傳感器第七章B

請將右圖各有關(guān)設(shè)備正確地連接起來，組成熱電偶測溫、控溫電路。黃綠紅L1

L2

L3

接大地銅排接零熱電偶輸出端電爐交流接觸器三相空氣開關(guān)380V線圈的交流接觸器連接過程當(dāng)溫度控制器測得的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，5-6兩端開路，交流接觸器失電，電爐回路被切斷。接大地銅排黃綠紅L1

L2

L3

電爐接零“3”端接何處熱電偶熱電式傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測的裝置。其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻?！?-2

熱電阻傳感器一.熱電阻1.熱電阻材料的特點(diǎn)熱電阻材料必須具有以下特點(diǎn)：(1).高溫度系數(shù)、高電阻率。這樣在同樣條件下可加快反應(yīng)速度，提高靈敏度，減小體積和重量。(2).化學(xué)、物理性能穩(wěn)定。以保證在使用溫度范圍內(nèi)熱電阻的測量準(zhǔn)確性。(3).良好的輸出特性。即必須有線性的或者接近線性的輸出。(4).良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)、降低成本。適宜制作熱電阻的材料有鉑、銅、鎳、鐵等。2.鉑、銅熱電阻的特性鉑、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻材料。雖然鐵、鎳的溫度系數(shù)和電阻率均比鉑、銅要高，但由于存在著不易提純和非線性嚴(yán)重的缺點(diǎn)，因而用得不多。鉑容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，制成的鉑電阻輸出－輸入特性接近線性，測量精度高。⑴鉑熱電阻 主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)，廣泛應(yīng)用于溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。⑵銅熱電阻 測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍一般為―50～150℃。⑴鉑熱電阻目前最好材料鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān)百度電阻比W（100）越高，表示鉑絲純度越高，國際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定，作為基準(zhǔn)器的鉑電阻，W（100）≥1.3925目前技術(shù)水平已達(dá)到W（100）＝1.3930，工業(yè)用鉑電阻的純度W（100）為1.387～1.390。鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系，即特性方程如下：當(dāng)溫度t在－200℃≤t≤0℃時(shí)：當(dāng)溫度t在0℃≤t≤650℃時(shí)：國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，W（100）≥1.391，R0分為50Ω和100Ω兩種，分度號分別為Pt50和Pt100，其分度表（給出阻值和溫度的關(guān)系）⑵銅熱電阻應(yīng)用：測量精度要求不高且溫度較低的場合 測量范圍：―50～150℃優(yōu)點(diǎn)： 溫度范圍內(nèi)線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純、加工，價(jià)格便宜，復(fù)制性能好。缺點(diǎn)： 易于氧化，一般只用于150℃以下的低溫測量和沒有水分及無侵蝕性介質(zhì)的溫度測量。 與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為關(guān)系是線性的工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的R0按國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取50Ω和100Ω兩種，分度號分別為Cu50和Cu100，相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。二.熱電阻的結(jié)構(gòu)普通工業(yè)用熱電阻式溫度傳感器銅熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖鉑熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖三、熱電阻測溫線路工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，而其指示或記錄儀表安裝在控制室，其問的引線很長，如果僅用兩根導(dǎo)線接在熱電阻兩端，導(dǎo)線本身的阻值必然和熱電阻的阻值串聯(lián)在一起，造成測量誤差。如果每根導(dǎo)線的阻值是r，測量結(jié)果中必然含有絕對誤差2r。實(shí)際上這種誤差很難修正，因?yàn)閷?dǎo)線阻值r是隨其所處環(huán)境溫度而變的，而環(huán)境溫度變化莫測，這就注定了用兩線制連接方式不宜在工業(yè)熱電阻上應(yīng)用。（一）三線制（二）四線制13三線制測量電橋四線制接法問題1簡述熱敏電阻的主要特點(diǎn)

2熱敏電阻的典型結(jié)構(gòu)

3熱敏電阻的主要材料

§7-3

熱敏電阻溫度傳感器1.標(biāo)稱電阻R25（冷阻）標(biāo)稱電阻值是熱敏電阻在25±0.2℃時(shí)的阻值。

二、熱敏電阻的基本參數(shù)2.材料常數(shù)BN是表征負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器材料的物理特性常數(shù)。BN值決定于材料的激活能?E,具有BN=?E／2k的函數(shù)關(guān)系，式中k為波爾茲曼常數(shù)。一般BN值越大，則電阻值越大，絕對靈敏度越高。在工作溫度范圍內(nèi)，BN值并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度的升高略有增加的。3.電阻溫度系數(shù)（αt）熱敏電阻的溫度變化1℃時(shí)電阻值的變化率。4.耗散系數(shù)H熱敏電阻器溫度變化1℃所耗散的功率變化量。在工作范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),H值隨之變化,其大小與熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、形狀和所處介質(zhì)的種類及狀態(tài)有關(guān)。6.最高工作溫度Tmax熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許的最高溫度：T0—環(huán)境溫度；PE—環(huán)境溫度為T0時(shí)的額定功率；H—耗散系數(shù)7.最低工作溫度Tmin熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下能長期連續(xù)工作的最低溫度。8.轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度Tc熱敏電阻器的電阻一溫度特性曲線上的拐點(diǎn)溫度，主要指正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度熱敏電阻。5.時(shí)間常數(shù)τ熱敏電阻器在零功率測量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)電阻器的溫度變化量從開始到最終變量的63.2％所需的時(shí)間。它與熱容量C和耗散系數(shù)H之間的關(guān)系9.額定功率PE熱敏電阻器在規(guī)定的條件下，長期連續(xù)負(fù)荷工作所允許的消耗功率。在此功率下,它自身溫度不應(yīng)超過Tmax。10.測量功率P0熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度下,受到測量電流加熱而引起的電阻值變化不超過0.1％時(shí)所消耗的功率11.工作點(diǎn)電阻RG在規(guī)定的溫度和正常氣候條件下，施加一定的功率后使電阻器自熱而達(dá)到某一給定的電阻值。12.工作點(diǎn)耗散功率PG電阻值達(dá)到RG時(shí)所消耗的功率。UG——電阻器達(dá)到熱平衡時(shí)的端電壓。（一）熱敏電阻器的電阻——溫度特性（RT—T）

1234鉑絲40601201600100101102103104105106RT/Ω溫度T/oC熱敏電阻的電阻--溫度特性曲線1-NTC；2-CTR；

3-4PTC三、熱敏電阻器主要特性ρT—T與RT—T特性曲線一致。RT、RT0——溫度為T、T0時(shí)熱敏電阻器的電阻值；

BN——NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。由測試結(jié)果表明，不管是由氧化物材料，還是由單晶體材料制成的NTC熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍（小于450℃），都能利用該式，它僅是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。1負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器的溫度特性NTC的電阻—溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：如果以lnRT、1/T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，則上式是一條斜率為BN

，通過點(diǎn)(1/T，lnRT)的一條直線,如圖。105104103102

0-101030507085100120T/oC電阻/ΩNTC熱敏電阻器的電阻--溫度曲線材料的不同或配方的比例和方法不同，則BN也不同。用lnRT–1/T表示負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻—溫度特性，在實(shí)際應(yīng)用中比較方便。為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃作為參考溫度（即T0=25℃），則NTC熱敏電阻器的電阻—溫度關(guān)系式：RT/R25——BN關(guān)系如下表。02550751001250.511.522.533.5(25oC,1)RT/RT0--T特性曲線RT/R25TRT／R25～BN系數(shù)表RT／R25BNR50／R2522002600280030003200340036003800400050000.5650.5000.4830.4580.4350.4130.3920.3720.3540.2733.1754.7205.3195.9936.7517.6098.65719.66010.8819.771.9632.2212.3622.5122.6712.8403.0203.2113.4144.6420.3470.2880.2590.2360.2140.1940.1760.1600.1460.0920.2270.1730.1490.1320.1150.1010.0880.0770.0670.0340.1130.0760.0620.0510.0420.0340.0280.0230.0190.007R0／R25R75／R25R-20／R25R150／R25R100／R252.正電阻溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻器的電阻—溫度特性其特性是利用正溫度熱敏材料，在居里點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變來取得的，典型特性曲線如圖10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2ΩPTC熱敏電阻器的電阻—溫度曲線T/oC電阻/ΩTp1Tp2Tc=175oCPTC熱敏電阻的工作溫度范圍較窄，在工作區(qū)兩端，電阻—溫度曲線上有兩個(gè)拐點(diǎn)：Tp1和Tp2。當(dāng)溫度低于Tp1時(shí)，溫度靈敏度低；當(dāng)溫度升高到Tp1后，電阻值隨溫度值劇烈增高（按指數(shù)規(guī)律迅速增大）；當(dāng)溫度升到Tp2時(shí)，正溫度系數(shù)熱敏電阻器在工作溫度范圍內(nèi)存在溫度Tc，對應(yīng)有較大的溫度系數(shù)αtp

。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻—溫度特性可近似用下面的實(shí)驗(yàn)公式表示：式中RT、RT0——溫度分別為T、T0時(shí)的電阻值；

BP——正溫度系數(shù)熱敏電阻器的材料常數(shù)。若對上式取對數(shù)，則得：以lnRT、T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，便得到下圖。

）可見：正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù)αtp

，正好等于它的材料常數(shù)BP的值。lnRr1lnRr2BPβmRBP=tgβ=mR/mrT1T2lnRr0mrlnRT~T表示的PTC熱敏電阻器電阻—溫度曲線lnRrT若對上式微分，可得PTC熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)αtpαβ

abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性（二）熱敏電阻器的伏安特性（U—I）熱敏電阻器伏安特性表示加在其兩端的電壓和通過的電流，在熱敏電阻器和周圍介質(zhì)熱平衡（即加在元件上的電功率和耗散功率相等）時(shí)的互相關(guān)系。1.負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻器的伏安特性該曲線是在環(huán)境溫度為T0時(shí)的靜態(tài)介質(zhì)中測出的靜態(tài)U—I曲線。熱敏電阻的端電壓UT和通過它的電流I有如下關(guān)系：T0——環(huán)境溫度；△T——熱敏電阻的溫升。曲線見下圖，它與NTC熱敏電阻器一樣，曲線的起始段為直線，其斜率與熱敏電阻器在環(huán)境溫度下的電阻值相等。這是因?yàn)榱鬟^電阻器電流很小時(shí)，耗散功率引起的溫升可以忽略不計(jì)的緣故。當(dāng)熱敏電阻器溫度超過環(huán)境溫度時(shí)，引起電阻值增大，曲線開始彎曲。

104103102101105Um10110210310010-1ImPTC熱敏電阻器的靜態(tài)伏安特性2．正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻器的伏安特性當(dāng)電壓增至Um時(shí)，存在一個(gè)電流最大值Im；如電壓繼續(xù)增加，由于溫升引起電阻值增加速度超過電壓增加的速度，電流反而減小，即曲線斜率由正變負(fù)。伏安特性的位置在儀器儀表中的應(yīng)用

U

m

的左邊溫度計(jì)、溫度差計(jì)、溫度補(bǔ)償、微小溫度檢測、溫度報(bào)警、溫度繼電器、濕度計(jì)、分子量測定、水分計(jì)、熱計(jì)、紅外探測器、熱傳導(dǎo)測定、比熱測定U

m的附近液位測定、液位檢測U

m的右邊流速計(jì)