安徽建筑大學(xué)傳感器與檢測技術(shù)課件.

1、第第11章章 熱電式傳感器熱電式傳感器11.1 概述11.2 11.2 熱電阻熱電阻11.2.1金屬熱電阻金屬熱電阻1.常用金屬熱電阻常用金屬熱電阻（1）鉑熱電阻）鉑熱電阻)1 (:8500)100(1:020020320BtAtRRCtCttCBtAtRRCtCtt0.030.07mm的純鉑絲（2）銅熱電阻）銅熱電阻 銅的電阻率小，電阻體的體積大，熱慣性也大，且容易氧化，只銅的電阻率小，電阻體的體積大，熱慣性也大，且容易氧化，只能用于低溫且無腐蝕的介質(zhì)中。能用于低溫且無腐蝕的介質(zhì)中。CtRRCtCt/10)28. 425. 4()1 (:15050302.金屬熱電阻測量電路11.2.2 11

2、.2.2 熱敏電阻熱敏電阻1.熱敏電阻的特性三種類型：正溫度系數(shù)（PTC）；負(fù)溫度系數(shù)（NTC）；零界溫度系數(shù)（CTR）。熱敏電阻和熱電阻比較：熱敏電阻和熱電阻比較：2.測量電路11.3.1熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。11.3 11.3 熱電偶熱電偶熱電勢、熱電偶、熱電極熱端（測量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）接觸電動勢 接觸電動勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點(diǎn)的溫度。 兩接點(diǎn)的接觸電動勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為 含義：由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形

3、成的電動勢。00( )1()1AABBAABBNKTeTneNKTNeTneN 同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。00( ,)( ,)ABe T Te T T大小表示： 溫差電動勢機(jī)理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，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，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動勢。熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢 eAB(T, T0)=eAB(T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0) 忽略溫差電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為： 000( ,)( )()()lnAABABABBnkeT TeT

4、eTTTen影響因素取決于材料和接點(diǎn)溫度，與形狀、尺寸等無關(guān)兩熱電極相同時(shí)，總電動勢為0兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)，總電動勢為0對于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí)，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， 可見：只要測出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。 討論熱電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數(shù)關(guān)系，一般通過實(shí)驗(yàn)的方法來確定，并將不同溫度下測得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表。供查閱使用，每10分檔 。中間值按內(nèi)插法計(jì)算。S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表 在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入

5、第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。中間導(dǎo)體定律 應(yīng)用：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)線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。11.3.2. 熱電偶基本定律C0AB00( , )( )( )( , )ABABABEt tEtEtEt t測量儀表及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路 中間溫度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0) 在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢eAB(t, t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢eAB(t, tc)和eAB

6、(tc, t0)的代數(shù)和，即 tt0ABtctc)(AA)(BB中間溫度定律的應(yīng)用 根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。 該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)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。 例子 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=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(

7、t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.8。 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律0C0C0( , )( , )( , )ABABEt tEt tEt t標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體定律的意義通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來。 均質(zhì)導(dǎo)體定律由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。 意義：有助于檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。 為了適應(yīng)不同生

8、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薄膜熱電偶等。 11.3.3. 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式1. 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式普通型熱電偶結(jié)構(gòu) 接線盒熱電極熱端絕緣管保護(hù)管 優(yōu)點(diǎn)：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。 鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶 特點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很小（m），具有熱容量小、反應(yīng)速度快（s）等特點(diǎn)，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。 工程用熱電偶材料應(yīng)滿足條件：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。 熱電偶類型 國際電工委員會（IE

9、C）向世界各國推薦7種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶（已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中，具有統(tǒng)一的分度表）。我國已采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶，并按標(biāo)準(zhǔn)分度表生產(chǎn)與之相配的顯示儀表。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn) 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn) 2. 熱電勢的測量（1）. 動圈式儀表測量r1rtrG（2）. 電位差計(jì)測量 11.3.4. 熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及冷端溫度的補(bǔ)償方法 當(dāng)熱端溫度為t時(shí)，分度表所對應(yīng)的熱電勢eAB(t, 0)與熱電偶實(shí)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)是冷端溫度t0的函數(shù)，因此需要對

10、熱電偶冷端溫度進(jìn)行處理。 熱電偶一般做得較短， 一般為3502000mm。在實(shí)際測溫時(shí)，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)十米遠(yuǎn)的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度t0比較穩(wěn)定。 (1) 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線 解決辦法：工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。在0100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。 常用補(bǔ)償導(dǎo)線 在實(shí)驗(yàn)室及精密測量中，通常把冷端放入0恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0。 這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為不便。 (2) 冷端0恒溫法 當(dāng)冷端溫度t0不等于0，需要對熱電偶回路的測量電勢值eAB（t，t0）加以修正。當(dāng)工作端溫度為t時(shí)

11、，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。 根據(jù)中間溫度定律得到： eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) (3) 冷端溫度修正法 例子 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=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=829.8。 (4) 冷端溫度自動補(bǔ)償法（電橋補(bǔ)償法）000( , )( , )UABABABCABEt ttEt tURU恒定值132213112323()()(1)()UUUUCCABCCR RRR RR RRUEERRRRRRRR熱電偶典型測溫線路(a) 普通測溫線路； (b) 帶有補(bǔ)償器的測溫線路；(c) 具有溫度變送器的測溫線路； (d) 具有一體化溫度變送器的測溫線路補(bǔ)償器溫度變送器溫度變送器顯示儀表顯示儀表顯示儀表顯示儀表tAB補(bǔ)償導(dǎo)線(a)tAB補(bǔ)償導(dǎo)線(c)tAB補(bǔ)償導(dǎo)線(b)tAB銅導(dǎo)線(d) 11.3.5. 熱電偶測溫線路測量某一點(diǎn)的溫度 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，且冷端應(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