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1、第2章 熱電式傳感器,2.1 熱電偶傳感器 2.2 熱電阻傳感器 2.3 熱敏電阻傳感器,教學(xué)基本要求和重點(diǎn),掌握有關(guān)熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的基本概念 掌握三類熱電式傳感器的基本工作原理 掌握熱電偶的基本定律、基本類型、溫度補(bǔ)償方法、使用熱電偶的測(cè)溫方法 掌握熱電阻的內(nèi)部引線方式及其適用場(chǎng)合 掌握熱敏電阻的電阻溫度特性 會(huì)使用分度表,2.1 熱電偶傳感器 1. 熱電偶測(cè)溫原理 熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。,熱電勢(shì)、熱電偶、熱電極 熱端（測(cè)量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）,熱電偶回路,熱

2、電偶測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)圖,接觸電動(dòng)勢(shì),接觸電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點(diǎn)的溫度。 兩接點(diǎn)的接觸電動(dòng)勢(shì)eAB(T)和eAB（T0）可表示為,含義：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(shì)。,同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。,大小表示：,溫差電動(dòng)勢(shì),機(jī)理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，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，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動(dòng)勢(shì)。,熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì),eAB(T, T0)=eAB(T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0),忽略溫差

3、電動(dòng)勢(shì)，熱電偶的熱電勢(shì)可表示為：,,影響因素取決于材料和接點(diǎn)溫度，與形狀、尺寸等無(wú)關(guān) 兩熱電極相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0 兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0 對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí)，eAB(T0)=c為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即,eAB(T,T0)=eAB(T)c=f(T),可見(jiàn)：只要測(cè)出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測(cè)溫度T，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。,討論,熱電偶的分度表,不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動(dòng)勢(shì)之間有不同的函數(shù)關(guān)系，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定，并將不同溫度下測(cè)得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢(shì)與溫度的對(duì)照表，即分度表。 供查閱使用，每10分

4、檔 。中間值按內(nèi)插法計(jì)算。,S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表,在熱電偶測(cè)溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響。,中間導(dǎo)體定律,應(yīng)用：利用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)。,2. 熱電偶基本定律,,測(cè)量?jī)x表及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路,中間溫度定律,eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0),在熱電偶測(cè)溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t, t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t, tc)和

5、eAB(tc, t0)的代數(shù)和，即,思考題：用K型熱電偶測(cè)爐溫時(shí)，測(cè)得參比端溫度t138；測(cè)得測(cè)量端和參比端間的熱電動(dòng)勢(shì)E(t, 38)29.90 mV，試求實(shí)際爐溫。 解由K型分度表查得E(38，0)1.53 mV，由中間溫度定律可得到： E(t，0)E(t, t1 ) + E(t1, 0 ) 29.90 +1.53= 31.43 mV 再查K型分度表，由31.43 mV查得到實(shí)際爐溫755 。,上述例子，若參比端不作修正，則按所測(cè)測(cè)量端和參比端間的熱電動(dòng)勢(shì)E(t, 32 )29.90 mV查K型分度表得對(duì)應(yīng)的爐溫718，與實(shí)際爐溫755相差37，由此產(chǎn)生的相對(duì)誤差約

6、為5%。由此可見(jiàn)，如果不考慮參比端溫度修正、補(bǔ)償有時(shí)將產(chǎn)生相當(dāng)大的（溫度）測(cè)量誤差。,中間溫度定律,中間溫度定律的應(yīng)用,根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。 該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中, 利用熱電偶這一性質(zhì), 可對(duì)參考端溫度不為0的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。,標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律,,標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體定律的意義,通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極 只要測(cè)得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來(lái)。,均質(zhì)導(dǎo)體定律 由兩種均質(zhì)導(dǎo)

7、體組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無(wú)關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。 ,意義： 有助于檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。 ,為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有： 普通型熱電偶 鎧裝型熱電偶 薄膜熱電偶等。 ,3. 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式,普通型熱電偶結(jié)構(gòu),優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。,鎧裝型熱電偶,薄膜熱電偶,特點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很小（m），具有熱容量小、反應(yīng)速度快（s）等特點(diǎn)，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量

8、。,工程用熱電偶材料應(yīng)滿足條件：熱電勢(shì)變化盡量大，熱電勢(shì)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)性好，便于成批生產(chǎn)，有良好的互換性。,4. 熱電偶類型,國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）向世界各國(guó)推薦7種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶（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(guó)已采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶，并按標(biāo)準(zhǔn)分度表生產(chǎn)與之相配的顯示儀表。,標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn),標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn),5. 熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及冷端溫度的補(bǔ)償方法 當(dāng)熱端溫度為t時(shí)，分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)eAB(t, 0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)eAB(t,t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式：,eAB(t,

9、0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0),由此可見(jiàn)，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數(shù)，因此需要對(duì)熱電偶冷端溫度進(jìn)行處理。,熱電偶一般做得較短， 一般為3502000mm。 在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度t0比較穩(wěn)定。,(1) 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線,解決辦法：工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。在0100溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。,常用補(bǔ)償導(dǎo)線,在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中，通常把冷端放入0恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0。 這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為不便。,(2)

10、冷端0恒溫法,當(dāng)冷端溫度t0不等于0，需要對(duì)熱電偶回路的測(cè)量電勢(shì)值eAB（t，t0）加以修正。當(dāng)工作端溫度為t時(shí)，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。 根據(jù)中間溫度定律得到：,eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0),(3) 冷端溫度修正法,例子 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30，測(cè)得熱電勢(shì)eAB（t，t0）為33.29mV, 求加熱爐溫度。 解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。 可得,eAB（t，0）= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV,由鎳鉻-鎳硅熱電

11、偶分度表得t=829.8。,(4) 冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（電橋補(bǔ)償法）,,,熱電偶典型測(cè)溫線路 普通測(cè)溫線路； (b) 帶有補(bǔ)償器的測(cè)溫線路； (c) 具有溫度變送器的測(cè)溫線路； (d) 具有一體化溫度變送器的測(cè)溫線路,6. 熱電偶測(cè)溫線路,測(cè)量某一點(diǎn)的溫度,特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號(hào)的熱電偶，且冷端應(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(shì)輸出和提高靈敏度；在測(cè)量?jī)牲c(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(cè)量平均溫度。,測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫度差（反向串聯(lián)）,,測(cè)量平均溫度（并聯(lián)或正向串聯(lián)）,,,特點(diǎn)：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時(shí)，難以覺(jué)察出來(lái)。當(dāng)然，

12、它也不會(huì)中斷整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的工作。,優(yōu)點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點(diǎn)，可立即可以發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點(diǎn)：只要有一支熱電偶斷路，整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)將停止工作。,2.2 熱電阻傳感器 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(cè)溫的。 熱電阻、熱敏電阻。 熱電阻廣泛用來(lái)測(cè)量200850范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測(cè)量至1K，高溫達(dá)1000。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。,熱電阻的結(jié)構(gòu),電阻絲采用雙線并繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。,熱電阻傳感器,熱電阻傳感器的組成 由熱電

13、阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表組成,1. 常用熱電阻 對(duì)用于制造熱電阻材料的要求： 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 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-200850。鉑熱電阻的特性方程為： 在-2000的溫度范圍內(nèi),Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100),在0850的溫度范圍內(nèi) ,Rt = R0(1+At+Bt2),在ITS90 中，這些常數(shù)規(guī)定為,A=3.90831

14、0-13/ B=-5.77510-7/2 C=-4.18310-12/4,可見(jiàn)：熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與0時(shí)的電阻值R0有關(guān)。 目前我國(guó)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(cè)量中，只要測(cè)得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。,鉑電阻分度表,(2) 銅熱電阻 在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，可采用銅熱電阻進(jìn)行測(cè)溫， 它的測(cè)量范圍為-50150。 銅熱電阻在測(cè)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 R

15、t=R0（1+t） =4.2810-3/ 兩種分度號(hào)：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。 ,銅熱電阻的分度表 分度號(hào)：Cu50,,,,銅熱電阻的特點(diǎn),銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價(jià)格便宜。 缺點(diǎn)：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100 以上時(shí)容易氧化，因此只能用于低溫及沒(méi)有浸蝕性的介質(zhì)中。,用熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，測(cè)量電路經(jīng)常采用電橋電路。 熱電阻與檢測(cè)儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。 熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制、三線制和四線制三種。,2. 熱電阻的測(cè)量電路,內(nèi)部引線方式,兩線制,這種引線方式簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，但是引

16、線電阻以及引線電阻的變化會(huì)帶來(lái)附加誤差。 兩線制適于引線不長(zhǎng)、測(cè)溫精度要求較低的場(chǎng)合。,,三線制,,用于工業(yè)測(cè)量，一般精度,四線制,實(shí)驗(yàn)室用，高精度測(cè)量,2.3 熱敏電阻,熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點(diǎn)是電阻率隨溫度而顯著變化。,,,2.3.1 熱敏電阻的電阻溫度特性,大多數(shù)：負(fù)溫度系數(shù)。熱敏電阻在不同值時(shí)的電阻溫度特性，溫度越高，阻值越小，且有明顯的非線性。NTC熱敏電阻具有很高的負(fù)電阻溫度系數(shù)，特別適用于：100300之間測(cè)溫。 PTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區(qū)域，當(dāng)溫度超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，其電阻值朝正的方向快速變化。其用途主

17、要是彩電消磁、各種電器設(shè)備的過(guò)熱保護(hù)等。 CTR也具有負(fù)溫度系數(shù)，但在某個(gè)溫度范圍內(nèi)電阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡，靈敏度極高。主要用作溫度開(kāi)關(guān)。 各種熱敏電阻的阻值在常溫下很大，不必采用三線制或四線制接法，給使用帶來(lái)方便。,,,熱敏電阻的電阻溫度特性曲線,,,溫度傳感器,2.3.2 數(shù)字化溫度顯示儀表,A、數(shù)字形式顯示溫度值，測(cè)量精度高，顯示速度 快和無(wú)讀數(shù)誤差； B、具有通訊模塊，易與計(jì)算機(jī)接口； C、模擬信號(hào)控制輸出，可以帶反饋控制；,顯示儀表的基本組成：,A、 補(bǔ)償電橋：冷端補(bǔ)償，消除冷端偏離0產(chǎn)生的熱電勢(shì)誤差； B、 濾波電路：消除50HZ的工頻干擾； C、 毫伏放大器：高靈

18、敏度的調(diào)制放大器； D、 線性化電路：熱電偶的電勢(shì)與溫度成線性關(guān)系； E、 A/D轉(zhuǎn)換：將模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量； F 、標(biāo)度變換：數(shù)字量輸出與溫度對(duì)應(yīng)； G、 譯碼顯示：按十進(jìn)制顯示溫度值。,2.3.3 溫度變送器,借助檢測(cè)元件接收被測(cè)變量，并將轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)的儀表。 （1） DDZ-型 （2） DDZ-型,DDZ-型熱電偶溫度變送器(三種：熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器和直流毫伏溫度變送器， 工作原理：,一、 已知鎳鉻鎳硅熱電偶K分度傳感器測(cè)某爐內(nèi)的溫度,采用溫度變送器將微弱信號(hào)放大100倍輸出，送入數(shù)據(jù)采集卡采集溫度信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器分辨率12位，量程范圍010V，已知：采集得到的數(shù)字量D256, 求爐內(nèi)溫度?,