《傳感器及應(yīng)用（第三版）》 課件 模塊二　溫度的測(cè)量

模塊二溫度的測(cè)量34課題二金屬熱電阻式溫度傳感器課題一熱敏電阻式溫度傳感器課題三熱電偶式溫度傳感器課題四紅外溫度傳感器溫度是一個(gè)基本的物理量，溫度傳感器是開(kāi)發(fā)較早、應(yīng)用非常廣泛的一類(lèi)傳感器。溫度傳感器廣泛應(yīng)用于日常生活與工業(yè)生產(chǎn)的溫度控制中，如大家熟知的飲水機(jī)、電冰箱、冷柜、空調(diào)、微波爐等制冷、制熱產(chǎn)品都需要進(jìn)行溫度測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度控制；汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱、水箱的溫度控制，化纖廠、化肥廠、煉油廠生產(chǎn)過(guò)程中的溫度控制，冶煉廠、發(fā)電廠鍋爐溫度的控制等都需要溫度傳感器提供控制依據(jù)。36課題一熱敏電阻式溫度傳感器37學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解溫度的基本概念。

掌握熱敏電阻的分類(lèi)、主要技術(shù)指標(biāo)、特點(diǎn)和選用方法。

掌握用熱敏電阻式溫度傳感器測(cè)量溫度的方法。38知識(shí)引入下圖所示為日常生活中常見(jiàn)的飲水機(jī)及其電路原理圖。水在加熱到100℃時(shí)，飲水機(jī)內(nèi)的電加熱器應(yīng)自動(dòng)停止加熱，為實(shí)現(xiàn)此功能，飲水機(jī)中就需要安裝一個(gè)溫度控制器來(lái)控制電加熱器，由溫度傳感器將溫度這一物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)提供給溫度控制器（一般為比較放大器），以實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。其中熱敏電阻式溫度傳感器是飲水機(jī)溫度控制中經(jīng)常使用的一種溫度傳感器。3940飲水機(jī)的溫度控制a）飲水機(jī)外形b）飲水機(jī)電路原理圖知識(shí)講解一、溫度的基本概念1.溫度從宏觀來(lái)講，溫度表示了物體的冷熱程度，當(dāng)兩個(gè)冷熱不同的物體相互接觸時(shí)，熱量會(huì)從熱物體傳向冷物體，使熱物體變冷，冷物體變熱，最終使兩物體的冷熱程度相同，此時(shí)稱(chēng)兩物體達(dá)到熱平衡。因此，物體溫度的高低確定了熱量傳遞的方向：熱量總是從溫度高的物體傳遞給溫度低的物體。從微觀來(lái)講，溫度表示物質(zhì)內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，溫度越高，物質(zhì)內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)越劇烈。412.溫標(biāo)為了進(jìn)行溫度的測(cè)量，需建立溫度的標(biāo)尺，即溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度讀數(shù)的起點(diǎn)（零點(diǎn)）以及溫度的單位。國(guó)際上規(guī)定的溫標(biāo)有攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)、國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。（1）攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)把在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點(diǎn)定為0℃，水的沸點(diǎn)定為100℃，在這兩個(gè)溫度點(diǎn)間劃分100等份，每一等份為1℃，“℃”為國(guó)際攝氏溫標(biāo)的溫度單位符號(hào)。國(guó)際攝氏溫標(biāo)的符號(hào)為“t”。42（2）華氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)把一定濃度的鹽水凝固時(shí)的溫度定為0℉，把純水凝固時(shí)的溫度定為32℉，把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水沸騰的溫度定為212℉，“℉”為華氏溫標(biāo)的溫度單位符號(hào)。華氏溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系式為:（3）熱力學(xué)溫標(biāo)國(guó)際單位制（即SI制）中，以熱力學(xué)溫標(biāo)（符號(hào)為“T”）作為基本溫標(biāo)。它所定義的溫度稱(chēng)為熱力學(xué)溫度，單位為開(kāi)爾文，溫度單位符號(hào)為“K”。熱力學(xué)溫標(biāo)以水的三相點(diǎn),即水的固、液、氣三態(tài)平衡共存時(shí)的溫度為基本定點(diǎn),并規(guī)定其溫度為273.16K。熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)存在著下述的關(guān)系：43（4）國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)是一個(gè)國(guó)際協(xié)議性溫標(biāo)，與熱力學(xué)溫標(biāo)基本吻合。它不僅定義了一系列溫度的固定點(diǎn)，還規(guī)定了不同溫度段的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器，因此復(fù)現(xiàn)精度高（世界各地用相同的方法測(cè)量溫度，可以得到相同的溫度值），使用方便。國(guó)際計(jì)量委員會(huì)從1990年開(kāi)始貫徹實(shí)施國(guó)際溫標(biāo)ITS-90。我國(guó)自1994年1月1日起全面實(shí)施ITS-90國(guó)際溫標(biāo)。44二、熱敏電阻式溫度傳感器溫度傳感器的核心是溫度敏感元件，它能將溫度這一物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其中最典型、應(yīng)用最廣泛的敏感元件是熱敏電阻，它具有體積小、價(jià)格低等顯著特點(diǎn)。1.熱敏電阻的分類(lèi)常見(jiàn)熱敏電阻元件的外形如圖所示，將熱敏電阻元件進(jìn)行封裝后，即可成為溫度傳感器，如圖所示。4546常見(jiàn)熱敏電阻元件的外形熱敏電阻式溫度傳感器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。它的阻值隨溫度變化而劇烈地變化，因此可以提供較高的靈敏度。熱敏電阻可按其溫度特性分為三類(lèi)，阻值隨溫度升高而升高的，稱(chēng)為正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻；阻值隨溫度升高而降低的，稱(chēng)為負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻；阻值在某一溫度范圍發(fā)生巨大變化的，稱(chēng)為突變型溫度系數(shù)（CTR）熱敏電阻。這三種熱敏電阻適用于不同的使用場(chǎng)合，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用。熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線如圖所示。4748熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線1—NTC熱敏電阻2、3—PTC熱敏電阻

4—CTR熱敏電阻正、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度特性曲線為非線性，當(dāng)測(cè)量范圍較小時(shí)，在某一溫度范圍內(nèi)可近似為線性，也可以通過(guò)串、并聯(lián)電阻進(jìn)行非線性修正，常用于溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償、溫度控制。突變型溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值在某個(gè)特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高可升高或降低3~4個(gè)數(shù)量級(jí)，即具有很大的溫度系數(shù)，一般在電子線路中用于抑制浪涌電流，起限流保護(hù)作用。492.熱敏電阻的主要技術(shù)指標(biāo)熱敏電阻的阻值、結(jié)構(gòu)各不相同，在選用熱敏電阻時(shí)，要根據(jù)測(cè)量使用要求，選擇滿足相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的熱敏電阻。（1）標(biāo)稱(chēng)阻值，即熱敏電阻在25℃時(shí)的阻值。多數(shù)廠商在熱敏電阻出廠時(shí)會(huì)給出熱敏電阻在25℃時(shí)的阻值。（2）溫度系數(shù)，即溫度變化引起的熱敏電阻阻值的相對(duì)變化。溫度系數(shù)越大，熱敏電阻對(duì)溫度變化的反應(yīng)越靈敏。（3）時(shí)間常數(shù)，即溫度變化時(shí)，熱敏電阻的阻值變化到最終值的63.2%時(shí)所需的時(shí)間。（4）額定功率，即熱敏電阻正常工作所允許的最大功率。503.熱敏電阻的特點(diǎn)熱敏電阻的缺點(diǎn)主要是特性分散性很大，即使同一型號(hào)的產(chǎn)品，其特性參數(shù)也有較大差別，互換性差，熱電特性的非線性也很?chē)?yán)重，電阻與溫度的關(guān)系不穩(wěn)定，因而測(cè)量誤差較大。但是，由于熱敏電阻具有靈敏度高、便于遠(yuǎn)距離控制、成本低、適合批量生產(chǎn)等突出的優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。熱敏電阻突出的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，可大大降低對(duì)后面調(diào)理電路的要求。51（2）有標(biāo)稱(chēng)阻值為幾歐到十幾兆歐的不同型號(hào)、規(guī)格，不但能很好地與各種電路匹配，而且遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)幾乎無(wú)須考慮連線電阻的影響。（3）體積小（最小的珠狀熱敏電阻直徑僅為0.1~0.2mm），可用來(lái)測(cè)量“點(diǎn)溫”。（4）熱慣性小，響應(yīng)速度快，適用于溫度快速變化的測(cè)量場(chǎng)合。（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，能承受較大的沖擊、振動(dòng)；采用玻璃、陶瓷等材料密封包裝后，可應(yīng)用于有腐蝕性氣體等惡劣環(huán)境。（6）資源豐富，制作簡(jiǎn)單，可方便地制成各種形狀，易于大批量生產(chǎn)，成本和價(jià)格都十分低廉。5253熱敏電阻外形a）圓片形b）薄膜形c）桿形d）管形e）平板形f）珠形g）扁圓形h）墊圓形i）桿形（金屬帽引出）4.熱敏電阻的選用方法在選用熱敏電阻時(shí)，一般根據(jù)測(cè)溫控溫的對(duì)象，從特性、穩(wěn)定性、互換性、結(jié)構(gòu)來(lái)選擇適用于不同場(chǎng)合的熱敏電阻。在選擇時(shí)必須注意，除特殊高溫?zé)崦綦娮柰?，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適用于0~150℃范圍。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的成熟，熱敏電阻的缺點(diǎn)正在逐漸得到改進(jìn)，熱敏電阻式溫度傳感器在溫度傳感器中占據(jù)了顯著優(yōu)勢(shì)。54三、用熱敏電阻式溫度傳感器測(cè)量溫度的方法溫度的測(cè)量方法分為接觸式和非接觸式。接觸式是將溫度傳感器與被測(cè)物體接觸，或?qū)囟葌鞲衅髦萌氡粶y(cè)物體中，當(dāng)兩個(gè)冷熱不同的物體相互接觸時(shí)，熱量會(huì)從熱物體傳向冷物體，使熱物體變冷，冷物體變熱，最后兩物體達(dá)到熱平衡，此時(shí)溫度傳感器顯示的溫度就是被測(cè)物體的溫度。非接觸式是將被測(cè)物體作為熱源，采用輻射式溫度傳感器接收被測(cè)物體的能量，根據(jù)接收能量的大小，即可測(cè)出被測(cè)物體的溫度。55課題二

金屬熱電阻式溫度傳感器56學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解金屬熱電阻的功能特點(diǎn)。

掌握金屬熱電阻典型測(cè)量電路的工作原理和接線方法。

掌握金屬熱電阻式溫度傳感器的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)，并能合理選用。

掌握金屬熱電阻式溫度傳感器的安裝、校驗(yàn)方法。

掌握金屬熱電阻式溫度傳感器的常見(jiàn)故障及其處理方法。57知識(shí)引入下圖所示為煉油、化工行業(yè)常用的氣化爐。它是以煤為燃燒原料的巨大的壓力容器，爐內(nèi)正常溫度在1300℃左右，有時(shí)可高達(dá)1500℃。爐內(nèi)所襯爐磚在高溫時(shí)會(huì)被熔蝕，受熱氣體和熔渣的沖刷，爐磚不斷變薄甚至脫落，使熾熱氣體通過(guò)磚縫侵入氣化爐爐壁，導(dǎo)致其表面溫度升高，金屬外殼強(qiáng)度降低，造成設(shè)備的安全隱患，因此，要求檢測(cè)氣化爐表面溫度并給出報(bào)警，以便及時(shí)確定更換爐磚的時(shí)間。圖中所示氣化爐的耐壓為6.5MPa（G），爐表面溫度為400~450℃，正常值為425℃左右。對(duì)于以上使用要求，根據(jù)傳感器溫度測(cè)量范圍，一般可以選擇金屬熱電阻式溫度傳感器作為測(cè)溫元件，組成溫度報(bào)警系統(tǒng)。5859氣化爐知識(shí)講解電阻式溫度傳感器就是以一定方式將溫度變化值這一物理量轉(zhuǎn)換為敏感元件的電阻變化，進(jìn)而通過(guò)電路變成電壓或電流信號(hào)輸出。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，成本低廉，在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。若按其制造材料進(jìn)行分類(lèi)，有金屬熱電阻（鉑、銅、鎳）式溫度傳感器和半導(dǎo)體熱電阻（熱敏電阻）式溫度傳感器。60一、金屬熱電阻金屬熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度敏感元件。它的主要特點(diǎn)是精度高，性能穩(wěn)定。金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高而增大，且與溫度變化成一定的函數(shù)關(guān)系，因此，通過(guò)檢測(cè)金屬熱電阻的阻值即可測(cè)出相應(yīng)的溫度。常用的金屬熱電阻主要有鉑電阻和銅電阻。鉑電阻用鉑絲繞在云母片制成的片形支架上，繞組的兩面用云母片夾住絕緣，外形有片狀、圓柱狀，如圖所示。61鉑電阻銅電阻由銅漆包線繞在圓形骨架上。為了使熱電阻能夠具有較長(zhǎng)的使用壽命，一般銅電阻外加有金屬保護(hù)套管，如圖所示。金屬熱電阻可以直接加絕緣套管貼在被測(cè)物體表面進(jìn)行溫度測(cè)量，也可以外加金屬防護(hù)套插入各種介質(zhì)環(huán)境進(jìn)行溫度測(cè)量，如圖所示。62帶金屬防護(hù)套熱電阻式溫度傳感器銅電阻1.鉑電阻鉑易于提純，物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，電阻率較大，能耐較高的溫度，是制造標(biāo)準(zhǔn)熱電阻和工業(yè)用熱電阻的最好材料。但鉑是貴重金屬，價(jià)格較高。2.銅電阻銅材料容易提純，具有較大的電阻溫度系數(shù)，阻值與溫度之間接近線性關(guān)系，且銅的價(jià)格比較便宜。銅電阻的缺點(diǎn)是電阻率較小，所以體積較大，穩(wěn)定性也較差，容易氧化。在一些測(cè)量精度要求不高、測(cè)溫范圍較小（-50~150℃）的場(chǎng)合，普遍采用銅電阻。633.金屬熱電阻的典型測(cè)量電路金屬熱電阻的測(cè)量電路常用惠斯通電橋電路。在實(shí)際應(yīng)用中，熱電阻敏感元件安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，感受被測(cè)介質(zhì)的溫度變化，而測(cè)量電路則隨測(cè)量、顯示儀表安裝在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制室內(nèi)，因此熱電阻的引出線較長(zhǎng)，引出線的電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響，造成測(cè)量誤差。為了克服引出線電阻的影響，常采用如圖所示的三線單臂電橋電路。在這種電路中，熱電阻的兩根引出線長(zhǎng)度相同，引出線的阻值相等，并被分配在兩個(gè)相鄰的橋臂中，這樣由引出線長(zhǎng)度變化以及環(huán)境溫度變化引起的引出線阻值變化所造成的誤差可以相互抵消。6465三線單臂電橋電路熱電阻典型測(cè)量電路的實(shí)際接線圖如圖所示。66熱電阻典型測(cè)量電路的實(shí)際接線圖a）三線制接線圖b）四線制接線圖下圖所示是常見(jiàn)的與金屬熱電阻式溫度傳感器配套的儀表（變送器）外部接線端子。溫度敏感元件通過(guò)較長(zhǎng)的引出線接到接線端子上。在接線時(shí)應(yīng)注意，采用三線制時(shí)，應(yīng)將另兩個(gè)接線端子短接。67金屬熱電阻式溫度傳感器配套儀表外部接線端子a）三線制測(cè)量接線b）四線制測(cè)量接線二、金屬熱電阻式溫度傳感器的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)在測(cè)量無(wú)腐蝕性的氣體或固體表面溫度時(shí)，如環(huán)境良好，可直接使用金屬熱電阻式溫度敏感元件，如圖所示為吸塵器電動(dòng)機(jī)溫控傳感器。但在測(cè)量液體或測(cè)量環(huán)境比較惡劣時(shí)無(wú)法直接使用金屬熱電阻式溫度敏感元件，需要在其外部加防護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)。68吸塵器電動(dòng)機(jī)溫控傳感器在工業(yè)測(cè)量過(guò)程中，為了防腐蝕，抗沖擊，延長(zhǎng)使用壽命，方便安裝、接線，常采用以下結(jié)構(gòu)形式。1.普通型金屬熱電阻式溫度傳感器普通型金屬熱電阻式溫度傳感器由熱電阻元件、絕緣套管、保護(hù)套管及接線盒等組成，如圖所示。保護(hù)套管不僅用來(lái)保護(hù)熱電阻元件免受被測(cè)介質(zhì)的化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷，還具有導(dǎo)熱功能，可將被測(cè)介質(zhì)的溫度快速傳導(dǎo)至熱電阻元件。69普通型金屬熱電阻式溫度傳感器2.鎧裝金屬熱電阻式溫度傳感器鎧裝金屬熱電阻式溫度傳感器由敏感元件（電阻體）、引出線、高絕緣氧化鎂、1Cr18Ni9Ti不銹鋼套管組成。1Cr18Ni9Ti不銹鋼套管是經(jīng)多次一體拉制而成的堅(jiān)實(shí)體，在安裝、彎曲時(shí)，不會(huì)損壞熱電阻元件。與普通型金屬熱電阻式溫度傳感器相比，它有下列優(yōu)點(diǎn)：①體積小，內(nèi)部無(wú)空氣隙，熱慣性小，測(cè)量滯后小。②力學(xué)性能好，耐振、抗沖擊。③能彎曲，便于安裝。④耐腐蝕，使用壽命長(zhǎng)。703.端面金屬熱電阻式溫度傳感器端面金屬熱電阻式溫度傳感器的溫度敏感元件由特殊處理過(guò)的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計(jì)端面，其外形如圖所示。71端面金屬熱電阻式溫度傳感器4.隔爆型熱電阻式溫度傳感器隔爆型熱電阻式溫度傳感器通過(guò)具有隔爆外殼的接線盒，把其外殼內(nèi)部可能產(chǎn)生爆炸的混合氣體、因受到火花或電弧等影響而可能發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，阻止向周?chē)纳a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)傳爆，其外形如圖所示。隔爆型熱電阻式溫度傳感器一般用于有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的溫度測(cè)量。72隔爆型熱電阻式溫度傳感器三、金屬熱電阻式溫度傳感器的安裝方法金屬熱電阻式溫度傳感器在安裝時(shí)，會(huì)因?yàn)榘惭b場(chǎng)所、測(cè)量精度、力學(xué)強(qiáng)度、密封等因素對(duì)安裝提出各種具體要求，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況具體分析，采取相應(yīng)的措施加以解決。金屬熱電阻式溫度傳感器安裝的基本要求如下。1.金屬熱電阻式溫度傳感器的安裝地點(diǎn)應(yīng)選擇在便于安裝、維護(hù)且不易受到外界損壞的位置。732.金屬熱電阻式溫度傳感器的插入方向應(yīng)與被測(cè)介質(zhì)流向相逆，或者垂直，盡量避免與被測(cè)介質(zhì)流向一致，如圖所示。3.在管道上安裝金屬熱電阻式溫度傳感器時(shí)，應(yīng)使金屬熱電阻式溫度傳感器溫度敏感元件的端頭處于流速最大的管道中心線，插入深度應(yīng)不小于300mm，或應(yīng)大于管道直徑的1/3。74金屬熱電阻式溫度傳感器的插入方向1—與流向相逆2—與流向垂直3—與流向一致4.金屬熱電阻式溫度傳感器插入部分越長(zhǎng)，測(cè)量誤差越小。因此，在滿足前兩項(xiàng)要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)爭(zhēng)取較大的插入深度。常用的增加插入深度的措施如圖所示。756.金屬熱電阻式溫度傳感器安裝在負(fù)壓管道或容器中時(shí)，要保證安裝的密封性良好。對(duì)于密封要求較高的腔體溫度的測(cè)量，金屬熱電阻式溫度傳感器安裝完成后，應(yīng)進(jìn)行氣密性檢查。增加插入深度的措施1—斜向插入2—彎頭插入3—加裝擴(kuò)容管5.為了防止熱量損耗，金屬熱電阻式溫度傳感器暴露在設(shè)備外面的部分要盡量短，而且應(yīng)在露出部分加保溫層。7.金屬熱電阻式溫度傳感器裝在具有固體顆粒和流速很高的介質(zhì)中時(shí)，為防止金屬熱電阻式溫度傳感器長(zhǎng)期受到?jīng)_刷而損壞，可在金屬熱電阻式溫度傳感器之前加裝保護(hù)板，如圖所示。76加裝保護(hù)板1—壁2—金屬熱電阻式溫度傳感器

3—三角鐵保護(hù)板四、金屬熱電阻式溫度傳感器的校驗(yàn)方法金屬熱電阻式溫度傳感器在使用前、修理后或使用過(guò)一段時(shí)間后，要進(jìn)行校驗(yàn)，以保證測(cè)量精度。標(biāo)準(zhǔn)金屬熱電阻式溫度傳感器的校驗(yàn)要求較高，方法也比較復(fù)雜。在測(cè)試時(shí)，鉑電阻元件的測(cè)試電流不應(yīng)超過(guò)允許值，過(guò)大的電流會(huì)使鉑電阻元件產(chǎn)生自熱，導(dǎo)致溫度升高。77熱敏電阻的校驗(yàn)方法與上述方法相同，只是由于熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系為非線性，需要選擇多點(diǎn)校驗(yàn)，一般將熱敏電阻放在高精度溫控油槽內(nèi)進(jìn)行各溫度點(diǎn)恒溫測(cè)量。在檢驗(yàn)和選擇熱敏電阻時(shí)應(yīng)注意，數(shù)字歐姆表和萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)的工作電流很大，較大的電流流經(jīng)熱敏電阻，會(huì)導(dǎo)致電阻溫度升高。而熱敏電阻對(duì)溫度很敏感，所以不能用這兩種表測(cè)量它的阻值，而應(yīng)使用電橋法測(cè)量。測(cè)量時(shí)需要將熱敏電阻安裝在專(zhuān)用的測(cè)量夾具上，并放在恒溫槽中保持阻值不變。78五、金屬熱電阻式溫度傳感器常見(jiàn)故障及其處理方法金屬熱電阻式溫度傳感器常見(jiàn)的故障是電阻斷路和短路，其中以斷路居多，這是由于電阻絲很細(xì)所致。斷路和短路都是比較容易判斷的，用萬(wàn)用表的×1歐姆擋測(cè)量電阻，如測(cè)得阻值比R0小，則可能有短路情況；如測(cè)得阻值為無(wú)窮大，則可確定電阻斷路。通常情況下，溫度傳感器無(wú)論是短路還是斷路，都應(yīng)采取更換相同廠家和相同牌號(hào)熱電阻的方法進(jìn)行維修，更換后應(yīng)進(jìn)行零點(diǎn)校驗(yàn)。79金屬熱電阻式溫度傳感器的常見(jiàn)故障、故障原因和處理方法見(jiàn)下表。80金屬熱電阻式溫度傳感器的常見(jiàn)故障、故障原因和處理方法課題三熱電偶式溫度傳感器81學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解熱電偶的工作原理。

了解熱電偶式溫度傳感器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用，并能合理選用。

掌握熱電偶式溫度傳感器的使用與安裝方法。

掌握熱電偶式溫度傳感器的常見(jiàn)故障及其處理方法。82知識(shí)引入在軋鋼過(guò)程中，鋼坯的軋制溫度是關(guān)鍵的工藝參數(shù)，鋼坯溫度控制的準(zhǔn)確與否，將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，在軋鋼過(guò)程中，必須精確測(cè)量、控制精煉爐的溫度。一般來(lái)說(shuō)，軋鋼溫度較高（800℃以上），根據(jù)該溫度測(cè)量范圍，對(duì)于鋼坯溫度的控制，可以選擇熱電偶式溫度傳感器。熱電偶式溫度傳感器廣泛用于溫度的測(cè)量與控制，其優(yōu)點(diǎn)是精度高，輸出穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，最高測(cè)量溫度可達(dá)2800℃。8384軋鋼工藝過(guò)程知識(shí)講解一、熱電偶的工作原理熱電偶由兩種不同材料的金屬導(dǎo)體絲或半導(dǎo)體組成。將兩根金屬絲的一端焊接在一起，作為熱電偶的測(cè)量端，另一端與測(cè)量?jī)x表相連，通過(guò)測(cè)量熱電偶的輸出電動(dòng)勢(shì)，即可推算出所測(cè)溫度值，如圖所示。圖所示為一種熱電偶式溫度傳感器的實(shí)物圖。8586熱電偶的工作原理熱電偶式溫度傳感器實(shí)物圖熱電偶的工作原理建立在導(dǎo)體的熱電效應(yīng)上。當(dāng)有兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路時(shí)，其兩端相互連接，只要兩接點(diǎn)處的溫度不同，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“熱電效應(yīng)”。87熱電偶根據(jù)理論推導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論：熱電偶中熱電動(dòng)勢(shì)的大小，只與組成熱電偶的導(dǎo)體材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀、尺寸無(wú)關(guān)。當(dāng)熱電偶兩電極材料選定后，熱電動(dòng)勢(shì)只與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。當(dāng)冷端溫度恒定時(shí)，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)只隨熱端（測(cè)量端）溫度的變化而變化，即一定的熱電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)著一定的溫度。因此，只要測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)就可以達(dá)到測(cè)溫的目的。88同時(shí)，熱電偶還遵循以下幾個(gè)基本定則。1.均質(zhì)導(dǎo)體定則如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)均為零，稱(chēng)為熱電偶的均質(zhì)導(dǎo)體定則。根據(jù)這個(gè)定則，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同（稱(chēng)為同名極檢驗(yàn)法），也可以檢查熱電極材料的均勻性。892.中間導(dǎo)體定則在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體兩接點(diǎn)的溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變，這就是熱電偶的中間導(dǎo)體定則。3.標(biāo)準(zhǔn)電極定則如果兩種導(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(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也可知，這就是熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)電極定則。904.中間溫度定則熱電偶在兩接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t、tn和tn、t0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，如圖所示，這就是熱電偶的中間溫度定則。91熱電偶中間溫度定則二、熱電偶式溫度傳感器的結(jié)構(gòu)熱電偶式溫度傳感器的結(jié)構(gòu)與熱電阻式溫度傳感器類(lèi)似，可以直接使用，也可以外加金屬防護(hù)層。在工業(yè)測(cè)量過(guò)程中，為了防腐蝕，抗沖擊，延長(zhǎng)使用壽命，方便安裝、接線，常采用以下結(jié)構(gòu)形式。1.普通型熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)控制中用普通型熱電偶作為測(cè)量溫度的傳感器，通常和顯示儀表、記錄儀表和一些控制儀表配套使用。普通型熱電偶式溫度傳感器通常由熱電偶、絕緣套、保護(hù)套管、法蘭、接線盒等部分組成，如圖所示。9293普通型熱電偶式溫度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.鎧裝型熱電偶鎧裝熱電偶式溫度傳感器的結(jié)構(gòu)與鎧裝熱電阻式溫度傳感器的結(jié)構(gòu)基本相同，是由熱電極、絕緣材料、不銹鋼套管經(jīng)多次一體拉制而成。由于使用環(huán)境及安裝形式不同，鎧裝熱電偶式溫度傳感器的外形結(jié)構(gòu)多種多樣，如圖所示。94各種鎧裝熱電偶式溫度傳感器a）防噴式b）防水式c）圓接插式d）扁接插式e）手柄式f）補(bǔ)償導(dǎo)線式3.薄膜型熱電偶薄膜型熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料，用真空蒸鍍、化學(xué)涂層等方法蒸鍍或涂敷到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶，如圖所示。95薄膜型熱電偶1—熱電極2—熱接點(diǎn)3—絕緣基板4—引出線三、熱電偶式溫度傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用在溫度測(cè)量中，熱電偶式溫度傳感器的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、熱慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。由于熱電偶式溫度傳感器是一種有源傳感器，測(cè)量時(shí)不需要外加電源，使用十分方便，所以常被用于測(cè)量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。由于熱電偶式溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無(wú)關(guān)，因此，用非常細(xì)的材料也能做成溫度傳感器，這種細(xì)微的測(cè)溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測(cè)量快速變化的過(guò)程，如燃燒和爆炸過(guò)程等。96熱電偶式溫度傳感器也有缺陷，那就是它的靈敏度比較低，容易受到干擾信號(hào)的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測(cè)量微小的溫度變化。熱電偶的種類(lèi)很多。1994年，我國(guó)開(kāi)始采用國(guó)際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990國(guó)際溫標(biāo)”（簡(jiǎn)稱(chēng)ITS-90），按此標(biāo)準(zhǔn)，共有八種標(biāo)準(zhǔn)化了的通用熱電偶，見(jiàn)表。表中所列熱電偶，寫(xiě)在前面的熱電極為正極，寫(xiě)在后面的熱電極為負(fù)極。9798常用熱電偶的使用溫度、適用環(huán)境及特點(diǎn)四、熱電偶式溫度傳感器的使用與安裝方法熱電偶式溫度傳感器的使用方法與一般溫度傳感器有所不同，在使用熱電偶式溫度傳感器時(shí)，應(yīng)特別注意其使用方法，否則會(huì)帶來(lái)很大的測(cè)量誤差。1.熱電偶分度表在使用熱電偶式溫度傳感器時(shí)，要根據(jù)傳感器輸出的熱電動(dòng)勢(shì)來(lái)推算相應(yīng)的溫度值。首先要確定熱電偶式溫度傳感器所使用的熱電偶材料，然后根據(jù)上表查出熱電偶相應(yīng)的分度號(hào)，再查相應(yīng)的分度表，即可根據(jù)熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢(shì)查出溫度值。一般廠家也會(huì)隨產(chǎn)品附給相應(yīng)的分度表。992.熱電偶的冷端補(bǔ)償根據(jù)熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢(shì)，可以通過(guò)分度表快速查出溫度值。但熱電偶的分度表都是以t0=0℃作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的（即熱電偶的冷端為0℃）。在實(shí)際使用過(guò)程中，熱電偶冷端所處環(huán)境的溫度往往不為0℃，這樣的測(cè)量結(jié)果會(huì)帶來(lái)較大誤差，所以在使用熱電偶時(shí)，必須消除環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響，即需要進(jìn)行熱電偶的冷端補(bǔ)償。100熱電偶冷端補(bǔ)償方法很多，常用的補(bǔ)償方法有以下幾種。（1）冰浴法將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，使冷端的溫度保持在0℃不變。該方法只適用于實(shí)驗(yàn)室的溫度測(cè)量。（2）計(jì)算機(jī)修正法先測(cè)出冷端溫度t0，然后從該熱電偶分度表中查出EAB（t0，0℃），由計(jì)算機(jī)自動(dòng)與所測(cè)得到的EAB（t，t0）相加，便可測(cè)出EAB（t，0℃），根據(jù)此值再在分度表中查出相應(yīng)的溫度值。101（3）補(bǔ)償電橋法將帶有銅熱電阻的補(bǔ)償電橋與被補(bǔ)償?shù)臒犭娕即?lián)，銅熱電阻與熱電偶的冷端置于同一溫度場(chǎng)。（4）選擇冷端溫度不需要補(bǔ)償?shù)臒犭娕加行犭娕荚谝欢囟确秶鷥?nèi)不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)或熱電動(dòng)勢(shì)很小。1023.熱電偶的冷端延長(zhǎng)實(shí)際測(cè)溫時(shí)，由于熱電偶長(zhǎng)度有限，冷端溫度將直接受到被測(cè)物溫度和周?chē)h(huán)境溫度的影響。103熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線104熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線列表使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意以下事項(xiàng)。（1）補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用，不能互換。（2）補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電極連接時(shí)，應(yīng)當(dāng)正極接正極，負(fù)極接負(fù)極，極性不能接反，否則會(huì)造成更大的誤差。（3）補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接的兩個(gè)接點(diǎn)必須靠近，使其溫度相同，否則會(huì)增加溫度誤差。（4）補(bǔ)償導(dǎo)線必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。使用補(bǔ)償導(dǎo)線不僅可以延長(zhǎng)熱電偶的參考端，節(jié)省大量的貴金屬，還可以通過(guò)選用直徑粗、導(dǎo)電系數(shù)大的金屬材料，減小導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的直流電阻，以減小測(cè)量誤差。1054.熱電偶式溫度傳感器的安裝方法普通型熱電偶式溫度傳感器和鎧裝熱電偶式溫度傳感器的安裝方法與熱電阻式溫度傳感器的安裝方法基本相同。當(dāng)測(cè)量金屬表面溫度時(shí)，熱電極可以直接固定在被測(cè)物表面。根據(jù)測(cè)量溫度范圍不同可以采取以下形式安裝。（1）測(cè)量溫度為200~300℃時(shí)，可用高溫環(huán)氧膠將熱電偶點(diǎn)固在金屬壁表面，工藝比較簡(jiǎn)單。（2）測(cè)量溫度較高時(shí)，為了提高可靠性，常采用焊接的方法，將熱電偶頭部焊在金屬壁表面。106五、熱電偶式溫度傳感器的常見(jiàn)故障及其處理方法熱電偶式溫度傳感器在校驗(yàn)期內(nèi)，如果測(cè)量誤差超出了允許誤差范圍，則說(shuō)明發(fā)生了故障。熱電偶式溫度傳感器的常見(jiàn)故障、故障原因和處理方法見(jiàn)表。107108熱電偶式溫度傳感器的常見(jiàn)故障、故障原因和處理方法課題四紅外溫度傳感器109學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解紅外線測(cè)溫的工作原理。

掌握常見(jiàn)紅外探測(cè)器的類(lèi)型、特點(diǎn)，了解其工作原理。

掌握紅外溫度傳感器的特點(diǎn)、選用原則和使用注意事項(xiàng)，并能正確選用。110知識(shí)引入如圖所示，電廠的鍋爐爐膛區(qū)溫度高達(dá)1300℃，是需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)。爐膛和后爐膛區(qū)的溫度不僅可以直接反映其內(nèi)部燃料的燃燒強(qiáng)度，燃燒過(guò)程中的效率優(yōu)劣，還能間接影響鍋爐的受熱面以及后續(xù)流程（如脫硝、灰分的控制等）的正常運(yùn)行。多數(shù)電廠或鍋爐的制造商采用紅外光學(xué)高溫計(jì)來(lái)測(cè)量大型鍋爐爐膛斷面的煙氣溫度，并借此實(shí)現(xiàn)鍋爐全爐膛的火焰檢測(cè)和爐膛滅火的保護(hù)功能。111112電廠鍋爐爐膛溫度測(cè)量知識(shí)講解任何物體只要溫度超過(guò)絕對(duì)零度（-273℃）就能產(chǎn)生紅外輻射，同可見(jiàn)光一樣，這種輻射能夠進(jìn)行折射和反射，紅外探測(cè)即是用儀器接收被測(cè)物發(fā)出或反射的紅外線，從而掌握被測(cè)物狀態(tài)的技術(shù)。這種技術(shù)以其獨(dú)有的優(yōu)越性，在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如多用于醫(yī)學(xué)熱診斷、工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、火控跟蹤、目標(biāo)偵察、安全監(jiān)視、制導(dǎo)等場(chǎng)合。作為紅外探測(cè)系統(tǒng)的核心器件，紅外傳感器（也稱(chēng)為紅外探測(cè)器）的研究也成為了熱點(diǎn)。113一、紅外線測(cè)溫的工作原理自然界中任何高于絕對(duì)零度的物體都將產(chǎn)生紅外輻射。紅外輻射俗稱(chēng)紅外線，是波長(zhǎng)范圍在0.76~1000μm內(nèi)的不可見(jiàn)光。物體產(chǎn)生紅外輻射能力的大小與其表面溫度密切相關(guān)，物體的溫度越高，輻射出來(lái)的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強(qiáng)。通過(guò)對(duì)物體紅外輻射能量的探測(cè)，便可準(zhǔn)確地確定它的表面溫度，紅外溫度傳感器就是通過(guò)這一原理來(lái)檢測(cè)溫度的。紅外測(cè)量是一種不接觸、不停工、快速響應(yīng)的測(cè)量方法，因此被越來(lái)越廣泛地用于各領(lǐng)域，成為快速、安全檢測(cè)的首選方法。紅外溫度傳感器有便攜式、固定式、紅外熱像儀等，常見(jiàn)紅外溫度傳感器的外形如圖所示。114115紅外溫度傳感器二、紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器是紅外溫度傳感器的核心，是一種輻射能轉(zhuǎn)換器，主要用于將接收到的紅外輻射能轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量或觀察的電能、熱能等其他形式的能量。紅外探測(cè)器的種類(lèi)很多，按照探測(cè)原理的不同，分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類(lèi)。1161.熱探測(cè)器熱探測(cè)器又通稱(chēng)為能量探測(cè)器，其原理是利用輻射的熱效應(yīng)，通過(guò)熱電變換來(lái)探測(cè)輻射。入射到探測(cè)器光敏平面的輻射被吸收后，引起敏感元件的溫度變化，進(jìn)而使其相關(guān)的物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)測(cè)量該變化即可確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。熱探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)波段范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外線區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便，因此應(yīng)用相當(dāng)廣泛。利用不同物理效應(yīng)可設(shè)計(jì)出不同類(lèi)型的熱探測(cè)器，其中常利用電阻溫度效應(yīng)（熱敏電阻）、溫差電效應(yīng)（熱電偶、熱電堆）和熱釋電效應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)熱探測(cè)器。目前國(guó)內(nèi)一般采用熱釋電型，其外形圖如圖所示。117118熱釋電型紅外探測(cè)器熱釋電型紅外探測(cè)器是根據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的，熱釋電效應(yīng)是指當(dāng)電石、水晶等晶體受熱產(chǎn)生溫度變化時(shí)，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化，在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。熱探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)較大。熱探測(cè)器不適合用于快速、高靈敏度的探測(cè)。但熱探測(cè)器的最大優(yōu)點(diǎn)是光譜響應(yīng)范圍較寬且較平坦。熱釋電型紅外線傳感器的性能穩(wěn)定，并且很容易改變中心波長(zhǎng)。這種傳感器適合于人體感應(yīng)，因此，常用于根據(jù)人體感應(yīng)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)電燈開(kāi)關(guān)、自動(dòng)洗手龍頭開(kāi)關(guān)、防火防盜報(bào)警開(kāi)關(guān)等。1192.光子探測(cè)器光子探測(cè)器利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下，入射光子流與探測(cè)材料相互作用產(chǎn)生光電效應(yīng)，使材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量該變化確定紅外輻射的強(qiáng)弱，其外形圖如圖所示。120光子探測(cè)器光具有波粒二象性，既能像波一樣傳播，又能像粒子那樣進(jìn)行能量的傳遞。光照射在某一物體上，可以看作物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，被照射物體吸收了光子的能量會(huì)發(fā)生電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指當(dāng)光照射到某些物質(zhì)上時(shí)，使該物質(zhì)的電效應(yīng)發(fā)生變化的一種物理現(xiàn)象，可分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三類(lèi)。121按照所依據(jù)原理的不同，光子探測(cè)器一般可分為內(nèi)光電探測(cè)器和外光電探測(cè)器兩種。內(nèi)光電探測(cè)器又可分為光電導(dǎo)探測(cè)器、光電伏探測(cè)器和光磁電探測(cè)器，它們分別基于光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光磁電效應(yīng)制備而成。光子探測(cè)