第8章胡向東傳感器與檢測技術(shù)

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

教學(xué)根本要求和重點(diǎn)掌握有關(guān)熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的根本概念掌握三類熱電式傳感器的根本工作原理掌握熱電偶的根本定律、根本類型、溫度補(bǔ)償方法、使用熱電偶的測溫方法掌握熱電阻的內(nèi)部引線方式及其適用場合掌握熱敏電阻的電阻－溫度特性會(huì)使用分度表8.1熱電偶傳感器1.熱電偶測溫原理熱電效應(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)，那么在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。熱電勢、熱電偶、熱電極熱端〔測量端或工作端〕、冷端〔參考端或自由端〕

熱電偶回路接觸電動(dòng)勢接觸電動(dòng)勢的數(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。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。大小表示：

溫差電動(dòng)勢機(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。熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢

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

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)勢為0兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)，總電動(dòng)勢為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)，那么總的熱電動(dòng)勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即可見：只要測出eAB〔T,T0〕的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。討論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，并將不同溫度下測得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對(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。在熱電偶測溫回路內(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，那么對(duì)回路的總熱電勢沒有影響。中間導(dǎo)體定律應(yīng)用：利用熱電偶進(jìn)行測溫，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。2.熱電偶根本定律測量儀表及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路中間溫度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)在熱電偶測溫回路中，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eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數(shù)和，即中間溫度定律中間溫度定律的應(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℃的熱電勢進(jìn)行修正。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體〔電極〕定律標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體定律的意義通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢，那么各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動(dòng)勢就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來。例子熱端為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，那么鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢應(yīng)為：2.95－(－4.0)=6.95(mV)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。為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶－鎧裝型熱電偶－薄膜熱電偶等。

9.1.2熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類普通型熱電偶結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：測溫端熱容量小，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。鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶特點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很小〔μm〕，具有熱容量小、反響速度快〔μs〕等特點(diǎn)，適用于微小面積上的外表溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測量。熱電極材料的選取性能穩(wěn)定溫度測量范圍廣物理化學(xué)性能穩(wěn)定導(dǎo)電率要高，并且電阻溫度系數(shù)要小材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，復(fù)制性好、復(fù)制工藝簡單，價(jià)格廉價(jià)工程用熱電偶材料應(yīng)滿足條件：熱電勢變化盡量大，熱電勢與溫度關(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。熱電偶的種類國際電工委員會(huì)〔IEC〕向世界各國推薦8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。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn)熱電偶名稱正熱電極負(fù)熱電極分度號(hào)測溫范圍特點(diǎn)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(qiáng)，精度高，但價(jià)格貴、熱電動(dòng)勢較小。常用作標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)勢與溫度關(guān)系近似線性、熱電動(dòng)勢大、價(jià)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(dòng)勢較其他熱電偶大，穩(wěn)定性好，靈敏度高，價(jià)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(jià)格低，熱電動(dòng)勢較大，僅次于E型熱電偶。缺點(diǎn)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(jià)格低。在－200～0℃可制成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。缺點(diǎn)是銅極易氧化。8.1.3熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償當(dāng)熱端溫度為t時(shí)，分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢eAB(t,0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢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。熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm。在實(shí)際測溫時(shí)，需要把熱電偶輸出的電勢信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場數(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)線解決方法：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。解決方法：工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。常用補(bǔ)償導(dǎo)線

熱電偶類型補(bǔ)償導(dǎo)線類型補(bǔ)償導(dǎo)線正極負(fù)極鉑銠10－鉑銅－銅鎳合金銅銅鎳合金（鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%）鎳鉻－鎳硅I型：鎳鉻－鎳硅鎳鉻鎳硅鎳鉻－鎳硅II型：銅－康銅銅康銅鎳鉻－康銅鎳鉻－康銅鎳鉻康銅鐵－康銅鐵－康銅鐵康銅銅－康銅銅－康銅銅康銅在實(shí)驗(yàn)室及精密測量中，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℃恒溫法當(dāng)冷端溫度t0不等于0℃，需要對(duì)熱電偶回路的測量電勢值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)冷端溫度修正法例子用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。冷端溫度t0=30℃，測得熱電勢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(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.8℃。(4)冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法〔電橋補(bǔ)償法〕8.1.4熱電偶測溫線路測量單點(diǎn)的溫度特殊情況下，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輸出和提高靈敏度；在測量兩點(diǎn)溫差時(shí)，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測量平均溫度。測量兩點(diǎn)間溫度差〔反向串聯(lián)〕測量平均溫度〔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)測溫系統(tǒng)的工作。優(yōu)點(diǎn)：熱電動(dòng)勢大，儀表的靈敏度大大增加，且防止了熱電偶并聯(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)測溫系統(tǒng)將停止工作。8.1.5熱電偶的應(yīng)用常用爐溫測量控制系統(tǒng)如下圖。毫伏定值器給出給定溫度的相應(yīng)毫伏值，熱電偶的熱電勢與定值器的毫伏值相比較，假設(shè)有偏差那么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(dòng)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(shí)現(xiàn)控制溫度。8.2熱電阻傳感器

熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測溫的。熱電阻廣泛用來測量－200～850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測量至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)國際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。

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。

1.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)定容易加工、價(jià)格盡量廉價(jià)等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。(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)］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=3.97×10-13/℃

B=-5.85×10-7/℃2

C=-4.22×10-12/℃4

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)際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。鉑電阻分度表(2)銅熱電阻在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進(jìn)行測溫，它的測量范圍為-50～150℃。銅熱電阻在測量范圍內(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〕。

銅熱電阻的分度表分度號(hào)：Cu50溫度/℃0102030405060708090電阻/Ω－050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13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)格廉價(jià)。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。用熱電阻傳感