CH8熱電式傳感器

第8章熱電式傳感器傳感器與檢測技術(shù)（第2版）PAGE174PAGE175第8章熱電式傳感器（知識點）知識點1熱電效應(yīng)圖8.1熱電偶結(jié)構(gòu)原理圖如圖8.1所示。兩種不同的導(dǎo)體兩端相互緊密地連接在一起，組成一個閉合回路。當兩接點溫度不等時（設(shè)），回路中就會產(chǎn)生大小和方向與導(dǎo)體材料及兩接點的溫度有關(guān)的電動勢，從而形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。該電動勢稱為熱電動勢；把這兩種不同導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，稱A、B兩導(dǎo)體為熱電極。兩個接點，一個為工作端或熱端（），測溫時將它置于被測溫度場中；另一個叫自由端或冷端（），一般要求它恒定在某一溫度。實際上，熱電動勢來源于兩個方面，一部分由兩種導(dǎo)體的接觸電動勢構(gòu)成，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動勢。(1)兩種導(dǎo)體的接觸電動勢圖8.2接觸電動勢不同導(dǎo)體的自由電子密度是不同的。當兩種不同的導(dǎo)體A、B連接在一起，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同，因此，在A、B的接觸處就會發(fā)生電子的擴散，且電子在兩個方向上擴散的速率不相同。這種由于兩種導(dǎo)體自由電子密度不同，而在其接觸處形成的電動勢稱為接觸電動勢。接觸電動勢的大小與導(dǎo)體的材料、接點的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的直徑、長度、幾何形狀等無關(guān)。兩接點的接觸電動勢用符號表示：(8.1)式中：－A、B兩種材料在溫度時的接觸電動勢－波爾茲曼常數(shù)（＝1.38×10－23）－材料A、B分別在溫度下的自由電子密度＝1.6×10－19－單個電子的電荷量。(2)單一導(dǎo)體的溫差電動勢對單一金屬導(dǎo)體，如果將導(dǎo)體兩端分別置于不同的溫度場中（），在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動能，將更多地向冷端移動，導(dǎo)致熱端失去電子帶正電，冷端得到電子帶負電，這樣，導(dǎo)體兩端將產(chǎn)生一個熱端指向冷端的靜電場。該電場阻止電子從熱端繼續(xù)向冷端轉(zhuǎn)移，并使電子反方向移動，最終將達到動態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電位差，稱為溫差電動勢。溫差電動勢的大小取決于導(dǎo)體材料和兩端的溫度，可表示為：(8.3)式中：－導(dǎo)體A在兩端溫度為時形成的溫差電動勢(3)熱電偶回路的總電動勢實踐證明，熱電偶回路中所產(chǎn)生的熱電動勢主要是由接觸電動勢引起的，溫差電動勢所占比例極小，可以忽略不計；因為和的極性相反，假設(shè)導(dǎo)體A的電子密度大于導(dǎo)體B的電子密度，且A為正極、B為負極，因此回路的總電動勢為：（8.5）由此可見，熱電偶總電動勢與兩種材料的電子密度以及兩接點的溫度有關(guān)，可得出以下結(jié)論：·如果熱電偶兩電極相同，即、，則無論兩接點溫度如何，總熱電動勢始終為0?！と绻麩犭娕純山狱c溫度相同（），盡管A、B材料不同，回路中總電動勢依然為0?！犭娕籍a(chǎn)生的熱電動勢大小與材料（）和接點溫度（）有關(guān)，與其尺寸、形狀等無關(guān)?！犭娕荚诮狱c溫度為時的熱電動勢，等于此熱電偶在接點溫度為與兩個不同狀態(tài)下的熱電動勢之和，即：（8.6）·電子密度取決于熱電偶材料的特性和溫度，當熱電極A、B選定后，熱電動勢就是兩接點溫度和的函數(shù)差，即：（8.7）如果自由端的溫度保持不變，即（常數(shù)），此時，就成為的單一函數(shù)，即：（8.8）式(8.8)在實際測溫中得到了廣泛應(yīng)用。當保持熱電偶自由端溫度不變時，只要用儀表測出總電動勢，就可以求得工作端溫度。在實用中，常把自由端溫度保持在0℃或室溫。對于不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數(shù)關(guān)系，一般通過實驗方法來確定，并將不同溫度下所測得的結(jié)果列成表格，編制出針對各種熱電偶的熱電動勢與溫度的對照表，稱為分度表，供使用時查閱。表中溫度按10℃分檔，其中間值可按內(nèi)插法計算（8.9）式中：－被測溫度值－較高的溫度值－較低的溫度值、、－分別為溫度、、對應(yīng)的熱電動勢知識點2熱電偶的基本定律1）中間導(dǎo)體定律在熱電偶測溫回路內(nèi)接入第三種導(dǎo)體，只要其兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。中間導(dǎo)體定律的意義在于：在實際的熱電偶測溫應(yīng)用中，測量儀表（如動圈式毫伏表、電子電位差計等）和連接導(dǎo)線可以作為第三種導(dǎo)體對待。2）中間溫度定律熱電偶AB在接點溫度為、時的熱電動勢等于它在接點溫度、和、時的熱電動勢和的代數(shù)和，即：(8.20)中間溫度定律為補償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。它表明：如果熱電偶的兩個電極通過連接兩根導(dǎo)體的方式來延長，只要接入的兩根導(dǎo)體的熱電特性與被延長的兩個電極的熱電特性一致，且它們之間連接的兩點間溫度相同，則回路總的熱電動勢只與延長后的兩端溫度有關(guān)，與連接點溫度無關(guān)。3）標準電極定律如果兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩個導(dǎo)體A、B組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢可由下式來確定：（8.21）標準電極定律的意義在于：純金屬的種類很多，合金的種類更多，要得出這些金屬間組成熱電偶的熱電動勢是一件工作量極大的事。在實際處理中，由于鉑的物理化學性質(zhì)穩(wěn)定，通常選用高純鉑絲作標準電極，只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標準電極定律計算出來。4）均質(zhì)導(dǎo)體定律如果組成熱電偶的兩個熱電極的材料相同，無論兩接點的溫度是否相同，熱電偶回路中的總熱電動勢均為0。均質(zhì)導(dǎo)體定律有助于檢驗兩個熱電極材料成分是否相同及熱電極材料的均勻性。知識點3熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類（1）結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)不同測量對象的測溫條件和要求，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜型熱電偶。1）普通型熱電偶圖8.6普通型熱電偶結(jié)構(gòu)普通型熱電偶如圖8.6所示。它一般由熱電極、絕緣管、保護管和接線盒等幾個主要部分組成。在工業(yè)上使用最為廣泛。2）特殊熱電偶·鎧裝型(sheath)熱電偶它是由熱電極、絕緣材料和金屬保護套管一起拉制加工而成的堅實纜狀組合體，如圖8.7所示。它可以做得很細很長，使用中可隨需要任意彎曲；測溫范圍通常在1100℃以下。優(yōu)點：測溫端熱容量小，因此熱慣性小、動態(tài)響應(yīng)快；壽命長，圖8.7鎧裝型熱電偶的結(jié)構(gòu)·薄膜型熱電偶圖8.8薄膜型熱電偶的結(jié)構(gòu)它是將兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板（云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等）上制成的一種特殊熱電偶。薄膜熱電偶的接點可以做得很小、很?。?.01～0.1），具有熱容量小、響應(yīng)速度快（級）等特點。適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度的測量，測溫范圍在300℃以下。（2）熱電極材料的選取根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)原理，理論上講，任何兩種不同材料的導(dǎo)體都可以組成熱電偶，但為了準確可靠地測量溫度，對組成熱電偶的材料有嚴格的選擇條件。在實際應(yīng)用中，用作熱電極的材料一般應(yīng)具備以下條件：1）性能穩(wěn)定2）溫度測量范圍廣3）物理化學性能穩(wěn)定4）導(dǎo)電率要高，并且電阻溫度系數(shù)要小。5）材料的機械強度要高，復(fù)制性好、復(fù)制工藝簡單，價格便宜。（3）熱電偶的種類目前，國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦了8種標準化熱電偶。表8.6是我國采用的符合IEC標準的六種熱電偶的主要性能和特點。表8.6標準化熱電偶的主要性能特點熱電偶名稱正熱電極負熱電極分度號測溫范圍特點鉑銠30－鉑銠6鉑銠30鉑銠6B0～＋1700（超高溫）適用于氧化性氣氛中測溫，測溫上限高，穩(wěn)定性好。在冶金、鋼水等高溫領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鉑銠10－鉑鉑銠10純鉑S0～＋1600（超高溫）適用于氧化性、惰性氣氛中測溫，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強，精度高，但價格貴、熱電動勢較小。常用作標準熱電偶或用于高溫測量。鎳鉻－鎳硅鎳鉻合金鎳硅K－200～＋1200（高溫）適用于氧化和中性氣氛中測溫，測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關(guān)系近似線性、熱電動勢大、價格低。穩(wěn)定性不如B、S型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩(wěn)定的一種。鎳鉻－康銅鎳鉻合金銅鎳合金E－200～＋900（中溫）適用于還原性或惰性氣氛中測溫，熱電動勢較其他熱電偶大，穩(wěn)定性好，靈敏度高，價格低。鐵－康銅鐵銅鎳合金J－200～＋750（中溫）適用于還原性氣氛中測溫，價格低，熱電動勢較大，僅次于E型熱電偶。缺點是鐵極易氧化。銅－康銅銅銅鎳合金T－200～＋350（低溫）適用于還原性氣氛中測溫，精度高，價格低。在－200～0℃可制成標準熱電偶。缺點是銅極易氧化。知識點3熱電偶的冷端溫度補償由熱電偶的測溫原理可以知道，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢大小與兩端溫度有關(guān)，熱電偶的輸出電動勢只有在冷端溫度不變的條件下，才與工作端溫度成單值函數(shù)關(guān)系。進行冷端溫度補償?shù)姆椒ㄓ校海?）補償導(dǎo)線法熱電偶的長度一般只有1m左右，要保證熱電偶的冷端溫度不變，可以把熱電極加長，使自由端遠離工作端，放置到恒溫或溫度波動較小的地方，但這種方法對于由貴金屬材料制成的熱電偶來說將使投資增加，解決的辦法是：采用一種稱為補償導(dǎo)線的特殊導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸出來。補償導(dǎo)線實際上是一對與熱電極化學成分不同的導(dǎo)線，在0～150℃（2）冷端恒溫法就是把熱電偶的冷端置于某些溫度不變的裝置中，以保證冷端溫度不受熱端測量溫度的影響。恒溫裝置可以是電熱恒溫器或冰點槽（槽中裝冰水混合物，溫度保持在0℃）（3）冷端溫度校正法如果熱電偶的冷端溫度偏離0℃，但穩(wěn)定在℃，則按式（8.20）（即中間溫度定律）對儀表指示值進行修正。（4）自動補償法自動補償法也稱電橋補償法，它是在熱電偶與儀表間加上一個補償電橋，當熱電偶冷端溫度升高，導(dǎo)致回路總電動勢降低時，這個電橋感受自由端溫度的變化，產(chǎn)生一個電位差，其數(shù)值剛好與熱電偶降低的電動勢相同，兩者互相補償。這樣，測量儀表上所測得的電動勢將不隨自由端溫度而變化。自動補償法解決了冷端溫度校正法不適合連續(xù)測溫的問題。知識點4熱電偶的實用測溫線路（1）測量單點的溫度圖8.12熱電偶單點溫度測量線路圖圖8.12是一個熱電偶直接和儀表配用的測量單點溫度的測量線路，圖中A、B組成熱電偶。熱電偶在測溫時，也可以與溫度補償器連接，轉(zhuǎn)換成標準電流信號輸出。（2）測量兩點間溫度差（反極性串聯(lián)）圖8.13是測量兩點間溫度差（）的一種方法。將兩個同型號的熱電偶配用相同的補償導(dǎo)線，其接線應(yīng)使兩熱電偶反向串聯(lián)（A接A、B接B），使得兩熱電動勢方向相反，故輸入儀表的是其差值，這一差值反映了兩熱電偶熱端的溫度差。圖8.13熱電偶測量兩點溫度差線路圖(3)測量多點的平均溫度（同極性并聯(lián)或串聯(lián)）有些大型設(shè)備，有時需要測量多點（兩點或兩點以上）的平均溫度，可以通過將多支同型號的熱電偶同極性并聯(lián)或串聯(lián)的方式來實現(xiàn)。1）熱電偶的并聯(lián)將多支同型號熱電偶的正極和負極分別連接在一起的線路稱為熱電偶的并聯(lián)。圖8.14是測量三點的平均溫度的熱電偶并聯(lián)連接線路，用三只同型號的熱電偶并聯(lián)在一起，在每一只熱電偶線路中分別串聯(lián)均衡電阻。根據(jù)電路理論，可得回路中總的電動勢為：（8.32）式中：－分別為單只熱電偶的熱電動勢。特點：當有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。當然，它也不會中斷整個測溫系統(tǒng)的工作。圖8.14熱電偶的并聯(lián)測溫線路圖2）熱電偶的串聯(lián)將多支同型號熱電偶的正負極依次連接形成的線路稱為熱電偶的串聯(lián)。圖8.15是將三支同型號的熱電偶依次將正、負極相連串接起來，此時，回路總的熱電動勢等于三支熱電偶的熱電動勢之和，即回路的總電動勢為：（8.33）圖8.15熱電偶的串聯(lián)測溫線路圖可見對應(yīng)得到的是三點的溫度之和，如果將結(jié)果再除以3，就得到三點的平均溫度。串聯(lián)線路的主要優(yōu)點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點，只要有一只熱電偶斷路，總的熱電動勢消失，立即可以發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統(tǒng)將停止工作。知識點5熱電偶的應(yīng)用圖8.17是采用AD594C的溫度測量電路實例。AD594C片內(nèi)除有放大電路外，還有溫度補償電路，對于J型熱電偶經(jīng)激光修整后可得到10輸出。在0～300℃測量范圍內(nèi)精度為±1℃。測量時，熱電偶內(nèi)產(chǎn)生的與溫度相對應(yīng)的熱電動勢經(jīng)AD594C的-IN和+IN兩引腳輸入，經(jīng)初級放大和溫度補償后，再送入主放大器A1，運算放大器A1輸出的電壓信號反映了被測溫度的高低。若AD594C輸出接A/D轉(zhuǎn)換器，則可構(gòu)成數(shù)字溫度計。圖8.17熱電偶溫度測量電路實例

圖8.18熱電偶爐溫控制系統(tǒng)常用爐溫測量控制系統(tǒng)如圖8.18所示。毫伏定值器給出給定溫度的相應(yīng)毫伏值，將熱電偶的熱電勢與定值器的毫伏值相比較，若有偏差則表示爐溫偏離給定值，此偏差經(jīng)放大器送入調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過晶閘管觸發(fā)器推動晶閘管執(zhí)行器來調(diào)整電爐絲的加熱功率，直到偏差被消除，從而實現(xiàn)對溫度的自動控制。知識點6熱電阻熱電阻作為一種感溫元件，它是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來實現(xiàn)對溫度的測量。最常用的材料是鉑和銅。工業(yè)上被廣泛用來測量中低溫區(qū)－200～500oC的溫度。熱電阻由電阻體、保護套管和接線盒等部件組成，如圖8.19（a）所示。熱電阻絲是繞在骨架上的，骨架采用石英、云母、陶瓷或塑料等材料制成，可根據(jù)需要將骨架制成不同的外形。為了防止電阻體出現(xiàn)電感，熱電阻絲通常采用雙線并繞法，如圖8.19（b）所示。圖8.19熱電阻結(jié)構(gòu)圖8.2.1鉑熱電阻在氧化性介質(zhì)中，甚至在高溫下，其物理、化學性能穩(wěn)定，電阻率大，精確度高，能耐較高的溫度，因此，國際溫標IPTS－68規(guī)定，在－259.34～＋630.74oC溫度域內(nèi)，以鉑熱電阻溫度計作為基準器。缺點：價格高。鉑熱電阻值與溫度的關(guān)系在0～850oC范圍內(nèi)為：(8.34)在－200～0oC范圍內(nèi)：（8.35）式中：－溫度oC時的電阻值－溫度0oC時的電阻值溫度系數(shù)＝3.90810－3/℃，=－5.80210－7/℃2，＝－4.27410－12/℃4。從式（8.35）可以看出，熱電阻在溫度時的電阻值與（標稱電阻）有關(guān)。目前，我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有=10Ω和=100Ω兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，后者為常用。實際測量中，只要測得熱電阻的阻值，便可從表中查出對應(yīng)的溫度值。8.2.2鉑熱電阻雖然優(yōu)點多，但價格昂貴，在測量精度要求不高且溫度較低的場合，銅熱電阻得到廣泛應(yīng)用。在-50～＋150oC的溫度范圍內(nèi)，銅熱電阻與溫度近似呈線性關(guān)系，可用下式表示：（8.36）式中：－0℃時銅熱電阻溫度系數(shù)（＝4.28910－3/℃）。銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價格便宜。缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100℃銅熱電阻有兩種分度號：Cu50()和Cu100()，后者為常用。8.2.3熱電阻的測量電路熱電阻的阻值不高；工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，離控制室較遠，因此，熱電阻的引線電阻對測量結(jié)果有較大的影響。目前，熱電阻引線方式有兩線制、三線制和四線制三種。（1）兩線制接法（用于引線不長，精度較低）兩線制的接線方式如圖8.20所示，在熱電阻感溫體的兩端各連一根導(dǎo)線。設(shè)每根導(dǎo)線的電阻值為。則電橋平衡條件為：（8.37）因此有：（8.38）很明顯，如果在實際測量中不考慮導(dǎo)線電阻，即忽略式（8.38）中的2，則測量結(jié)果就將引入誤差。圖8.20兩線制接法（2）三線制接法（用于工業(yè)測量，一般精度）圖8.21三線制接法為解決導(dǎo)線電阻的影響，工業(yè)熱電阻大多采用三線制電橋連接法，如圖8.21所示。圖中為熱電阻，其三根引出導(dǎo)線相同，阻值都是。其中一根與電橋電源相串聯(lián)，它對電橋的平衡沒有影響；另外兩根分別與電橋的相鄰兩臂串聯(lián)，當電橋平衡時，可得下列關(guān)系：（8.39）所以有：（8.40）如果使，則上式就和時的電橋平衡公式完全相同，即說明此種接法導(dǎo)線電阻對熱電阻的測量毫無影響。注意：以上結(jié)論只有在，且只有在平衡狀態(tài)下才成立。為了消除從熱電阻感溫體到接線端子間的導(dǎo)線對測量結(jié)果的影響，一般要求從熱電阻感溫體的根部引出導(dǎo)線，且要求引出線一致，以保證它們的電阻值相等。（3）四線制接法（實驗室用，高精度測量）圖8.22四線制接法三線制接法是工業(yè)測量中廣泛采用的方法。在高精度測量中，可設(shè)計成四線制的測量電路，如圖8.22所示。圖中為恒流源，測量儀表一般用直流電位差計，熱電阻上引出電阻值各為和的四根導(dǎo)線，分別接在電流和電壓回路，電流導(dǎo)線上引起的電壓降，不在測量范圍內(nèi)，而電壓導(dǎo)線上雖有電阻但無電流（認為內(nèi)阻無窮大，測量時沒有電流流過電位差計），所以四根導(dǎo)線的電阻對測量都沒有影響。8.2.4熱電阻的應(yīng)用圖8.23為采用EL－700（100Ω,Pt100）鉑電阻的高精度溫度測量電路，測溫范圍為20～120℃，對應(yīng)的輸出為0～2V，輸出電壓可直接輸入單片機作顯示和控制信號。圖8.23鉑電阻測溫電路知識點7熱敏電阻熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點是電阻率隨溫度而顯著變化。它主要由敏感元件、引線和殼體組成。根據(jù)使用要求，可制成珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等各種形狀。熱敏電阻的符號如圖8.25所示。圖8.25熱敏電阻的符號熱敏電阻與熱電阻相比，具有電阻值和電阻溫度系數(shù)大、靈敏度高（比熱電阻大1～2個數(shù)量級）；體積小（最小直徑可達0.1～0.2mm，可用來測量“點溫”）、結(jié)構(gòu)簡單堅固（能承受較大的沖擊、振動）；熱慣性小、響應(yīng)速度快（適用于快速變化的測量場合）；使用方便；壽命長；易于實現(xiàn)遠距離測量（本身阻值一般較大，無需考慮引線電阻對測量結(jié)果的影響）等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。目前它存在的主要缺點是：互換性較差，同一型號的產(chǎn)品特性參數(shù)有較大差別；穩(wěn)定性較差；非線性嚴重，且不能在高溫下使用。但隨著技術(shù)的發(fā)展和工藝的成熟，熱敏電阻的缺點將逐漸得到改進。熱敏電阻的測溫范圍一般為－50～＋350℃?？捎糜谝后w、氣體、固體、高空氣象、深井等方面對溫度測量精度要求不高的場合。8.3.1根據(jù)半導(dǎo)體的電阻－溫度特性，熱敏電阻可分為三類，即負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）。它們的溫度特性曲線如圖8.26所示。圖8.26熱敏電阻的溫度特性曲線正溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系可表示為：（8.42）式中：、－溫度（）和()時的電阻值；－熱敏電阻的材料常數(shù)；＝273.15，即0℃時的絕對溫度。大多數(shù)熱敏電阻具有負溫度系數(shù)