傳感器與檢測技術(shù)-6PPT課件

1、任務6.1 熱電偶測溫度,任務6.2 熱電阻測溫度,項目6 溫度測量,知識目標】 學習熱電偶和熱電阻的的工作原理，熟悉常用熱電極材料的類型、性能特點。 【能力目標】 學會識別一般溫度檢測元件和測溫儀表，能夠使用熱電偶和熱電阻，利用手冊查閱測溫元件的技術(shù)參數(shù)，解決簡單的溫度檢測問題,任務6.1 熱電偶測溫度,任務導入,在軋鋼過程中，鋼坯的軋制溫度是關(guān)鍵的工藝參數(shù)，鋼坯溫度控制的好壞，將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，加熱爐的爐溫在9501200之間，它要跟隨軋機軋制節(jié)奏的變化來隨時調(diào)節(jié)，所以能否有效地控制加熱爐的溫度，直接影響鋼坯的質(zhì)量和成本，而對溫度進行精確地測量是控制的前提。本任務就是針對軋鋼工藝鋼坯溫

2、度的控制，來選擇一種溫度傳感器來進行溫度測量,基本知識與技能,熱電偶的認識,熱電偶是工程上常用的一種的溫度檢測傳感器，它是一種自發(fā)電式傳感器，測量時不需要外加電源，直接將被測溫度轉(zhuǎn)換成電勢輸出。熱電偶在溫度測量中應用具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量精度高、測量范圍寬等優(yōu)點。常用的熱電偶測量范圍為-501600。如果配用特殊材料，測量范圍會更廣，某些特殊熱電偶最低可測到-270（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800（如鎢錸,6.1.1 熱電偶的工作原理,1. 熱電效應 當有兩種不同的導體或半導體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結(jié)點處的溫度不同，回路中將產(chǎn)生一個電動勢，形成電流，這種現(xiàn)象稱為“

3、熱電效應”。如圖所示，兩種導體所組成的閉合回路稱為熱電偶，回路中的電勢稱為熱電勢；兩個導體A和B稱為熱電極。測量溫度時，兩個熱電極的一個接點1置于被測溫度場（T）中，稱該點為測量端，也叫工作端或熱端；另一個接點2置于某個恒定溫度（T0）的地方，稱參考端或自由端、冷端,熱電偶測溫原理圖,6.1.1 熱電偶的工作原理,2. 熱電勢的組成 熱電偶回路內(nèi)產(chǎn)生的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成，下面以導體為例說明熱電勢的產(chǎn)生。 （1）接觸電勢 由于不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同，當兩種不同的金屬導體接觸時，在接觸面上就會發(fā)生電子擴散。電子的擴散速率與兩導體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比

4、。設(shè)導體A和B的自由電子密度為NA和NB，且有NA NB，電子擴散的結(jié)果使導體A失去電子而帶正電，導體B則因獲得電子而帶負電，在接觸面形成電場。這個電場阻礙了電子繼續(xù)擴散，達到動態(tài)平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差，即接觸電動勢，如圖所示,接觸電勢,6.1.1 熱電偶的工作原理,2. 熱電勢的組成 （2）溫差電勢 同一導體中的，如果兩端溫度不同，在兩端間會產(chǎn)生電動勢，即產(chǎn)生單一導體的溫差電動勢，這是由于導體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散的結(jié)果。高溫端因失去電子而帶正電，低溫端由于獲得電子而帶負電，在高低溫端之間形成一個電位差。溫差電動勢的大小與導體的性質(zhì)和兩端的溫差有關(guān),

5、6.1.1 熱電偶的工作原理,結(jié)論： 1）熱電偶的兩個熱電極必須是兩種不同材料的均質(zhì)導體，否則熱電偶回路的總電勢零。 2）熱電偶兩接點溫度必須不等，否則，熱電偶回路總熱電勢也為零。 3）當熱電偶材料均勻時，熱電偶的熱電勢只與兩個接點溫度有關(guān)，而與中間溫度無關(guān)，與熱電偶的材料有關(guān)，而與熱電偶的尺寸、形狀無關(guān),6.1.2 熱電偶的材料及結(jié)構(gòu),1. 熱電偶的材料 根據(jù)金屬的熱電效應原理，任意兩種不同材料的導體都可以作為熱電極組成熱電偶，但是在實際應用中，用作熱電極的材料應具備如下幾方面的條件： （1）熱電勢應足夠大； （2）熱電性能穩(wěn)定，熱電勢與溫度有單值關(guān)系或簡單的函數(shù)關(guān)系； （3）電阻溫度系數(shù)和

6、電阻率要??； （4）易于復制，工藝性與互換性好，便于制定統(tǒng)一的分度表，材料要有一定的韌性，焊接性能好，以利于制作。 常用的熱電偶材料有鉑銠、鎳鉻、鎳硅、康銅、鎳銅、純鉑絲等,6.1.2 熱電偶的材料及結(jié)構(gòu),1） 普通型熱電偶。 該類型的熱電偶外形如圖所示，主要用于測量氣體、蒸汽和液體等介質(zhì)的溫度，熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等幾個主要部分組成。它的熱電極是一端焊在一起的兩根金屬絲，兩熱電極之間用絕緣管絕緣,1熱電極 2絕緣套管 3保護套管 4接線盒 普通熱電偶結(jié)構(gòu),6.1.2 熱電偶的材料及結(jié)構(gòu),2） 鎧裝熱電偶（纜式）。 它是將熱電極、絕緣材料和金屬保護套管組合在一起，經(jīng)拉伸

7、加工而成。根據(jù)測量端的形式不同，可分為碰底型、不碰底型、露頭型、帽型等。鎧裝熱電偶具有能彎曲、耐高壓、熱響應時間快和堅固耐用等許多優(yōu)點，適用于位置狹小、結(jié)構(gòu)復雜的測量對象，其實物外形如圖所示,鎧裝熱電偶,6.1.2 熱電偶的材料及結(jié)構(gòu),3）薄膜熱電偶 用真空蒸鍍（或真空濺射）、化學涂層等工藝，將熱電極材料沉積在絕緣基板上形成的一層金屬薄膜。熱電偶測量端既小又?。ê穸瓤蛇_0.010.1m），因而熱慣性小，反應快，可用于測量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。薄膜熱電偶分為片狀、針狀等。 （4）表面熱電偶。 表面熱電偶是用來測量各種狀態(tài)的固體表面溫度，如測量軋輥、金屬塊、爐壁、橡膠筒和渦輪葉片等表面

8、溫度。 （5）浸入式熱電偶。 浸入式熱電偶主要用來測量液態(tài)金屬溫度，它可直接插入液態(tài)金屬中，常用于鋼水、鐵水、銅水、鋁水和熔融合金溫度的測量,6.1.3 熱電偶的溫度補償,從熱電效應的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與兩端溫度有關(guān)。只有將冷端的溫度恒定，熱電勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。由于熱電偶分度表是以冷端溫度為0時作出的，因此在使用時要正確反映熱端溫度，最好設(shè)法使冷端溫度恒為0。但實際應用中，熱電偶的冷端通常靠近被測對象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響，其溫度不是恒定不變的。為此，必須采取一些相應的措施進行補償或修正，常用的方法有以下幾種,1. 0恒溫法 將熱電偶的參考端置于0的恒溫容器中，從而保證參

9、考端的溫度恒為0。這種方法只適用于實驗室或精密的溫度測量,6.1.3 熱電偶的溫度補償,2. 參考端恒溫法 在實際測量中，要把參考端恒定在0常常會遇到困難，因此可以設(shè)法使參考端恒定在某一常溫Tn下。通常采用恒溫器盛裝熱電偶的參考端，或?qū)⒖级酥糜跍囟茸兓徛拇笥筒壑?3. 電橋補償法。 若實現(xiàn)參考端恒溫也有困難，可采用電橋補償法,電橋補償原理圖,6.1.3 熱電偶的溫度補償,4. 補償導線法。 補償導線法又稱參考端延長法，在實際工作中，熱電偶常置于所測的溫度場中，指示儀表與溫度場往往相距很遠。熱電偶的材料通常為貴重金屬，從經(jīng)濟的角度考慮，常用廉價的補償導線來完成這種遠距離的連接，所用的連接線

10、稱為參考端補償導線或延長線。所謂補償導線，實際上是一對材料化學成分不同的導線，在0150溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價格相對要便宜。如圖所示是補償導線法示意圖。該方法中熱電極加長的部分是另外兩根不同金屬的長導線P和Q，稱參考端補償導線,參考端延長法示意圖,任務實施,據(jù)軋鋼爐的測溫范圍及使用要求，結(jié)合熱電偶的相關(guān)知識，選用性價比最優(yōu)的鎳鉻鎳硅（K）熱電偶作為測溫傳感器。 如圖所示，將熱電偶的熱端插入爐內(nèi)檢測爐溫T，冷端通過補償導線與測量儀表的輸入銅導線相連，并插入冰瓶，保證T00，此時通過測量儀表測得的熱電勢即可確定爐內(nèi)的實際溫度,測量爐溫示意圖,任務6.2 熱電阻測溫,任務導入

11、,在煉油、化工行業(yè)常用到氣化爐，爐內(nèi)正常溫度在1300左右，甚至高達1500以上。爐內(nèi)所襯爐磚在高溫時會熔蝕，受熱氣體和融渣的沖刷，耐火磚不斷變薄。爐內(nèi)耐火磚的減薄甚至脫落，使熾熱氣體通過磚縫侵入到氣化爐爐壁，使其表面溫度升高，氣化爐金屬外殼強度降低，造成設(shè)備不安全。本課題的任務就是要檢測氣化爐表面溫度并給予報警，以便及時確定更換耐火磚的時間。氣化爐的耐壓壓力為6.5MPa(G)，爐表面溫度在400 450之間，正常值為425左右。 根據(jù)傳感器溫度測量范圍，可以選擇熱電阻溫度傳感器為測溫元件，組成溫度報警系統(tǒng)。熱電阻溫度傳感器是如何測量溫度？其結(jié)構(gòu)、特點如何,基本知識與技能,電阻式溫度傳感器的

12、認識,電阻式溫度傳感器就是將溫度變化轉(zhuǎn)化為溫度敏感元件的電阻變化，進而通過電路變成電壓或電流信號輸出。它是利用導體或半導體材料的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行溫度測量，即材料的電阻率隨溫度的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為熱電阻效應，一般把金屬導體制成的測溫元件稱為金屬熱電阻，簡稱熱電阻；把由半導體材料制成的測溫元件稱為半導體熱電阻，簡稱熱敏電阻,6.2.1 熱電阻,1. 熱電阻基本工作原理 熱電阻通常是用純金屬制成的，它是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻是中低溫區(qū)（200650）最常用的一種測溫敏感元件。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。 常用的金屬熱電阻主

13、要有：鉑電阻和銅電阻,6.2.1 熱電阻,2. 常用熱電偶 （1）鉑電阻 鉑電阻是目前公認的制造熱電阻的最好材料，它性能穩(wěn)定，重復性好，測量精度高，其電阻值與溫度之間有很近似的線性關(guān)系。缺點是電阻溫度系數(shù)小，價格較高。鉑電阻主要用于制成標準電阻溫度計，其測量范圍一般為-200+650。按照ITS-1990標準，國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計的最常用的工業(yè)用鉑電阻為Pt100和Pt1000，即在0時鉑電阻阻值R0值為100和1000,6.2.1 熱電阻,2. 常用熱電偶 （2）銅電阻 銅材料容易提純，具有較大的電阻溫度系數(shù)，銅電阻的阻值與溫度之間接近線性關(guān)系，銅的價格比較便宜。銅電阻的缺點是電阻率較小，所以體積較

14、大，穩(wěn)定性也較差，容易氧化。在一些測量精度要求不高，測溫范圍較小(-50 150)的情況下，普遍采用銅電阻。 我國常用的銅電阻為Cu50和Cu100，即在0時其阻值R0值為50和100，銅電阻值與溫度之間的關(guān)系可以查熱電阻分度表Cu50或Cu100。 （3）其他熱電阻 鎳和鐵的電阻溫度系數(shù)大，電阻率高，可用于制成體積大、靈敏度高的熱電阻。但由于容易氧化，化學穩(wěn)定性差，不易提純，重復性和線性度差，目前應用還不多,6.2.1 熱電阻,3. 熱電阻的結(jié)構(gòu) 在測量環(huán)境良好、無腐蝕性的氣體或固體表面溫度時，可直接使用電阻式溫度敏感元件。但在測量液體或測量環(huán)境比較惡劣時無法直接使用電阻式溫度敏感元件，需要

15、在其外表加防護罩進行保護。在工業(yè)測量過程中，為了防腐蝕，抗沖擊，延長使用壽命，便于安裝、接線，常用以下四種標準結(jié)構(gòu)。 （1）普通型熱電阻溫度傳感器 （2）鎧裝熱電阻溫度傳感器 （3）端面熱電阻溫度傳感器 （4）隔爆型熱電阻溫度傳感器,6.2.1 熱電阻,4. 熱電阻的測量電路 最常用的熱電阻測溫電路是電橋電路，如圖所示。圖中R1、R2、R3和Rt（或Rq、RM）組成電橋的四個橋臂，其中Rt是熱電阻，Rq和RM分別是調(diào)零和調(diào)滿刻度的調(diào)整電阻（電位器）。測量時先將切換S扳到“1”位置，調(diào)節(jié)Rq使儀表指示為零，然后將S扳到“3”位置，調(diào)節(jié)RM使儀表指示到滿刻度，作這種調(diào)整后再將S扳到“2”位置，則可

16、進行正常測量,熱電阻測溫電路,6.2.1 熱電阻,在實際應用中，熱電阻敏感元件安裝在測量現(xiàn)場，感受被測介質(zhì)的溫度變化，而測量電路、顯示儀表安裝在遠離現(xiàn)場的控制室內(nèi)，熱電阻的引線電阻將對測量結(jié)果有較大影響，造成測量誤差。為了克服環(huán)境溫度的影響常采用三線單臂電橋電路。下圖為熱電阻的三線連接法,熱電阻測量電橋的三線連接,6.2.2 熱敏電阻,1. 熱敏電阻的特性 熱敏電阻是一種新型的半導體測溫元件，它是用電阻值隨溫度而顯著變化的半導體電阻制成的。通常采用重金屬氧化物錳、鈦、鈷等材料，在高溫下燒結(jié)混合而成。 用半導體材料制成的熱敏電阻，與金屬熱電阻相比，有如下特點：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比金屬電阻大倍；結(jié)構(gòu)簡單，體積?。浑娮杪矢?，熱慣性小，適宜動態(tài)測量；阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系；穩(wěn)定性和互換性相對較差。熱敏電阻的常見結(jié)構(gòu)和表示符號如圖所示,a）圓片型熱敏電阻 b）柱型熱敏電阻 c）珠型熱敏電阻d）鎧裝型 e）厚膜型 f）圖形符號 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 熱敏電阻的結(jié)構(gòu)與符號,6.2.2 熱敏電阻,2. 熱敏電阻的分類 熱敏電阻按其溫度特性通常分為兩大類：負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC、正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC。NTC和PTC熱敏電阻都可以細分為指數(shù)變化型