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任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 一 任務(wù)描述利用熱敏電阻制作電熱水器溫度控制器 當(dāng)電熱水器內(nèi)水溫低于設(shè)定值時 接通電源加熱 加熱指示燈點亮 當(dāng)電熱水器內(nèi)水溫高于設(shè)定值時 斷開電源停止加熱 熱敏電阻如圖2 1所示 二 任務(wù)目標 1 掌握熱敏電阻傳感器的特點和工作原理 2 掌握熱敏電阻傳感器的測量電路 3 了解熱電偶的工作原理及其溫度補償 4 能夠選用合適的溫度傳感器進行電路的設(shè)計 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 三 知識鏈接1 熱敏電阻傳感器熱敏電阻是由金屬氧化物陶瓷半導(dǎo)體材料 經(jīng)成型 高溫?zé)Y(jié)等上藝制成的測溫元件 還有一部分熱敏電阻由碳化硅材料制成 其優(yōu)點是電阻溫度系數(shù)大 電阻率大 體積小 熱慣性小 適宜測量點溫 表溫度及快速變化的溫度 其結(jié)構(gòu)簡單 力學(xué)性能好 缺點是線性度較差 復(fù)現(xiàn)性和互換性較差 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 1 熱敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理熱敏電阻的基本工作原理是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而顯著變化的特點 當(dāng)溫度發(fā)生變化時 熱敏電阻的電阻值也發(fā)生變化 利用測量電路對電阻值的變化進行測量 并將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電流或電壓變化 從而使電壓或電流的變化與溫度的變化成一定的關(guān)系 完成溫度的測量 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 熱敏電阻是由一些金屬氧化物 如鉆 Co 錳 Mn 鎳 Ni 等的氧化物采用不同比例配方混合 研磨后加入勃合劑 埋入適當(dāng)引線 鉑絲 擠壓成型再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成 熱敏電阻根據(jù)使用要求不同 可制成珠狀 片狀 桿狀 墊圈狀等各種形狀 如圖2 2所示 工業(yè)測量主要用珠型熱敏電阻 其外形如所示 將珠型熱敏電阻燒結(jié)在兩根鉑絲上 外面涂覆玻璃層 并用杜美絲與鉑絲相接引出 外面再用玻璃管作保護套管 保護套管外徑為3 5mm 若把熱敏電阻配上不平衡電橋和指示儀表 則成為半導(dǎo)體點溫度計 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 2 熱敏電阻的熱電特性根據(jù)熱敏電阻的阻值和溫度之間的關(guān)系 可以把熱敏電阻分成 種類型 分別是負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC 正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC和突變型熱敏電阻CTR 其電阻和溫度之間的特性曲線如圖2 4所示 不同類型的熱敏電阻材料如表2 1所示 1 負溫度系數(shù)熱敏電阻NTCNTC熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而減小 是最常見的熱敏電阻 它的材料主要是一些過渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷 如錳 鉆 鐵 鎳 銅等多種氧化物混合燒結(jié)而成 多用于溫度的測量 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 2 正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC PTC熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大 典型的PTC熱敏電阻是在欽酸鋇中摻入其他金屬離子 以改變其溫度系數(shù)和臨界溫度點 它在電子線路中多起限流作用 3 突變型熱敏電阻CTRCTR熱敏電阻當(dāng)溫度升高到某臨界值時 其電阻值隨溫度升高而降低3 4個數(shù)量級 即具有很大負溫度系數(shù) 在某個溫度范圍內(nèi)阻值急劇下降 曲線斜率在此區(qū)段特別陡峭 靈敏度極高 此特性可用于自動控溫和報警電路中 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 3 熱敏電阻的基本參數(shù) 1 標稱阻值RH 冷阻 環(huán)境溫度為 25 0 2 時 熱敏電阻的阻值 單位為 2 電阻溫度系數(shù) T 溫度每變化1 熱敏電阻阻值的相對變化率 單位為 如不作特別說明 是指20 時的溫度系數(shù) 即式中RT 溫度為T時的阻值 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 3 散熱系數(shù)H 溫度變化1 熱敏電阻所耗散的功率變化量 單位為W 或mW 在土作范圍內(nèi) 當(dāng)環(huán)境溫度變化時 H值隨之變化 其大小與熱敏電阻的結(jié)構(gòu) 形狀和所處介質(zhì)的種類及狀態(tài)有關(guān) 4 轉(zhuǎn)變溫度TC 熱敏電阻器的電阻一溫度特性曲線上的拐點溫度 主要指正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻 PTC 和臨界溫度熱敏電阻 CTR 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 4 熱敏電阻的應(yīng)用熱敏電阻具有尺寸小 響應(yīng)速度快 靈敏度高等優(yōu)點 因此它在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 可用于溫度測量 溫度控制 溫度補償 穩(wěn)壓穩(wěn)幅 自動增益調(diào)節(jié) 氣體和液體分析 火災(zāi)報警 過熱保護等方面 下面介紹幾種主要用法 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 1 溫度測量 圖2 5所示為熱敏電阻體溫表的測量原理 利用其原理還可以制作其他測溫 控溫電路 調(diào)試時 必須先調(diào)零再調(diào)溫度 最后再驗證刻度盤中其他各點的誤差是否在允許范圍之內(nèi) 上述過程稱為標定 具體做法如下 將絕緣的熱敏電阻放入犯 的溫水中待熱量平衡后 調(diào)節(jié)RP1 使指針指在32上 再加熱水 用更高一級的溫度計監(jiān)測水溫 使其上升到5 待熱量平衡后 調(diào)節(jié)RP2 使指針指在45上 再加冷水 逐步降溫檢查32 45 內(nèi)刻度的準確程度 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 2 溫度補償 熱敏電阻可以在一定范圍內(nèi)對某些元件進行溫度補償 圖2 6所示為三極管溫度補償電路 當(dāng)環(huán)境溫度升高時 三極管的放大倍數(shù)刀隨溫度的升高將增大 溫度每上升1 刀值增大0 5 1 其結(jié)果是在相同的IB情況下 集電極電流IC隨溫度上升而增大 使得輸出USC增大 若要使USC維持不變 則需要提高基極電位 減小三極管基極電流 為此選用負溫度系數(shù)熱敏電阻進行溫度補償 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 3 液位測量 給NTC型熱敏電阻施加一定的加熱電流 它的表面溫度將高于周圍空氣的溫度 此時它的阻值相對較小 當(dāng)液面高于其安裝高度時 液體將帶走它的熱量 使之溫度下降 阻值升高 根據(jù)它的阻值變化 就可以知道液面是否低于設(shè)定值 汽車車廂中的油位報警傳感器就是利用以上原理制作的 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 4 過載保護 如圖2 7所示 Rt1 Rt2 Rt3是熱電特性相同的3個熱敏電阻 安裝在三相繞組附近 電機正常運行時 電機溫度低 熱敏電阻高 三極管不導(dǎo)通 繼電器不吸合 使電機正常運行 當(dāng)電機過載時 電機溫度升高 熱敏電阻的阻值減小 使三極管導(dǎo)通 繼電器吸合 則電機停止轉(zhuǎn)動 從而實現(xiàn)保護作用 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 2 熱電阻傳感器在測量200W 220V普通燈泡冷態(tài)阻值時 可發(fā)現(xiàn)僅有數(shù)十歐 但按R U2 P計算其熱態(tài)阻值為28252 冷熱阻值相差近10倍 由此可知 鎢絲在不同溫度場中阻值是不同的 在金屬中 載流子為自由電子 當(dāng)溫度升高時 雖然自由電子數(shù)目基本不變 當(dāng)溫度變化范圍不是很大時 但每個自由電子的動能將增加 因而在一定的電場作用下 要使這些雜亂無章的電子做定向運動 就會遇到更大的阻力 導(dǎo)致金屬電阻值隨溫度的升高而增加 熱電阻就是利用電阻隨溫度升高而增大這一特性來測量溫度的 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 1 常用熱電阻熱電阻是利用電阻與溫度成一定函數(shù)關(guān)系的特性 由金屬材料制成的感溫元件 當(dāng)被測溫度變化時 導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化 通過測量電阻值變化的大小而得出溫度變化的情況及數(shù)值大小 熱電阻是中 低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器 作為測溫用的熱電阻材料 希望其具有電阻溫度系數(shù)大 線性好 性能穩(wěn)定 使用溫度范圍寬 加上容易等特點 目前較為廣泛應(yīng)用的熱電阻材料為銅 鉑 鐵和鎳等 其中 鉑的性能最好 它的適用溫度范圍為 200 960 其電阻值和溫度之間有近似的線性關(guān)系 銅熱電阻價廉且線性較好 但高溫下容易氧化 故只適用于測量 50 150 表2 2給出了熱電阻的主要性能指標 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 1 鉑熱電阻 鉑材料的優(yōu)點為 物理 化學(xué)性能極為穩(wěn)定 尤其是耐氧化能力很強 并且在很寬的溫度范圍內(nèi) 1200 以下 均可保持上述特性 易于提純 復(fù)制性好 有良好的上藝性 可以制成極細的鉑絲或極薄的鉑箔 電阻率較高 缺點是 電阻溫度系數(shù)較小 在還原介質(zhì)中工作時易被沾污變脆 價格較高 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 鉑熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系近似線性 其特性方程為當(dāng) 200 t 0 時 有當(dāng)0 t 960 時 有式中 Rt 溫度為t 時鉑熱電阻的阻值 R0 溫度為0 時鉑熱電阻的阻值 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 2 銅熱電阻 鉑金屬貴重 因此在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合 普遍地采用銅熱電阻來測量 50 150 的溫度 在此溫度范圍內(nèi) 阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性關(guān)系 即可近似表示為銅熱電阻溫度系數(shù)比鉑高 而電阻率比鉑低 容易提純 加上性能好 可拉成細絲 價格便宜 缺點是易氧化 不宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作 鑒于上述特點 在介質(zhì)溫度不高 腐蝕性不強 測溫元件體積不受限制的條件下大都采用銅熱電阻 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 2 熱電阻的結(jié)構(gòu)和類型金屬熱電阻按其結(jié)構(gòu)類型來分 普通型 鎧裝型薄膜型普通型熱電阻由感溫元件 金屬電阻絲 骨架 引線 保護套管及接線盒等基本部分組成 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 1 感溫元件 金屬電阻絲 由于鉑的電阻率較大 而且相對機械強度較大 通常鉑絲的直徑為 0 03 0 07 mm 0 005mm 可單層繞制 若鉑絲太細 電阻體可做得小些 但強度低 若鉑絲粗 雖強度大 但電阻體積大了 熱惰性也大 成本高 由于銅的機械強度較低 電阻絲的直徑需較大 一般為0 1mm 0 005mm的漆包銅線或絲包線分層繞在骨架上 并涂上絕緣漆而成 由于銅電阻的溫度低 故可以重疊多層繞制 一般多用雙繞法 即兩根絲平行繞制 在末端把兩個頭焊接起來 這樣工作電流從一根熱電阻絲進入 從另一根熱電阻絲反向出來 形成兩個電流方向相反的線圈 其磁場方向相反 產(chǎn)生的電感就互相抵消 故又稱無感繞法 這種雙繞法也有利于引線的引出 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 2 骨架 熱電阻是繞制在骨架上的 骨架是用來支持和固定電阻絲的 骨架應(yīng)使用電絕緣性能好 高溫下機械強度高 體膨脹系數(shù)小 物理 化學(xué)性能穩(wěn)定 對熱電阻絲無污染的材料制造 常用的是云母 石英 陶瓷 玻璃及塑料等 3 引線 引線的直徑應(yīng)當(dāng)比熱電阻絲大幾倍 盡量減少引線的電阻 以增加引線的機械強度和連接的可靠性 對于工業(yè)用的鉑熱電阻 一般采用1mm的銀絲作為引線 對于標準的鉑熱電阻則可采用0 3mm的鉑絲作為引線 對于銅熱電阻則常用0 5mm的銅線 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 在骨架上繞制好熱電阻絲 并焊好引線之后 在其外面加上云母片進行保護 再裝入外保護套管 并和接線盒或外部導(dǎo)線相連接 即得到熱電阻傳感器 鉑 銅熱電阻外形如圖2 8所示 結(jié)構(gòu)如圖2 9 圖2 10所示 目前 還研制生產(chǎn)了薄膜型熱電阻 它是利用真空蒸鍍法使鉑金屬薄膜附著在耐高溫基底上 其尺寸可以小至幾平方毫米 可將其粘貼在被測高溫物體上 測量局部溫度 具有熱容量小 反應(yīng)快等特點 3 熱電阻的測量轉(zhuǎn)換電路熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件 通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計算機控制裝置或者其他一次儀表上 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場 與控制室之間存在一定的距離 因此熱電阻的引線對測量結(jié)果會有較大的影響 目前熱電阻的接線方式有兩線制 三線制和四線制 工業(yè)上一般采用三線制 1 兩線制 在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來引出電阻信號的方式叫作兩線制 如圖2 11 a 所示 這種引線方法很簡單 但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻 的大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān) 因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 2 三線制 在熱電阻根部的一端連接一根引線 另一端連接兩根引線的方式稱為三線制 如圖2 11 b 所示 這種方式通常與電橋配套使用 將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端 其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上 這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差 是工業(yè)過程控制中的最常用連接方式 3 四線制 在熱電阻的根部兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制 其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I 把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U 再通過另兩根引線把U引至二次儀表 可見 這種引線方式可完全消除引線的電阻影響 主要用于高精度的溫度檢測 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 4 熱電阻的應(yīng)用 1 溫度測量 利用熱電阻的高靈敏度進行液體 氣體 固體 固熔體等方面的溫度測量 是熱電阻的主要應(yīng)用 工業(yè)測量中常用3線制接法 標準或?qū)嶒炇揖軠y量中常用四線制 圖2 12所示電路可直接作為鉑熱電阻測溫電路應(yīng)用 對于銅電阻測溫 由于其非線性很小 可近似認為線性 無需補償非線性 只要將圖2 12所示電路中的R4去掉 開路 即可 改變R7的阻值可改變IC12的放大倍數(shù) 以滿足測溫范圍 量程 要求 應(yīng)用此電路時 IC1可選取普通運算放大器 如雙運放LM358 四運放LM324等 IC2為儀表放大器 可選0P 07 對電阻選擇的要求 R1為溫度穩(wěn)定性好的精密電阻 其他電阻為同溫度系數(shù) 上一頁 下一頁 返回 任務(wù)一電熱水器溫度控制器的設(shè)計與制作 2 流量測量 熱電阻上的熱量消耗和介質(zhì)流速的關(guān)系還可以測量流量 流速 風(fēng)速等 如圖2 13所示 當(dāng)介質(zhì)處于靜止狀態(tài)時 電橋處于平衡位置 此時流量計沒有指示 當(dāng)介質(zhì)流動時 由于介質(zhì)帶走熱量 溫度的變化引起阻值的變化 電橋失去平衡而有輸出 此時電流計的指示直接反映了流量的大小 上一頁 下一頁 返回 圖2 1熱敏電阻 返回 圖2 2熱敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號 返回 1 熱敏電阻 2 玻璃外殼 3 引出線 4 紫銅外殼 5 傳熱安裝孔 圖2 4熱敏電阻的溫度特性曲線 返回 1 負溫度系數(shù) NTC 2 正溫度系數(shù) CPTC 3 臨界溫度系數(shù) CTR 表2 1熱敏電阻的材料 返回 圖2 5熱敏電阻體溫表測量原理 返回 圖2 6熱敏電阻用于三極管溫度補償電路 返回 圖2 7熱敏電阻用于電動機過載保護 返回 表2 2熱電阻的主要性能指標 返回 圖2 8熱電阻外形 返回 1 保護套管 2 測溫兒件 3緊固螺栓 4 接線盒 5 引出線密封套管 圖2 9鉑電阻結(jié)構(gòu) 1 鉚釘 2 鉑熱電阻 3 銀質(zhì)引腳 返回 圖2 10銅電阻結(jié)構(gòu) 1 線圈骨架 2 保護層 3 銅電阻絲 4 扎線 5 補償繞組 6 銅質(zhì)引腳 返回 圖2 11熱電阻的接線連線方式 返回 圖2 12鉑熱電阻測溫電路 返回 圖2 13熱電阻式流量計原理 返回 圖2 14電熱水器控溫器原理圖 返回