第十一章-熱電傳感器課件

11.1概述熱電傳感器是將溫度轉(zhuǎn)換為電量的元件。1.測量方法：（一）接觸式測溫（二）非接觸式測量2.溫標(biāo)T=t+273.15(K)t=T-273.15(oC)國際實(shí)用溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)電阻式溫度傳感器是利用導(dǎo)體材料的電阻隨溫度變化而變化的特性來實(shí)現(xiàn)對溫度的測量的。11.2電阻式溫度傳感器熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。應(yīng)用于-200~600℃范圍內(nèi)的溫度測量熱電阻＝電阻體＋絕緣套管＋接線盒熱電阻的材料要求：電阻溫度系數(shù)要大；電阻率盡可能大，熱容量要小，在測量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應(yīng)有良好的可加工性，且價(jià)格便宜。11.2.1常用的幾種熱電阻1.鉑熱電阻鉑電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可以近似用下式表示：t℃時(shí)的電阻值0℃時(shí)的電阻值在0～630.74℃范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關(guān)系為：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。鉑電阻的輸出—輸入特性接近線性，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(jì)作基準(zhǔn)器。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(jià)格低廉。2.銅熱電阻銅電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可近似表示為：銅電阻的缺點(diǎn)是電阻率低，體積大，熱慣性大，另外銅容易氧化。t℃時(shí)的電阻值0℃時(shí)的電阻值Rt為熱電阻,r1、r2、r3為引線電阻,R1、R2為兩橋臂電阻,R1=R2,R3為調(diào)整電橋的精密電阻。M表內(nèi)阻很大，故電流近似為零。當(dāng)UA=UB時(shí)電橋平衡。若使r1=r2,則R3=Rt,就可消除引線電阻的影響。1.三線式電橋連接法11.2.2熱電阻測量線路R1R2R3Rtr1r3r2EABM圖11-6三線接法11.2.3熱敏電阻熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實(shí)現(xiàn)測溫的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動(dòng)態(tài)特性好，特別適于在-100℃～300℃之間測溫。熱敏電阻的缺點(diǎn)是互換性較差，另外其熱電特性是非線性的。11.2.4熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷（Co）、錳（Mn）、鎳（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高溫?zé)Y(jié)而成。其形狀有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。（b）片狀（c）桿狀（d）墊圈狀圖11-7熱敏電阻的結(jié)構(gòu)類型（a）珠狀玻璃殼熱敏電阻引線1081021041060熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)型(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)型(NTC)、和臨界溫度系數(shù)型(CTR)?？梢奀TR臨界熱敏電阻有一突變溫度，此特性可用于自動(dòng)控溫和報(bào)警電路中。11.2.5熱敏電阻的主要特性圖11-8三類熱敏電阻的溫度特性溫度（℃）電阻（Ω）NTCCTRPTC4080120160180圖11-9NTC熱敏電阻器的伏—安曲線UaUmabcoI/mAU/Voa段—線性工作區(qū)ab—非線性正阻區(qū)bc—非線性負(fù)阻區(qū)IaIm1.NTC熱敏電阻的伏—安特性圖11-10PTC伏—安特性曲線

IaImI/mAabcUaUmU/V2.PTC熱敏電阻的伏—安特性11.2.6熱敏電阻的應(yīng)用溫度測量；溫度補(bǔ)償；溫度控制；過熱保護(hù)；家用電器應(yīng)用。1.熱電效應(yīng)11.3熱電偶11.3.1熱電偶的工作原理BAT0TBAT0T熱電勢EAB(T,T0)熱電偶熱電極熱端（工作端）冷端（自由端）（1）接觸電動(dòng)勢接觸電勢溫差電勢若金屬A的自由電子濃度大于金屬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(dòng)勢。熱電勢EAB(T,T0)接觸電動(dòng)勢的大小與兩種金屬的材料、接點(diǎn)的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長度及幾何形狀無關(guān)。對于溫度為T的接點(diǎn)，有下列接觸電動(dòng)勢公式：上式說明接觸電動(dòng)勢的大小與接點(diǎn)溫度的高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。NA為導(dǎo)體A的自由電子密度NB為導(dǎo)體B的自由電子密度對于任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)，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(dòng)能；溫度低的一端濃度小，動(dòng)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(dòng)勢，又稱湯姆森電動(dòng)勢。（2）溫差電動(dòng)勢溫差電動(dòng)勢的大小取決于導(dǎo)體的材料及兩端的溫度。導(dǎo)體A兩端的溫差電動(dòng)勢可用下式表示：eA（T，T0）——導(dǎo)體A兩端溫度分別為T、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢；T、T0——高、低溫端的絕對溫度；σA——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(dòng)勢。同樣導(dǎo)體B兩端的溫差電動(dòng)勢如下式所示：圖11-14閉合回路總的熱電勢ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)(3)回路總電動(dòng)勢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(dòng)勢可以忽略不計(jì)，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動(dòng)勢。NAT和NAT0可記做NA，NBT和NBT0可記做NB

，則有在標(biāo)定熱電偶時(shí)，一般使T0為常數(shù)，則①熱電偶回路的熱電動(dòng)勢只與組成熱電偶的材料及兩端接點(diǎn)的溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細(xì)、形狀無關(guān)。2.熱電偶基本性質(zhì)②只有用不同性質(zhì)的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會產(chǎn)生熱電動(dòng)勢。因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。③只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同時(shí)，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動(dòng)勢產(chǎn)生；當(dāng)熱電偶兩端溫度相同時(shí)，不同材料組成的熱電偶也不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢，即EAB（T，T0）=0。④導(dǎo)體材料確定后，熱電動(dòng)勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使eAB（T0）=常數(shù)，則回路熱電動(dòng)勢EAB（T，T0）就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的基本原理。⑤對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，若各接點(diǎn)溫度分別為T1、T2……TN

，閉合回路總的熱電動(dòng)勢為：3.熱電偶基本定律(1)均質(zhì)導(dǎo)體定律如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢均為零；反之，如果有熱電動(dòng)勢產(chǎn)生，兩個(gè)熱電極的材料則一定是不同的。根據(jù)這一定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗(yàn)法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。(2)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(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢不變。右圖回路中的總電動(dòng)勢為：T0T0BTAC如果回路中三個(gè)接點(diǎn)的溫度都相同，即T＝T0，則回路總電動(dòng)勢必為零，即：即則如果按右圖接入第三種導(dǎo)體C，則回路中的總電動(dòng)勢為：T1CT0T1TAB而所以(3)標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(dòng)勢也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC兩式相減得：——（1）若一個(gè)熱電偶由A、B、C三種導(dǎo)體組成，且回路中三個(gè)接點(diǎn)的溫度都相同，則回路總電動(dòng)勢必為零，即：或即導(dǎo)體A與B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢也可知。代入（1）式可得：解：由標(biāo)準(zhǔn)電極定律，鎳鉻和考銅熱電偶的熱電動(dòng)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(dòng)勢的差，即例11-1熱端為100℃、冷端為0℃時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)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(dòng)勢。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mVBBAT2T1

T3

AAB(4)中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為T、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為T、Tn和接點(diǎn)溫度分別為Tn、T0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢的代數(shù)和。證明：即：對于冷端溫度不是零度時(shí)，熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。

當(dāng)Tn=0℃時(shí)，則：上式說明：只要A、B組成的熱電偶在冷端溫度為零時(shí)的“熱電動(dòng)勢—溫度”關(guān)系已知，則它在冷端溫度不為零時(shí)的熱電動(dòng)勢即可知。中間溫度定律表明：當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B相同熱電特性的材料C、D即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，只要它們之間連接的兩點(diǎn)溫度相同，則總回路的熱電動(dòng)勢與兩連接點(diǎn)溫度無關(guān)，只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖ABTTnTnCDT0T0M由于A與C、B與D的熱電特性相同，由熱電偶的基本性質(zhì)可知：eAC（Tn）=eBD（Tn）=0，則回路總電動(dòng)勢為:11.3.2常用熱電偶的結(jié)構(gòu)1.普通工業(yè)用裝配式熱電偶圖11-18工業(yè)用裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖接線盒保險(xiǎn)套管絕緣套管熱電偶絲11.3.3熱電偶材料用作熱電極的材料應(yīng)具備下面的條件：①溫度測量范圍廣。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)有較高的測量精確度，有較大的熱電動(dòng)勢。溫度與熱電動(dòng)勢的關(guān)系是單值函數(shù)，最好是呈線性關(guān)系。②性能穩(wěn)定。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)使用時(shí)熱電性能穩(wěn)定，均勻性和復(fù)現(xiàn)性好。③物理化學(xué)性能好。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性或抗還原性能。滿足上述條件的熱電偶材料并不很多。我國把性能符合專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)并具有統(tǒng)一分度表的熱電偶材料稱為定型熱電偶材料。

11.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償方法1.冷端恒溫法(1)冰點(diǎn)槽法將熱電偶的冷端置于冰點(diǎn)槽內(nèi)(冰水混合物)，使冷端溫度處于0℃，如圖11-13所示。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕緣。這種裝置通常用于實(shí)驗(yàn)室或精密的溫度測量。mVABT銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T0儀表補(bǔ)償導(dǎo)線圖11-13冰點(diǎn)槽法(2)其他恒溫器將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動(dòng)而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫；也可以是電加熱的恒溫器。這類恒溫器的溫度不是0℃，所以最后還需對熱電偶進(jìn)行冷端溫度修正。2.補(bǔ)償導(dǎo)線法利用補(bǔ)償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶的兩個(gè)熱電極分別與兩補(bǔ)償導(dǎo)線的接點(diǎn)溫度一致，就不會影響熱電動(dòng)勢的輸出。例11-2采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量爐溫。熱端溫度為800℃，冷端溫度為50℃。為了進(jìn)行爐溫的調(diào)節(jié)與顯示，必須將熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢信號送到儀表室，儀表室的環(huán)境溫度恒為20℃。首先由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出它在冷端溫度為0℃，熱端溫度分別為800℃、50℃、20℃時(shí)的熱電動(dòng)勢：E(800，0)＝33.29mV；如果熱電偶與儀表之間直接用銅導(dǎo)線連接，根據(jù)中間導(dǎo)體定律，輸入儀表的熱電動(dòng)勢為：E(50，0)＝2.02mV；E(20，0)=0.80mV。E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)=(33.29-2.02)mV=31.27mV查分度表知，對應(yīng)31.27mV的溫度是755℃。與爐內(nèi)真實(shí)溫度相差45℃。如果在熱電偶與儀表之間用補(bǔ)償導(dǎo)線連接，相當(dāng)于將熱電極延伸到儀表室，輸入儀表的熱電動(dòng)勢為E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)=(33.29-0.80)m