傳感器原理及應(yīng)用第九章熱電式傳感器課件

1、9.1 熱電偶9.2 熱電阻傳感器第九章 熱電式傳感器概述 熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。它利用傳感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化的特征來達(dá)到測量的目的。通常將被測溫度轉(zhuǎn)換為敏感元件的電阻、磁導(dǎo)或電勢等的變化，通過適當(dāng)?shù)臏y量電路，就可由電壓、電流這些電參數(shù)的變化來表達(dá)所測溫度的變化。將溫度轉(zhuǎn)換為電勢大小的熱電式傳感器叫熱電偶；將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值大小的熱電式傳感器叫做熱電阻。溫度電量測量得出結(jié)果 熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。 它構(gòu)造簡單, 使用方便, 具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性, 溫度測量范圍寬, 在溫度測量中占有重要的地位。 一、熱電偶工作原理 1.熱電效應(yīng) 兩種

2、不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連成閉合回路，兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為T和T0的熱源中，該回路內(nèi)會產(chǎn)生熱電勢。熱電勢的大小反映兩個(gè)接點(diǎn)溫度差，保持T0不變，熱電勢隨著溫度T變化而變化。測得熱電勢的值，即可知道溫度T的大小。9.1 熱電偶 兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路,在閉合回路中，A、B導(dǎo)體稱為熱電極。T端結(jié)點(diǎn)稱為工作端或熱端；T0端結(jié)點(diǎn)稱為冷端或自由端。 產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成: 溫差電勢和接觸電勢(1)接觸電勢（珀?duì)栙N電動勢） 產(chǎn)生原因：由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。 兩種導(dǎo)體接觸時(shí),自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散, （NANB,A到B）在接觸處失

3、去電子的一側(cè)帶正電, 得到電子的一側(cè)帶負(fù)電, 形成穩(wěn)定的接觸電勢。接觸電勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。式中: K波爾茲曼常數(shù); e單位電荷電量; NAT、NBT和NAT0、NBT0分別在溫度為T和T0時(shí), 導(dǎo)體A、B的自由電子密度。 兩接點(diǎn)的接觸電勢 和 可表示為 （2）溫差電勢（湯姆遜效應(yīng)） 同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。 同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí), 高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大, 因而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, 形成一個(gè)靜電場，該靜電場阻止電子繼續(xù)向低溫

4、端遷移，最后達(dá)到動態(tài)平衡。因此, 在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢, 其大小由下面公式給出: 溫差電動勢：熱電偶回路中總的熱電勢應(yīng)是接觸電勢與溫差電勢之和AB(T, T0)=eAB(T) -eAB(T0) +eB(T, T0) -eA(T, T0)：湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動勢。在總熱電勢中, 溫差電勢比接觸電勢小很多, 在精度要求不高的情況下, 熱電偶的熱電勢可近似表示為：AB(T, T0) eAB(T) -eAB(T0)對于已選定的熱電偶, 當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí), eAB(T0) 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, 即 AB(T, T0) =EAB

5、(T)-c=f(T)實(shí)際應(yīng)用中, 熱電勢與溫度之間關(guān)系是通過熱電偶分度表來確定的。分度表是在參考端溫度為0時(shí), 通過實(shí)驗(yàn)建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。熱電偶回路的幾點(diǎn)結(jié)論： 如果構(gòu)成熱電偶的兩個(gè)熱電極為材料相同的均質(zhì)導(dǎo)體，則無論兩結(jié)點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總熱電勢為零。必須采用兩種不同的材料作為熱電極。 如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相等，熱電偶回路內(nèi)的總電勢亦為零。 熱電偶AB的熱電勢與A、B材料的中間溫度無關(guān)，只與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。 2. 熱電偶基本定律 （1） 中間導(dǎo)體定律 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)線和儀表后會不會影響回路中的熱電勢呢？中間導(dǎo)體

6、定律說明, 在熱電偶測溫回路內(nèi), 接入第三種導(dǎo)體, 只要其兩端溫度相同, 則對回路的總熱電勢沒有影響。 EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0) （1） 當(dāng)T= T0 時(shí), 有 EABC(T0)=eAB(T0 )+eBC(T0)+eCA(T0) =0 由此得eAB(T0 )eBC(T0)eCA(T0) 代入（1）式(T, T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T, T0) 同理, 加入第四、第五種導(dǎo)體后, 只要加入的導(dǎo)體兩端溫度相等, 同樣不影響回路中的總熱電勢（2）標(biāo)準(zhǔn)電極規(guī)則 當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為T, T0時(shí)，用導(dǎo)體A，B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB

7、熱電偶的熱電動勢的代數(shù)和。 參考電極的實(shí)用價(jià)值在于：它可大大簡化熱電偶的選配工作。實(shí)際測溫中，只要獲得有關(guān)熱電極與參考電極配對時(shí)的熱電勢值，那么任何兩種熱電極配對時(shí)的熱電勢均可按公式而無需再逐個(gè)去測定。 用作參考電極(標(biāo)準(zhǔn)電極)的材料，目前主要為純鉑絲材，因?yàn)殂K的熔點(diǎn)高，易提純，且在高溫與常溫時(shí)的物理、化學(xué)性能都比較穩(wěn)定。(3)中間溫度定律 熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為 、回路總電動勢等于和的代數(shù)和。 二、熱電偶類型 理論上講, 任何兩種不同材料的導(dǎo)體都可以組成熱電偶, 但為了準(zhǔn)確可靠地測量溫度, 對組成熱電偶的材料必須經(jīng)過嚴(yán)格的選擇。工程上用于熱電偶的材料應(yīng)滿足以下條件: 熱電勢變化盡量大, 熱電

8、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。 實(shí)際上并非所有材料都能滿足上述要求。 目前在國際上被公認(rèn)比較好的熱電材料只有幾種。國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶, 所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶, 它已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中, 具有統(tǒng)一的分度表。 我國從1988年開始采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶。目前工業(yè)上常用的有四種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶1.鉑銠10鉑熱電偶2.鎳鉻鎳硅熱電偶3.鎳鉻考銅熱電偶4.鎢錸5鎢錸20熱電偶（鉑銠10鉑）熱電偶分度表 測量端溫度/0102030405060708090熱電動勢/mV01002003004005

9、0060070080090010000.0000.6451.4402.3233.2604.2345.2376.2747.3458.4489.5850.0550.7191.5252.4143.3564.3335.3396.3807.4548.5609.7000.1130.7951.6112.5063.4524.4325.4426.4867.5638.6739.8160.1730.8721.6982.5993.5494.5325.5446.5927.7628.7869.9320.2350.9501.7852.6923.6454.6325.6486.6997.7828.89910.0480.2991

10、.0291.8732.7863.7434.7325.5716.8057.8929.01210.1650.3651.1091.9622.8803.8404.8325.8556.9138.0039.12610.2820.4321.1902.0512.9743.9384.9335.9607.0208.1149.24010.4000.5021.2732.1413.0694.0365.0346.0647.1288.2559.35510.5170.5731.3562.2323.1644.1355.1366.1697.2368.3369.47010.635 三、 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對象的測溫

11、要求和條件, 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。 (1)普通型熱電偶 普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多, 它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成 (2)鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、 絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體, 它可以做得很細(xì)很長, 使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測溫端熱容量小, 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, 因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。 (3)薄膜熱電偶 薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料, 用真空蒸鍍、 化學(xué)凃?qū)拥绒k法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶, 薄

12、膜熱電偶的熱接點(diǎn)可以做得很小（可薄到0.010.1m）, 具有熱容量小, 反應(yīng)速度快等的特點(diǎn), 熱相應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級, 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。 四.熱電偶常用測量電路 熱電偶測溫時(shí), 它可以直接與顯示儀表（如電子電位差計(jì)、 數(shù)字表等）配套使用, 也可與溫度變送器配套, 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號。（1）單點(diǎn)溫度測量 （2）測量兩點(diǎn)的溫度差 用兩只相同型號的熱電偶，配用相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，反向串聯(lián)。產(chǎn)生熱電勢為 ET=EAB（T1，T0）-EAB（T2，T0）顯示儀表CBADBAT2T1T0T0C如用一臺顯示儀表顯示多點(diǎn)溫度時(shí), 可按下圖 連接, 這樣可節(jié)約顯示儀表和補(bǔ)償導(dǎo)線

13、。 （3）測量多點(diǎn)的溫度（4）測量平均溫度用幾只型號特性相同的熱電偶并聯(lián)在一起。儀表R1E1R2R3E2E3T2T1T3T0ET (1)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線 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)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表, 這樣參考端溫度t0也比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短 需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線, 它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬導(dǎo)線制成, 而且在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。 五.熱電偶冷端溫度補(bǔ)償 (2)計(jì)算法當(dāng)熱電偶冷端溫度不是0，而是根據(jù)熱電偶中間溫度定律，可得到電勢的計(jì)算校正公式： 例 用鎳鉻

14、一鎳硅熱電偶測爐溫時(shí)，其冷端溫度to30 ，在直流電位差計(jì)上測得的電動勢EAB(t,30)=38500mV，求爐溫為多少?鎳鉻一鎳硅熱電偶分度表（自由端溫度為0 ）測量端溫度/0102030405060708090熱電動勢/mV-0+01002003004005006007008009001000110012001300 -0.0000.0004.0958.13712.207 16.39520.64024.90229.12833.27737.32541.26945.10848.82852.398 -0.3920.3974.5088.53712.62316.81821.06625.32729.5

15、4733.68637.72441.65745.48649.192 -0.7770.7984.9198.93813.03917.24121.49325.75129.96534.09538.12242.05445.86349.555 -1.1561.2035.3279.34113.45617.66421.91926.17630.38334.50238.51942.43246.23849.9161.5271.6115.7339.74513.87418.08822.34626.59930.79934.90938.91542.81746.61250.276-1.8892.0226.13710.15114

16、.29218.51322.77227.02231.21435.31439.31043.20246.98550.633-2.2432.4366.53910.56014.71218.93823.19827.45531.62935.71839.70343.58547.35650.990-2.5682.8506.93910.96915.13219.36323.62427.86732.04236.12140.09643.96847.72651.344-2.9203.2667.33811.38115.55219.78824.05028.28832.45536.52440.48844.34948.09551

17、.697-3.2423.6817.73711.73915.97420.21424.47628.70932.86636.92540.89744.72948.46252.049解：查鎳鉻一鎳硅熱電偶K分度表得：根據(jù)中間溫度定律得：查鎳鉻一鎳硅熱電偶K分度表得： (3)參考端0恒溫法 在實(shí)驗(yàn)室及精密測量中, 通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中, 以便參考端溫度保持0, 這種方法又稱冰浴法。 不平衡電橋由三個(gè)電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻R1、 R2 、R3、電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻RCU 和穩(wěn)壓電源組成。補(bǔ)償電橋法(4)參考端溫度自動補(bǔ)償法（補(bǔ)償電橋法） 補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)

18、生的不平衡電壓作為補(bǔ)償信號, 來自動補(bǔ)償熱電偶測量過程中因參考端溫度不為0或變化而引起熱電勢的變化值。補(bǔ)償原理：將帶有銅熱電阻的補(bǔ)償電橋與被補(bǔ)償?shù)臒犭娕即?lián)，銅與熱電偶的冷端置于同一溫度場。室溫時(shí)，電橋輸出為零，當(dāng)冷端溫度變化時(shí)，銅電阻阻值變化造成電橋不平衡輸出。此不平衡輸出電壓對熱電偶輸出變化有抵消作用。 六.熱電偶的應(yīng)用2熱電偶測溫差如圖，兩只熱電偶為E型，t1=400，t0=20，電勢差14.773mV，求溫差？發(fā)現(xiàn)t2為K型，求溫差 +-+t2t1+-t00102030405060708090熱電動勢(mv)000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.853.2

19、663.6811004.0954.5084.9195.3275.73361376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.76714.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.214熱電偶分度表(K型) 0102030405060708090熱電動勢(mv)000.5911.1921.8012.

20、4193.0473.6834.3294.9835.6461006.3176.9967.6338.3779.0789.78710.50111.22211.94912.68120013.41914.1714.90916.66116.41717.17817.94218.71019.48120.25630021.03321.81422.59723.38324.17124.96125.75426.54927.34528.14340028.94329.74430.54631.35032.15532.96033.76734.57435.38236.190熱電偶分度表(E型) 答： 例 用鎳銘一鎳硅熱電偶測量

21、爐溫，儀表讀數(shù)為385，后來發(fā)現(xiàn)把補(bǔ)償導(dǎo)線接反了。t1=28, t0=42。求： 實(shí)際tx為多少度（用mV表示） 若補(bǔ)償導(dǎo)線錯(cuò)用銅線，則tx又 是多少？解： E(385，28)=E(tx，42)-E(42，28) E(tx)=E(385，28)+E(42，28)+E(42) =15.77-21.12+21.69 =16.91mV E(385，28)= E(tx，42) E(tx)=E(385)-E(28)+E(42) =15.77-1.12+1.69=16.34mV 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測溫的。熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類, 一般把

22、金屬熱電阻稱為熱電阻, 而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。熱電阻廣泛用來測量-200+850范圍內(nèi)的溫度, 少數(shù)情況下, 低溫可測量至1K, 高溫達(dá)1000。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高, 并作為復(fù)現(xiàn)國際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。熱電阻傳感器由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表組成, 如圖所示。熱電阻也可與溫度變送器連接, 轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。 9.2 熱電阻傳感器 一、 常用熱電阻 目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。 1、鉑熱電阻 鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠, 所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標(biāo)準(zhǔn), 鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200+850。 鉑熱電阻的特性方程為 在-2000的

23、溫度范圍內(nèi): Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) 在0850的溫度范圍內(nèi): Rt = R0(1+At+Bt2) 式中Rt和R0分別為t和0時(shí)鉑電阻值; A、 B和C為常數(shù)。 在ITS-90 中, 這些常數(shù)規(guī)定為: A=3.908310-13/ B=-5.77510-7/2 C=-4.18310-12/4 從上式看出, 熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與R0 有關(guān)。目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10和R0=100兩種, 它們的分度號分別為Pt10和Pt100, 其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應(yīng)分度表, 即Rt-t 的關(guān)系表, 這樣在實(shí)際測量中, 只要測得熱電阻的阻值R

24、t, 便可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。鉑電阻Pt100分度表 溫度/0102030405060708090 電阻/-200-1000010020030040050060070080018.4960.25100.00100.00138.50175.84212.02247.04280.90313.59345.13375.5156.1996.09103.90142.29179.51215.57250.48284.22316.80348.22378.4852.1192.16107.79146.06183.17219.12253.90287.53319.99351.30381.4548.0088.22111.67149.82186.82222.65257.32290.83323.18354.37384.4043.8784.27115.54153.58190.45226.17260.72294.11326.35357.37387.3439.7180.31119.40157.31194.07229.67264.11297.39329