熱電式傳感器

熱電式傳感器第一頁，共57頁。1.熱電偶測溫原理－熱電效應(yīng)

TT0AB熱端（工作端）冷端（自由端）兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)A和B組合成如圖所示閉合回路，若導(dǎo)體A和B的兩個連接點處溫度不同（設(shè)T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動勢存在，該電動勢的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電動勢則稱為“熱電勢”。這種現(xiàn)象早在1821年首先由塞貝克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱塞貝克效應(yīng)。4.8.1熱電偶第二頁，共57頁。熱電動勢由兩部分電動勢組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電勢，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電勢。熱電偶原理圖TT0AB接觸電勢溫差電勢熱電勢EAB(T,T0)第三頁，共57頁。（1）接觸電勢所有金屬中都有大量自由電子，而不同的金屬材料其自由電子密度不同。當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸時，若金屬A的自由電子密度大于金屬B的，則在同一瞬間由A擴(kuò)散到B的電子將比由B擴(kuò)散到A的電子多，因而A對于B因失去電子而帶正電，B獲得電子而帶負(fù)電，在接觸處便產(chǎn)生電場。A、B之間便產(chǎn)生了一定的接觸電動勢。接觸電勢原理圖+ABTEAB(T)-EAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點在溫度T時形成的接觸電動勢；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；K——波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/K

；nA、nB

——導(dǎo)體A、B在溫度為T時的電子密度。上式說明接觸電動勢的大小與接點溫度的高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。第四頁，共57頁。對于任何一種導(dǎo)體，當(dāng)其兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小。因此高溫端的自由電子要向低溫端擴(kuò)散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負(fù)電，形成溫差電動勢，又稱湯姆森電動勢。（2）溫差電勢AEA(T,To)ToT溫差電勢原理圖T、T0——高、低溫端的絕對溫度；

—湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時所產(chǎn)生的溫差電動勢。其大小與材料和溫度有關(guān)第五頁，共57頁。由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、T0,如果T＞T0，nA>nB則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：T0TEAB(T)EAB(T0)EA(T,T0)EB(T,T0)AB（3）回路總電勢第六頁，共57頁。由此可以得出以下結(jié)論：①如果熱電偶兩電極材料相同，即，即使兩端溫度不同，但閉合回路的總電勢仍為0，因此熱電偶必須用兩種不同材料作熱電極；②如果熱電偶兩電極材料不同，而熱電偶兩端的溫度相同，即，閉合回路中也不產(chǎn)生熱電勢。③熱電偶回路的熱電動勢只與組成熱電偶的材料及兩端接點的溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細(xì)、形狀無關(guān)。第七頁，共57頁。由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對自由電子密度的影響很小，故溫差電動勢可以忽略不計，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢。在工程上常用上式來表征熱電偶回路的總電勢。并通常使為常數(shù),這樣回路總熱電勢就是測量端溫度的單值函數(shù)，這給工程中熱電偶測量溫度帶來極大方便。在不同的測量端溫度下精確地測量出回路中的總熱電勢，并將所測的結(jié)果繪制成曲線或表格，以供在使用時查閱。第八頁，共57頁。第九頁，共57頁。為什么所有的曲線均過原點（零度點）？第十頁，共57頁。（1）中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變，即中間導(dǎo)體對回路總電勢沒有影響。T0T0BTAC右圖回路中的總電動勢為：如果回路中三個接點的溫度都相同，即T＝T0，則回路總電動勢必為零，即：即則2.熱電偶基本定理第十一頁，共57頁。如果按右圖接入第三種導(dǎo)體C，則回路中的總電動勢為：T1CT0T1TBA而所以由以上分析可見，在利用熱電偶測溫時，一定要盡量保證接入的導(dǎo)線和儀表在其兩接入端點溫度相同，否則測試結(jié)果不準(zhǔn)確。同時利用這個定則還可以使用開路熱電偶測量液態(tài)金屬和金屬壁面的溫度。第十二頁，共57頁。在煉鋼廠中有時直接將廉價熱電極(易耗品，例如鎳鉻-鎳硅熱偶絲，時間稍長即熔化)插入鋼水中測量鋼水溫度，如圖所示：試說明

1)為什么不必將工作端焊在一起?

2)要滿足哪些條件才不影響測量精度?采用上述方法是利用了熱電偶什么定律？

3)如果檢測物不是鋼水，而是熔化的塑料行嗎？為什么？

第十三頁，共57頁。用熱電偶測量金屬壁面溫度有兩種方案，如下圖所示，當(dāng)熱電偶具有相同的參考端溫度t0時，問在壁溫相等的兩種情況下，儀表的示值是否一樣？為什么？第十四頁，共57頁。（2）中間溫度定律如果不同的兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶回路,其接點溫度分別為T、T0時,則其熱電勢EAB(T,T0)等于該熱電偶在接點溫度為(T,Tm)和(Tm,T0)時相應(yīng)的熱電勢的代數(shù)和。BATm

T

T0

ABTm證明：即：即該定則為使用分度表奠定了理論基礎(chǔ)。該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據(jù)。實際中利用熱電偶測溫時，常常參考端不為0°C，可以利用此定律進(jìn)行修正。第十五頁，共57頁。熱電偶分度表表達(dá)的是在參考端溫度為0°C時，熱端溫度與熱電勢之間的對應(yīng)關(guān)系，并以表格的形式加以表示。例題：用鎳鉻－鎳硅（K型）熱電偶測量某一溫度時，若冷端（參考端）溫度，測得的熱電勢為，求測量端實際溫度第十六頁，共57頁。（3）標(biāo)準(zhǔn)（參考）電極定律如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC第十七頁，共57頁。兩式相減得：根據(jù)中間導(dǎo)體定則可知：代入前式可得：由于純鉑絲的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，溶點教高，易提純，所以在工程上常用作標(biāo)準(zhǔn)電極。由此可見，當(dāng)任一電極B,C,…與一標(biāo)準(zhǔn)電極A組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢為已知時，就可以利用上述定律求出這些電極任意組合而成熱電偶時的熱電勢。第十八頁，共57頁。解：由標(biāo)準(zhǔn)電極定律，鎳鉻和考銅熱電偶的熱電動勢應(yīng)等于鎳鉻合金與純鉑熱電偶與考銅與純鉑熱電偶的熱電動勢的差，即例熱端為100℃、冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV第十九頁，共57頁。3.常用熱電偶及其結(jié)構(gòu)、特點

工程上實用的熱電偶應(yīng)該線性度好、穩(wěn)定性好、互換性好、響應(yīng)快，以及便于加工。國際電工委員會共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。所謂標(biāo)準(zhǔn)化是指工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。從1988年1月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全部按國際電工委員會（IEC）的標(biāo)準(zhǔn)，并指定S、B、E、K、R、J、T（分度號）七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。第二十頁，共57頁。幾種常用熱電偶的測溫范圍及特點

分度號

名稱

測量溫度范圍

特點E鎳鉻－銅鎳－40～800C優(yōu)點：適用于還原氣氛中，靈敏度高，價格低缺點：使用溫度區(qū)窄，易氧化，高溫有滯后現(xiàn)象K鎳鉻－鎳硅

-40～1000C優(yōu)點：線性度好，適于氧化性氣體，耐金屬蒸汽，價格低缺點：略有滯后現(xiàn)象，高溫還原氣氛中易腐蝕S鉑銠10—鉑0～1400C優(yōu)點：穩(wěn)定性好，可做標(biāo)準(zhǔn)電極，可在氧化性和中性介質(zhì)中使用缺點：鉑分子易揮發(fā)而變質(zhì)，熱電勢小，成本高B鉑銠30－鉑銠6300～1700C優(yōu)點：可長期應(yīng)用于1600°C以上高溫，適合于氧化及中性介質(zhì)中使用缺點：常溫時熱電勢小，價格高第二十一頁，共57頁。第二十二頁，共57頁。普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭第二十三頁，共57頁。接線盒引出線套管

熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護(hù)管

普通裝配型熱電偶的結(jié)構(gòu)放大圖固定螺紋（出廠時用塑料包裹）第二十四頁，共57頁。鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面第二十五頁，共57頁。鎧裝型熱電偶鎧裝熱電偶特點：內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì)，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。第二十六頁，共57頁。薄膜型熱電偶用真空蒸鍍、化學(xué)涂層等方法將熱電偶材料蒸鍍到絕緣基板上面制成。其本身熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快，故適合于測量微小面積和瞬時變化的溫度。第二十七頁，共57頁。熱電偶的特點優(yōu)點:

結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，使用方便。輸出信號為電動勢，因此測量時，可不要外加電源。測量范圍廣，可從－269℃～1800℃。測量精度高，與被測對象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響。便于遠(yuǎn)距離測量、自動記錄及多點測量。缺點：體積大、靈敏度低.輸出靈敏度一般為μV／℃。第二十八頁，共57頁。4.熱電偶參考端（冷端）的補償原因：為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0℃為依據(jù)。方法冷端恒溫法熱電偶導(dǎo)線補償法參考端溫度自動補償法第二十九頁，共57頁。（1）冷端恒溫法把熱電偶的兩個冷端分別插入盛有絕緣油的試管中，然后放入裝有冰水混合物的容器中，使T0=0℃。也稱為冰點槽法。這是一種精度很高的冷端溫度處理方法，適合于實驗室中的精密測量和檢定熱電偶時使用。由于半導(dǎo)體制冷技術(shù)和精密控溫技術(shù)的發(fā)展，目前我國已研制出電子式冰點恒溫裝置，它使參考端保持在0℃，穩(wěn)定性在正負(fù)0.05℃以內(nèi)，體積小，操作簡單，使用方便。第三十頁，共57頁。（2）熱電偶導(dǎo)線補償利用補償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶的兩個熱電極分別與兩補償導(dǎo)線的接點溫度一致，就不會影響熱電動勢的輸出。熱電偶補償導(dǎo)線是在一定溫度范圍內(nèi)（0～100℃或0～200℃）

，與配用熱電偶的熱電特性相同的一對帶有絕緣層的廉金屬導(dǎo)線。第三十一頁，共57頁。（3）參考端(冷端)溫度自動補償法（電橋補償法）工業(yè)中，常采用參考端溫度自動補償法，這種方法就是在熱電偶和測量儀表之間增加一個不平衡直流電橋（也稱為溫度補償器）。冷端補償器的作用注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3R利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值第三十二頁，共57頁。T0EAB(T,T0)RcuUba為正，補償冷端溫度變化引起的回路電動勢變化；反之亦然供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補償作用。注意，不同材質(zhì)的熱電偶所配的冷端補償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時必須重新調(diào)整。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四橋臂和電源組成。設(shè)計時，在20℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。冷端補償器的作用注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3R第三十三頁，共57頁。2.用鎳鉻-鎳硅熱電偶測某一水池內(nèi)水的溫度，測出的熱電動勢為2.436mV。再用溫度計測出環(huán)境溫度為30℃(且恒定)，求池水的真實溫度。1.利用熱電偶測溫必須具備哪兩個條件?作業(yè)第三十四頁，共57頁。4.8.2熱電阻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。這種現(xiàn)象稱為熱阻效應(yīng)。根據(jù)熱電阻材料的不同分為：

金屬熱電阻－－－通常簡稱為熱電阻；

半導(dǎo)體熱電阻－－通常簡稱為熱敏電阻。熱電阻測溫的優(yōu)點是信號可以遠(yuǎn)傳、靈敏度高、無需參比溫度；缺點是需要電源激勵、有自熱現(xiàn)象會影響測量精度。第三十五頁，共57頁。金屬熱電阻材料的選擇：選擇電阻隨溫度變化成單值連續(xù)關(guān)系的材料，最好是呈線性或平滑特性，這一特性可以用分度公式和分度表描述。有盡可能大的電阻溫度系數(shù)。電阻溫度系數(shù)一般表示為在某一溫度間隔內(nèi)，溫度變化1℃時的電阻相對變化量，單位為1/℃。有較大的電阻率，以便制成小尺寸元件，較小測溫?zé)釕T性。測溫范圍內(nèi)物理化學(xué)性能穩(wěn)定。復(fù)現(xiàn)性好、易于得到高純物質(zhì)，價格便宜等。工業(yè)熱電阻：熱電阻材料主要是鉑、銅、鎳、銦、錳等。用的最多的是鉑和銅。

鉑熱電阻Pt10、Pt100銅熱電阻G（R＝53歐）、Cu50、Cu100應(yīng)用于-200~800℃范圍內(nèi)的溫度測量第三十六頁，共57頁。1）鉑電阻

鉑電阻的電阻體是用直徑為0.02mm～0.07mm的鉑絲，按一定規(guī)律繞在云母、石英或陶瓷支架上而制成的。鉑絲繞阻的端頭與銀線相焊，并套以瓷管加以絕緣保護(hù)。鉑電阻主要用于制成標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計,其測量范圍一般為-200～650℃。

當(dāng)溫度t為0℃～650℃時，當(dāng)溫度t為-200℃～0℃范圍內(nèi)式中：A、B、C－常數(shù)；鉑容易提純，其物理、化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定,且測量精度高，所以它能用作工業(yè)測溫元件和作為溫度標(biāo)準(zhǔn)。按國際溫標(biāo)IPTS-68規(guī)定，在-259.34℃~630.73℃溫域內(nèi)，以鉑電阻溫度計作基準(zhǔn)器。查分度表得相應(yīng)溫度值。第三十七頁，共57頁。2）銅電阻

銅電阻是由0.1mm直徑的漆包絕緣銅絲分層雙向繞在圓形骨架上。為了防止松散，整個元件要經(jīng)過酚醛樹脂浸漬后，在溫度為120℃的烘箱內(nèi)保持24小時，然后自然冷卻至常溫才能使用。在-50～150℃的溫度范圍內(nèi)，銅電阻阻值與溫度關(guān)系幾乎是線性的，可用下式近似表示

式中—溫度為時的電阻值；—溫度為時的電阻值；—銅電阻溫度系數(shù)，。

銅熱電阻國家標(biāo)準(zhǔn)的R0有100Ω、50Ω、53Ω等幾種。

在-50～150℃范圍內(nèi)，銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出—輸入特性接近線性，價格低廉。銅電阻的缺點是電阻率低，體積大，熱慣性大，易氧化，不適合在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。第三十八頁，共57頁。溫度（0C）0102030405060708090電阻（Ω）-5041.74-053.0050.7548.5046.2443.99053.0055.2557.5059.7562.0164.2666.5268.7771.0273.2710075.5277.7880.0382.2884.5486.79WZB型銅熱電阻G分度表第三十九頁，共57頁。⑴銦電阻銦電阻用99.999%高純度的銦絲繞成電阻，適宜在-269～-258℃溫度范圍內(nèi)使用。實驗證明，在4.2K~15K范圍內(nèi)，銦電阻靈敏度比鉑電阻高10倍。銦電阻的缺點是材料軟，復(fù)制性差。3）其他熱電阻⑵錳電阻錳電阻適宜在-271℃～-210℃溫度范圍內(nèi)使用。其優(yōu)點是在2K~63K溫度范圍內(nèi)電阻隨溫度變化大，靈敏度高。錳電阻的缺點是材料脆，難拉成絲。⑶碳電阻碳電阻適宜在-273℃～-268.5℃溫度范圍內(nèi)使用。其優(yōu)點是熱容量小，靈敏度高，價格低廉，操作簡便。但是碳電阻的熱穩(wěn)定性較差。第四十頁，共57頁。熱電阻結(jié)構(gòu)與熱電偶類似4）熱電阻結(jié)構(gòu)第四十一頁，共57頁。5)熱電阻測量線路熱電阻測量電路一般采用電橋電路.若熱電阻安裝的地方與指示儀表相距甚遠(yuǎn)時，則其連線的導(dǎo)線電阻r也要受到溫度的影響而發(fā)生改變，這樣測得的溫度就存在誤差。為了減小這個誤差，可采用三線或四線連接法。第四十二頁，共57頁。當(dāng)熱電阻的三根連接導(dǎo)線直徑和長度相同，即r1=r2=r3＝r時,電橋平衡，則有可見：且電橋平衡狀態(tài)下，即可消除連線電阻對橋路平衡的影響。當(dāng)溫度變化時，只要r1、r2、r3的長度和電阻溫度系數(shù)相同，就可以減小或消除導(dǎo)線電阻隨溫度變化帶來的溫度測量誤差。第四十三頁，共57頁。熱敏電阻熱敏電阻是用金屬氧化物或半導(dǎo)體材料作為電阻體的新型測溫元件。

有三種基本類型：正溫度系數(shù)（PTC）：以MZ為其型號負(fù)溫度系數(shù)（NTC）：以MF為其型號臨界溫度系數(shù)（CTR）：可作開關(guān)器件熱敏電阻的特點

1）電阻溫度系數(shù)絕對值大，靈敏度高，測試線路簡單，甚至不用放大器也可以輸出幾伏電壓。2）體積小，重量輕，熱慣性小。3）本身電阻值大，適用于遠(yuǎn)距離測量。4）制作簡單，壽命長。5）熱敏電阻是非線性電阻，但用微機進(jìn)行非線性補償，可得到滿意效果。

第四十四頁，共57頁。熱敏電阻外形

聚脂塑料封裝熱敏電阻MF58型熱敏電阻玻璃封裝NTC熱敏電阻第四十五頁，共57頁。其他形式的熱敏電阻

帶安裝孔的熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻第四十六頁，共57頁。其他形式的熱敏電阻

貼片式NTC熱敏電阻第四十七頁，共57頁。熱敏電阻用于CPU的溫度測量

第四十八頁，共57頁。熱敏電阻測量線路熱敏電阻測量電路一般采用電橋電路，主要考慮非線性的線性化處理。對熱敏電阻進(jìn)行線性化處理的最簡單方法是用溫度系數(shù)很小的精密電阻與熱敏電阻串或并聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)(常稱為線性化網(wǎng)絡(luò))代替單個熱敏電阻，其等效電阻與溫度呈一定的線性關(guān)系。第四十九頁，共57頁。ErcRT串聯(lián)補償電路rcRT+rcRT溫度電阻圖中熱敏電阻RT與補償電阻rc串聯(lián),串聯(lián)后