温度变送器计算规则图解

温度变送器是工业现场中常用的温度测量设备，它能将温度传感器检测到的温度信号转换为统一的电流或电压信号，方便后续的显示、控制或调节。随着自动化技术的发展，温度变送器已成为工业现场温度测量的重要组成部分。

温度变送器的计算规则涉及多种温度传感器的转换关系，包括热电阻、热电偶和温度传感器等，关系复杂，容易混淆。因此，有必要对温度变送器的计算规则进行系统梳理和图解，帮助读者建立清晰的认知框架，方便实际工作中的应用和计算。

温度变送器计算规则概述

温度变送器是将温度传感器检测的温度信号转换为统一的、具有标准电流或电压输出信号的装置，用于将温度信号传输至显示仪、调节器、计算机等设备。

温度变送器的计算规则主要涉及三个方面：

温度传感器的转换关系：包括热电阻和热电偶的转换关系，以及温度传感器的灵敏度和量程等参数。 变送器本身的线性或非线性转换关系：包括变送器的输出范围和量程等。 温度信号的传输和显示：包括传输距离、传输方式和显示方式等。

因此，要充分理解温度变送器的计算规则，需要从温度传感器、变送器本身和温度信号传输显示等方面进行综合分析。

温度传感器的转换关系

温度传感器是温度变送器的前端检测装置，常见的温度传感器有热电阻、热电偶和温度传感器等。温度传感器检测到的温度信号需要转换为变送器能够识别的电信号，因此需要了解各种温度传感器的转换关系。

热电阻和热电偶的转换关系

热电阻和热电偶是两种常见的温度传感器，它们的原理不同，输出信号也不同。热电阻的输出信号是电阻值，而热电偶的输出信号是电压值。

当使用热电阻作为温度传感器时，需要将电阻值转换为温度值，这涉及热电阻的阻温特性。常见的热电阻有铂金（PT100）、铜和镍等材质，它们的阻温特性不同，需要根据实际情况选择合适的转换公式。

铂金热电阻PT100的阻温特性符合国际标准IEC751，其电阻值和温度的关系符合以下公式：

R(T) = R0[1 + αT + βT^2 + γ(logT)^3]      ...(1)

其中，R(T)是温度T下的电阻值，R0是0°C时的电阻值，α、β和γ是阻温系数，T是温度值。

以PT100(3850)为例，其参数为：

R0 = 100Ω α = 0.003850 Ω/Ω/°C β = -0.000005 Ω/Ω/°C^2 γ = 0

将上述参数代入公式(1)，可以求出不同温度下的电阻值。例如，在200°C时：

R(200) = 100[1 + 0.003850 * 200 - 0.000005 * 200^2] = 137.0 Ω

热电偶的转换关系相对复杂，它涉及热电势系数和参比端电极的选择。常见的热电偶有铂铑-10（PT-10）、铂铑-30（PT-30）和铂铱-6（PT-6）等，它们有不同的热电势系数。

以PT-10热电偶为例，其热电势系数K为：

K = 0.00004152 V/°C        ...(2)

这意味着每升高1°C，PT-10热电偶的输出电压就会增加0.00004152V。如果测量温度为200°C，则输出电压为：

V = 200 * 0.00004152 = 0.008304 V

需要注意的是，热电偶的输出电压很小，通常需要使用放大电路来放大信号。

温度传感器的灵敏度和量程

除了热电阻和热电偶之外，还有各种各样的温度传感器，如热敏电阻、热敏二极管和红外温度传感器等。这些温度传感器的输出信号有电流、电压和数字信号等形式。

理解温度传感器的转换关系，需要关注两个关键参数：灵敏度和量程。

灵敏度是指温度传感器对温度变化的响应程度，通常以输出信号的变化量除以温度变化的值来表示。例如，某个热敏电阻在0～50°C范围内，电阻值从10kΩ变化到20kΩ，则其灵敏度为：

S = (20kΩ - 10kΩ) / (50°C - 0°C) = 0.4 kΩ/°C        ...(3)

这意味着每升高1°C，该热敏电阻的电阻值就会增加0.4kΩ。

量程是指温度传感器能够准确测量的温度范围。例如，某个热敏二极管的量程为-40～125°C，则该传感器在这一温度范围内能够提供准确的输出信号。

变送器本身的线性或非线性转换关系

温度变送器本身也具有转换关系，它将温度传感器的输出信号转换为统一的电流或电压信号。变送器的转换关系可能为线性或非线性。

线性转换关系

线性转换关系是指变送器的输出信号和输入信号成线性关系。常见的线性转换关系有两种：

比例转换：变送器的输出信号和输入信号成正比例关系。例如，某个变送器的输入范围为0～100Ω，输出范围为4～20mA，则每增加1Ω的输入，输出信号就会增加0.02mA。 放大转换：变送器的输出信号是输入信号的放大值。例如，某个变送器的输入范围为0～5V，输出范围为1～5V，则输入信号会被放大1倍。

非线性转换关系

非线性转换关系是指变送器的输出信号和输入信号不成线性关系。非线性转换关系通常用于满足特殊需求或优化系统性能。

常见的非线性转换关系有对数转换和平方转换等。以对数转换为例，某个变送器的输入范围为1～1000Ω，输出范围为4～20mA，则输入信号与输出信号的关系符合对数函数：

Y = a * ln(bX)        ...(4)

其中，X是输入信号，Y是输出信号，a和b是常数。

温度信号的传输和显示

温度信号的传输和显示涉及传输距离、传输方式和显示方式等因素。

传输距离和传输方式

温度信号的传输距离取决于传输方式和传输介质。常见的传输方式有电压传输和电流传输等。

电压传输适用于短距离传输，通常距离不超过100米。电流传输适用于长距离传输，距离可达几公里。

传输距离和传输方式会影响温度信号的衰减和失真，因此需要在设计时进行考虑。

显示方式

温度信号的显示方式包括模拟显示和数字显示等。

模拟显示通常使用指针式仪表，它能直观地显示温度值，但精度不高。数字显示通常使用数字显示仪表，它能提供精确的温度读数，并可以进行数据记录和分析。

温度变送器的计算规则示例

下面以一个实际的例子来演示如何应用温度变送器的计算规则。

假设需要测量-20～200°C范围内的温度，选择PT-10热电偶作为温度传感器，并使用一个4～20mA的变送器。要求计算温度传感器的输出电压和变送器的输出电流。

温度传感器的输出电压计算

根据PT-10热电偶的热电势系数公式(2)，可以计算不同温度下的输出电压：

在-20°C时：

V(-20) = -20 * 0.00004152 = -0.0008304 V

在200°C时：

V(200) = 200 * 0.00004152 = 0.008304 V

变送器的输出电流计算

变送器的输入范围为-0.0008304～0.008304V，输出范围为4～20mA。假设输入输出关系为线性转换，则可以计算不同输入电压下的输出电流：

在-0.0008304V时：

I(-0.0008304) = 4 + (-0.0008304 - (-0.0008304)) / (0.008304 - (-0.0008304)) * (20 - 4) = 3.9999999 mA

在0.008304V时：

I(0.008304) = 4 + (0.008304 - (-0.0008304)) / (0.008304 - (-0.0008304)) * (20 - 4) = 20 mA

结语

温度变送器的计算规则涉及温度传感器的转换关系、变送器本身的线性或非线性转换关系和温度信号的传输显示等方面。理解这些计算规则，有助于读者正确选择和使用温度变送器，并进行温度信号的计算和分析。本文通过图解和示例，系统地介绍了温度变送器的计算规则，希望能够帮助读者建立清晰的认知框架。