熱電式傳感器

第8章熱電式傳感器8.1熱電偶傳感器8.2熱電阻傳感器8.3熱敏電阻傳感器

1教學(xué)基本要求和重點(diǎn)掌握有關(guān)熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的基本概念掌握三類熱電式傳感器的基本工作原理掌握熱電偶的基本定律、基本類型、溫度補(bǔ)償方法、使用熱電偶的測(cè)溫方法掌握熱電阻的內(nèi)部引線方式及其適用場(chǎng)合掌握熱敏電阻的電阻－溫度特性會(huì)使用分度表28.1熱電偶傳感器1.熱電偶測(cè)溫原理熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。熱電勢(shì)、熱電偶、熱電極熱端（測(cè)量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）3

熱電偶回路熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)圖4接觸電動(dòng)勢(shì)接觸電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點(diǎn)的溫度。兩接點(diǎn)的接觸電動(dòng)勢(shì)eAB(T)和eAB（T0）可表示為含義：由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。5特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號(hào)的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。忽略溫差電動(dòng)勢(shì)，熱電偶的熱電勢(shì)可表示為：我國(guó)已采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶，并按標(biāo)準(zhǔn)分度表生產(chǎn)與之相配的顯示儀表。缺點(diǎn)：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℃以上時(shí)容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質(zhì)中。熱電勢(shì)、熱電偶、熱電極兩熱電極相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：CTR也具有負(fù)溫度系數(shù)，但在某個(gè)溫度范圍內(nèi)電阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡，靈敏度極高。優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí)，eAB(T0)=c為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即183×10-12/℃4優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；PTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區(qū)域，當(dāng)溫度超過某一數(shù)值時(shí)，其電阻值朝正的方向快速變化。測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫度差（反向串聯(lián)）同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。大小表示：

溫差電動(dòng)勢(shì)機(jī)理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動(dòng)勢(shì)。6熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)

eAB(T,T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0) 忽略溫差電動(dòng)勢(shì)，熱電偶的熱電勢(shì)可表示為：

7影響因素取決于材料和接點(diǎn)溫度，與形狀、尺寸等無關(guān)兩熱電極相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí)，eAB(T0)=c為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即eAB(T,T0)=eAB(T)－c=f(T)可見：只要測(cè)出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測(cè)溫度T，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。討論8熱電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動(dòng)勢(shì)之間有不同的函數(shù)關(guān)系，一般通過實(shí)驗(yàn)的方法來確定，并將不同溫度下測(cè)得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢(shì)與溫度的對(duì)照表，即分度表。供查閱使用，每10℃分檔。中間值按內(nèi)插法計(jì)算。9S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表10

在熱電偶測(cè)溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒有影響。中間導(dǎo)體定律應(yīng)用：利用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)。2.熱電偶基本定律11測(cè)量?jī)x表及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路12中間溫度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)在熱電偶測(cè)溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數(shù)和，即13中間溫度定律14中間溫度定律的應(yīng)用根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A′和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。

該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。15標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律16標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體定律的意義通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極只要測(cè)得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來。17均質(zhì)導(dǎo)體定律由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。意義：有助于檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。18為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：普通型熱電偶鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶等。

3.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式19普通型熱電偶結(jié)構(gòu)20

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。鎧裝型熱電偶21薄膜熱電偶

特點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很?。é蘭），具有熱容量小、反應(yīng)速度快（μs）等特點(diǎn)，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。22工程用熱電偶材料應(yīng)滿足條件：熱電勢(shì)變化盡量大，熱電勢(shì)與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，易加工，復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，有良好的互換性。4.熱電偶類型國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）向世界各國(guó)推薦7種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶（已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中，具有統(tǒng)一的分度表）。我國(guó)已采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶，并按標(biāo)準(zhǔn)分度表生產(chǎn)與之相配的顯示儀表。23根據(jù)中間溫度定律得到：(1)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線如熱電偶正向串聯(lián)，可獲得較大的熱電勢(shì)輸出和提高靈敏度；解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）向世界各國(guó)推薦7種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶（已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中，具有統(tǒng)一的分度表）。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(diǎn)是電阻率隨溫度而顯著變化。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為不便。根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A′和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。5.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(cè)溫的。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。其用途主要是彩電消磁、各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)等。PTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區(qū)域，當(dāng)溫度超過某一數(shù)值時(shí)，其電阻值朝正的方向快速變化。其用途主要是彩電消磁、各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)等。兩線制適于引線不長(zhǎng)、測(cè)溫精度要求較低的場(chǎng)合。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn)24標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn)255.熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及冷端溫度的補(bǔ)償方法當(dāng)熱端溫度為t時(shí)，分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)eAB(t,0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)eAB(t,t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)由此可見，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數(shù)，因此需要對(duì)熱電偶冷端溫度進(jìn)行處理。26熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm。在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣,冷端溫度t0比較穩(wěn)定。(1)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線解決辦法：工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。27常用補(bǔ)償導(dǎo)線

28在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃。這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為不便。(2)冷端0℃恒溫法29當(dāng)冷端溫度t0不等于0℃，需要對(duì)熱電偶回路的測(cè)量電勢(shì)值eAB（t，t0）加以修正。當(dāng)工作端溫度為t時(shí)，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。根據(jù)中間溫度定律得到：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)(3)冷端溫度修正法30

例子用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30℃，測(cè)得熱電勢(shì)eAB（t，t0）為33.29mV,求加熱爐溫度。

解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203mV?？傻胑AB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.8℃。31(4)冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（電橋補(bǔ)償法）32熱電偶典型測(cè)溫線路普通測(cè)溫線路；(b)帶有補(bǔ)償器的測(cè)溫線路；(c)具有溫度變送器的測(cè)溫線路；(d)具有一體化溫度變送器的測(cè)溫線路6.熱電偶測(cè)溫線路測(cè)量某一點(diǎn)的溫度33特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號(hào)的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián)，可獲得較大的熱電勢(shì)輸出和提高靈敏度；在測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差時(shí)，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測(cè)量平均溫度。34測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫度差（反向串聯(lián)）35測(cè)量平均溫度（并聯(lián)或正向串聯(lián)）

特點(diǎn)：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時(shí)，難以覺察出來。當(dāng)然，它也不會(huì)中斷整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的工作。優(yōu)點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)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(diǎn)，可立即可以發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點(diǎn)：只要有一支熱電偶斷路，整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)將停止工作。368.2熱電阻傳感器

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(cè)溫的。熱電阻、熱敏電阻。熱電阻廣泛用來測(cè)量－200～850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測(cè)量至1K，高溫達(dá)1000℃。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。

37熱電阻的結(jié)構(gòu)

電阻絲采用雙線并繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。

38熱電阻傳感器熱電阻傳感器的組成由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表組成391.常用熱電阻對(duì)用于制造熱電阻材料的要求：具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率

R-t關(guān)系最好成線性物理化學(xué)性能穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)性好等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。40(1)鉑熱電阻鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200～850℃。鉑熱電阻的特性方程為：在-200～0℃的溫度范圍內(nèi)Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］41在0～850℃的溫度范圍內(nèi)Rt=R0(1+At+Bt2)在ITS—90中，這些常數(shù)規(guī)定為

A=3.9083×10-13/℃

B=-5.775×10-7/℃2

C=-4.183×10-12/℃4

42可見：熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與0℃時(shí)的電阻值R0有關(guān)。目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。43鉑電阻分度表44(2)銅熱電阻

在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，可采用銅熱電阻進(jìn)行測(cè)溫，它的測(cè)量范圍為-50～150℃。銅熱電阻在測(cè)量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的，可近似地表示為Rt=R0（1+αt）α=4.28×10-3/℃兩種分度號(hào)：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。

45銅熱電阻的分度表分度號(hào)：Cu50溫度/℃0102030405060708090電阻/Ω－050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.1346銅熱電阻的特點(diǎn)銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：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℃以上時(shí)容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質(zhì)中。47用熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，測(cè)量電路經(jīng)常采用電橋電路。熱電阻與檢測(cè)儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制、三線制和四線制三種。2.熱電阻的測(cè)量電路48內(nèi)部引線方式49銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價(jià)格便宜。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(cè)溫的。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn)(1)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得