溫度傳感器應(yīng)用電路

1、8.2.8.2.5 5 應(yīng)用應(yīng)用1.NTC1.NTC熱敏電阻實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)溫度控制電路熱敏電阻實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)溫度控制電路 單點(diǎn)溫度控制是常見的溫度控制形式，如圖8.2.2所示。調(diào)整b點(diǎn)電位Ub，即預(yù)設(shè)溫度Tb，初始時(shí)繼電器不通電，常閉觸點(diǎn)K閉合，加熱器通電加熱。比較器直流電橋2.2.熱敏電阻測量真空度熱敏電阻測量真空度 熱敏電阻熱敏電阻用的恒定電流加熱，一方面使自身溫度升高，另一方面也向周圍介質(zhì)散熱，在單位時(shí)間內(nèi)從電流獲得的能量與向周圍介質(zhì)散發(fā)的熱量相等，達(dá)到熱平衡時(shí)，才能有相應(yīng)的平衡溫度，對應(yīng)固定的電阻值。當(dāng)被測介質(zhì)的真空度升高時(shí)，玻璃管內(nèi)的氣體變得稀少，氣體分子間碰撞進(jìn)行熱傳遞的能力降低，熱敏電阻的溫

2、度就會(huì)上升，電阻值隨即增大，其大小反映了被測介質(zhì)真空度的高低。 氣體圖8.2.3 熱敏電阻測量真空原理圖 真空度測量的方法比較多，利用熱敏電阻實(shí)現(xiàn)真空度的測量電路原理如圖8.2.3所示。3.PTC3.PTC熱敏電阻組成的熱敏電阻組成的0 0100100的測溫電路的測溫電路電壓跟隨器直流電橋穩(wěn)壓管DZ1提供穩(wěn)定電壓，由R3、R4、R5分壓，調(diào)節(jié)R5使電壓跟隨器A1輸出2.5 V的穩(wěn)定電橋工作電壓，并使熱敏電阻工作電流小于1mA，避免發(fā)熱影響測量精度。PTC熱敏電阻RT 25 時(shí)阻值為1k，R8也選擇1k，室溫時(shí)（25 ）電橋調(diào)平，溫度偏離室溫時(shí)，電橋失衡，輸出電壓接差放A2放大后輸出。4.4.單

3、相異步電單相異步電機(jī)啟動(dòng)機(jī)啟動(dòng)圖8.2.4 熱敏電阻測量單點(diǎn)溫度原理圖啟動(dòng)繞組工作繞組電動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)時(shí)，PTC 熱敏電阻尚未發(fā)熱，阻值很小，起動(dòng)繞組處于通路狀態(tài)，對啟動(dòng)電流幾乎沒影響，啟動(dòng)后，熱敏電阻自身發(fā)熱，溫度迅速上升，阻值增大；當(dāng)阻值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)線圈 L2 阻抗時(shí)，就認(rèn)為切斷了啟動(dòng)線圈，只由工作線圈 L1 正常工作。此時(shí)電動(dòng)機(jī)已起動(dòng)完畢，進(jìn)入單相運(yùn)行狀態(tài)。圖8-5 單相異步電機(jī)啟動(dòng)用熱敏電阻原理圖5. 氣敏電阻檢漏報(bào)警器氣敏電阻檢漏報(bào)警器預(yù)熱預(yù)熱開關(guān)開關(guān)工作工作開關(guān)開關(guān)氣敏電阻氣敏輸出電壓氣敏輸出電壓 檢出可燃?xì)怏w時(shí)，氣敏檢出可燃?xì)怏w時(shí)，氣敏電阻減小，電壓增大，電阻減小，電壓增大，V1V1觸

4、觸發(fā)發(fā)V2V2，報(bào)警燈亮，音頻振蕩，報(bào)警燈亮，音頻振蕩電路也自激振蕩聲音報(bào)警。電路也自激振蕩聲音報(bào)警。6. 礦燈瓦斯報(bào)警器礦燈瓦斯報(bào)警器加加熱熱支支路路測量支路測量支路礦礦燈燈控控制制支支路路 檢出瓦斯氣體時(shí)，氣敏電阻減小，檢出瓦斯氣體時(shí)，氣敏電阻減小，V1V1、V2V2導(dǎo)通，導(dǎo)通，V3V3、V4V4振蕩，報(bào)警燈閃爍。振蕩，報(bào)警燈閃爍。7. 一氧化碳報(bào)警器一氧化碳報(bào)警器 檢出檢出COCO氣體時(shí)，氣敏電阻氣體時(shí)，氣敏電阻R RQ Q減小，減小，V5V5、V6V6、V7V7導(dǎo)通，振蕩電路振蕩，聲音報(bào)警。導(dǎo)通，振蕩電路振蕩，聲音報(bào)警。 +10V +10V以上以上 - -+ +5V5V加加熱熱支支路路

5、 備用電源備用電源鉑熱電阻鉑熱電阻P Pt100t100分度表分度表8.3.8.3.4 4 應(yīng)用應(yīng)用1.1.熱電阻的連接法熱電阻的連接法 由于熱電阻的阻值較小，所以導(dǎo)線電阻值不可忽視（尤其是導(dǎo)線較長時(shí)），故在實(shí)際使用時(shí)，金屬熱電阻的連接方法不同，其測量精度也不同，最常用的測量電路是電橋電路，可采用三線或四線電橋連接法。三線法如圖8-12所示。tRrrrAsE3R2R1R圖中Rt 為熱電阻；r為引線電阻；R1 ，R2為固定電阻； R3為調(diào)零精密可變電阻。調(diào)使Rt0= R3 ，（Rt0：熱電阻在0 時(shí)的電阻值），在0 時(shí)，（R3+r）* R1=（Rt0+r）* R2電橋平衡。測量時(shí)，Rt阻值變化時(shí)

6、，從電流表中即可有電流流過。橋臂tRrrrAsE3R2R1R橋臂圖8.3.3 熱電阻的三線制接法原理圖2. 2. 線性測量電路線性測量電路 321411U1ALM324R12KR22KR31KR41KR5100KR6100KR71KR85.1KVR1502VR2502IN4733C2103PT100618U16LM431AVCCVCCC1 104P_T穩(wěn)壓電源測量橋差動(dòng)放大電路3. Pt1003. Pt100三線法性測量電路三線法性測量電路 圖8.3.6 熱電阻的三線測溫原理圖儀用放大器4. Pt1004. Pt100四線法性測量電路四線法性測量電路 圖8.3.7 熱電阻的四線測溫原理圖其他應(yīng)

7、用請讀者參考教材。其他應(yīng)用請讀者參考教材。 5. 工業(yè)工業(yè)流量流量計(jì)計(jì)3 34 4不流動(dòng)環(huán)境不流動(dòng)環(huán)境 當(dāng)液體流動(dòng)時(shí)，鉑電阻當(dāng)液體流動(dòng)時(shí)，鉑電阻4 4溫度隨流速變化，鉑電阻溫度隨流速變化，鉑電阻3 3溫溫度不隨流速變化，流體速度將引起電橋的不平衡輸出。度不隨流速變化，流體速度將引起電橋的不平衡輸出。鉑電阻鉑電阻流動(dòng)環(huán)境流動(dòng)環(huán)境鉑電阻鉑電阻當(dāng)液體不流動(dòng)時(shí)，兩個(gè)當(dāng)液體不流動(dòng)時(shí)，兩個(gè)鉑電阻等溫，電橋平衡鉑電阻等溫，電橋平衡 6. 熱敏電阻熱保護(hù)熱敏電阻熱保護(hù) 電機(jī)繞組過熱，熱敏電阻阻值增大，達(dá)到保護(hù)程電機(jī)繞組過熱，熱敏電阻阻值增大，達(dá)到保護(hù)程度，保護(hù)電路動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作切斷電源。度，保護(hù)電路動(dòng)作

8、，驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作切斷電源。保護(hù)電路保護(hù)電路繼電器繼電器熱敏電阻熱敏電阻電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)7. 熱熱敏敏電電阻阻液液位位傳傳感感器器常溫電阻常溫電阻冷冷電電阻阻總電流總電流液面高低液面高低影響影響輸出電流輸出電流2.2.分度表分度表 熱電偶冷端溫度為0時(shí)，熱電偶熱端溫度與輸出熱電勢之間的對應(yīng)關(guān)系的表格，因?yàn)槎鄶?shù)熱電偶的輸出都是非線性的，國際計(jì)量委員會(huì)已對這些熱電偶的每一度的熱電勢做了非常精密的測試，并向全世界公布了他們的分度表?？梢酝ㄟ^測量熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢值再查分度表得到相應(yīng)的溫度值。每10分檔 ，中間值按內(nèi)插法計(jì)算。如分度號為S的分度表。 例例1 1：用一支分度號為(鎳鉻-鎳硅)熱電偶測量溫度源

9、的溫度，工作時(shí)的參考端溫度(室溫)t0=20，而測得熱電偶輸出的熱電勢(經(jīng)過放大器放大的信號，假設(shè)放大器的增益=10)32.7mv，則E(t,t0)=32.7mV/10=3.27mV，那么熱電偶測得溫度源的溫度是多少呢? 解：由附錄熱電偶分度表查得： E(t0,t0)=E(20,0)=0.798mV已測得 E(t,t0)=32.7mV/10=3.27mV 故 E(t,t0)=E(t,t0)+E(t0, t0)= 3.27mV+0.798mV=4.068mV熱電偶測量溫度源的溫度可以從分度表中查出，與4.068mV所對應(yīng)的溫度是100。例例2 2：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t

10、0=30，測得熱電勢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-鎳硅熱電偶分度表得t=829.82.2.冷端溫度修正法冷端溫度修正法 對于冷端溫度不等于0，但能保持恒定不變（恒溫器）或能用普通方法測出（如室溫）的情況，可采用修正法。常采用熱電勢修正法。計(jì)算公式：E(t,t0)=E(t,t0E(t,t0)=E(t,t0)+E(t0)+E(t0, t0), t0)式中：E(t,t0)熱電偶測量端溫度為，參考端溫度

11、為t0=時(shí)的熱電勢值； E(t,t0)熱電偶實(shí)際測量溫度，參考端溫度為t0不等于時(shí)的熱電勢值； E(t0,t0)熱電偶測量端溫度為t0，參考端溫度為t0=時(shí)的熱電勢值。3.3.冷端溫度電橋補(bǔ)償法冷端溫度電橋補(bǔ)償法用電橋在溫度變化時(shí)的不平衡電壓（補(bǔ)償電壓）去消除冷端溫度變化對熱電偶熱電勢的影響，這種裝置稱為冷端溫度補(bǔ)償器。 如圖8.4.1所示，R1 、R2 、R3 和RW為錳銅電阻，阻值幾乎不隨溫度變化， Rcu為銅電阻（熱電阻），其電阻值隨溫度升高而增大，與冷端靠近。設(shè)使電橋在冷端溫度為T0時(shí)處于平衡，Uab=0，電橋?qū)x表的讀數(shù)無影響。當(dāng)溫度不等于T0時(shí)，電橋不平衡，產(chǎn)生一個(gè)不平衡電壓Uab

12、加入熱電勢回路。當(dāng)冷端溫度升高時(shí)，Rcu也隨之增大，Uab也增大，但是熱電偶的熱電勢卻隨冷端溫度的升高而減小，若Uab的增加量等于EAB的減小量時(shí)，則輸出U保持不變。改變R的值可改變橋臂電流，可以適合不同類型的熱電偶配合使用。不同型號的冷端溫度補(bǔ)償器應(yīng)與所用的熱電偶配套。使用時(shí)注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。圖8.4.1 熱電偶橋式冷端溫度補(bǔ)償器原理圖mVEAB(T,T0)T0T0TAB+abUUabR1R2R3R-RCuB8.4.8.4.9 9 應(yīng)用應(yīng)用1.AD5941.AD594集成式單片熱電偶冷端溫度補(bǔ)償器集成式單片熱電偶冷端溫度補(bǔ)償器 AD594、AD595

13、、AD597等是美國ADI公司生產(chǎn)的單片熱電偶冷端補(bǔ)償器，內(nèi)部還集成了儀用放大器，所以能實(shí)現(xiàn)對不同的熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償之外，還可作為線性放大器。其引腳功能是：U+、U-為電源正負(fù)端，IN+、IN-為信號輸入端，ALM+、ALM-為熱電偶開路故障報(bào)警信號輸出端，T+、T-為冷端補(bǔ)償正負(fù)電壓輸出端，F(xiàn)B為反饋端，做溫度補(bǔ)償時(shí)UO端與FB端短接，詳細(xì)資料見其使用說明。圖8.4.3為AK594的應(yīng)用電路圖。熱電偶的信號經(jīng)過AD594的冷端補(bǔ)償和放大后，再用OP07放大后輸出。2.2.用用AD592AD592做冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕紤?yīng)用電路做冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕紤?yīng)用電路圖8.4.4 AD592做冷端補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用原理

14、圖8.5 PN8.5 PN結(jié)溫度傳感器結(jié)溫度傳感器8.5.8.5.1 1 外形外形PN結(jié)溫度傳感器的外形繁雜，圖8.5.1是國產(chǎn)S700系列PN結(jié)溫度傳感器的外形尺寸圖，其中（a）為耐溫玻璃封裝，（b）為金屬外殼封裝。圖8.5.1S700傳感器外形尺寸圖8.5.8.5.2 2 工作原理工作原理 PN結(jié)溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電壓隨溫度變化而變化的原理工作的，例如，晶體二極管或三極管的PN結(jié)的結(jié)電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的PN結(jié)的結(jié)電壓在溫度每升高1時(shí)，下降約2mV，利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開關(guān)二極管1N4148）或采用硅三極管（一般將NPN晶體管的bc結(jié)短

15、接，利用be結(jié)作為感溫器件）接成二極管來做PN結(jié)溫度傳感器如圖8.5.2所示。這種傳感器有較好的線性，尺寸小，其熱時(shí)間常數(shù)為0.22秒，靈敏度高。測溫范圍為-50+150。典型的溫度曲線如圖8.5.3所示。同型號的二極管或三極管特性不完全相同，因此它們的互換性差。圖8.5.3 PN結(jié)溫度電壓曲線圖8.5.2 PN結(jié)溫度傳感器8.5.8.5.3 3 應(yīng)用應(yīng)用1.1.火災(zāi)報(bào)警專用火災(zāi)報(bào)警專用S700S700二極度管溫度傳感器二極度管溫度傳感器火災(zāi)報(bào)警用的溫度傳感器，主要以熱敏電阻器為主，然而由于熱敏電阻器的電阻溫度特性呈非線性，長期穩(wěn)定性差，互換性不好，價(jià)格高，給使用帶來了許多問題。國產(chǎn)S700系

16、列火災(zāi)報(bào)警專用二極度管溫度傳感器。良好的線性關(guān)系，互換性好，性能長期穩(wěn)定，體積小，響應(yīng)快。技術(shù)規(guī)范如表1所示。圖8.5.4給出了S700的工作電路，它通常采用恒壓電源工作電路，這種電路非常簡單，將S700串聯(lián)一個(gè)限流電阻后接入恒壓源即可。在這種電路中，通過傳感器的工作電流是一個(gè)隨溫度升高呈近似線性增加的電流，而這種工作電流，使得S700的正向電壓-溫度特性幾乎呈完全的線性關(guān)系。圖8.5.5給出了S700在不同工作電路下的VF-t特性，由此可見VF與t之間是一個(gè)線性關(guān)系。圖8.5.4S700工作電路圖8.5.5不同工作電壓下的VF-t特性V=5VR=43KV=3.6VR=300K1000-500

17、50100150800600400200VF(mv)t()VFS700R圖8.5.6 溫敏二極管恒溫器測量電路2.2.溫敏二極管恒溫器溫敏二極管恒溫器3.PN3.PN結(jié)溫度傳感器的數(shù)字式溫度計(jì)結(jié)溫度傳感器的數(shù)字式溫度計(jì)差放測量橋電壓跟隨器W2通過電壓跟隨器A2可調(diào)節(jié)放大器A1的增益。放大后的靈敏度10mV/ 。通過PN結(jié)溫度傳感器的工作電流不能過大，以免二極管自身的溫升影響測量精度。一般工作電流為100300mA。采用恒流源作為傳感器的工作電流較為復(fù)雜，一般采用恒壓源供電，但必須有較好的穩(wěn)壓精度。3位半數(shù)字電壓表模塊MC14433將PN結(jié)傳感器插入冰水混合液中，等溫度平衡，調(diào)整W1，使DVM顯

18、示為0V，將PN結(jié)傳感器插入沸水中（設(shè)沸水為100），調(diào)整W2，使DVM實(shí)現(xiàn)為100.0V，再將傳感器插入0環(huán)境中，等平衡后看顯示是否仍為0V，必要時(shí)再調(diào)整W1使之為0V，然后再插入沸水，經(jīng)過幾次反復(fù)調(diào)整即可。圖8.5.7 PN結(jié)溫度傳感器的數(shù)字式溫度計(jì)4. 4. 溫敏三極管的溫差檢測電路溫敏三極管的溫差檢測電路電壓跟隨器差動(dòng)放大器該電路的輸出反映了兩個(gè)待測點(diǎn)的溫差，常常用于工業(yè)過程監(jiān)視和控制場合。電路中使用了兩只性能相同的溫敏三極管MTS102作測溫探頭，分別置于待測溫場中，兩個(gè)不同溫度所對應(yīng)的Ube分別經(jīng)過運(yùn)算放大器A1、A2 緩沖后，加到運(yùn)算放大器A3 的輸入端進(jìn)行差分放大。 具體調(diào)整時(shí)

19、，將兩只溫敏三極管置于同一溫度中，調(diào)節(jié)電位器W，使A3 輸出Uo 為0 。這樣就可以保證輸出電壓Uo 正比于兩點(diǎn)溫差，靈敏度由Rf 和R 決定。溫敏元件溫敏元件電壓跟隨器圖8.5.8 PN結(jié)溫差測量電路8.6 8.6 紅外溫度傳感器紅外溫度傳感器把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進(jìn)行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點(diǎn)是：不從被測物體上吸收熱量；不會(huì)干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會(huì)產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。8.6.8.6.1 1 外形外形8.6.8.6.4 4 應(yīng)用應(yīng)用1.1.紅外測溫儀紅外測溫儀國產(chǎn)過程H-T系列紅外測溫儀，紅外輻射經(jīng)光學(xué)鏡頭接收傳輸至光電器件上，由于紅外器件的響應(yīng)特性，為防止飽和，須經(jīng)對數(shù)放大處理，為了穩(wěn)定可靠又經(jīng)嚴(yán)格的溫度補(bǔ)償及各種功能調(diào)節(jié)設(shè)置，再經(jīng)線性處理后輸出，電路原理框圖如圖8.6.3所示。圖8.6.3 國產(chǎn)過程H-T系列紅外測溫儀測溫原理8.7 8.7 集成溫度傳感器集成溫度傳感器 集成溫度傳感器是將溫敏元件及其電路集成在同一芯片上的集成化溫度傳感器。這種傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)是直接給出正比于絕對溫度的理想的線性輸出，且體積小、響應(yīng)快、測量精度高、穩(wěn)定性好、校準(zhǔn)方便、成本低廉。 8.7.1