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1、第六章 熱電式傳感器 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。它反映物體內(nèi)部各分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的大小。溫度可以利用物體的某些物理性質(zhì)(電阻、電勢等)隨著溫度變化的特征進(jìn)行測量。測量方法按作用原理分接觸式和非接觸式。測量方法按作用原理分接觸式和非接觸式。接觸式傳感器接觸溫度場,二者進(jìn)行熱交換(如:熱電偶、熱電阻溫度傳感器)。測溫范圍在-2501800度。非接觸式測溫方法非接觸式測溫方法是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量的大小與溫度有關(guān),當(dāng)選擇合適的接收檢測裝置時(shí),便可測得被測對象發(fā)出的熱輻射能量并且轉(zhuǎn)換成可測量和顯示的各種信號(hào),實(shí)現(xiàn)溫度的測量。這類測溫方法的溫度傳感器主要有光電
2、高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器、光纖高溫傳感器等。測量范圍6006000度。第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器 熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它構(gòu)造簡單,使用方便,具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性,溫度測量范圍寬,在溫度測量中占有重要的地位。一、熱電偶工作原理一、熱電偶工作原理 1.熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連成閉合回路,兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為T和T0的熱源中,則該回路內(nèi)會(huì)產(chǎn)生熱電勢。熱電勢的大小反映兩個(gè)接點(diǎn)溫度差,保持T0不變,熱電勢隨著溫度T變化而變化。測得熱電勢的值,即可知道溫度T的大小。如圖兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)組成一個(gè)閉合回路,在閉合回路中,A、B導(dǎo)
3、體稱為熱電極。T端結(jié)點(diǎn)稱為工作端或熱端;T0端結(jié)點(diǎn)稱為冷端或自由端。由這兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢的傳由這兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢的傳感器叫做熱電偶。感器叫做熱電偶。產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成:溫差電勢和接觸電勢溫差電勢和接觸電勢(1)接觸電勢產(chǎn)生原因:由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不產(chǎn)生原因:由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢。同而在接觸處形成的電動(dòng)勢。當(dāng)兩種導(dǎo)體接觸時(shí),自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散擴(kuò)散,(NANB,A到B)在接觸處失去電子的一側(cè)帶正電,得到電子的一側(cè)帶負(fù)電,形成穩(wěn)定的接觸電勢。接接觸電勢的大小取決
4、于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸觸電勢的大小取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。點(diǎn)的溫度。式中:K波爾茲曼常數(shù),k=1.38*10-23J/K;e單位電荷電量,e=1.6*10-19C;NAT、NBT和NAT0、NBT0分別在溫度為T和T0時(shí),導(dǎo)體A、B的自由電子密度。兩接點(diǎn)的接觸電勢 和 可表示為 0000()lnATABBTNKTeTeN()lnATABBTNKTeTeN()ABeT0()ABeT(2)同一導(dǎo)體溫差電勢)同一導(dǎo)體溫差電勢同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí),高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大,因
5、而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多,結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電,低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電,形成一個(gè)靜電場,該靜電場阻止電子繼續(xù)向低溫端遷移,最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。因此,在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢,其大小由下面公式給出:00(,)TAATe T TdT溫差電動(dòng)勢:熱電偶回路中總的熱電勢是接觸電勢與溫差電勢之和熱電偶回路中總的熱電勢是接觸電勢與溫差電勢之和,即:即:AB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)+eB(T,T0)-eA(T,T0)A:湯姆遜系數(shù),表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢。0000lnln()TATATBATBTBTNNKTKTdTeNeN
6、在總熱電勢中,溫差電勢比接觸電勢小很多,在精度要求不高的情況下,熱電偶的熱電勢可近似表示為:AB(T,T0)eAB(T)-eAB(T0)對于已選定的熱電偶,當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí),eAB(T0)為常數(shù),則總的熱電動(dòng)勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系,即 AB(T,T0)=EAB(T)-c=f(T)實(shí)際應(yīng)用中,熱電勢與溫度之間關(guān)系是通過熱電偶分度表來確定的。分度表是在參考端溫度(T0)為0時(shí),通過實(shí)驗(yàn)建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。熱電偶回路的幾點(diǎn)結(jié)論熱電偶回路的幾點(diǎn)結(jié)論:如果構(gòu)成熱電偶的兩個(gè)熱電極為材料相同的導(dǎo)體,則無論兩結(jié)點(diǎn)溫度如何,熱電偶回路內(nèi)的總熱電勢為零。所以必須采用兩種不同
7、的材料作為熱電極。如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相等,則盡管導(dǎo)體A、B的材料不同,熱電偶回路內(nèi)的總電勢亦為零。熱電偶AB的熱電勢與A、B材料的中間溫度無關(guān),只與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。2.熱電偶基本定律熱電偶基本定律 (1)中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 利用熱電偶進(jìn)行測溫,必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表,接入導(dǎo)線和儀表后會(huì)不會(huì)影響回路中的熱電勢呢?中間導(dǎo)體定律說明,在熱電偶測溫回路內(nèi)在熱電偶測溫回路內(nèi),接入第接入第三種導(dǎo)體三種導(dǎo)體,只要其兩端溫只要其兩端溫度相同度相同,則對回路的總熱電勢沒有影響。則對回路的總熱電勢沒有影響。接入第三種導(dǎo)體回路如圖 所示?;芈分械目偀犭妱轂椋篍ABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(
8、T0)+eCA(T0)(1)當(dāng)T=T0 時(shí),有 EABC(T0)=eAB(T0)+eBC(T0)+eCA(T0)=0 由此得eAB(T0)eBC(T0)eCA(T0)=0代入(1)式(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T,T0)由此可得出結(jié)論:在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線,只要其兩端的溫度相等,第三導(dǎo)線的引入不會(huì)影響熱電偶的熱電動(dòng)勢。這個(gè)規(guī)律稱為中間導(dǎo)體定律。根據(jù)這個(gè)定律,可以將第三導(dǎo)線換成測試儀表或連接導(dǎo)線,只要保持兩結(jié)點(diǎn)溫度相同,就可以對熱電勢進(jìn)行測量而不影響原電動(dòng)勢的數(shù)值。(2)參考電極定律)參考電極定律當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為T,T0時(shí),用導(dǎo)體A,B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢等于
9、AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢的代數(shù)和。000(,)(,)(,)ABACCBET TET TET T證明過程見課本。導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極(一般由鉑制成)。參考電極的實(shí)用價(jià)值在于:它可大大簡化熱電偶的選配工作。實(shí)際測溫中,只要獲得有關(guān)熱電極與參考電極配對時(shí)的熱電勢值,那么任何兩種熱電極配對時(shí)的熱電勢均可按公式計(jì)算而無需再逐個(gè)去測定。二、常用熱電偶二、常用熱電偶 理論上講,任何兩種不同材料的導(dǎo)體都可以組成熱電偶,但為了準(zhǔn)確可靠地測量溫度,對組成熱電偶的材料必須經(jīng)過嚴(yán)格的選擇。工程上用于熱電偶的材料應(yīng)滿足以下條件:熱電勢變化盡量大,熱電勢與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系,物理、化學(xué)性能穩(wěn)定,易加工,復(fù)現(xiàn)性
10、好,便于成批生產(chǎn),有良好的互換性。實(shí)際上并非所有材料都能滿足上述要求。目前在國際上被公認(rèn)比較好的熱電材料只有幾種。國際電工委員會(huì)(IEC)向世界各國推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,它已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中,具有統(tǒng)一的分度表。我國從1988年開始采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶。目前工業(yè)上常用的有四種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶1.鉑銠10鉑熱電偶2.鎳鉻鎳硅熱電偶3.鎳鉻考銅熱電偶4.鎢錸5鎢錸20熱電偶 三三 熱電偶測溫線路熱電偶測溫線路 熱電偶測溫時(shí),它可以直接與顯示儀表(如電子電位差計(jì)、數(shù)字表等)配套使用,也可與溫度變送器配套,轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),下圖 為典型的熱電偶測溫線路。特殊情況下,熱電偶可以串聯(lián)
11、或并聯(lián)使用,但只能是同一分度號(hào)的熱電偶,且參考端應(yīng)在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián),可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度。在測量兩點(diǎn)溫差時(shí),可采用熱電偶反向串聯(lián)。利用熱電偶并聯(lián)可以測量平均溫度。(1)、單點(diǎn)溫度測量(2)、測量兩點(diǎn)的溫度差用兩只相同型號(hào)的熱電偶,配用相同的補(bǔ)償導(dǎo)線,反向串聯(lián)。產(chǎn)生熱電勢為ET=EAB(T1,T0)EAB(T2,T0)顯示儀表CBADBAT2T1T0T0C(3)、測量平均溫度用幾只型號(hào)特性相同的熱電偶并聯(lián)在一起。儀表R1E1R2R3E2E3T2T1T3T0ET)(31321EEEET 例 用鎳鉻一鎳硅熱電偶測爐溫時(shí),其冷端溫度to30,在直流電位差計(jì)上測得的電動(dòng)勢EA
12、B(t,30)=38500mV,求爐溫為多少?鎳鉻一鎳硅熱電偶分度表(自由端溫度為0 )解:查鎳鉻一鎳硅熱電偶K分度表得:(30,0)1.203ABEmV根據(jù)中間溫度定律得:(,0)(,30)(30,0)ABABABEtEtE38.500 1.20339.703mV查鎳鉻一鎳硅熱電偶K分度表得:960t 第二節(jié) 熱電阻傳感器 一、概述一、概述 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測溫的。優(yōu)點(diǎn):測量精度高;有較大的測量范圍;200500 易于使用在自動(dòng)測量和遠(yuǎn)距離測量中分類分類熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類,一般把金屬熱電阻稱為熱電阻,而把半導(dǎo)體熱電阻
13、稱為熱敏電阻。二、熱電阻材料和 常用熱電阻 用于制造熱電阻的材料應(yīng)具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率,R-t 關(guān)系最好成線性,物理化學(xué)性能穩(wěn)定,復(fù)現(xiàn)性好等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。(1)鉑熱電阻 熱電特性鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠,所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標(biāo)準(zhǔn),鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200+850。鉑熱電阻的特性方程為 在-2000的溫度范圍內(nèi):2301(100)tRRAtBtC tt在0850的溫度范圍內(nèi):20(1)tRRAtBt 式中Rt和R0分別為t和0時(shí)鉑電阻值;A、B和C為常數(shù)。熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與R0 有關(guān)。目前我國
14、規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10和R0=100兩種,它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100,其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表,即Rt-t 的關(guān)系表,這樣在實(shí)際測量中,只要測得熱電阻的阻值Rt,便可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。(2)銅熱電阻 由于鉑是貴重金屬,因此,在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合,可采用銅熱電阻進(jìn)行測溫,它的測量范圍為-50+150。銅熱電阻在測量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的,可近似地表示為:Rt=R0(1+t)式中為銅熱電阻的電阻溫度系數(shù),取=4.2810-3/。銅熱電組的兩種分度號(hào)為Cu50(R0=50)和Cu100(R100=100)
15、。銅熱電阻線性好,價(jià)格便宜,但它易氧化,不適宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。(4)熱電阻傳感器應(yīng)用內(nèi)部引線方式有兩線制、三線制和四線制三種,二線制中引線電阻對測量影響大,用于測溫精度不高場合。三線制可以減小熱電阻與測量儀表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響,用于高精度溫度檢測。工業(yè)用鉑電阻測溫采用三線制或四線制。A、三線制測溫消除導(dǎo)線產(chǎn)生誤差原理相臨兩橋臂增加同一阻值的電阻,對電橋的平衡無影響。0RRRRt設(shè)計(jì)使ERRRErRRrRRRRRErRRrRrRRrRUttttt000000)()(與r無關(guān)。B、四線制測溫)1(0110tIRRRIR
16、RRUftf采用恒流源供電。第三節(jié) 熱敏電阻傳感器一、熱敏電阻的特點(diǎn)電阻溫度系數(shù)大,靈敏度高,比一般金屬電阻大10100倍結(jié)構(gòu)簡單,體積小,可以測量點(diǎn)溫度電阻率高,熱慣性小,適宜動(dòng)態(tài)測量阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系穩(wěn)定性和互換性較差熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的熱敏器件。特點(diǎn):二、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)與材料二、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)與材料熱敏電阻主要由熱敏探頭1、引線2、殼體3構(gòu)成,如圖a所示,圖b為其電路符號(hào)。熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式三、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性三、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性(1)expTBRA TT電阻溫度特性曲線電阻溫度特性曲線RT溫度為T時(shí)的電阻值A(chǔ)與材料和幾何尺寸有關(guān)的常數(shù)B熱敏電阻常數(shù)熱敏電阻的伏安特性熱敏電阻的伏安特性溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償對一些儀表的重要元器件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。被補(bǔ)償元器件具有正的溫度系數(shù)。熱敏電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)。R2R1被補(bǔ)償元件1222120t CRRRRRRRR錳錳設(shè)溫度增加,阻值增加。,與并聯(lián)后阻值減小了。使實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。熱敏電阻的應(yīng)用熱敏電阻的應(yīng)用R錳家電控溫家電控溫溫度過高,RT減小,T截止,K失電,K1斷開。負(fù)載失電。若RT為正溫度系數(shù),RW與RT對調(diào)即可。KD10K9013RTK1220V