昆明冶金高等專科學(xué)?！蹲詣訖z測技術(shù)》第08章

自動檢測技術(shù)清華大學(xué)出版社出版主編：劉小波第8章熱電式傳感器

熱電式傳感器的結(jié)構(gòu)組成和類型熱電式傳感器的工作原理熱電偶的冷端補償方法熱電式傳感器的應(yīng)用電路熱電式傳感器的應(yīng)用實例本章要點任務(wù)一工業(yè)鍋爐蒸汽溫度檢測

在工業(yè)生產(chǎn)中，各種反應(yīng)釜、液體和氣體管道都要進行溫度的檢測與控制。鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要動力設(shè)備，它通過煤、油、天然氣的燃燒釋放出化學(xué)能，通過傳熱過程把能量傳遞給水，使水變成水蒸氣。

工業(yè)鍋爐的產(chǎn)品是蒸汽，蒸汽溫度是生產(chǎn)工藝確定的重要參數(shù)，其溫度范圍一般在385~400℃之間，蒸汽溫度過高會毀壞過熱器水管，對負荷設(shè)備帶來不利因素，過低會影響產(chǎn)品質(zhì)量。有效地控制鍋爐各測控點的溫度，直接影響蒸汽的質(zhì)量和生產(chǎn)成本，對溫度進行精確的測量是控制的前提，根據(jù)工業(yè)鍋爐蒸汽溫度的溫度范圍，采用具有良好線性和穩(wěn)定性的Pt100熱電阻傳感器（不銹鋼套管）進行蒸汽溫度檢測。金屬熱電阻式溫度傳感器是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理來實現(xiàn)溫度測量的。熱電阻主要用于工業(yè)測溫，它具有靈敏度高，穩(wěn)定性、互換性好，精度高的特點。適用于測低溫，便于遠距離、多點、集中測量和自動控制，而且測量電路也比較簡單。8.1熱電阻傳感器熱電阻是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度升高而增大這一特性來測量溫度的。熱電阻主要用于對溫度和溫度有關(guān)的參數(shù)進行檢測。工業(yè)上常用于中、低溫度(-200~650℃)范圍的溫度測量。8.1.1熱電阻的結(jié)構(gòu)和外形1.熱電阻的外形2.熱電阻的結(jié)構(gòu)形式由電阻體、保護管、接線盒等組成。8.1.2熱電阻的類型及性能1.熱電阻材料的性能要求①在測溫范圍內(nèi)，材料的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定；②電阻溫度系數(shù)α要大。α越大，靈敏度越高。純金屬的α比合金要高，所以一般采用純金屬作為熱電阻；③在測溫范圍內(nèi)，α保持常數(shù)，便于實現(xiàn)電阻值變化與溫度變化的線性特性；④電阻率ρ要大。在相同靈敏度下，ρ越大，熱電阻體積越小，熱慣性越小，反應(yīng)速度越快；⑤材料價格便宜，容易加工2.常用熱電阻的主要性能鉑熱電阻

(a)Pt100熱電阻(b)裝配式鉑熱電阻(2)銅熱電阻銅熱電阻的溫度系數(shù)比鉑大，價格低，易于提純，但存在電阻率小，機械強度差等弱點。在測量精度要求不是很高，測量范圍在-50~150℃的情況下，通常采用銅熱電阻。分度號GCu50Cu100R0/Ω5350100R100/R01.425±0.0011.425±0.002精度等級IIIIIR0允許誤差/%±0.1±0.1最大允許誤差/%±(0.3×3.5×10-3t)±(0.3×6.0×10-3t)銅熱電阻的技術(shù)特性(3)其他熱電阻①銦電阻。用99.999%高純度的銦絲繞成電阻，可在室溫至4.2K溫度范圍內(nèi)使用。②錳電阻。錳電阻也是低溫?zé)犭娮?，?~63K溫度范圍內(nèi)，電阻隨溫度變化大，靈敏度高。缺點是材料脆，難拉成絲。③碳電阻。適用于液氦溫域的溫度測量，在1.6~30K之間靈敏度高，對磁場不敏感，穩(wěn)定性好，熱容小，復(fù)現(xiàn)性好，價廉。8.1.3熱電阻傳感器的工作原理及測量電路1.熱電阻的工作原理大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻率隨溫度升高而增大，具有正的溫度系數(shù)，這就是熱電阻測溫的基礎(chǔ)。當溫度升高時，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時的阻力增大，表現(xiàn)為電阻值增大。測溫時，先將溫度的變化轉(zhuǎn)換為敏感元件電阻值的變化，由于阻值變化很小，因此要通過后續(xù)的測量電橋再轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，然后由這些參數(shù)的變化來檢測被測對象的溫度變化。2.熱電阻的測量電路測量時先把切換開關(guān)S扳到2的位置，調(diào)節(jié)Rq使儀表指示為零，然后將S扳到3的位置，調(diào)節(jié)RM使儀表指示到滿度，作此調(diào)節(jié)后將S扳到1的位置，便可以進行溫度測量了。當電阻和電橋配合使用時，為消除引線電阻的影響，提高測量精度，可采用以下兩種連接方法。(1)三線制連接阻值為r1、r2的導(dǎo)線分別接在相鄰的兩臂內(nèi)，當溫度變化時，只要它們的長度和電阻的溫度系數(shù)相等，它們的電阻變化就不會影響電橋而產(chǎn)生誤差。(2)四線制連接這種引線方式不僅消除連接線電阻的影響，而且可以消除測量電路中寄生電勢引起的誤差。這種引線方式主要用于高精度溫度測量，測量電路常配用雙電橋或電位差計。8.1.4熱電阻式流量計利用熱電阻上的熱量消耗和介質(zhì)流速的關(guān)系還可以測量流量、流速、風(fēng)速。熱電阻探頭Rt1放置在氣體流路中央位置，它所耗散的熱量與被測介質(zhì)的平均流速成正比；另一個熱電阻Rt2放置在不受流動氣體干擾的平靜室內(nèi)，它們分別接在電橋的兩個相鄰橋臂上。測量電路在流體靜止時處于平衡狀態(tài)，橋路輸出為零。當氣體流動時，介質(zhì)會把熱量帶走，從而使Rt1和Rt2的散熱情況不一樣，導(dǎo)致Rt1的阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，使電橋失去平衡，產(chǎn)生一個與流量變化相對應(yīng)的不平衡電信號，并通過檢流計P顯示出來，檢流計的刻度值如果做成和氣體流量相應(yīng)的數(shù)值，就可以直接從檢流計上讀出流量。任務(wù)二電動機的過熱保護

在生產(chǎn)實踐中，中小型電機以及其他電氣設(shè)備,當電機負載較大或電機卡住時，流過線圈的電流會快速增加，同時電機溫度急劇升高，常常會出現(xiàn)過熱燒毀電機現(xiàn)象。電動機通常使用熱繼電器作過載保護，但是熱繼電器遠離電動機發(fā)熱源,不能準確地反映電動機內(nèi)部溫升,易產(chǎn)生誤動作或動作滯后,有時電動機已經(jīng)燒壞,而熱繼電器并不動作，同樣會燒毀設(shè)備。過熱保護分直接保護和間接保護。對小電流場合，可把熱敏電阻直接串接在負載中，防止過熱損壞；對大電流場合，可通過繼電器、晶體管電路等保護。不論哪種情況，熱敏電阻都與被保護器件緊密地結(jié)合在一起，充分進行熱量交換，一旦過熱，起到保護作用。熱敏電阻的特點是電阻隨溫度變化而顯著變化，能直接將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化。由于熱敏電阻能直接反映電動機的內(nèi)部發(fā)熱情況，因此，自從半導(dǎo)體熱敏電阻問世以來，人們就逐漸地將它用于電機保護上。熱敏電阻通常被置于線圈的附近，這樣熱敏電阻更易于感受溫度，使保護更加迅速有效。8.2熱敏電阻熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的一種敏感元件。其測溫范圍為-40~350℃。具有電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，電阻率高，熱慣性小的優(yōu)點。8.2.1熱敏電阻外形結(jié)構(gòu)及符號1.熱敏電阻的外形2.熱敏電阻的結(jié)構(gòu)及特點結(jié)構(gòu)形式工作溫度特

點圓片型150℃以下溫度補償適用于對響應(yīng)時間要求不高的場合柱型高溫穩(wěn)定性好，可靠性高薄膜型200℃以下一致性、互換性好珠型200℃以上體積小，響應(yīng)快，精度高不同形狀的熱敏電阻的特點8.2.2熱敏電阻工作原理熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的這一特性制成的測溫傳感器。熱敏電阻的溫度系數(shù)比一般金屬大10~100倍以上，靈敏度高，能檢測出-(1~6)~60%/℃范圍內(nèi)的各種溫度變化。8.2.3熱敏電阻的分類熱敏電阻的種類很多，分類方法也不相同。按溫度系數(shù)的不同，熱敏電阻可分為負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)和正溫度系數(shù)的熱敏電阻(PTC)兩大類。NTC又分為負指數(shù)型和負突變型(CTR)兩類，CTR一般在某一溫度范圍內(nèi)，電阻值會發(fā)生急劇變化。PTC分為線性型和突變型兩類。正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）突變型負溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）8.2.4熱敏電阻傳感器的應(yīng)用PTC、CTR主要用于檢測元件、電路保護元件，例如用做溫度補償元件、限流開關(guān)、溫度報警及定溫加熱器等。目前，熱敏電阻被廣泛用于軍事、通信、航空航天、醫(yī)療、自動化設(shè)施的溫度計、控溫儀等裝置。1.溫度補償溫度補償原理是利用熱敏電阻的電阻溫度特性補償電路中某些溫度特性相反的元件，以改善電路對環(huán)境溫度變化的適應(yīng)能力。2.電池溫度控制在筆記本電腦、手機等通訊設(shè)備中都用鋰氫、鎳離子等充電電池，在充電過程中電池急劇發(fā)熱，如果對其溫度不進行控制，不僅會引起錯誤工作狀態(tài)也可能引起電池發(fā)煙等危險。如圖所示，用NTC做感溫元件的控制電路做溫度控制，就可以保證充電速度和確保電池最終充滿電。3.熱敏電阻濕度傳感器由于開放型的感濕熱敏電阻R1與密封型的熱敏電阻R2處于兩種溫度環(huán)境中，因此不平衡電橋就會輸出一個和環(huán)境濕度有一定關(guān)系的信號，通過檢測這個信號，就可以直接得知環(huán)境的濕度值。4.熱敏電阻體溫表任務(wù)三熱電偶測量爐溫

在工業(yè)生產(chǎn)中，很多行業(yè)需要用到加熱設(shè)備，如用于熱處理的加熱爐、用于熔化金屬的坩鍋爐，以及各種不同用途的加熱爐，反應(yīng)爐等。這使得溫度控制在自動控制中成為了不可缺少的重要控制對象。熱電偶是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點。由毫伏定值器給出設(shè)定溫度的相應(yīng)毫伏值，爐溫經(jīng)熱電偶轉(zhuǎn)化成的熱電勢與定值器的輸出值進行比對，如有偏差，則說明爐溫偏離給定，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)器去推動晶閘管執(zhí)行器，從而調(diào)整爐絲的加熱功率，消除偏差，達到溫控的目的。熱電偶傳感器是利用熱電效應(yīng)，將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢，并通過測量放大電路轉(zhuǎn)換、顯示儀表將溫度顯示出來的測溫設(shè)備。熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它構(gòu)造簡單，使用方便，具有較高的準確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性，溫度測量范圍寬，在溫度測量中占有重要的地位。8.3熱電偶傳感器8.3.1熱電偶的外形結(jié)構(gòu)、種類和特性1.常用熱電偶的外形鎧裝型熱電偶防爆型熱電偶2.熱電偶的結(jié)構(gòu)(1)熱電極熱電極又稱偶絲，是熱電偶的基本組成部分。(2)絕緣套管絕緣套管又叫絕緣子，用來防止熱電偶的兩個電極之間短路。(3)保護套管保護套管是用來保護熱電偶感溫元件免受被測介質(zhì)化學(xué)腐蝕和機械損傷的裝置。(4)接線盒熱電偶接線盒是用來固定接線座和連接補償導(dǎo)線的裝置。3.熱電偶的分類①普通熱電偶②鎧裝熱電偶③薄膜熱電偶④表面熱電偶(1)熱電偶的結(jié)構(gòu)形式熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶、薄膜熱電偶及表面熱電偶等。(2)熱電偶的種類①標準型熱電偶標準型熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有相應(yīng)分度表的熱電偶。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，必須對熱電偶的材料進行嚴格的選擇。熱電偶名稱分度號測溫范圍特

點鉑銠30-鉑銠6B0~1700℃測溫上限高，精度高，性能穩(wěn)定，熱電勢小，價格貴，適用于冶金反應(yīng)、鋼水測量等高溫領(lǐng)域。鉑銠10-鉑銠S0~1600℃熱電性能穩(wěn)定，精度高，抗氧化性強。價格貴，常用作標準熱電偶或用于高溫測量。鎳鉻-鎳硅K-200~1300℃測溫范圍寬，熱電動勢與溫度關(guān)系近似線性，性能穩(wěn)定，熱電勢大，價格低，應(yīng)用最廣，抗輻射性能較差。鎳鉻-康銅E-200~900℃線性好，熱電動勢較其他常用熱電偶大。價格便宜，適宜在氧化性或惰性氣體中工作。鐵-康銅J-200~750℃價格便宜，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T-200~400℃精度高，在-200～0℃范圍內(nèi)，可制成標準熱電偶。缺點是易氧化，一般用于不超過300℃的低溫測量。標準型熱電偶及其基本特性②非標準型熱電偶非標準型熱電偶的復(fù)現(xiàn)性差，沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于擴展高溫和低溫的測量以及特殊場合的測量。非標準型熱電偶包括銥銠系及鎢錸系熱電偶等。銥銠系，如銥銠40-銥、銥銠60-銥等。它的熱電動勢與溫度線性關(guān)系好，長期使用溫度在2100℃以下。鎢錸系，如鎢錸3-鎢錸25、鎢錸5-鎢錸20等。可以使用到2600℃，主要用于鋼水連續(xù)測溫、反應(yīng)堆測溫等場合。8.3.2熱電偶工作原理熱電偶的基本工作原理是熱電效應(yīng)，即將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化。1.熱電效應(yīng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成一個閉合回路，當閉合回路的兩個接點分別置于不同的溫度場中，回路中產(chǎn)生一個方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點的溫度有關(guān)的電動勢，這種效應(yīng)稱為“熱電效應(yīng)”，或稱溫差電效應(yīng)。①熱電極：閉合回路中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B；②熱電偶：導(dǎo)體或半導(dǎo)體A、B組成的閉合回路；③測量端：兩個接點中溫度高的一端；又稱工作端或熱端；④參考端：兩個接點中溫度低的一端；又稱自由端或冷端；⑤熱電動勢：兩導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢之和。2.熱電勢的組成(1)接觸動電勢接觸電動勢是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。接觸電勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點的溫度。式中，K為波爾茲曼常數(shù)；e為單位電荷電量；NAT、NBT和NAT0、NBT0分別在溫度為T和T0時,導(dǎo)體A、B的電子密度。溫差電動勢是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。(2)溫差電動勢同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時，高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，因而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電，因此，在導(dǎo)體兩端便形成接觸電勢。式中，NAT和NBT分別為A導(dǎo)體和B導(dǎo)體的電子密度,是溫度的函數(shù)。(3)總電動勢設(shè)導(dǎo)體A、B組成熱電偶的兩結(jié)點溫度分別為T和T0，則熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢為在總熱電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，熱電偶的熱電勢可表示為對于已選定的熱電偶，當參考端溫度T0恒定時，EAB(T0)為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系①如果熱電偶兩材料相同，則無論結(jié)點處的溫度如何，總電勢為0；②如果兩結(jié)點處的溫度相同，盡管A、B材料不同，總熱電勢為0；③熱電偶熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和兩結(jié)點的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān)，當熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢便是兩結(jié)點電勢差；④如果使冷端溫度T

0保持不變，則熱電動勢便成為熱端溫度T的單一函數(shù)。結(jié)論：3熱電偶基本定律1.中間導(dǎo)體定律在熱電偶A、B回路中，接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點溫度相同，則回路中總的電動勢不變。具有中間導(dǎo)體的熱電偶回路具有延長導(dǎo)線的熱電偶由于溫差電勢可忽略不計，則回路中的總熱電勢等于各接點的接觸電勢之和2.中間溫度定律連接導(dǎo)體定律指出，在熱電偶回路中，如果熱電極A、B分別與連接導(dǎo)線A’、B’相連接，那么回路熱電勢EAB(T,T0)等于熱電偶AB在接點溫度(T,Tn)和(Tn,T0)時的相應(yīng)熱電勢的代數(shù)和。同一種熱電偶，當兩結(jié)點溫度T、Tn不同，其產(chǎn)生的熱電勢也不同。要將對應(yīng)各種(T,Tn)溫度的熱電勢－溫度關(guān)系都列成圖表是不現(xiàn)實的。中間溫度定律為熱電偶制定分度表提供了理論依據(jù)。熱電極A、B由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中,不論導(dǎo)體的截面和長度如何以及各處的溫度分布如何,都不能產(chǎn)生熱電勢。這說明,熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。3.均質(zhì)導(dǎo)體定律熱電偶由A，B兩種導(dǎo)體制成，若將A，B兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體C制成的熱電偶，且三個熱電偶的熱端和冷端溫度相同(T,T0)，則A和B熱電偶的熱電勢EAB(T,T0)等于A和C熱電偶熱電勢EAC(T,T0)與B和C熱電偶熱電勢EBC(T,T0)之差，稱標準電極定律。公式為4.標準電極定律三種導(dǎo)體分別組成的熱電偶8.3.4熱電偶的冷端補償對于特定分度的熱電偶，只有將冷端的溫度恒定，熱電勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。用熱電偶的分度表查毫伏-溫度時，必須滿足T0=0的條件。而在實際測溫中，冷端溫度通常隨環(huán)境溫度而變化，這樣T0不但不是0℃，而且也不恒定，將產(chǎn)生誤差。因此要采用一些措施進行補償或者修正。1.補償導(dǎo)線法補償導(dǎo)線法的目的是使冷端遠離工作端，和測量儀表一起放到恒溫或溫度波動小的地方。當測溫儀表與測量點距離較遠時，冷端溫度會受到被測物溫度和周圍環(huán)境溫度的影響而波動，為使冷端溫度穩(wěn)定，又節(jié)省熱電偶的材料，通常采用補償導(dǎo)線來延長熱電偶的冷端，使之遠離高溫區(qū)。這種方法稱為補償導(dǎo)線法。補償導(dǎo)線型號配用熱電偶型號補償導(dǎo)線絕緣層顏色正

極負

極正

極負

極SCSSPC（銅）SNC（銅鎳）紅綠KCKKPC（銅）KNC（康銅）紅藍KXKKPX（鎳鉻）KNX（鎳硅）紅黑EXEEPX（鎳鉻）ENX（銅鎳）紅棕常用的補償導(dǎo)線2.計算修正法冷端溫度修正法采用補償導(dǎo)線可使熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方，但只要冷端溫度不等于0℃，就需要用計算的方式對熱電偶回路的電勢值加以修正。例如，冷端溫度高于0℃，但恒定于T0，則測得的熱電偶的熱電勢要小于該熱電偶的分度值，修正值為EAB(T0,0)，可用下式進行修正【例1】用鎳鉻-鎳硅熱電偶測某一水池內(nèi)水的溫度，測出的熱電動勢為2.436mV。再用溫度計測出環(huán)境溫度為30℃（且恒定），求池水的真實溫度。解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(30,0)=1.203mV所以E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)=2.436mV+1.203mV=3.639mV查分度表知其對應(yīng)的實際溫度為T=88℃，即池水的真實溫度是88℃。把熱電偶冷端放入冰水混合物的容器中，使冷端溫度保持0℃，這種方法又稱冰浴法。此時熱電偶的熱電勢與分度表一致。這種方法精度較高，適用于實驗室或精密測量中。3.0℃恒溫法4.自動補償法（補償電橋法）補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補償信號，來自動補償熱電偶測量過程中因參考端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢的變化值。當熱電偶通過補償導(dǎo)線連接顯示儀表時，如果熱電偶冷端溫度已知且恒定時，可預(yù)先將有零位調(diào)整器的顯示儀表的指針從刻度的初始值調(diào)至已知的冷端溫度值上，這時顯示儀表的示值即為被測量的實際值。5.顯示儀