傳感器與檢測(cè)技術(shù)-完整版本課件

任務(wù)6.1熱電偶測(cè)溫度任務(wù)6.2熱電阻測(cè)溫度項(xiàng)目6溫度測(cè)量任務(wù)6.1熱電偶測(cè)溫度任務(wù)6.2熱電阻測(cè)溫【知識(shí)目標(biāo)】學(xué)習(xí)熱電偶和熱電阻的的工作原理，熟悉常用熱電極材料的類(lèi)型、性能特點(diǎn)。【能力目標(biāo)】學(xué)會(huì)識(shí)別一般溫度檢測(cè)元件和測(cè)溫儀表，能夠使用熱電偶和熱電阻，利用手冊(cè)查閱測(cè)溫元件的技術(shù)參數(shù)，解決簡(jiǎn)單的溫度檢測(cè)問(wèn)題。【知識(shí)目標(biāo)】任務(wù)6.1熱電偶測(cè)溫度任務(wù)6.1熱電偶測(cè)溫度＊任務(wù)導(dǎo)入

在軋鋼過(guò)程中，鋼坯的軋制溫度是關(guān)鍵的工藝參數(shù)，鋼坯溫度控制的好壞，將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，加熱爐的爐溫在950～1200℃之間，它要跟隨軋機(jī)軋制節(jié)奏的變化來(lái)隨時(shí)調(diào)節(jié)，所以能否有效地控制加熱爐的溫度，直接影響鋼坯的質(zhì)量和成本，而對(duì)溫度進(jìn)行精確地測(cè)量是控制的前提。本任務(wù)就是針對(duì)軋鋼工藝鋼坯溫度的控制，來(lái)選擇一種溫度傳感器來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量。

＊任務(wù)導(dǎo)入在軋鋼過(guò)程中，鋼坯的軋制溫度是關(guān)鍵的工藝參[基本知識(shí)與技能]熱電偶的認(rèn)識(shí)

熱電偶是工程上常用的一種的溫度檢測(cè)傳感器，它是一種自發(fā)電式傳感器，測(cè)量時(shí)不需要外加電源，直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成電勢(shì)輸出。熱電偶在溫度測(cè)量中應(yīng)用具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。常用的熱電偶測(cè)量范圍為-50～1600℃。如果配用特殊材料，測(cè)量范圍會(huì)更廣，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-270℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢錸）。[基本知識(shí)與技能]熱電偶的認(rèn)識(shí)6.1.1熱電偶的工作原理1.熱電效應(yīng)當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，形成電流，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“熱電效應(yīng)”。如圖所示，兩種導(dǎo)體所組成的閉合回路稱(chēng)為熱電偶，回路中的電勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)；兩個(gè)導(dǎo)體A和B稱(chēng)為熱電極。測(cè)量溫度時(shí)，兩個(gè)熱電極的一個(gè)接點(diǎn)1置于被測(cè)溫度場(chǎng)（T）中，稱(chēng)該點(diǎn)為測(cè)量端，也叫工作端或熱端；另一個(gè)接點(diǎn)2置于某個(gè)恒定溫度（T0）的地方，稱(chēng)參考端或自由端、冷端。熱電偶測(cè)溫原理圖6.1.1熱電偶的工作原理1.熱電效應(yīng)熱電偶6.1.1熱電偶的工作原理

2.熱電勢(shì)的組成熱電偶回路內(nèi)產(chǎn)生的熱電勢(shì)由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成，下面以導(dǎo)體為例說(shuō)明熱電勢(shì)的產(chǎn)生。（1）接觸電勢(shì)由于不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸時(shí)，在接觸面上就會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散。電子的擴(kuò)散速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度為NA和NB，且有NA>NB，電子擴(kuò)散的結(jié)果使導(dǎo)體A失去電子而帶正電，導(dǎo)體B則因獲得電子而帶負(fù)電，在接觸面形成電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)阻礙了電子繼續(xù)擴(kuò)散，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在接觸區(qū)形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差，即接觸電動(dòng)勢(shì)，如圖所示。接觸電勢(shì)6.1.1熱電偶的工作原理2.熱電勢(shì)的組成接6.1.1熱電偶的工作原理

2.熱電勢(shì)的組成（2）溫差電勢(shì)同一導(dǎo)體中的，如果兩端溫度不同，在兩端間會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，即產(chǎn)生單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)，這是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動(dòng)能，因而向低溫端擴(kuò)散的結(jié)果。高溫端因失去電子而帶正電，低溫端由于獲得電子而帶負(fù)電，在高低溫端之間形成一個(gè)電位差。溫差電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體的性質(zhì)和兩端的溫差有關(guān)。6.1.1熱電偶的工作原理2.熱電勢(shì)的組成6.1.1熱電偶的工作原理結(jié)論：1）熱電偶的兩個(gè)熱電極必須是兩種不同材料的均質(zhì)導(dǎo)體，否則熱電偶回路的總電勢(shì)零。2）熱電偶兩接點(diǎn)溫度必須不等，否則，熱電偶回路總熱電勢(shì)也為零。3）當(dāng)熱電偶材料均勻時(shí)，熱電偶的熱電勢(shì)只與兩個(gè)接點(diǎn)溫度有關(guān)，而與中間溫度無(wú)關(guān)，與熱電偶的材料有關(guān)，而與熱電偶的尺寸、形狀無(wú)關(guān)。

6.1.1熱電偶的工作原理結(jié)論：6.1.2熱電偶的材料及結(jié)構(gòu)1.熱電偶的材料根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)原理，任意兩種不同材料的導(dǎo)體都可以作為熱電極組成熱電偶，但是在實(shí)際應(yīng)用中，用作熱電極的材料應(yīng)具備如下幾方面的條件：（1）熱電勢(shì)應(yīng)足夠大；（2）熱電性能穩(wěn)定，熱電勢(shì)與溫度有單值關(guān)系或簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系；（3）電阻溫度系數(shù)和電阻率要小；（4）易于復(fù)制，工藝性與互換性好，便于制定統(tǒng)一的分度表，材料要有一定的韌性，焊接性能好，以利于制作。常用的熱電偶材料有鉑銠、鎳鉻、鎳硅、康銅、鎳銅、純鉑絲等。6.1.2熱電偶的材料及結(jié)構(gòu)1.熱電偶的材料6.1.2熱電偶的材料及結(jié)構(gòu)（1）普通型熱電偶。該類(lèi)型的熱電偶外形如圖所示，主要用于測(cè)量氣體、蒸汽和液體等介質(zhì)的溫度，熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等幾個(gè)主要部分組成。它的熱電極是一端焊在一起的兩根金屬絲，兩熱電極之間用絕緣管絕緣。1熱電極2絕緣套管3保護(hù)套管4接線盒普通熱電偶結(jié)構(gòu)6.1.2熱電偶的材料及結(jié)構(gòu)（1）普通型熱電偶6.1.2熱電偶的材料及結(jié)構(gòu)（2）鎧裝熱電偶（纜式）。它是將熱電極、絕緣材料和金屬保護(hù)套管組合在一起，經(jīng)拉伸加工而成。根據(jù)測(cè)量端的形式不同，可分為碰底型、不碰底型、露頭型、帽型等。鎧裝熱電偶具有能彎曲、耐高壓、熱響應(yīng)時(shí)間快和堅(jiān)固耐用等許多優(yōu)點(diǎn)，適用于位置狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的測(cè)量對(duì)象，其實(shí)物外形如圖所示。鎧裝熱電偶6.1.2熱電偶的材料及結(jié)構(gòu)（2）鎧裝熱電偶（6.1.2熱電偶的材料及結(jié)構(gòu)（3）薄膜熱電偶用真空蒸鍍（或真空濺射）、化學(xué)涂層等工藝，將熱電極材料沉積在絕緣基板上形成的一層金屬薄膜。熱電偶測(cè)量端既小又?。ê穸瓤蛇_(dá)0.01～0.1μm），因而熱慣性小，反應(yīng)快，可用于測(cè)量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。薄膜熱電偶分為片狀、針狀等。（4）表面熱電偶。表面熱電偶是用來(lái)測(cè)量各種狀態(tài)的固體表面溫度，如測(cè)量軋輥、金屬塊、爐壁、橡膠筒和渦輪葉片等表面溫度。（5）浸入式熱電偶。浸入式熱電偶主要用來(lái)測(cè)量液態(tài)金屬溫度，它可直接插入液態(tài)金屬中，常用于鋼水、鐵水、銅水、鋁水和熔融合金溫度的測(cè)量。6.1.2熱電偶的材料及結(jié)構(gòu)（3）薄膜熱電偶6.1.3熱電偶的溫度補(bǔ)償從熱電效應(yīng)的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與兩端溫度有關(guān)。只有將冷端的溫度恒定，熱電勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)。由于熱電偶分度表是以冷端溫度為0℃時(shí)作出的，因此在使用時(shí)要正確反映熱端溫度，最好設(shè)法使冷端溫度恒為0℃。但實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶的冷端通?？拷粶y(cè)對(duì)象，且受到周?chē)h(huán)境溫度的影響，其溫度不是恒定不變的。為此，必須采取一些相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償或修正，常用的方法有以下幾種：1.0℃恒溫法將熱電偶的參考端置于0℃的恒溫容器中，從而保證參考端的溫度恒為0℃。這種方法只適用于實(shí)驗(yàn)室或精密的溫度測(cè)量。6.1.3熱電偶的溫度補(bǔ)償從熱電效應(yīng)的原理可知，6.1.3熱電偶的溫度補(bǔ)償

2.參考端恒溫法在實(shí)際測(cè)量中，要把參考端恒定在0℃常常會(huì)遇到困難，因此可以設(shè)法使參考端恒定在某一常溫Tn下。通常采用恒溫器盛裝熱電偶的參考端，或?qū)⒖级酥糜跍囟茸兓徛拇笥筒壑小?/p>

3.電橋補(bǔ)償法。若實(shí)現(xiàn)參考端恒溫也有困難，可采用電橋補(bǔ)償法。電橋補(bǔ)償原理圖6.1.3熱電偶的溫度補(bǔ)償2.參考端恒溫法6.1.3熱電偶的溫度補(bǔ)償4.補(bǔ)償導(dǎo)線法。補(bǔ)償導(dǎo)線法又稱(chēng)參考端延長(zhǎng)法，在實(shí)際工作中，熱電偶常置于所測(cè)的溫度場(chǎng)中，指示儀表與溫度場(chǎng)往往相距很遠(yuǎn)。熱電偶的材料通常為貴重金屬，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，常用廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線來(lái)完成這種遠(yuǎn)距離的連接，所用的連接線稱(chēng)為參考端補(bǔ)償導(dǎo)線或延長(zhǎng)線。所謂補(bǔ)償導(dǎo)線，實(shí)際上是一對(duì)材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，在0～150℃溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價(jià)格相對(duì)要便宜。如圖所示是補(bǔ)償導(dǎo)線法示意圖。該方法中熱電極加長(zhǎng)的部分是另外兩根不同金屬的長(zhǎng)導(dǎo)線P和Q，稱(chēng)參考端補(bǔ)償導(dǎo)線。

參考端延長(zhǎng)法示意圖6.1.3熱電偶的溫度補(bǔ)償4.補(bǔ)償導(dǎo)線法。＊任務(wù)實(shí)施：

據(jù)軋鋼爐的測(cè)溫范圍及使用要求，結(jié)合熱電偶的相關(guān)知識(shí)，選用性?xún)r(jià)比最優(yōu)的鎳鉻－鎳硅（K）熱電偶作為測(cè)溫傳感器。如圖所示，將熱電偶的熱端插入爐內(nèi)檢測(cè)爐溫T，冷端通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x表的輸入銅導(dǎo)線相連，并插入冰瓶，保證T0＝0℃，此時(shí)通過(guò)測(cè)量?jī)x表測(cè)得的熱電勢(shì)即可確定爐內(nèi)的實(shí)際溫度。測(cè)量爐溫示意圖＊任務(wù)實(shí)施：據(jù)軋鋼爐的測(cè)溫范圍及使用要求，結(jié)任務(wù)6.2熱電阻測(cè)溫任務(wù)6.2熱電阻測(cè)溫＊任務(wù)導(dǎo)入在煉油、化工行業(yè)常用到氣化爐，爐內(nèi)正常溫度在1300℃左右，甚至高達(dá)1500℃以上。爐內(nèi)所襯爐磚在高溫時(shí)會(huì)熔蝕，受熱氣體和融渣的沖刷，耐火磚不斷變薄。爐內(nèi)耐火磚的減薄甚至脫落，使熾熱氣體通過(guò)磚縫侵入到氣化爐爐壁，使其表面溫度升高，氣化爐金屬外殼強(qiáng)度降低，造成設(shè)備不安全。本課題的任務(wù)就是要檢測(cè)氣化爐表面溫度并給予報(bào)警，以便及時(shí)確定更換耐火磚的時(shí)間。氣化爐的耐壓壓力為6.5MPa(G)，爐表面溫度在400℃～450℃之間，正常值為425℃左右。根據(jù)傳感器溫度測(cè)量范圍，可以選擇熱電阻溫度傳感器為測(cè)溫元件，組成溫度報(bào)警系統(tǒng)。熱電阻溫度傳感器是如何測(cè)量溫度？其結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)如何？＊任務(wù)導(dǎo)入在煉油、化工行業(yè)常用到氣化爐，爐內(nèi)正常溫度在1[基本知識(shí)與技能]電阻式溫度傳感器的認(rèn)識(shí)

電阻式溫度傳感器就是將溫度變化轉(zhuǎn)化為溫度敏感元件的電阻變化，進(jìn)而通過(guò)電路變成電壓或電流信號(hào)輸出。它是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行溫度測(cè)量，即材料的電阻率隨溫度的變化而變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電阻效應(yīng)，一般把金屬導(dǎo)體制成的測(cè)溫元件稱(chēng)為金屬熱電阻，簡(jiǎn)稱(chēng)熱電阻；把由半導(dǎo)體材料制成的測(cè)溫元件稱(chēng)為半導(dǎo)體熱電阻，簡(jiǎn)稱(chēng)熱敏電阻。[基本知識(shí)與技能]電阻式溫度傳感器的認(rèn)識(shí)6.2.1熱電阻1.熱電阻基本工作原理熱電阻通常是用純金屬制成的，它是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電阻是中低溫區(qū)（–200～＋650℃）最常用的一種測(cè)溫敏感元件。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。常用的金屬熱電阻主要有：鉑電阻和銅電阻。6.2.1熱電阻1.熱電阻基本工作原理6.2.1熱電阻2.常用熱電偶（1）鉑電阻鉑電阻是目前公認(rèn)的制造熱電阻的最好材料，它性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，測(cè)量精度高，其電阻值與溫度之間有很近似的線性關(guān)系。缺點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)小，價(jià)格較高。鉑電阻主要用于制成標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)，其測(cè)量范圍一般為-200～+650℃。按照ITS-1990標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的最常用的工業(yè)用鉑電阻為Pt100和Pt1000，即在0℃時(shí)鉑電阻阻值R0值為100Ω和1000Ω。6.2.1熱電阻2.常用熱電偶6.2.1熱電阻2.常用熱電偶（2）銅電阻銅材料容易提純，具有較大的電阻溫度系數(shù)，銅電阻的阻值與溫度之間接近線性關(guān)系，銅的價(jià)格比較便宜。銅電阻的缺點(diǎn)是電阻率較小，所以體積較大，穩(wěn)定性也較差，容易氧化。在一些測(cè)量精度要求不高，測(cè)溫范圍較小(-50℃～150℃)的情況下，普遍采用銅電阻。我國(guó)常用的銅電阻為Cu50和Cu100，即在0℃時(shí)其阻值R0值為50Ω和100Ω，銅電阻值與溫度之間的關(guān)系可以查熱電阻分度表Cu50或Cu100。（3）其他熱電阻鎳和鐵的電阻溫度系數(shù)大，電阻率高，可用于制成體積大、靈敏度高的熱電阻。但由于容易氧化，化學(xué)穩(wěn)定性差，不易提純，重復(fù)性和線性度差，目前應(yīng)用還不多。6.2.1熱電阻2.常用熱電偶6.2.1熱電阻3.熱電阻的結(jié)構(gòu)在測(cè)量環(huán)境良好、無(wú)腐蝕性的氣體或固體表面溫度時(shí)，可直接使用電阻式溫度敏感元件。但在測(cè)量液體或測(cè)量環(huán)境比較惡劣時(shí)無(wú)法直接使用電阻式溫度敏感元件，需要在其外表加防護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)。在工業(yè)測(cè)量過(guò)程中，為了防腐蝕，抗沖擊，延長(zhǎng)使用壽命，便于安裝、接線，常用以下四種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。（1）普通型熱電阻溫度傳感器（2）鎧裝熱電阻溫度傳感器（3）端面熱電阻溫度傳感器（4）隔爆型熱電阻溫度傳感器6.2.1熱電阻3.熱電阻的結(jié)構(gòu)6.2.1熱電阻4.熱電阻的測(cè)量電路最常用的熱電阻測(cè)溫電路是電橋電路，如圖所示。圖中R1、R2、R3和Rt（或Rq、RM）組成電橋的四個(gè)橋臂，其中Rt是熱電阻，Rq和RM分別是調(diào)零和調(diào)滿(mǎn)刻度的調(diào)整電阻（電位器）。測(cè)量時(shí)先將切換S扳到“1”位置，調(diào)節(jié)Rq使儀表指示為零，然后將S扳到“3”位置，調(diào)節(jié)RM使儀表指示到滿(mǎn)刻度，作這種調(diào)整后再將S扳到“2”位置，則可進(jìn)行正常測(cè)量。熱電阻測(cè)溫電路6.2.1熱電阻4.熱電阻的測(cè)量電路熱電阻測(cè)6.2.1熱電阻在實(shí)際應(yīng)用中，熱電阻敏感元件安裝在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，感受被測(cè)介質(zhì)的溫度變化，而測(cè)量電路、顯示儀表安裝在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制室內(nèi)，熱電阻的引線電阻將對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響，造成測(cè)量誤差。為了克服環(huán)境溫度的影響常采用三線單臂電橋電路。下圖為熱電阻的三線連接法。熱電阻測(cè)量電橋的三線連接6.2.1熱電阻在實(shí)際應(yīng)用中，熱電阻敏感元件安裝在6.2.2熱敏電阻1.熱敏電阻的特性熱敏電阻是一種新型的半導(dǎo)體測(cè)溫元件，它是用電阻值隨溫度而顯著變化的半導(dǎo)體電阻制成的。通常采用重金屬氧化物錳、鈦、鈷等材料，在高溫下燒結(jié)混合而成。用半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻，與金屬熱電阻相比，有如下特點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)