學習單元三工程機械用溫度傳感器

學習單元三.工程機械用溫度傳感器3.1溫度測量概述3.2熱電阻式傳感器3.3熱電偶傳感器

溫度傳感器是實現(xiàn)溫度檢測和控制的重要器件。在種類繁多的傳感器中，溫度傳感器是應用最廣泛、發(fā)展最快的傳感器之一。工業(yè)生產(chǎn)自動化流程，溫度測量點要占全部測量點的一半左右。溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)。3.1.1溫度測量接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。非接觸式溫度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，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應快等。3.1溫度測量概述金屬熱電阻傳感器一般稱作熱電阻傳感器，是利用金屬導體的電阻值隨溫度的變化而變化的原理進行測溫的。金屬熱電阻的主要材料是鉑和銅。熱電阻廣泛用來測量-220～+850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測量至1K（-272℃），高溫可測量至1000℃。3.2熱電阻式傳感器

3.2.1常用熱電阻

取一只100W/220V燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態(tài)電阻值應為484。

1.鉑熱電阻的電阻—溫度特性

鉑電阻的特點是測溫精度高，穩(wěn)定性好，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。鉑電阻的應用范圍為-200～+850℃。鉑電阻的電阻—溫度特性方程，在0～+850℃的溫度范圍內(nèi)為：Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]在-200～0℃的溫度范圍內(nèi)為：Rt=R0(1+At+Bt2)薄膜型及普通型鉑熱電阻

薄膜鉑電阻是使用最新的薄膜技術(shù)而制造的溫度傳感器。與其他類型的熱電阻比較，此產(chǎn)品具有適于大批量生產(chǎn)，一致性好，成本低及尺寸小等特點。小型鉑熱電阻

防爆型鉑熱電阻

隔爆型熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，能把內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場不會引起爆炸。

工程機械械用水溫溫傳感器器及水溫溫表銅熱電阻阻3.2.2熱熱電阻阻傳感器器的測量量電路熱電阻測測溫電橋橋原理熱電阻三三線制電電橋電路路熱電阻傳傳感器的的測量電電路一般般使用電橋電路路，如左圖圖所示。。由于工工業(yè)用熱熱電阻安安裝在生生產(chǎn)現(xiàn)場場，離控控制室較較遠，因因此熱電電阻的引引線對測測量結(jié)果果有較大大影響。。為此，，工業(yè)上上常采用用三線制接法，如如右圖所所示。3.2.3熱熱敏電電阻半導體熱熱敏電阻阻簡稱熱熱敏電阻阻，是一一種新型型的半導導體測溫溫元件。。熱敏電阻阻是利用用某些金屬氧化化物或單晶鍺、硅等材料，，按特定定工藝制制成的感感溫元件件。熱敏敏電阻可可分為三三種類型型，即：：正溫度系系數(shù)（PTC））熱敏電電阻負溫度系系數(shù)（NTC））熱敏電電阻在某一特特定溫度度下電阻阻值會發(fā)發(fā)生突變變的臨界界溫度電電阻器（（CTR）。熱敏電阻阻的外形形、結(jié)構(gòu)構(gòu)及符號號a）圓片片型熱敏敏電阻b）柱型型熱敏電電阻c）珠珠型熱敏敏電阻d）鎧裝裝型e）厚厚膜型f））圖形符符號1—熱敏敏電阻2—玻璃璃外殼3——引出線線4—紫銅銅外殼5—傳熱熱安裝孔孔熱敏電阻阻的（Rt—t）特特性1-負指指數(shù)型NTC；；2-突變型型NTC；3-突變型型PTC；4-線性性型PTC各種熱敏敏電阻的的特性曲曲線熱敏電阻阻外形MF12型NTC熱敏敏電阻聚脂塑料料封裝熱熱敏電阻阻NTC熱熱敏電阻阻主要用用于溫度測量量和補償。PTC突突變型熱熱敏電阻阻主要用用作溫度度開關(guān)，，PTC緩變型型熱敏電電阻主要要用于在在較寬的的溫度范范圍內(nèi)進進行溫度度補償或或溫度測測量。CTR熱熱敏電阻阻主要用用作溫度度開關(guān)。。3.2.4熱熱敏電電阻的應應用熱敏電阻的的優(yōu)點：電電阻溫度系系數(shù)大、靈靈敏度高、、響應迅速速、結(jié)構(gòu)簡簡單、體積積小、壽命命長以及價價格便宜。。由于熱敏敏電阻本身身阻值大，，可以不考考慮導線帶帶來的誤差差，故適合合遠距離的的靜態(tài)和動動態(tài)的測量量與控制。。缺點：非線線性嚴重，，在電路上上要進行線線性補償，，互換性差差。1．溫度測測量用于測量溫溫度的熱敏敏電阻一般般結(jié)構(gòu)較簡簡單，價格格較低廉。。沒有外面面保護層的的熱敏電阻阻只能應用用在干燥的的地方；密密封的熱敏敏電阻不怕怕濕氣的侵侵蝕，可以以用在較惡惡劣的環(huán)境境下。由于于熱敏電阻阻的阻值較較大，故其其連接導線線的電阻和和接觸電阻阻可以忽略略，使用時時采用二線線制即可。。測溫范圍圍為-50℃℃~750℃。2．溫度補補償熱敏電阻可可在一定的的溫度范圍圍內(nèi)對某些些元件進行行溫度補償償。例如，，動圈式儀儀表表頭中中的動圈由由銅線繞成成，溫度升升高，其電電阻值增大大，引起測測量誤差，，為此可在在動圈回路路中串入由由負溫度系系數(shù)熱敏電電阻組成的的電阻網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，從而抵抵消由于溫溫度引起的的誤差。實實際應用時時，將負溫溫度系數(shù)的的熱敏電阻阻與錳銅絲絲電阻并聯(lián)聯(lián)后再與被被補償元件件串聯(lián)，如如圖2-19所示。。3．溫度控控制廣泛用于空空調(diào)、冰箱箱、熱水器器、節(jié)能燈燈等家用電電器的測溫、控溫溫及國防、、科技等領(lǐng)領(lǐng)域。1）繼電保保護熱繼電器原原理圖熱敏電阻用用于電熱水器的溫度控制制2）溫度上下限限報警溫度上下限限報警電路路圖中Rt為NTC熱熱敏電阻，，采用運算算放大器構(gòu)構(gòu)成遲滯電電壓比較器器，當溫度度T等于設(shè)設(shè)定值時，，Uab=0，VT1，VT2都截止。當T升高時時，Rt減小。Uab＞0，VTl導通，LED1發(fā)光報警；；當T下降時時，Rt增加。Uab＜0，VT2導通，LED2發(fā)光報警。。3）電子節(jié)節(jié)能燈及電電子鎮(zhèn)流器器預熱啟動動如果節(jié)能燈燈燈絲未經(jīng)經(jīng)預熱突加加高壓啟動動，則將導導致燈絲材材料嚴重濺濺射，使燈燈管提前發(fā)發(fā)黑報廢，，使用PTC熱敏電電阻，在啟啟動時先預預熱燈絲ls左右右，然后再再加高壓點點亮燈管，，能有效地地防止燈管管兩端發(fā)黑黑，同時能能防止三極極管等燈具具線路元件件受啟動瞬瞬間大電流流及高反壓壓沖擊，使使燈具壽命命延長10倍以上。。3.3熱熱電偶傳感感器熱電偶在溫溫度的測量量中應用十十分廣泛。。它構(gòu)造簡簡單，使用用方便，測測溫范圍寬寬，并且有有較高的精精確度和穩(wěn)穩(wěn)定性。3.3.1熱電偶偶測溫原理理1.熱電效效應兩種不同材材料的導體體組成一個個閉合回路路時，若兩兩接點溫度度不同，則則在該回路路中會產(chǎn)生生電動勢。。這種現(xiàn)象象稱為熱電電效應，該該電動勢稱稱為熱電勢勢?？匆粋€實驗驗——熱電電偶工作原原理演示結(jié)論：當兩兩個結(jié)點溫溫度不相同同時，回路路中將產(chǎn)生生電動勢。。熱電極A自由端（參考端、、冷端）測量端（工作端、、熱端）熱電極B熱電勢AB熱電偶兩結(jié)結(jié)點所產(chǎn)生生的總的熱電勢等于熱端熱熱電勢與冷冷端熱電勢勢之差，是兩個結(jié)結(jié)點的溫差Δt的函數(shù)：EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）熱電勢大致致與兩個結(jié)點的的溫差Δt成正比【例3.1】用鎳鉻—鎳鎳硅熱電偶偶測爐溫時時，其冷端端溫度＝30℃，在在直流電位位計上測得得的熱電勢勢＝30.839mV，求爐爐溫。解：查鎳鉻—鎳鎳硅熱電偶偶分度表（30℃，，0℃）=1.203mVEAB(T,0℃℃)=E(T,30℃)+EAB(30℃℃,0℃)=30.839+1.203=32.042(mV)再查分度表表得T=770℃℃。3.3.2熱電電偶的結(jié)構(gòu)構(gòu)形式與熱熱電偶材料料1．熱電偶偶的種類（1）普通通型熱電偶偶普通裝配型型熱電偶的外外形安裝螺紋安裝法蘭普通裝配型熱電偶的結(jié)結(jié)構(gòu)放大圖接線盒引出線套管管固定螺紋（出廠時用用塑料包裹裹）熱電偶工作作端（熱端端）不銹鋼保護管（2）鎧裝裝熱電偶（（纜式熱電電偶）鎧裝熱電偶偶是將熱電電偶絲與電電熔氧化鎂鎂絕緣物溶溶鑄在一起起，外表再再套不銹鋼鋼管等構(gòu)成成。這種熱電偶偶耐高壓、、反應時間間短、堅固固耐用。鎧裝型熱電電偶鎧裝熱電偶偶的制造工工藝：把熱電極材材料與高溫溫絕緣材料料預置在金金屬保護管管中、運用用同比例壓壓縮延伸工工藝、將這這三者合為為一體，制制成各種直直徑、規(guī)格格的鎧裝偶偶體，再截截取適當長長度、將工工作端焊接接密封、配配置接線盒盒即成為柔柔軟、細長長的鎧裝熱熱電偶。鎧裝熱電偶偶特點：內(nèi)部的熱電電偶絲與外外界空氣隔隔絕，有著著良好的抗抗高溫氧化化、抗低溫溫水蒸氣冷冷凝、抗機機械外力沖沖擊的特性性。鎧裝熱熱電偶可以以制作得很很細，能解解決微小、狹窄窄場合的測溫問題題，且具有有抗震、可可彎曲、超超長等優(yōu)點點。鎧裝型熱電電偶1-熱電極極；2-絕絕緣材料；；3-金屬套套管；4-接線盒；；5-固定裝裝置鎧裝型熱電電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保保護套管管（鎧體））BA絕緣材料鎧裝型熱電電偶橫截面面（3）薄膜膜熱電偶用真空鍍膜膜技術(shù)或真真空濺射等等方法，將將熱電偶材材料沉積在在絕緣片表表面而構(gòu)成成的熱電偶偶稱為薄膜膜熱電偶。。測溫范圍為為-200~500℃。測量量端既小又又薄，熱容容量小，響響應速度快快。適用于于測量微小小面積上的的瞬變溫度度。薄膜熱電偶偶（4）表面面熱電偶主要用于現(xiàn)現(xiàn)場流動的的測量，廣廣泛用于紡紡織、印染染、造紙、、塑料及橡橡膠工業(yè)；；探頭有各各種形狀(弓形、薄薄片形等)，以適應應于不同物物體表面測測溫用。在在其把手上上裝有動圈圈式儀表，，讀數(shù)方便便。測量溫溫度范圍有有0~250℃和0~600℃兩種。。（5）防爆爆熱電偶在石油、化化工、制藥藥工業(yè)中，，生產(chǎn)現(xiàn)場場有各種易易然、易爆爆等化學氣氣體，這時時需要采用用防爆熱電電偶。它采采用防爆型型接線盒，，有足夠的的內(nèi)部空間間、壁厚及及機械強度度，其橡膠膠密封圈的的熱穩(wěn)定性性符合國家家的防爆標標準。因此此，即使接接線盒內(nèi)部部爆炸性混混合氣體發(fā)發(fā)生爆炸時時，其壓力力也不會破破壞接線盒盒，其產(chǎn)生生的熱能不不能向外擴擴散傳爆，，可達到可可靠的防爆爆效果。隔爆型熱電偶外外形厚壁保護管管壓鑄的接線線盒電纜線3.3.3熱電偶偶測溫基本本電路如下頁圖所所示圖（a）表表示了測量量某