第1章溫度傳感器 1 1溫度傳感器概述1 2膨脹式溫度傳感器1 3熱電阻傳感器1 4熱電偶傳感器1 5集成溫度傳感器 返回主目錄 第1章溫度傳感器 1 1溫度傳感器概述 1 溫度與溫標(biāo) 溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中一個非常重要的參數(shù) 物體的許多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān) 許多生產(chǎn)過程都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的 需要測量溫度和控制溫度 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 對溫度的測量越來越普遍 而且對溫度測量的準(zhǔn)確度也有更高的要求 溫度是表征物體冷熱程度的物理量 溫度不能直接加以測量 只能借助于冷熱不同的物體之間的熱交換 以及物體的某些物理性質(zhì)隨著冷熱程度不同而變化的特性間接測量 溫標(biāo) 為了定量地描述溫度的高低 必須建立溫度標(biāo)尺 即溫標(biāo) 溫標(biāo)就是溫度的數(shù)值表示 各種溫度計和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標(biāo)確定 歷史上提出過多種溫標(biāo) 如早期的經(jīng)驗溫標(biāo) 攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo) 理論上的熱力學(xué)溫標(biāo) 當(dāng)前世界通用的國際溫標(biāo) 華氏溫標(biāo) 德國Fahrenheit華倫海特將水 冰 鹽混合物定為0 F 健康人體溫100 F 以此定標(biāo) 后來發(fā)現(xiàn)水的冰點為32 F沸點212 F 作差分成180等份 每一份就為1 F 攝氏溫標(biāo) 瑞典攝西阿斯將冰水混合物定為0 C 沸點100 C 作差分成100等份 每一份就為1 C 熱力學(xué)溫標(biāo) 又稱絕對溫標(biāo) 英國開爾文確定的溫度數(shù)值為熱力學(xué)溫度 符號為T 單位為開爾文 符號為K 1K等于水三相點熱力學(xué)溫度 換算關(guān)系 K C 273 15 F 1 8 C 322 溫度測量的主要方法和分類 1 溫度傳感器的組成在工程中無論是簡單的還是復(fù)雜的測溫傳感器 就測量系統(tǒng)的功能而言 通常由現(xiàn)場的感溫元件和控制室的顯示裝置兩部分組成 如圖1 1所示 簡單的溫度傳感器往往是溫度傳感器和顯示組成一體的 一般在現(xiàn)場使用 2 溫度測量方法及分類測量方法按感溫元件是否與被測介質(zhì)接觸 可以分成接觸式與非接觸式兩大類 接觸式測溫方法是使溫度敏感元件和被測溫度對象相接觸 當(dāng)被測溫度與感溫元件達(dá)到熱平衡時 溫度敏感元件與被測溫度對象的溫度相等 這類溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單 工作可靠 精度高 穩(wěn)定性好 價格低廉等優(yōu)點 這類測溫方法的溫度傳感器主要有 基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度傳感器 基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的電阻式溫度傳感器 基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度傳感器 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) 并且以電磁波形式向四周輻射 當(dāng)選擇合適的接收檢測裝置時 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 實現(xiàn)溫度的測量 這類測溫方法的溫度傳感器主要有光電高溫傳感器 紅外輻射溫度傳感器 光纖高溫傳感器等 非接觸式溫度傳感器理論上不存在熱接觸式溫度傳感器的測量滯后和在溫度范圍上的限制 可測高溫 腐蝕 有毒 運動物體及固體 液體表面的溫度 不干擾被測溫度場 但精度較低 使用不太方便 1 2膨脹式溫度傳感器 根據(jù)液體 固體 氣體受熱時產(chǎn)生熱膨脹的原理 這類溫度傳感器有液體膨脹式 固體膨脹式和氣體膨脹式 1 液體膨脹式 在有刻度的細(xì)玻璃管里充入液體 稱為工作液 如水銀 酒精等 構(gòu)成液體膨脹式溫度計 常用的有水銀玻璃溫度計和電接點式溫度計 這種溫度計遠(yuǎn)不能算傳感器 它只能就地指示溫度 電接點式溫度計可對設(shè)定的某一溫度發(fā)出開關(guān)信號或進(jìn)行位式控制 有固定式和可調(diào)式兩種 圖1 2所示為可調(diào)電接點式溫度計 其中一根鉑絲接在毛細(xì)管下部固定處 另一根鉑絲根據(jù)設(shè)定溫度可以上下移動 當(dāng)升至設(shè)定溫度時 鉑絲與水銀柱接通 反之?dāng)嚅_ 這種既可指示 又能發(fā)出通斷信號 常用于溫度測量和雙位控制 2 固體膨脹式 固體膨脹式是以雙金屬元件作為溫度敏感元件受熱而產(chǎn)生膨脹變形來測溫的 它由兩種線膨脹系數(shù)不同的金屬緊固結(jié)合而成雙金屬片 為提高靈敏度常作成螺旋形 圖1 3為雙金屬溫度計的結(jié)構(gòu)示意圖 螺旋形雙金屬片一端固定 另一端連接指針軸 當(dāng)溫度變化時 雙金屬片彎曲變形 通過指針軸帶動指針偏轉(zhuǎn)顯示溫度 它常用于測量 80 600 范圍的溫度 抗震性能好 讀數(shù)方便 但精度不太高 用于工業(yè)過程測溫 上下限報警和控制 3 氣體膨脹式 氣體膨脹式是利用封閉容器中的氣體壓力隨溫度升高而升高的原理來測溫的 利用這種原理測溫的溫度計又稱壓力計式溫度計 如圖1 4所示 溫包 毛細(xì)管和彈簧管三者的內(nèi)腔構(gòu)成一個封閉容器 其中充滿工作物質(zhì) 如氣體常為氮氣 工作物質(zhì)的壓力經(jīng)毛細(xì)管傳給彈簧管 使彈簧管產(chǎn)生變形 并由傳動機(jī)構(gòu)帶動指針 指示出被測溫度的數(shù)值 壓力溫度計結(jié)構(gòu)簡單 抗振及耐腐蝕性能好 與微動開關(guān)組合可作溫度控制器用 但它的測量距離受毛細(xì)管長度限制 一般充液體可達(dá)20m 充氣體或蒸汽可達(dá)60m 1 3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)行測溫的 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)體熱電阻稱為熱敏電阻 熱電阻廣泛用來測量 200 850 范圍內(nèi)的溫度 少數(shù)情況下 低溫可測量至1K 高溫達(dá)1000 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的精確度高 并作為復(fù)現(xiàn)國際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器 要求 1 溫度系數(shù) 電阻率較高 提高靈敏度 體積小 反應(yīng)快 2 理化性能穩(wěn)定 提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性 復(fù)現(xiàn)性好 3 良好的輸入 輸出特性 線性 接近線性 測量精度高 4 良好的工藝性 批量生產(chǎn) 降低成本 材料 純金屬 鉑 銅 鎳 鐵 5 較大的測溫范圍 特別是在低溫范圍 原理 熱能 熱電阻 電阻值 溫度 熱電阻阻值 1 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 鉑熱電阻鉑熱電阻的特點是精度高 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 200 0 的溫度范圍內(nèi) Rt R0 1 At Bt2 Ct3 t 100 在0 850 的溫度范圍內(nèi) Rt R0 1 At Bt2 式中Rt和R0分別為t 和0 時鉑電阻值 A B和C為常數(shù) 在ITS 90中 這些常數(shù)規(guī)定為 A 3 96847 10 3 B 5 847 10 7 2 C 4 22 10 12 4 從上式看出 熱電阻在溫度t時的電阻值與R0有關(guān) 目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0 10 和R0 100 兩種 它們的分度號分別為Pt10和Pt100 其中以Pt100為常用 鉑熱電阻不同分度號亦有相應(yīng)分度表 即Rt t的關(guān)系表 這樣在實際測量中 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 Pt100的分度表見表1 7 Pt100 Pt100在0 時阻值R0 100 100 時查上表為138 5 溫度每變化一度 鉑電阻值變化0 385 絕對變化 特點 0 850 0 200 應(yīng)用 1 在高溫和氧化介質(zhì)中性能極為穩(wěn)定 易于提純 工藝性好 2 輸入輸出特性接近線性 4 貴重金屬 成本較高 標(biāo)準(zhǔn)溫度計 高精度工業(yè)測溫 高低溫測試 構(gòu)成 金屬鉑絲 0 02 0 07mm 繞制成線圈 3 測量精度高 0 1 0 100 0 5 100 650 0 5 R0 0 時的溫度 標(biāo)準(zhǔn)值 Pt100 Pt500 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 28 10 3 銅熱電組的兩種分度號為Cu50 R0 50 和Cu100 R100 100 銅熱電阻線性好 價格便宜 但它易氧化 不適宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作 特點 50 180 應(yīng)用 1 易于提純 在 50 150 范圍內(nèi)性能穩(wěn)定 價格低 2 輸入輸出特性接近線性 3 電阻率低 為鉑電阻的1 6 體積較大 Cu50 Cu100 4 高溫易被氧化 易被腐蝕 5 測量精度低于鉑電阻 50 50 0 5 50 150 1 小范圍 較低溫度 測量精度要求低 沒有浸蝕性介質(zhì) 代替鉑 構(gòu)成 金屬銅絲 0 02 0 07mm 繞制成線圈 R0 0 時的溫度 標(biāo)準(zhǔn)值 2 熱電阻的結(jié)構(gòu) 工業(yè)用熱電阻的結(jié)構(gòu)如圖1 16所示 它由電阻體 絕緣管 保護(hù)套管 引線和接線盒等部分組成 電阻體由電阻絲和電阻支架組成 電阻絲采用雙線無感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 引出線通常采用直徑1mm的銀絲或鍍銀銅絲 它與接線盒柱相接 以便與外接線路相連而測量顯示溫度 用熱電阻傳感器進(jìn)行測溫時 測量電路經(jīng)常采用電橋電路 而熱電阻與檢測儀表相隔一段距離 因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有較大的影響 3 基本測量電路 電橋電路 什么是電橋 有哪些特點 四個元件首尾相接 四個結(jié)點中相對的結(jié)點分做電源和信號輸出 電橋平衡狀態(tài) 當(dāng)信號輸出為0 無信號 時 稱電橋平衡 條件 Z1 Z4 Z2 Z3或Z1Z3 Z2Z4 溫度對熱電阻的影響是電阻的增量 溫度為0時 阻值不為0 此時 常借助電橋電路使t 0 時 電橋平衡輸出為0 當(dāng)溫度變化時 使電橋輸出線性反映溫度的變化量 4 幾種應(yīng)用電路兩線制 三線制和四線制三種 如圖所示 熱電阻內(nèi)部引線方式有兩線制 三線制和四線制三種 如圖所示 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 二線制中引線電阻對測量影響大 用于測溫精度不高場合 R1R3 R2 RT 2r 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 R1 R3 r R2 RT r 得取R1 R2 則RT R3 令R3和RT相匹配 電橋應(yīng)保持平衡 材料 特點 分類 1 溫度系數(shù)大 靈敏度高 為熱電阻10 100倍 2 結(jié)構(gòu)簡單 體積小 可以測量點溫度 3 電阻率高 熱慣性小 適于動態(tài)測溫 4 易于維護(hù) 使用壽命長 適于現(xiàn)場測溫 5 互換性差 非線性嚴(yán)重 精度低 正溫度系數(shù)熱敏電阻 PTC 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 NTC 臨界溫度系數(shù)熱敏電阻 CTR 半導(dǎo)體 半導(dǎo)體熱電阻 6 成本低 應(yīng)用廣泛 3 熱敏電阻 非線性 4熱敏電阻的應(yīng)用 應(yīng)用實例 基于熱敏電阻的電機(jī)過熱保護(hù)器 Rt1Rt2Rt3 熱敏電阻 NTC 安裝在三相繞組附近 溫度低時 電阻高三極管不導(dǎo)通繼電器不吸合電機(jī)運行 溫度高時 電阻低三極管導(dǎo)通繼電器吸合電機(jī)停止 1 4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 1 熱電偶測溫原理 兩種不同的導(dǎo)體 或半導(dǎo)體 組成一個閉合回路 如圖所示 兩端置于不同的溫度當(dāng)中 在回路里面產(chǎn)生一個由溫差決定的電動勢 這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng) 這種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶 兩個接點 一個稱工作端 又稱測量端或熱端 測溫時將它置于被測介質(zhì)中 另一個稱自由端 又稱參考端或冷端 熱電偶中的熱電勢由兩部分組成 溫差電勢和接觸電勢 1 接觸電動勢 是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢 兩種導(dǎo)體接觸時 自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散 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 接觸電勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點的溫度 兩接點的接觸電勢EAB T 和EAB T0 可表示為 EAB T 式中 K 波爾茲曼常數(shù) e 單位電荷電量 NAT NBT和NAT0 NBT0 分別在溫度為T和T0時 導(dǎo)體A B的電子密度 2 溫差電動勢是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢 符號可表示為EA T T0 和EB T T0 同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時 高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大 因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 因此 在導(dǎo)體兩端便形成接觸電勢 其大小由下面公式給出 式中 NAT和NBT分別為A導(dǎo)體和B導(dǎo)體的電子密度 是溫度的函數(shù) 3 熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢為 AB T T0 EAB T EB T T0 EAB T0 EA T T0 1 6 在總熱電勢中 溫差電勢比接觸電勢小很多 可忽略不計 熱電偶的熱電勢可表示為 EAB T T0 EAB T EAB T0 1 7 對于已選定的熱電偶 當(dāng)參考端溫度T0恒定時 EAB T0 c為常數(shù) 則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系 即 EAB T T EAB T c f T 實際應(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為0 時 通過實驗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 用熱電偶測溫 還要掌握熱電偶基本定律 下面引述幾個常用的熱電偶定律 2 熱電偶基本定律 1 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)線和儀表后會不會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) 接入第三種導(dǎo)體 只要其兩端溫度相同 則對回路的總熱電勢沒有影響 接入第三種導(dǎo)體回路如圖示 由于溫差電勢可忽略不計 則回路中的總熱電勢等于各接點的接觸電勢之和 即 EABC T T0 EAB T EBC T0 ECA T0 1 9 當(dāng)T T0時 有 BC T0 ECA T0 E T0 1 10 將 1 10 式代入 1 9 式中得 T T0 EAB T EAB T0 EAB T T0 同理 加入第四 第五種導(dǎo)體后 只要加入的導(dǎo)體兩端溫度相等 同樣不影響回路中的總熱電勢 2 中間溫度定律熱電偶AB在接點溫度為t t0時的熱電勢EAB t t0 等于熱電偶AB在接點溫度t tc和tc t0時的熱電勢EAB t tc 和EAB tc t0 的代數(shù)和 見圖 即 該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據(jù) 在實際熱電偶測溫回路中 利用熱電偶這一性質(zhì) 可對參考端溫度不為0 的熱電勢進(jìn)行修正 3 均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中 不論導(dǎo)體的截面和長度如何以及各處的溫度分布如何 都不能產(chǎn)生熱電勢 這條定理說明 熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成 4 標(biāo)準(zhǔn)電極定律兩種導(dǎo)體A B分別與第三種導(dǎo)體C組成熱電偶 如果A C和B C熱電偶的熱電動勢已知 那么這兩種導(dǎo)體A B組成的熱電偶產(chǎn)生的電動勢可由下式求得例如0 100C鎳鉻 鉑2 71mv 鎳鋁 鉑 1 38mv 則鎳鉻 鎳鋁為4 09mv3 熱電偶類型 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)性好 便于成批生產(chǎn) 有良好的互換性 實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 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 表1 1為我國采用的幾種熱電偶的主要性能和特點 表中所列的每一種熱電偶中前者為熱電偶的正極 后者為負(fù)極 目前工業(yè)上常用的有四種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 即鉑銠30 鉑銠6 鉑銠10 鉑 鎳鉻 鎳硅和鎳鉻 銅鎳 我國通常稱為鎳鉻 康銅 熱電偶 它的分度表見表1 2至表1 5 常用熱電偶材料 另外 目前還生產(chǎn)一些特殊用途的熱電偶 以滿足特殊測溫的需要 如用于測量3800 超高溫的鎢鎳系列熱電偶 用于測量2 273K的超低溫的鎳鉻 金鐵熱電偶等 4 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶 鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等 1 普通型熱電偶普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多 它一般由熱電極 絕緣套管 保護(hù)管和接線盒組成 其結(jié)構(gòu)如圖1 8所示 普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接 固定法蘭連接 活動法蘭連接 無固定裝置等多種形式 2 鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶 它是由熱電偶絲 絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅實組合體 如圖1 9所示 它可以做得很細(xì)很長 使用中隨需要能任意彎曲 鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點是測溫端熱容量小 動態(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 因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中 3 薄膜熱電偶薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料 用真空蒸鍍 化學(xué)凃?qū)拥绒k法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶 如圖1 10所示 薄膜熱電偶的熱接點可以做得很小 可薄到0 01 0 1 m 具有熱容量小 反應(yīng)速度快等的特點 熱相應(yīng)時間達(dá)到微秒級 適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量 5 熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及參考端溫度補(bǔ)償方法 從熱電偶測溫基本公式可以看到 對某一種熱電偶來說熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與工作端溫度t和自由端溫度t0有關(guān) 即 EAB t t0 eAB t eAB t0 1 13 熱電偶的分度表是以t0 0 作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的 而在實際使用過程中 參考端溫度往往不為0 那么工作端溫度為t時 分度表所對應(yīng)的熱電勢EAB t 0 與熱電偶實際產(chǎn)生的熱電勢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 0 EAB t t0 EAB t0 0 由此可見 EAB t0 0 是參考端溫度t0的函數(shù) 因此需要對熱電偶參考端溫度進(jìn)行處理 1 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線在實際測溫時 需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表 這樣參考端溫度t0也比較穩(wěn)定 熱電偶一般做得較短需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來 工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線 它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價金屬導(dǎo)線制成 而且在0 100 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 常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線列于表1 6 2 參考端溫度修正法采用補(bǔ)償導(dǎo)線可使熱電偶的參考端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方 但只要參考端溫度不等于0 需要對熱電偶回路的電勢值加以修正 修正值為EAB t0 0 經(jīng)修正后的實際熱電勢 可由分度表中查出被測實際溫度值 3 參考端0 恒溫法在實驗室及精密測量中 通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中 以便參考端溫度保持0 這種方法又稱冰浴法 4 參考端溫度自動補(bǔ)償法 補(bǔ)償電橋法 補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補(bǔ)償信號 來自動補(bǔ)償熱電偶測量過程中因參考端溫度不為0 或變化而引起熱電勢的變化值 如圖1 11所示 不平衡電橋由三個電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻R1 R2 R3 電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻RCu和穩(wěn)壓電源組成 補(bǔ)償電橋與熱電偶參考端處在同一環(huán)境溫度 但由于RCu的阻值隨環(huán)境溫度變化而變化 如果適當(dāng)選擇橋臂電阻和橋路電流 就可以使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab補(bǔ)償由于參考端溫度變化引起的熱電勢EAB t t0 變化量 從而達(dá)到自動補(bǔ)償?shù)哪康?6 熱電偶測溫線路 熱電偶測溫時 它可以直接與顯示儀表 如電子電位差計 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 圖1 12為典型的熱電偶測溫線路 如用一臺顯示儀表顯示多點溫度時 可按圖1 13連接 這樣可節(jié)約顯示儀表和補(bǔ)償導(dǎo)線 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 在測量兩點溫差時 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 熱電偶串 并聯(lián)線路如圖1 14所示 1 5集成溫度傳感器 集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流電壓特性與溫度的關(guān)系 把感溫PN結(jié)及有關(guān)電子線路集成在一個小硅片上 構(gòu)成一個小型化 一體化的專用集成電路片 集成溫度傳感器具有體積小 反應(yīng)快 線性好 價格低等優(yōu)點 由于PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制 它只能用來測150 以下的溫度 1 基本工作原理 目前在集成溫度傳感器中 都采用一對非常匹配的差分對管作為溫度敏感元件 圖1 18是集成溫度傳感器基本原理圖 圖1 18集成溫度傳感器基本原理 其中T1和T2是互相匹配的晶體管 I1和I2分別是T1和T2管的集電極電流 由恒流源提供 T1和T2管的兩個發(fā)射極和基極電壓之差 Vbe可用下式表示 即 式中k 是波爾茲曼常數(shù) q 是電子電荷量 T 是絕對溫度 r 是T1和T2管發(fā)射結(jié)的面積之比 從式中看出 如果保證I1 I2恒定 則 Vbe就與溫度T成單值線性函數(shù)關(guān)系 這就是集成溫度傳感器的基本工作原理 在此基礎(chǔ)上可設(shè)計出各種不同電路以及不同輸出類型的集成溫度傳感器 1 集成溫度傳感器的信號輸出方式 1 電壓輸出型電壓輸出型集成溫度傳感器原理電路圖如圖1 19所示 當(dāng)電流I1恒定時 通過改變R1的阻值 可實現(xiàn)I1 I2 當(dāng)晶體管的 1時 電路的輸出電壓可由下式確定 即 若取R1 940 R2 30K r 37 則電路輸出的溫度系數(shù)為 2 電流輸出型圖1 20為電流輸出型集成溫度傳感器的原理電路圖 T1和T2是結(jié)構(gòu)對稱的兩個晶體管 作為恒流源負(fù)載 T3和T4管是測溫用的晶體管 其中T3管的發(fā)射結(jié)面積是T4管的8倍 即r 8 流過電路的總電流IT為 式中當(dāng)R和r一定時 電路的輸出電流與溫度有良好的線性關(guān)系 若取R為358 則電路輸出的溫度系數(shù)為 電流輸出型典型的集成溫度傳感器有美國AD公司生產(chǎn)的AD590 我國產(chǎn)的SG590也屬于同類型產(chǎn)品 基本電路與圖1 20一樣 只是增加了一些啟動電路 防止電源反接以及使左右兩支路對稱的附加電路 以進(jìn)一步地提高性能 AD590的電源電壓4 30V 可測溫度范圍 50 150 靈敏度1uA K 傳輸距離達(dá)100m 2 AD590集成溫度傳感器應(yīng)用實例 AD590是應(yīng)用廣泛的一種集成溫度傳感器 由于它內(nèi)部有放大電路 再配上相應(yīng)外電路 方便地構(gòu)成各種應(yīng)用電路 下面介紹AD590幾種簡單的應(yīng)用線路 1 溫度測量電路圖1 21是一個簡單的測溫電路 AD590在25 298 2K 時 理想輸出電流為298 2 A 但實際上存在一定誤差 可以在外電路中進(jìn)行修正 將AD590串聯(lián)一個可調(diào)電阻 在已知溫度下調(diào)整電阻值 使輸出電壓UT滿足1mV k的關(guān)系 如25 時 UT應(yīng)為298 2mV 調(diào)整好以后 固定可調(diào)電阻 即可由輸出電壓VT讀出AD590所處的熱力學(xué)溫度 2 控溫電路簡單的控溫電路如圖1 22所示 AD311為比較器 它的輸出控制加熱器電流 調(diào)節(jié)R1可改變比較電壓 從而改變了控制溫度 AD581是穩(wěn)壓器 為AD590提供一個合理的穩(wěn)定電壓 3 熱電偶參考端補(bǔ)償電路該種補(bǔ)償電路如圖1 23所示 AD590應(yīng)與熱電偶參考端處于同一溫度下 AD580是一個三端穩(wěn)壓器 其輸出電壓VOUT 2 5V 電路工作時 調(diào)整電阻R2使得 I1 t0 10 3mA 這樣在電阻R1上產(chǎn)生一個隨參考端溫度t0變化的補(bǔ)償電壓V1 I1R1 當(dāng)熱電偶參考端溫度為t0 其熱電勢EAB t0 0 S t0 S為塞貝克系數(shù) v 補(bǔ)償時應(yīng)使V1與EAB t0 0 近似相等 即R1與塞貝克系數(shù)相等 不同分度號的熱電偶 R1的阻值亦不同 這種補(bǔ)償電路靈敏 準(zhǔn)確 可靠 調(diào)整方便 溫度變化在15 35 范圍內(nèi) 可獲得 5 的補(bǔ)償精度 4 攝氏溫度計電路該電路如圖所示 實現(xiàn)絕對溫標(biāo)向攝氏溫標(biāo)轉(zhuǎn)變 AD590靈敏度1uA K AD580是一個三端穩(wěn)壓器 穩(wěn)壓輸出VOUT 2 5V 調(diào)整方法 0 時調(diào)R1 使Vo為0 100 時 調(diào)Rf使Vo為5V 0 時 If 0即Is IR 273 15K 1uA k IR 2 5V R R 2 5V 273 15Ua 9 152k 100 時 Is IR If 得373 15 273 15 V0 Rf V0 5V Rf 5V 100Ua 50k t 時 Is IR If 得t 273 15 273 15 V0 Rf V0 50mv t K t 本章習(xí)題 P551 2 3 5 6 9