檢測技術(shù)熱電式傳感器

檢測技術(shù)熱電式傳感器第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月測溫方法接觸式測溫非接觸式測溫第2頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶回路

熱電勢由接觸電勢和溫差電勢組成。熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個閉合回路，當(dāng)兩接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。一般用EAB(T,T0)表示。熱端（測量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）一、熱電偶第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月1)接觸電勢接觸電動勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點的溫度。兩接點的接觸電動勢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勢。第4頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月回路總接觸電勢2)溫差電勢同一導(dǎo)體，由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的電勢稱為溫差電勢。第5頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月機(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勢。第6頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢

eAB(T,T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0)

熱電偶性質(zhì)：影響因素取決于材料和接點溫度，與形狀、尺寸等無關(guān)兩熱電極相同時，總電動勢為0；兩接點溫度相同時，總電動勢為0。因此，產(chǎn)生熱電勢的必備條件：由兩種不同材料構(gòu)成電極；兩接點必須具有不同溫度。

第7頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月對于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=c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，即只要測出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。

第8頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶的分度表S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表

第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對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，在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表不會影響回路中的熱電勢。2.熱電偶基本定律第10頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月測量儀表及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路

第11頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月中間溫度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點溫度t、tc和tc、t0時的熱電勢eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數(shù)和，即

第12頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月標(biāo)準(zhǔn)電極定率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勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計算出來。例：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，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢應(yīng)為：2.95－(－4.0)=6.95(mV)

第14頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月均質(zhì)導(dǎo)體定律由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關(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。

應(yīng)用：有助于檢驗兩個熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。

第15頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對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。

3熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類第16頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月普通型熱電偶結(jié)構(gòu)工業(yè)中主要用于測量氣體、蒸汽、液體等介質(zhì)溫度。

第17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月由熱電極、耐高溫金屬氧化物粉末、不銹鋼套管一起拉細(xì)組成一體，結(jié)構(gòu)緊湊、牢固可靠、撓性好、熱慣性小、動態(tài)響應(yīng)快。

鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶可長達(dá)上百米BA第18頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月薄膜熱電偶特點：熱接點可以做得很小（μm），具有熱容量小、反應(yīng)速度快（μs）等特點，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。

第19頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）熱電偶的冷端溫度補償當(dāng)熱端溫度為t時，分度表所對應(yīng)的熱電勢eAB(t,0)與熱電偶實際產(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)，因此需要對熱電偶冷端溫度進(jìn)行處理。

第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm。在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?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。熱電偶補償導(dǎo)線

解決辦法：工程中采用一種補償導(dǎo)線。在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。

第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月常用補償導(dǎo)線

第22頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

在實驗室及精密測量中，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℃。這是一種理想的補償方法，但工業(yè)中使用極為不便。

(2)冷端0℃恒溫法

(3)冷端溫度修正法

當(dāng)冷端溫度t0不等于0℃，需要對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，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。第23頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月例：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度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。可得eAB（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℃。

第24頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶信號的放大采用儀表放大器進(jìn)行熱電偶信號測量第25頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)行測溫的。熱電阻、熱敏電阻。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)鉑電阻溫度計的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。

二、熱電阻傳感器第26頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電阻的結(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。

鉑熱電阻第27頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月常用熱電阻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是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，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)］

第28頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月在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

第29頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=50Ω、R0=100ΩR0=300Ω三種，它們的分度號分別為Pt50、Pt100和Pt300，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表第30頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月(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：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。

第31頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月銅熱電阻的分度表分度號：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銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價格便宜。缺點：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℃以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質(zhì)中。第32頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

用熱電阻傳感器進(jìn)行測溫時，測量電路經(jīng)常采用電橋電路。熱電阻與檢測儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對測量結(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。熱電阻的測量電路第33頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月四線制實驗室用，高精度測量

三線制用于工業(yè)測量，一般精度

第34頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月三、熱敏電阻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，其特點是電阻率隨溫度而顯著變化。第35頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻的電阻－溫度特性大多數(shù)：負(fù)溫度系數(shù)。熱敏電阻在不同值時的電阻－溫度特性，溫度越高，阻值越小，且有明顯的非線性。NTC熱敏電阻具有很高的負(fù)電阻溫度系數(shù)，特別適用于：－100～＋300℃之間測溫。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，其電