第十一章-熱電傳感器課件

11.1概述熱電傳感器是將溫度轉(zhuǎn)換為電量的元件。1.測量方法：（一）接觸式測溫（二）非接觸式測量2.溫標(biāo)T=t+273.15(K)t=T-273.15(oC)國際實用溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)電阻式溫度傳感器是利用導(dǎo)體材料的電阻隨溫度變化而變化的特性來實現(xiàn)對溫度的測量的。11.2電阻式溫度傳感器熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。應(yīng)用于-200~600℃范圍內(nèi)的溫度測量熱電阻＝電阻體＋絕緣套管＋接線盒熱電阻的材料要求：電阻溫度系數(shù)要大；電阻率盡可能大，熱容量要小，在測量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應(yīng)有良好的可加工性，且價格便宜。11.2.1常用的幾種熱電阻1.鉑熱電阻鉑電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可以近似用下式表示：t℃時的電阻值0℃時的電阻值在0～630.74℃范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關(guān)系為：鉑容易提純，其物理、化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定。鉑電阻的輸出—輸入特性接近線性，且測量精度高，所以它能用作工業(yè)測溫元件和作為溫度標(biāo)準(zhǔn)。按國際溫標(biāo)IPTS-68規(guī)定，在-259.34℃~630.73℃溫域內(nèi)，以鉑電阻溫度計作基準(zhǔn)器。在-50～150℃范圍內(nèi)，銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出—輸入特性接近線性，價格低廉。2.銅熱電阻銅電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可近似表示為：銅電阻的缺點是電阻率低，體積大，熱慣性大，另外銅容易氧化。t℃時的電阻值0℃時的電阻值Rt為熱電阻,r1、r2、r3為引線電阻,R1、R2為兩橋臂電阻,R1=R2,R3為調(diào)整電橋的精密電阻。M表內(nèi)阻很大，故電流近似為零。當(dāng)UA=UB時電橋平衡。若使r1=r2,則R3=Rt,就可消除引線電阻的影響。1.三線式電橋連接法11.2.2熱電阻測量線路R1R2R3Rtr1r3r2EABM圖11-6三線接法11.2.3熱敏電阻熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實現(xiàn)測溫的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動態(tài)特性好，特別適于在-100℃～300℃之間測溫。熱敏電阻的缺點是互換性較差，另外其熱電特性是非線性的。11.2.4熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷（Co）、錳（Mn）、鎳（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高溫?zé)Y(jié)而成。其形狀有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。（b）片狀（c）桿狀（d）墊圈狀圖11-7熱敏電阻的結(jié)構(gòu)類型（a）珠狀玻璃殼熱敏電阻引線1081021041060熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)型(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)型(NTC)、和臨界溫度系數(shù)型(CTR)?？梢奀TR臨界熱敏電阻有一突變溫度，此特性可用于自動控溫和報警電路中。11.2.5熱敏電阻的主要特性圖11-8三類熱敏電阻的溫度特性溫度（℃）電阻（Ω）NTCCTRPTC4080120160180圖11-9NTC熱敏電阻器的伏—安曲線UaUmabcoI/mAU/Voa段—線性工作區(qū)ab—非線性正阻區(qū)bc—非線性負(fù)阻區(qū)IaIm1.NTC熱敏電阻的伏—安特性圖11-10PTC伏—安特性曲線

IaImI/mAabcUaUmU/V2.PTC熱敏電阻的伏—安特性11.2.6熱敏電阻的應(yīng)用溫度測量；溫度補償；溫度控制；過熱保護；家用電器應(yīng)用。1.熱電效應(yīng)11.3熱電偶11.3.1熱電偶的工作原理BAT0TBAT0T熱電勢EAB(T,T0)熱電偶熱電極熱端（工作端）冷端（自由端）（1）接觸電動勢接觸電勢溫差電勢若金屬A的自由電子濃度大于金屬B的，則在同一瞬間由A擴散到B的電子將比由B擴散到A的電子多，因而A對于B因失去電子而帶正電，B獲得電子而帶負(fù)電，在接觸處便產(chǎn)生電場。A、B之間便產(chǎn)生了一定的接觸電動勢。熱電勢EAB(T,T0)接觸電動勢的大小與兩種金屬的材料、接點的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長度及幾何形狀無關(guān)。對于溫度為T的接點，有下列接觸電動勢公式：上式說明接觸電動勢的大小與接點溫度的高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。NA為導(dǎo)體A的自由電子密度NB為導(dǎo)體B的自由電子密度對于任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小。因此高溫端的自由電子要向低溫端擴散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負(fù)電，形成溫差電動勢，又稱湯姆森電動勢。（2）溫差電動勢溫差電動勢的大小取決于導(dǎo)體的材料及兩端的溫度。導(dǎo)體A兩端的溫差電動勢可用下式表示：eA（T，T0）——導(dǎo)體A兩端溫度分別為T、T0時形成的溫差電動勢；T、T0——高、低溫端的絕對溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時所產(chǎn)生的溫差電動勢。同樣導(dǎo)體B兩端的溫差電動勢如下式所示：圖11-14閉合回路總的熱電勢ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)(3)回路總電動勢由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對自由電子密度的影響很小，故溫差電動勢可以忽略不計，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢。NAT和NAT0可記做NA，NBT和NBT0可記做NB

，則有在標(biāo)定熱電偶時，一般使T0為常數(shù)，則①熱電偶回路的熱電動勢只與組成熱電偶的材料及兩端接點的溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細(xì)、形狀無關(guān)。2.熱電偶基本性質(zhì)②只有用不同性質(zhì)的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會產(chǎn)生熱電動勢。因為當(dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。③只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同時，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動勢產(chǎn)生；當(dāng)熱電偶兩端溫度相同時，不同材料組成的熱電偶也不產(chǎn)生熱電動勢，即EAB（T，T0）=0。④導(dǎo)體材料確定后，熱電動勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使eAB（T0）=常數(shù)，則回路熱電動勢EAB（T，T0）就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的基本原理。⑤對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，若各接點溫度分別為T1、T2……TN

，閉合回路總的熱電動勢為：3.熱電偶基本定律(1)均質(zhì)導(dǎo)體定律如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢均為零；反之，如果有熱電動勢產(chǎn)生，兩個熱電極的材料則一定是不同的。根據(jù)這一定律，可以檢驗兩個熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。(2)中間導(dǎo)體定律在熱電偶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，則回路中總的熱電動勢不變。右圖回路中的總電動勢為：T0T0BTAC如果回路中三個接點的溫度都相同，即T＝T0，則回路總電動勢必為零，即：即則如果按右圖接入第三種導(dǎo)體C，則回路中的總電動勢為：T1CT0T1TAB而所以(3)標(biāo)準(zhǔn)電極定律如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC兩式相減得：——（1）若一個熱電偶由A、B、C三種導(dǎo)體組成，且回路中三個接點的溫度都相同，則回路總電動勢必為零，即：或即導(dǎo)體A與B組成的熱電偶的熱電動勢也可知。代入（1）式可得：解：由標(biāo)準(zhǔn)電極定律，鎳鉻和考銅熱電偶的熱電動勢應(yīng)等于鎳鉻合金與純鉑熱電偶與考銅與純鉑熱電偶的熱電動勢的差，即例11-1熱端為100℃、冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mVBBAT2T1

T3

AAB(4)中間溫度定律熱電偶在兩接點溫度分別為T、T0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度分別為T、Tn和接點溫度分別為Tn、T0時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和。證明：即：對于冷端溫度不是零度時，熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。

當(dāng)Tn=0℃時，則：上式說明：只要A、B組成的熱電偶在冷端溫度為零時的“熱電動勢—溫度”關(guān)系已知，則它在冷端溫度不為零時的熱電動勢即可知。中間溫度定律表明：當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B相同熱電特性的材料C、D即引入所謂補償導(dǎo)線時，只要它們之間連接的兩點溫度相同，則總回路的熱電動勢與兩連接點溫度無關(guān)，只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。熱電偶補償導(dǎo)線接線圖ABTTnTnCDT0T0M由于A與C、B與D的熱電特性相同，由熱電偶的基本性質(zhì)可知：eAC（Tn）=eBD（Tn）=0，則回路總電動勢為:11.3.2常用熱電偶的結(jié)構(gòu)1.普通工業(yè)用裝配式熱電偶圖11-18工業(yè)用裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖接線盒保險套管絕緣套管熱電偶絲11.3.3熱電偶材料用作熱電極的材料應(yīng)具備下面的條件：①溫度測量范圍廣。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)有較高的測量精確度，有較大的熱電動勢。溫度與熱電動勢的關(guān)系是單值函數(shù)，最好是呈線性關(guān)系。②性能穩(wěn)定。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)使用時熱電性能穩(wěn)定，均勻性和復(fù)現(xiàn)性好。③物理化學(xué)性能好。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性或抗還原性能。滿足上述條件的熱電偶材料并不很多。我國把性能符合專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)并具有統(tǒng)一分度表的熱電偶材料稱為定型熱電偶材料。

11.3.4熱電偶的冷端補償方法1.冷端恒溫法(1)冰點槽法將熱電偶的冷端置于冰點槽內(nèi)(冰水混合物)，使冷端溫度處于0℃，如圖11-13所示。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。這種裝置通常用于實驗室或精密的溫度測量。mVABT銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線試管補償導(dǎo)線熱電偶冰點槽冰水溶液T0儀表補償導(dǎo)線圖11-13冰點槽法(2)其他恒溫器將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫；也可以是電加熱的恒溫器。這類恒溫器的溫度不是0℃，所以最后還需對熱電偶進行冷端溫度修正。2.補償導(dǎo)線法利用補償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶的兩個熱電極分別與兩補償導(dǎo)線的接點溫度一致，就不會影響熱電動勢的輸出。例11-2采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量爐溫。熱端溫度為800℃，冷端溫度為50℃。為了進行爐溫的調(diào)節(jié)與顯示，必須將熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢信號送到儀表室，儀表室的環(huán)境溫度恒為20℃。首先由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出它在冷端溫度為0℃，熱端溫度分別為800℃、50℃、20℃時的熱電動勢：E(800，0)＝33.29mV；如果熱電偶與儀表之間直接用銅導(dǎo)線連接，根據(jù)中間導(dǎo)體定律，輸入儀表的熱電動勢為：E(50，0)＝2.02mV；E(20，0)=0.80mV。E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)=(33.29-2.02)mV=31.27mV查分度表知，對應(yīng)31.27mV的溫度是755℃。與爐內(nèi)真實溫度相差45℃。如果在熱電偶與儀表之間用補償導(dǎo)線連接，相當(dāng)于將熱電極延伸到儀表室，輸入儀表的熱電動勢為E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)=(33.29-0.80)m