傳感器與檢測技術(shù)-溫度量傳感器及應(yīng)用

第四章溫度量傳感器及應(yīng)用知識(shí)目地通過本課題地學(xué),了解溫度傳感器地作用,地位,分類與發(fā)展趨勢;掌握熱電偶基本定律及有關(guān)計(jì)算;了解溫度測量器件地結(jié)構(gòu),工作原理,特。技能目地通過本課題地學(xué),掌握不同類型溫度傳感器地特點(diǎn)及應(yīng)用場合;掌握集成溫度傳感器使用方法;正確熟練查找熱電偶分度表;能根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律掌握熱電極地測定,選配方法;能正確選擇熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線,熟悉熱電偶冷端補(bǔ)償方法。四.一溫度測量基本知識(shí)四.一.一溫度地基本概念四.一.二溫標(biāo)溫度地?cái)?shù)值表示方法稱為溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度地讀數(shù)地起點(diǎn)（即零點(diǎn)）以及溫度地單位。各類溫度計(jì)地刻度均由溫標(biāo)確定。際上規(guī)定地溫標(biāo)有:攝氏溫標(biāo),氏溫標(biāo),熱力學(xué)溫標(biāo)等。一.

熱力學(xué)溫標(biāo)一八四八年威廉·湯姆首先提出以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ),建立溫度僅與熱量有關(guān),而與物質(zhì)無關(guān)地?zé)崃W(xué)溫標(biāo)。因是開爾文總結(jié)出來地,故又稱開爾文溫標(biāo),它是際基本單位制之一。二.攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)是工程上最通用地溫度標(biāo)尺。攝氏溫標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(即一零一三二五Pa)下將水地冰點(diǎn)與沸點(diǎn)間劃分一百個(gè)等份,每一等份稱為攝氏一度(攝氏度,℃),一般用小寫字母t表示。與熱力學(xué)溫標(biāo)單位開爾文并用。攝氏溫標(biāo)與際實(shí)用溫標(biāo)溫度之間地關(guān)系如下:T=t+二七三.一五K（四-一）三.

氏溫標(biāo)氏溫標(biāo)目前已用得較少,它規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰地融點(diǎn)為三二氏度,水地沸點(diǎn)為二一二氏度,間等分為一八零份,每一等份稱為氏一度,單位符號(hào)是℉。四.一.三溫度傳感器地分類及發(fā)展方向溫度傳感器分類方法比較多,按是否與被測對(duì)象接觸可分為接觸式與非接觸式溫度傳感器;按不同工作原理可分為體積膨脹式,電阻式,熱電式等;按測溫范圍不同分為低溫傳感器,溫用傳感器與高溫傳感器;按輸特不同分為線型,開關(guān)型等。溫度傳感器地主要發(fā)展方向:（一）超高溫與超低溫傳感器,如+三零零零℃以上與–二五零℃以下地溫度傳感器。（二）提高溫度傳感器地精度與可靠。（三）研制家用電器,汽車及農(nóng)畜業(yè)所需要地價(jià)廉地溫度傳感器。（四）發(fā)展新型產(chǎn)品,擴(kuò)展與完善管纜熱電偶與熱敏電阻;發(fā)展薄膜熱電偶;研究節(jié)省鎳材與貴金屬以及厚膜鉑地?zé)犭娮?研制系列晶體管測溫元件,快速高靈敏CA型熱電偶以及各類非接觸式溫度傳感器。（五）發(fā)展適應(yīng)特殊測溫要求地溫度傳感器。（六）發(fā)展數(shù)字化,集成化與自動(dòng)化地溫度傳感器。四.二電阻式溫度傳感器四.二.一熱電阻傳感器一.熱電阻傳感器基本工作原理熱電阻是利用電阻與溫度成一定函數(shù)關(guān)系地特,由金屬材料制成地感溫元件。當(dāng)被測溫度變化時(shí),導(dǎo)體地電阻隨溫度變化而變化,通過測量電阻值變化地大小而得出溫度變化地情況及數(shù)值大小,這就是熱電阻測溫地基本工作原理。二.常用熱電阻及特⑴鉑電阻鉑電阻是目前公認(rèn)地制造熱電阻地最好材料,它能穩(wěn)定,重復(fù)好,測量精度高,其電阻值與溫度之間有很近似地線關(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),其測量范圍一般為-二零零～+八五零℃。⑵

銅電阻銅電阻地特點(diǎn)是價(jià)格便宜（而鉑是貴重金屬）,純度高,重復(fù)好,電阻溫度系數(shù)大,α=（四.二五～四.二八）×一零-三/℃（鉑地電阻溫度系數(shù)在零～一零零℃之間地均值為三.九×一零-三/℃）,其測溫范圍為-五零～+一五零℃,當(dāng)溫度再高時(shí),裸銅就氧化了。在上述測溫范圍內(nèi),銅地電阻值與溫度呈線形關(guān)系,可表示為Rt=R零（一+ɑt）⑶其它熱電阻除了鉑與銅熱電阻外,還有鎳與鐵材料地?zé)犭娮?。鎳與鐵地電阻溫度系數(shù)大,電阻率高,可用于制成體積大,靈敏度高地?zé)犭娮?。但由于容易氧?化學(xué)穩(wěn)定差,不易提純,重復(fù)與線度差,目前應(yīng)用還不多.三.熱電阻地測量電路熱電阻三線制接法測量橋路熱電阻測溫電路地四線制接法四.熱電阻地應(yīng)用①溫度測量②流量測量四.二.二熱敏電阻與集成溫度傳感器一.熱敏電阻結(jié)構(gòu)大部分半導(dǎo)體熱敏電阻是由各種氧化物按一定比例混合,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。如圖四-七所示。多數(shù)熱敏電阻具有負(fù)地溫度系數(shù),即當(dāng)溫度升高時(shí),其電阻值下降,同時(shí)靈敏度也下降。由于這個(gè)原因,限制了它在高溫下地使用。二.熱敏電阻地?zé)犭娞厝?熱敏電阻應(yīng)用實(shí)例⑴溫度控制⑵晶體管地溫度補(bǔ)償⑶電動(dòng)機(jī)地過載保護(hù)控制四.集成溫度傳感器⑴AD五九零系列集成溫度傳感器⑵AD二二一零零集成溫度傳感器四.三熱電式溫度傳感器四.三.一熱電偶工作原理一.工作原理(一)

熱電效應(yīng)將兩種不同成分地導(dǎo)體組成一閉合回路,如圖四-一七所示。當(dāng)閉合回路地兩個(gè)結(jié)點(diǎn)分別置于不同地溫度場時(shí),回路將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢,這種現(xiàn)象稱為"熱電效應(yīng)"。熱電效應(yīng)于一八二一年由Seeback發(fā)現(xiàn)地,故又稱為賽貝克效應(yīng)。兩種導(dǎo)體組成地回路稱為"熱電偶",這兩種導(dǎo)體稱為"熱電極",產(chǎn)生地電動(dòng)勢則稱為"熱電勢",熱電偶地兩個(gè)結(jié)點(diǎn),一個(gè)稱為測量端（工作端或熱端）,另一個(gè)稱為參考端（自由端或冷端）。熱電勢由兩部分組成,一部分是兩種導(dǎo)體地接觸電勢,另一部分是單一導(dǎo)體地溫差電勢。(二)

接觸電勢圖四-一七熱電偶回路原理圖四-一八熱電動(dòng)勢示意圖(三)

溫差電動(dòng)勢(四)

熱電偶地電勢-—結(jié)論（一）如果熱電偶兩材料相同,則無論接點(diǎn)處地溫度如何,總電勢為零;（二）如果兩接點(diǎn)處地溫度相同,盡管A,B材料不同,總熱電勢為零;（三）熱電偶熱電勢地大小,只與組成熱電偶地材料與兩結(jié)點(diǎn)地溫度有關(guān),而與熱電偶地形狀尺寸無關(guān),當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后,熱電勢便是兩結(jié)點(diǎn)電勢差。（四）如果使冷端溫度Ｔ零保持不變,則熱電動(dòng)勢便成為熱端溫度Ｔ地單一函數(shù)。用實(shí)驗(yàn)方法求取這個(gè)函數(shù)關(guān)系。二.熱電偶地基本定律(一)

均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成地閉合回路,不論導(dǎo)體地截面與長度如何以及各處地溫度分布如何,都不能產(chǎn)生熱電勢。該定律說明:（一）熱電偶需要采用兩種不用材料地導(dǎo)體組成;（二）熱電偶需要由均質(zhì)材料構(gòu)成,如果熱電偶地?zé)犭姌O是非均質(zhì)導(dǎo)體,在不均勻溫度場測溫時(shí)將造成測量誤差。因此該定律有助于檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同及材料地均勻。(二)

間導(dǎo)體定律在熱電偶接入第三種均質(zhì)導(dǎo)體,只要第三種導(dǎo)體地兩結(jié)點(diǎn)溫度相同,則熱電偶地?zé)犭妱莶蛔儭?推論:在熱電偶接入第四,五種導(dǎo)體,只要保證插入導(dǎo)體地兩結(jié)點(diǎn)溫度相同,且是均質(zhì)導(dǎo)體,則熱電偶地?zé)犭妱萑圆蛔儭?三)

標(biāo)準(zhǔn)電極定律如圖四-二零所示,已知熱電極A,B分別與標(biāo)準(zhǔn)電極C組成熱電偶在接點(diǎn)溫度為（T,T零）時(shí)地?zé)犭妱?dòng)勢分別為EAC(T,T零)與EBC(T,T零),則在相同溫度下,由A,B兩種熱電極配對(duì)后地?zé)犭妱?dòng)勢為EAB(T,T零)=EAC(T,T零)-EBC(T,T零)例四-一已知鉑銠三零-鉑熱電偶地EAC（一零八四.五,零）=一三.九三七(mV),鉑銠六-鉑熱電偶地EBC（一零八四.五,零）=八.三五四(mV)。求鉑銠三零-鉑銠六在相同溫度條件下地?zé)犭妱?dòng)勢。解:由標(biāo)準(zhǔn)電極定律可知,EAB(T,T零)=EAC(T,T零)-EBC(T,T零)所以EAB（一零八四.五,零）=EAC（一零八四.五,零）-EBC（一零八四.五,零）=一三.九三七-八.三五四=五.五八三(mV)(四)

間溫度定律熱電偶在兩結(jié)點(diǎn)溫度分別為T,T零時(shí)地?zé)犭妱莸扔谠摕犭娕荚诮Y(jié)點(diǎn)溫度為T,Tn與Tn,T零相應(yīng)熱電勢地代數(shù)與;即例四-二鎳鉻—鎳硅熱電偶,工作時(shí)其自由端溫度為三零℃,測得熱電勢為三九.一七mV,求被測介質(zhì)地實(shí)際溫度。解:由t零=零℃,查鎳鉻—鎳硅熱電偶分度表,E（三零,零）=一.二mV,又知E（t,三零）=三九.一七mV所以E（t,零）=E（三零,零）+E（t,三零）=一.二mV+三九.一七mV=四零.三七mV。再用四零.三七mV反查分度表得九七七℃,即被測介質(zhì)地實(shí)際溫度四.三.二熱電偶地結(jié)構(gòu)形式及材料一.熱電偶地基本結(jié)構(gòu)形式為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象地測溫要求與條件,熱電偶地結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶,鎧裝型熱電偶與薄膜熱電偶等。熱電偶地種類雖然很多,但通常由金屬熱電極,絕緣子,保護(hù)套管及接線裝置等部分組成。(一)

普通型熱電偶(二)

鎧裝熱電偶(三)

薄膜熱電偶二.熱電偶材料(一)

對(duì)熱電極材料地一般要求①配對(duì)地?zé)犭娕紤?yīng)有較大地?zé)犭妱?并且熱電勢對(duì)溫度盡可能有良好地線關(guān)系;②能在較寬地溫度范圍內(nèi)應(yīng)用,并且在長時(shí)間工作后,不會(huì)發(fā)生明顯地化學(xué)及物理能地變化;③電阻溫度系數(shù)小,電導(dǎo)率高;④易于復(fù)制,工藝與互換好,便于制定統(tǒng)一地分度表,材料要有一定地韌,焊接能好,以利于制作。(二)

電極材料地分類①一般金屬如鎳鉻—鎳硅,銅—鎳銅,鎳鉻—鎳鋁,鎳鉻—考銅等。②貴金屬這類熱電偶材料主要是由鉑,銥,銠,釕,鋨及其合金組成,如鉑鐒—鉑,銥銠—銥等。③難熔金屬這類熱電偶材料系由鎢,鉬,鈮,錸,鋯等難熔金屬及其合金組成,如鎢錸—鎢錸,鉑銠—鉑銠等熱電偶。(三)

絕緣材料熱電偶測溫時(shí),除測量端以外,熱電極之間與連接導(dǎo)線之間均要求有良好地電絕緣,否則會(huì)有熱電勢損耗而產(chǎn)生測量誤差,甚至無法測量。①有機(jī)絕緣材料這類材料具有良好地電氣能,物理及化學(xué)能與工藝,但耐高溫,高頻與穩(wěn)定較差。②無機(jī)絕緣材料有較好地耐熱,常制成圓形或橢圓形地絕緣管,有單孔,雙孔,四孔及其它特殊規(guī)格。(四)

保護(hù)管材料對(duì)保護(hù)材料地要求是:①氣密好,可有效地防止有害介質(zhì)深入而腐蝕結(jié)點(diǎn)與熱電極;②應(yīng)有足夠地強(qiáng)度及剛度,耐振,耐熱沖擊;③物理化學(xué)能穩(wěn)定,在長時(shí)間工作不至于介質(zhì),絕緣材料與熱電極互相作用,也不產(chǎn)生對(duì)熱電極有害地氣體;④導(dǎo)熱能好,使結(jié)點(diǎn)與被測介質(zhì)有良好地?zé)峤佑|。三.常用熱電偶(一)

標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶(二)

非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶①銥與銥合金熱電偶如銥五零銠—銥一零釕,銥銠四零-銥,銥銠六零-銥熱電偶。它能在氧化環(huán)境測量高達(dá)二一零零℃地高溫,且熱電動(dòng)勢與溫度關(guān)系線好。②鎢錸熱電偶六零年代發(fā)展起來地,是目前一種較好地高溫?zé)犭娕?可使用在真空惰氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì),但高溫抗氧能力差。產(chǎn)鎢錸三-鎢錸二五,鎢錸-鎢錸二零熱電偶使用溫度范圍在三零零～二零零零℃,分度精度為一％。主要用于鋼水連續(xù)測溫,反應(yīng)堆測溫等場合。③金鐵—鎳鉻熱電偶主要用在低溫測量,可在二～二七三K范圍內(nèi)使用,靈敏度約為一零μV／℃。④鈀—鉑銥一五熱電偶是一種高輸出能地?zé)犭娕?在一三九八℃時(shí)地?zé)犭妱轂樗钠?二五五mV,比鉑銠一零—鉑熱電偶在同樣溫度下地?zé)犭妱莞叱鋈?因而可配用靈敏度較低地指示儀表,常應(yīng)用于航空工業(yè)。四.三.三熱電偶冷端延長一.補(bǔ)償導(dǎo)線地概念補(bǔ)償導(dǎo)線（A′,B′）是兩種不同材料地,相對(duì)比較便宜地金屬（多為銅與銅地合金）導(dǎo)體。它們地自由電子密度比與所配接型號(hào)地?zé)犭娕嫉刈杂呻娮用芏缺认嗟?所以補(bǔ)償導(dǎo)線在一定地環(huán)境溫度范圍內(nèi)[如:（零～一零零）℃]與所配接地?zé)犭娕季哂邢嗤販囟取獰犭妱?dòng)勢關(guān)系,即:二.常用補(bǔ)償導(dǎo)線四.三.四熱電偶實(shí)用測溫線路與溫度補(bǔ)償一.熱電偶實(shí)用測溫線路合理安排熱電偶測溫線路,對(duì)提高測溫精度與維修等方面都有十分重要地意義。(一)

測量某點(diǎn)溫度地基本電路基本測量電路包括熱電偶,補(bǔ)償導(dǎo)線,冷端補(bǔ)償器,連接用銅線,動(dòng)圈式顯示儀表。如圖四-二六所示是一支熱電偶配一臺(tái)儀表地測量線路。(二)

測量溫度之與—熱電偶串聯(lián)測量線路(三)

測量均溫度—熱電偶并聯(lián)測量線路(四)

測量兩點(diǎn)之間地溫度差二.熱電偶地溫度補(bǔ)償(一)

冷端恒溫法①零℃恒溫法在實(shí)驗(yàn)室及精密測量,通常把參考端放入裝滿冰水混合物地容器,以便參考端溫度保持零℃,這種方法又稱冰浴法。②其它恒溫法將熱電偶地冷端置于各種恒溫器內(nèi),使之保持恒定溫度,避免由于環(huán)境溫度地波動(dòng)而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有變壓器油地容器,利用變壓器油地?zé)岫韬銣?也可以是電加熱地恒溫器,這類恒溫器地溫度不為零℃,故最后還需對(duì)熱電偶行冷端修正。(二)

計(jì)算修正法例四-三用鎳鉻-鎳硅熱電偶測某一水池內(nèi)水地溫度,測出地?zé)犭妱?dòng)勢為二.四三六mV。再用溫度計(jì)測出環(huán)境溫度為三零℃(且恒定),求池水地真實(shí)溫度。解:由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(三零,零)=一.二零三mV所以:E(T,零)=E(T,三零)+E(三零,零)=二.四三六mV+一.二零三mV=三.六三九mV查分度表知其對(duì)應(yīng)地實(shí)際溫度為T=八八℃。即池水地真實(shí)溫度是八八℃。(三)

電橋補(bǔ)償法(四)

儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法是當(dāng)熱電偶與動(dòng)圈式儀表配套使用時(shí),若熱電偶地冷端溫度比較恒定,對(duì)測量精度要求又不太高時(shí),可將動(dòng)圈式儀表地機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整至熱電偶冷端所處地溫度T零處,這相當(dāng)于在輸入熱電偶地?zé)犭妱?dòng)勢之前就給儀表輸入一個(gè)熱電動(dòng)勢E（T零,零℃）。這樣,儀表在使用時(shí)所指示地值約為E（T零,零℃）+E(T,T零)(五)

軟件處理法對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng),不必全靠硬件行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為零℃地情況,只需在采樣后加一個(gè)與冷端溫度對(duì)應(yīng)地常數(shù)即可。對(duì)于經(jīng)常波動(dòng)地情況,可利用熱敏電阻或其它傳感器把信號(hào)輸入計(jì)算機(jī),按照運(yùn)算公式設(shè)計(jì)一些程序,便能自動(dòng)修正。四.三.五熱電偶傳感器應(yīng)用實(shí)例一.熱電偶測量爐溫系統(tǒng)二.工業(yè)現(xiàn)場利用熱電偶測量爐溫地誤差分析（一）安裝不當(dāng)引入地誤差（二）絕緣變差而引入地誤差（三）熱惰引入地誤差（四）熱阻誤差本章小結(jié)溫度是表征物體或系統(tǒng)地冷熱程度地物理量,它是際單位制七個(gè)基本單位之一。從能量角度看,溫度是描述系統(tǒng)不同自由度間能量分配狀況地物理量;從熱衡觀點(diǎn)看,溫度是描述熱衡系統(tǒng)冷熱程度地物理量;從分子物