元
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—控制仪表和计算机控制装置—
1)线性化电路
热电阻和被测温度之间也存在着非线 性关系
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—控制仪表和计算机控制装置—
R17 R16 UF Us I t ( R19 Rt ) R16 R17 R16 R17
R28 Ut It r1 It r3 U Z UO R30 R31 Rf Rf Ut 2It r U z R28
存在导线电阻补偿电路时，可求得
Rf
UO
Rf R28
U t I t r1 I c r2 U z
目 录
Rf R28
U t U z
UT It Rt
UT U F
gUs It 1 gRt
R17 式中g R16 R19
gUS U t I t Rt Rt 1 gRt
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—控制仪表和计算机控制装置—
2)热电阻导线电阻补偿电路
为了消除导线电阻的影响，热电阻采用三线制接法。 不考虑R23、R24支路的作用，可求得
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—控制仪表和计算机控制装置—
在与测温元件配合使用，温度变送器的输 出有两种形式： (1) 输出与温度之间呈线性关系，但输出与 变送器的输入信号（Et或Rt）之间呈非线性关系 (2) 输出与温度之间呈非线性关系，而输出 与变送器的输入信号（Et或Rt）之间呈线性关系 两种形式的区别仅在于变送器中有否非线 性补偿电路
Ra U b Ra Ro
U a U f 1
U f
R121 R115 R121 R122 1 R122 R122 R120 R 1 0 Ra
U a
1
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广东石油化工学院自动化系
—控制仪表和计算机控制装置—