熱電式傳感器PPT課件

1 第8章熱電式傳感器 8 1熱電阻8 2熱電偶8 3熱敏電阻本章要點 下頁 上頁 返回 圖庫 2 8 1熱電阻 熱電阻測溫的基礎 電阻率隨溫度升高而增大 具有正的溫度系數(shù)特點 精度高 適宜于測低溫 下頁 上頁 返回 8 1 1熱電阻的材料及工作原理 圖庫 3 8 1 1熱電阻的材料及工作原理 鉑電阻 精度高 穩(wěn)定性好 性能可靠 銅電阻 鉑是貴金屬 價格昂貴 因此在測溫范圍比較小 50 150 的情況下 可采用銅制成的測溫電阻 稱銅電阻 鐵電阻和鎳電阻鐵和鎳 這兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高 電阻率較大 故可作成體積小 靈敏度高的電阻溫度計 其缺點是容易氧化 化學穩(wěn)定性差 不易提純 復制性差 而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差 下頁 上頁 返回 圖庫 4 8 1 2測量電路 熱電阻溫度計最常用的測量電路是電橋電路圖8 2熱電阻溫度計測量電橋電路 圖中G為指示電表 R1 R2 R3為固定電阻 Ra為零位調(diào)節(jié)電阻 圖8 3熱電阻測溫電橋的四線連接法 下頁 上頁 返回 圖庫 5 8 2熱電偶 熱電偶作為敏感元件優(yōu)點為 結(jié)構(gòu)簡單 其主體實際上是由兩種不同性質(zhì)的導體或半導體互相絕緣并將一端焊接在一起而成的 具有較高的準確度 測量范圍寬 常用的熱電偶 低溫可測到 50 高溫可以達到1600 左右 配用特殊材料的熱電極 最低可測到 180 最高可達到 2800 的溫度 具有良好的敏感度 使用方便等 下頁 上頁 返回 圖庫 6 8 2熱電偶 熱電效應熱電偶基本規(guī)律熱電偶材料及常用熱電偶熱電偶測溫電路熱電偶參考端溫度 下頁 上頁 返回 圖庫 7 8 2 1熱電效應 熱電效應或塞貝克效應 相應的熱電勢稱為溫差電勢或塞貝克電勢 通稱熱電勢 回路中產(chǎn)生的電流稱為熱電流 導體A B稱為熱電極 測溫時結(jié)點1置于被測的溫度場中 稱為測量端 工作端 熱端 結(jié)點2一般處在某一恒定溫度 稱為參考端 自由端 冷端 由這兩種導體的組合并將溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢的傳感器稱為熱電偶 圖8 4熱電效應示意圖 下頁 上頁 返回 圖庫 8 8 2 1熱電效應 兩種導體的接觸電勢式中k 波爾茲曼常數(shù) 為1 38 10 16 T 接觸處的絕對溫度 e 電子電荷數(shù) NA NB 金屬A B的自由電子密度 下頁 上頁 返回 圖庫 9 8 2 1熱電效應 同理可以計算出A B兩種金屬構(gòu)成回路在溫度端的接觸電勢為 8 5 但與方向相反 所以回路的總接觸電勢 8 6 由上式可見 當兩結(jié)點的溫度相同 即T T0 回路中總電勢將為零 下頁 上頁 返回 圖庫 10 8 2 1熱電效應 單一導體的溫差電勢圖8 6溫差電勢當導體兩端的溫度分別為T T0時 溫差電勢可由下式表示 8 7 式中 A A導體的湯姆遜系數(shù) 對于兩種金屬A B組成的熱電偶回路 湯姆遜電勢等于它的代數(shù)和 即 8 8 下頁 上頁 返回 圖庫 11 8 2 1熱電效應 綜上所述 對于勻質(zhì)導體A B組成的熱電偶 其總電勢為接觸電勢與溫差電勢之和 如圖8 7所示 用式子可表示為 8 9 下頁 上頁 返回 圖庫 12 8 2 1熱電效應 由式 8 9 可得出以下結(jié)論 如果熱電偶兩電極材料相同 則雖兩端溫度不同 T T0 但總輸出電勢仍為零 因此必須由兩種不同的材料才能構(gòu)成熱電偶 如果熱電偶兩結(jié)點溫度相同 則回路中的總電勢必等于零由上述分析知 熱電勢的大小只與材料和結(jié)點溫度有關(guān) 與熱電偶的尺寸 形狀及沿電極溫度分布無關(guān) 應注意 如果熱電極本身性質(zhì)為非均勻的 由于溫度梯度存在 將會有附加電勢產(chǎn)生 下頁 上頁 返回 圖庫 13 8 2 2熱電偶基本規(guī)律 中間導體定律標準電極定律連接導體定律和中間溫度定律 下頁 上頁 返回 圖庫 14 8 2 2熱電偶基本規(guī)律 中間導體定律在熱電偶回路中 只要中間導體兩端的溫度相同 那么接入中間導體后 對熱電偶回路的總熱電勢無影響 可用式子表示為 EABC T T0 EAB T T0 8 9 下頁 上頁 返回 圖庫 15 8 2 2熱電偶基本規(guī)律 標準電極定律如果將導體C 熱電極 一般為純鉑絲 作為標準電極 也稱參考電極 并已知標準電極與任意導體配對時的熱電勢 則在相同結(jié)點溫度 T T0 下 任意兩導體A B組成的熱電偶 其熱電勢可由下式求得EAB T T0 EAC T T0 EBC T T0 8 10 下頁 上頁 返回 圖庫 16 8 2 2熱電偶基本規(guī)律 連接導體定律和中間溫度定律連接導體定律 在熱電偶回路中 如果熱電極A B分別與連接導線A B 相連接 結(jié)點溫度分別為T Tn T0 那么回路的熱電勢將等于熱電偶的熱電勢EAB T Tn 與連接導線A B 在溫度Tn T0時熱電勢EA B T Tn 的代數(shù)和 見圖8 10 即EABB A T Tn T0 EAB T Tn EA B Tn T0 8 11 下頁 上頁 返回 圖庫 17 8 2 2熱電偶基本規(guī)律 連接導體定律和中間溫度定律中間溫度定律 熱電偶在結(jié)點溫度為T T0時的熱電勢值EAB T T0 等于熱電偶在 T Tn Tn T0 時相應的熱電勢EAB T Tn 與EAB Tn T0 的代數(shù)和 如下式所示 EAB T Tn T0 EAB T Tn EAB Tn T0 8 12 下頁 上頁 返回 圖庫 18 8 2 2熱電偶基本規(guī)律 舉例 可加減 已知A B組成的熱電偶在 1000C 00C 時熱電勢為1mV且A B組成的熱電偶在 10000C 00C 時熱電勢為10mV則它們在 10000C 1000C 時的熱電勢為 10 1 9mV 下頁 上頁 返回 圖庫 19 8 2 2熱電偶基本規(guī)律 圖8 8具有中間導體的熱電偶電路圖8 9三種導體分別組成的熱電偶圖8 10用連接導線的熱電偶回路 下頁 上頁 返回 圖庫 20 8 2 3熱電偶材料及常用熱電偶 對熱電偶的電極材料主要要求是 配制成的熱電偶應具有較大的熱電勢 并希望熱電勢與溫度之間成線性關(guān)系或近似線性關(guān)系 能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用 并且在長期工作后物理化學性能與熱電性能都比較穩(wěn)定 電導率要求高 電阻溫度系數(shù)要小 易于復制 工藝簡單 價格便宜 標準化熱電偶有 鉑銠一鉑熱電偶 鎳鉻一鎳鋁熱電偶 鎳鉻考銅熱電偶及銅一康銅熱電偶等 標準化熱電偶的主要技術(shù)數(shù)據(jù)列于表8 2中 下頁 上頁 返回 圖庫 21 8 2 4熱電偶測溫電路 熱電偶直接與指示儀表配用熱電偶與動圈式儀表連接 如圖8 11所示 這時流過儀表的電流不僅與勢電勢大小有關(guān) 而且與測溫回路的總電阻有關(guān) 因此要求回路總電阻必須為恒定值 即Rr Rc RG 常數(shù) 8 14 式中Rr 熱電偶電阻 Rc 連接導線電阻 RG 指示儀表的內(nèi)阻這種線路常用于測溫精度要求不高的場合 因其結(jié)構(gòu)簡單 價格便宜 圖8 11一支熱電偶直接配一臺儀表 下頁 上頁 返回 圖庫 22 8 2 4熱電偶測溫電路 串聯(lián)為了提高測量精度和靈敏度 也可將n支型號相同的熱電偶依次串接 如圖8 12所示 這時線路的總電勢為EG E1 E2 En nE 8 15 式中的E1 E2 En為單支熱電偶的熱電勢 顯然總電勢比單支熱電偶的熱電勢增大n倍 若每支熱電偶的絕對誤差為 E1 E2 En 則整個串聯(lián)線路的絕對誤差為 8 16 下頁 上頁 返回 圖庫 23 8 2 4熱電偶測溫電路 如果 E1 E2 En E則 8 17 故串聯(lián)電路的相對誤差為 8 18 圖8 12熱電偶串聯(lián)測溫電路 下頁 上頁 返回 圖庫 24 8 2 4熱電偶測溫電路 并聯(lián)用若干個熱電偶并聯(lián) 測出各點溫度的算術(shù)平均值 如圖8 13所示 如果n支熱電偶的電阻值相等 則并聯(lián)電路總熱電勢為 8 19 圖8 13熱電偶并聯(lián)測溫線路 下頁 上頁 返回 圖庫 25 8 2 4熱電偶測溫電路 圖8 14所示為測兩點溫度差的線路 兩支型號相同的熱電偶配用相同的補償導線 并反串連接 使兩熱電勢相減 從而測出T1和T2的溫度差 圖8 14熱電偶測溫差線路 下頁 上頁 返回 圖庫 26 8 2 4熱電偶測溫電路 橋式電位差計線路如果要求高精度測溫并自動記錄 常采用自動電位差計線路 圖8 15為XWT系列自動平衡記錄儀表采用的線路 圖中RW 為調(diào)零電位器 在測量前調(diào)節(jié)它使儀表指針置于標度尺起點 圖8 15自動電位差計測溫線路 下頁 上頁 返回 圖庫 27 8 2 5熱電偶參考端溫度 0 恒溫法熱電偶參考端溫度為tn時的補正方法冷端延長線法 下頁 上頁 返回 圖庫 28 8 2 5熱電偶參考端溫度 0 恒溫法把冰屑和清潔的水相混合 放在保溫瓶中 并使水面略低于冰屑面 然后把熱電偶的參考端置于其中 在一個大氣壓的條件下 即可使冰水保持在0 這時熱電偶輸出的熱電勢與分度值一致 實驗室中通常使用這種辦法 近年來 已生產(chǎn)一種半導體致冷器件 可恒定在0 下頁 上頁 返回 圖庫 29 8 2 5熱電偶參考端溫度 熱電偶參考端溫度為tn時的補正方法1 熱電勢補正法2 溫度補正法3 調(diào)整儀表起始點法4 熱電偶補償法5 電橋補償法圖8 16熱電偶特性曲線 下頁 上頁 返回 圖庫 30 8 3熱敏電阻 熱敏電阻是用一種半導體材料制成的敏感元件 其特點是電阻隨溫度變化而顯著變化 能直接將溫度的變化轉(zhuǎn)換為能量的變化 制造熱敏電阻的材料很多 如錳 銅 鎳 鈷和鈦等氧化物 它們按一定比例混合后壓制成型 然后在高溫下焙燒而成 熱敏電阻具有靈敏度高 體積小 較穩(wěn)定 制作簡單 壽命長 易于維護 動態(tài)特性好等優(yōu)點 因此得到較為廣泛的應用 尤其是應用于遠距離測量和控制中 下頁 上頁 返回 圖庫 31 8 3熱敏電阻 8 3 1熱敏電阻的主要特性8 3 2熱敏電阻的特性線性化8 3 3熱敏電阻的應用舉例 下頁 上頁 返回 圖庫 32 8 3 1熱敏電阻的主要特性 電阻 溫度特性電阻與溫度之間的關(guān)系可用下面公式來表示 R A eB TA 與熱敏電阻尺寸形狀以及它的半導體物理性能有關(guān)的常數(shù) B 與半導體物理性能有關(guān)的常數(shù) T 熱敏電阻的絕對溫度 下頁 上頁 返回 圖庫 33 8 3 1熱敏電阻的主要特性 伏安特性熱敏電阻的電流一時間曲線 它們是在不同的外加電壓情況下 電流達到穩(wěn)定最大值所需的時間 從圖中可以看到都有一段延遲時間 這是在自熱過程中為達到新的熱平衡狀態(tài)所必需的 延遲時間反映了熱敏電阻的動特性 適當選擇熱敏電阻的結(jié)構(gòu)及相應的電路 可使這段延遲時間具有0 001s到幾個小時的數(shù)值 對于一般結(jié)構(gòu)的熱敏電阻 其值可在0 5 1s之間 下頁 上頁 返回 圖庫 34 8 3 1熱敏電阻的主要特性 電流一時間特性圖8 20熱敏電阻的溫度特性圖8 21負溫度系數(shù)熱敏電阻伏安特性圖8 22電流一時間特性 下頁 上頁 返回 圖庫 35 8 3 2熱敏電阻的特性線性化 圖8 23串聯(lián)補償電阻圖8 24并聯(lián)補償電阻由圖8 24可見 補償后的RP的溫度系數(shù)變小 電阻一溫度曲線變平坦了 因此也可在某一溫度范圍內(nèi)得到線性的輸出特性 除上述介紹的串聯(lián) 并聯(lián)補償電阻之外 還有其它的辦法 如圖8 25其它線性化電路所示 下頁 上頁 返回 圖庫 36 8 3 3熱敏電阻的應用舉例 半導體點溫計利用熱敏電阻對溫度變化的高度敏感性能 可以制成測量點溫 反應迅速的點溫計 點溫計不僅可以用來測量一般的氣體 液體或固體的溫度 而且還適宜于測量微小物體或物體局部的溫度 例如 可以用來測量運行中電機軸承的溫度 晶體管外管的溫升 植物葉片溫度以及人體內(nèi)血液的溫度等 熱敏電阻溫度自動控制器 下頁 上頁 返回 圖庫 37 8 3 3熱敏電阻的應用舉例 半導體點溫計圖8 26為半導體點溫計的電原理圖 它由熱敏電阻 測量電阻和顯示電表組成 圖中R1 等于R2 是橋路固定錳銅電阻 能對熱敏電阻的非線性起補償作用 R3是錳鋼電阻 阻值等于點溫計起始刻度時的熱敏電阻的阻值 Rm是錳銅電阻 其阻值等于點溫計滿刻度時熱敏電阻的阻值 RT是半導體熱敏電阻 測溫元件 R4和Rw的作用是調(diào)節(jié)橋路工作電壓 開關(guān)S置于 1