車輛檢測技術(shù)-熱電式傳感器

10第七章熱電式傳感器第一節(jié)熱電偶熱電式傳感器是一種利用敏感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來測量溫度的裝為電勢的熱電式傳感器叫熱電偶溫度傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用記錄。在計算機(jī)掌握系統(tǒng)中，熱電式傳感器的輸出信號可直接進(jìn)入I/O卡，進(jìn)展信號的預(yù)處理、顯示和掌握。熱電偶由于性能穩(wěn)定、構(gòu)造簡潔、制造便利、測溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出-50℃，高溫可到達(dá)+1600-150℃～20237-1所示，熱電偶溫度傳感器將被測溫度轉(zhuǎn)換成毫伏級熱電勢統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)溫度的顯示、記錄和調(diào)整。7-1—熱電偶的根本原理1熱電效應(yīng)1821年，德國物理學(xué)家賽貝克〔TJSeebeck〕用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精〔稱為結(jié)點(diǎn)〕，覺察放在回路中的電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。假設(shè)用兩盞勢產(chǎn)生并有電流在回路中流淌，電流的強(qiáng)弱與兩個結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。AB7-2所示。假設(shè)節(jié)點(diǎn)(1)、(2)處于不同的溫度(T≠T0)時，兩者之間將產(chǎn)生一熱電勢，在回路中形成肯定大“熱電偶”，組成熱電偶的導(dǎo)體稱為“熱電極”于溫度為T的被測對象中的結(jié)點(diǎn)稱之為測量端，又稱為工作端或熱端；而置于參考溫度為T0(珀爾帖電勢)和溫差電勢(湯姆遜電勢)兩局部組成。圖7-2 熱電效應(yīng)示意圖接觸電勢與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。在溫度為T時的接觸電勢：kT NE AB

eln

ANB (7-1)AB式中，E 〔T〕——A、B兩種金屬在溫度T時的接觸電勢；k——波爾茲曼常數(shù)，ABk=1.38×10-23(J/K)；A e——電子電荷，e=1.6×10-19(C)；N、N——金屬A、B的自由電子密度；T——A 溫差電勢7-3大小與金屬材料的性質(zhì)和兩端的溫差有關(guān)，可表示為：A

T dTAT0

(7-2)E式中 A

0

——金屬A兩端溫度分別為T

T 與0時的溫差電勢；

A——溫差系數(shù)；T、T0——高、低溫端確實(shí)定溫度。7-3熱電回路各電勢7-3所示A、B兩種導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路，總的溫差電勢為：E A

EB

0

TT 0

B

(7-3)于是，回路的總熱電勢為：E (T,TAB

)EAB

AB

T)T0 T 0

B

(7-4)由此可以得出如下結(jié)論：B A ①假設(shè)熱電偶兩電極的材料一樣，即NA=N，σ＝σB A 0T＝T，閉合回路中也不產(chǎn)生熱電勢。0③在實(shí)際測溫時，必需在熱電偶閉合回路中引入連接導(dǎo)線和儀表。圖7-4熱電偶連接導(dǎo)線示意圖 圖7-5三導(dǎo)體熱電回路2熱電偶根本定律中間導(dǎo)體定律7-4T0處斷開，接入第三種導(dǎo)體C，如圖7-5所示。假設(shè)三個結(jié)點(diǎn)溫度均為T0，則回路中的總熱電勢為：E TE TE T0AB 0 BC 0 CA 0 (7-5)0A、B結(jié)點(diǎn)溫度為T，其余結(jié)點(diǎn)溫度為T0

，而且T＞T

，則回路中的總熱電勢為：0EABC

0

EAB

BC

T,0E0

0

(7-6)由式(7-5)可得：E TE TE AB 0 BC 0 CA 0將式(7-7)代入式(7-6)可得：

(7-7)E T,TE T,0ABC 0 AB AB 0 (7-8)結(jié)論：導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，當(dāng)引入第三導(dǎo)體時，只要保持其兩端溫度一樣，則對回路總熱電勢無影響，這就是中間導(dǎo)體定律。利用這個定律可以將第三導(dǎo)體換成毫伏表，只可以將熱電偶的一個接點(diǎn)一樣，也可以得到一樣的結(jié)論。連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律在熱電偶回路中，如圖7-4所示，假設(shè)導(dǎo)體A、BA′、B′相接，接點(diǎn)溫度n 分別為T、T、Tn EABB”A”

T,T,Tn

EAB

n

T,TB”A” n 0

(7-9)E連接導(dǎo)體定律：回路的總電勢等于熱電偶電勢AB

n

與連接導(dǎo)線電勢

T,TB”A” n 0的代數(shù)和。連接導(dǎo)體定律是工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)展溫度測量的理論根底。中間溫度定律：當(dāng)導(dǎo)體AA′、BB′材料分別一樣時，則式(7-9)可寫為：E T,T,TAB n 0

EAB

n

T,TB”A” n 0

(7-10)E AB

E回路的總熱電勢等于AB

n

E與AB

n

的代數(shù)和。

n稱為中間溫個電極A、B的材料性質(zhì)以及A、B兩個接點(diǎn)的溫度值T、T0，而與溫度熱電極的分布以及熱電極的尺寸和外形無關(guān)。中間溫度定律在熱電偶測溫中應(yīng)用極為廣泛。依據(jù)該定律，我們可以在冷端溫度為任一恒定值時，利用熱電偶分度表求出工作端的被測溫度值。例如，用鎳鉻—鎳硅熱電偶測量爐溫時，當(dāng)冷端溫度T0=30℃時，測得熱電勢0

=39.17mv，求實(shí)際爐溫。E30,0T0=30℃查分度表得

=1.2mv，依據(jù)中間溫度定律得：ET,0ET,30E30,039.171.240.37標(biāo)準(zhǔn)電極定律

(mv)。則查表得爐溫T=946℃。7-6標(biāo)準(zhǔn)電極定律示意圖7-6C為標(biāo)準(zhǔn)電極，接在熱電偶A、B之間，形成三個熱電偶組成的回路。經(jīng)過推導(dǎo)得：(7-11)E (T,T)E (T,T)E (T,T)(7-11)AB 0 AC 0 BC 0說明標(biāo)準(zhǔn)電極C與各種電極配對時的總熱電勢為兩電極A、B配對后的電勢之差。由于C要知道兩種導(dǎo)體分別與標(biāo)準(zhǔn)電極組成熱電偶時的熱電動勢任意兩種導(dǎo)體組成熱電偶時的熱電動勢。從而簡化了熱電偶的選配工作。二熱電偶的類型及構(gòu)造熱電偶的類型常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特別場合的測量。1991年開頭承受國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標(biāo)”〔ITS-90〕的標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，共有8種標(biāo)準(zhǔn)化了的通用熱電偶。我國標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶也有8種分別是：鉑10—鉑(分度號為S)13—鉑(R)30—6(B)—鎳硅(K)—康銅(E)、鐵—康銅(J)、銅-康銅(T)和鎳鉻硅-鎳硅(N)。熱電偶的構(gòu)造熱電偶的根本構(gòu)造是熱電極，絕緣材料和保護(hù)管。熱電偶簡潔分為裝配式熱電偶，鎧電偶，陽極焙燒爐用熱電偶，高溫?zé)犸L(fēng)爐用熱電偶，汽化爐用熱電偶，滲碳爐用熱電偶，高溫鹽浴爐用熱電偶，銅、鐵及鋼水用熱電偶，抗氧化鎢錸熱電偶，真空爐用熱電偶，鉑銠熱電偶等。工業(yè)熱電偶作為測量溫度的傳感器，通常與顯示儀表、記錄儀表或計算機(jī)等配套使用?？梢灾苯訙y量各種生產(chǎn)過程中氣體、液體、熔體及固體外表的溫度。一般熱電偶一般工業(yè)裝配式熱電偶作為測量溫度的感應(yīng)元件，通常和顯示儀表、記錄儀表和計算0℃到1800氣體介質(zhì)溫度。熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等幾個主要局部組成，其7-7所示。7-71-熱電極；2-絕緣套管；3-保護(hù)管；4-接線盒；5-接線盒蓋①熱電極又稱偶絲，它是熱電偶的根本組成局部。一般金屬做成的偶絲，其直徑一般為0.5～3.2mm0.3～0.6mm安裝條件，特別是工作端在被測介質(zhì)中插入的深度來打算，通常為300～1000mm，常用的350mm。②絕緣管又稱絕緣子，它是用于熱電極之間及熱電極與保護(hù)套管之間進(jìn)展絕緣保護(hù)的零件。外形一般為圓形或橢圓形，中間開有二個、四個或六個孔。偶絲穿孔而過。材料為粘土質(zhì)、高鋁質(zhì)、剛玉質(zhì)等，材料選用視使用的熱電偶而定。在室溫下，絕緣管的絕緣電阻應(yīng)5MΩ以上。③保護(hù)套管它是用來保護(hù)熱電偶感溫元件免受被測介質(zhì)化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷的裝置。保護(hù)套管應(yīng)具有耐高溫、耐腐蝕的性能，要求導(dǎo)熱性能好，氣密性好。其材料有金屬、非金lCrl8Ni9Ti不銹鋼是目前熱電偶保護(hù)套管使用的典型(85%--90%A1203)(99％Al2O3)，使用溫度都在1300℃以上。金屬陶瓷材料如氧化鎂加金屬鉬，這種材料使用溫度在1700℃，且在高溫下有很好的抗氧化力量，適用于鋼水溫度的連續(xù)測量。外形一般為圓柱形。④接線盒依據(jù)被測量溫度的對象及現(xiàn)場環(huán)境條件，設(shè)計有一般式、防濺式、防水式和接插座式等四種構(gòu)造形式。用來固定接線座和作為連接補(bǔ)償導(dǎo)線的裝置。好、無腐蝕性氣體的現(xiàn)場。防濺式、防水式接線盒有蓋，且蓋與盒體是由密封圈壓嚴(yán)密封，便利，適用于需要快速拆卸的環(huán)境。鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶，國際上又稱之為無機(jī)物絕緣熱電偶，是由不銹鋼保護(hù)管、氧化鎂絕緣粉、熱電偶絲材組合,經(jīng)模具壓實(shí)的堅實(shí)整體，具有耐壓、抗震、可撓、小型化、熱響應(yīng)時間快、安裝便利、使用壽命長、機(jī)械強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、原子能、石油、化工、冶金、機(jī)械、電力能源等工業(yè)部門和科研教學(xué)領(lǐng)域。鎧裝熱電偶具有能彎曲、耐高壓、熱響應(yīng)時間快和結(jié)實(shí)耐用等很多優(yōu)點(diǎn)，它和工業(yè)用裝配式熱電偶一樣，作為測量溫度的變送器，元件。它可以直接測量名種生產(chǎn)過程中從0～800℃范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體外表的溫度。7-8鎧裝熱電偶斷面構(gòu)造圖鎧裝熱電偶的構(gòu)造原理是由導(dǎo)體、高絕緣氧化鎂、外套1Cr18Ni9Ti不銹鋼保護(hù)管，經(jīng)屢次一體拉制而成。鎧裝熱電偶產(chǎn)品主要由接線盒、接線端子和鎧裝熱電偶組成根本構(gòu)造，并配以各種安裝固定裝置組成。鎧裝熱電偶分絕緣式和接殼式兩種。其次節(jié)熱電阻熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的特性測量溫度的。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?！饘贌犭娮锜犭娮铚y溫原理熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)展溫度測量的。阻將按以下公式而隨溫度發(fā)生變化：

RR(1at)0 〔7-12〕0Rt℃時的電阻，R是℃時的電阻，a是常數(shù)。比較準(zhǔn)確的公式是：000 〔7-13〕式中b是其次個常數(shù)。電阻溫度計在-260℃～+1200℃范圍內(nèi)，可作極準(zhǔn)確的測定。它適用范圍廣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出水銀溫度計，可作測溫的標(biāo)準(zhǔn)。熱電阻材料的特點(diǎn)熱電阻材料必需具有以下特點(diǎn)：高溫度系數(shù)、高電阻率。這樣在同樣條件下可加快反響速度，提高靈敏度，減小體積和重量?；瘜W(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。良好的輸出特性。即必需有線性的或者接近線性的輸出。良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)、降低本錢。適宜制作熱電阻的材料有鉑、銅、鎳、鐵等。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)峻的缺點(diǎn)，出－輸入特性接近線性，測量精度高。 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：0～ 在-190～0℃溫度范圍內(nèi)：

R Rt

1AtBt2

(7-14)RRt

(7-15)式中R0、Rt——0t℃的電阻值；A——常數(shù)(3.96847×10-3/℃)；B——常數(shù)(-5.847×10-7/℃)；C——常數(shù)(-4.22×10-12/℃)。鉑電阻制成的溫度計，除作溫度標(biāo)準(zhǔn)外，還廣泛應(yīng)用于高精度的工業(yè)測量。由于鉑為-50～150℃范圍 RRt

2Ct3

(7-16)當(dāng)溫度高于100℃時易被氧化，因此適用于溫度較低和沒有浸蝕性的介質(zhì)中工作。3熱電阻的構(gòu)造一般型熱電阻WZP型〔圓柱形〕WZP型薄膜7-9所示。7-9鎧裝熱電阻〔電阻體φ2～φ8mm，最小可達(dá)φ0.5mm。鎧裝鉑電阻與一般型熱電阻相比，它有以下優(yōu)點(diǎn)：體積小，內(nèi)部無空氣隙，熱慣性小，測量滯后??；機(jī)械性能好、耐振，抗沖擊；能彎曲，便于安裝；④使用壽命長。端面熱電阻端面熱電阻感溫元件由特別處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面，它與一般軸向隔爆型熱電阻隔爆型熱電阻通過特別構(gòu)造的接線盒，能把內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等Bla～B3c級區(qū)內(nèi)具有爆炸危急場所的溫度測量。薄膜鉑電阻薄膜鉑電阻是使用最的薄膜技術(shù)而制造的溫度傳感器。與其他類型的熱電阻比十年月后期的技術(shù)水平。一體化數(shù)顯溫度變送器4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號。二半導(dǎo)體熱敏電阻μ 熱敏電阻是一種開發(fā)早、種類多、進(jìn)展較成熟的敏感元器件．熱敏電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起電阻變化．假設(shè)電子和空穴的濃度分別為n、p，遷移率分μ n pq(n p)n p

(7-28) n、p、n、p都是依靠溫度T的函數(shù)，所以電導(dǎo)是溫度的函數(shù)，因此可由測量—理．熱敏電阻包括正溫度系數(shù)熱敏電阻〔PTC〕和負(fù)溫度系數(shù)〔NTC〕熱敏電阻以及臨界溫度熱敏電阻〔CTR〕。它們的電阻--7-10所示。7-10幾種熱敏電阻阻值-溫度曲線熱敏電阻的主要特點(diǎn)是：靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10~6℃的溫度變化；工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃〔目前最高可到達(dá)2023℃〕，低溫器件適用于-273℃～55℃；體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的0.1～100kΩ成簡單的外形，可大批量生產(chǎn)；穩(wěn)定性好、過載力量強(qiáng)．缺點(diǎn)是互換性差，非線性嚴(yán)峻。PTC熱敏電阻PTC〔PositiveTemperatureCoefficient〕19501954年消滅了以鈦酸鋇為主要材料的PTC熱敏電阻．其特點(diǎn)是在某一溫度下電阻值急劇增加、具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象或材料，可特地用作恒定溫度傳感器．典型的PTC熱敏電阻是以BaTiO3SrTiO3或PbTiO3為主要成分的燒結(jié)體，其中摻入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物進(jìn)展原子價掌握而使之半導(dǎo)化，常將這種半導(dǎo)體化的BaTiO3等材料簡稱為半導(dǎo)〔體〕瓷；同時還添加增大其正電阻溫度系數(shù)的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，承受一般陶瓷工藝成形、高溫?zé)Y(jié)而使鈦酸鉑等結(jié)條件〔尤其是冷卻溫度〕不同而變化．PTC熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似用試驗公式表示：R RT T0

expBp

(TT)0B

(7-16)RR式中 、RRT

T0T、T0

時電阻值，

p為該種材料的材料常數(shù)．NTC熱敏電阻NTC〔NegativeTemperatureCoefficient〕是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小，具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象和材料。該材料是利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種系數(shù)〔NTC〕的熱敏電阻。其電阻