智能傳感與檢測技術(shù) 課件 第5章熱電式傳感器

機(jī)械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS熱電式傳感器第5章智能傳感與檢測技術(shù)徐小華主編

ISBN978-7-111-76072-6熱電式傳感器5智能傳感與檢測技術(shù)熱電偶傳感器5.1熱電阻傳感器5.2熱敏電阻傳感器5.3熱電式傳感器5

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動化的重要任務(wù)。如冶金、機(jī)械、熱處理、食品、化工以及玻璃、陶瓷和耐火材料等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。圖5-1為熱電式傳感器工作原理示意圖。智能傳感與檢測技術(shù)熱電式傳感器5熱電偶的測溫原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點1和2的溫度不同時，如T＞T0，在回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，并在回路中有一定大小的電流，此種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。該電動勢就是著名的“塞貝克溫差電動勢”，簡稱“熱電動勢”，記為EAB，導(dǎo)體A，B稱為熱電極。接點1通常是焊接在一起的，測量時將它置于測溫場所感受被測溫度，故稱為測量端（或工作端，熱端）。接點2要求溫度恒定，稱為參考端（或冷端）。由兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動勢的傳感器叫做熱電偶傳感器。智能傳感與檢測技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.1熱電偶的測溫原理熱電式傳感器51.均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積，長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。如果熱電偶的兩根熱電極由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，那么，熱電偶的熱電動勢僅與兩接點的溫度有關(guān)，與熱電偶的溫度分布無關(guān)；如果熱電極為非均質(zhì)電極，并處于具有溫度梯度的溫場時，將產(chǎn)生附加電勢，如果僅從熱電偶的熱電動勢大小來判斷溫度的高低就會引起誤差。2.中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。根據(jù)這一定則，可以將熱電偶的一個接點斷開接入第三種導(dǎo)體，也可以將熱電偶的一種導(dǎo)體斷開接入第三種導(dǎo)體，只要每一種導(dǎo)體的兩端溫度相同，均不影響回路的總熱電動勢。在實際測溫電路中，必須有連接導(dǎo)線和顯示儀器，若把連接導(dǎo)線和顯示儀器看成第三種導(dǎo)體，只要他們的兩端溫度相同，則不影響總熱電動勢。3.標(biāo)準(zhǔn)電極定律兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C(或稱標(biāo)準(zhǔn)電極)組成熱電偶，只要知道兩種導(dǎo)體分別與參考電極組成熱電偶時的熱電動勢，就可以依據(jù)參考電極定則計算出兩導(dǎo)體組成熱電偶時的熱電動勢，從而簡化了熱電偶的選配工作。由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點高，易提純，所以人們多采用高純鉑作為參考電極。智能傳感與檢測技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.2熱電偶基本定律熱電式傳感器51.均質(zhì)導(dǎo)體定律2.中間導(dǎo)體定律智能傳感與檢測技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.2熱電偶基本定律

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，則回路中的熱電勢不變。熱電式傳感器53.標(biāo)準(zhǔn)電極定律智能傳感與檢測技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.2熱電偶基本定律

如果兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C組成的熱電偶的熱電動勢已知，則由A、B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶熱電動勢也就已知。如圖所示。熱電式傳感器54.中間溫度定律智能傳感與檢測技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.2熱電偶基本定律

熱電偶回路中，兩接點溫度分別為t、t0時的熱電勢，等于接點溫度為t、tn和tn、t0的兩支同性質(zhì)熱電偶的熱電勢的代數(shù)和熱電式傳感器5智能傳感與檢測技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.3熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及性能1.熱電偶的材料名

稱分度號測溫范圍/

C特

點鉑銠30

-鉑銠6B50

1820熔點高，測溫上限高，性能穩(wěn)定，精度高，100

C以下熱電勢極小，所以可不必考慮冷端溫度補(bǔ)償；價昂，熱電勢小，線形差；只適用于高溫域的測量鉑銠13-鉑R-50

1768使用上限較高，精度高，性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好；但熱電勢較小，不能在金屬蒸氣和還原性氣氛中使用，在高溫下連續(xù)使用時特性會逐漸變壞，價昂；多用于精密測量鉑銠10-鉑S-50

1768優(yōu)點同上；但性能不如R熱電偶；長期以來曾經(jīng)作為國際溫標(biāo)的法定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶鎳鉻-鎳硅K-270

1370熱電勢大，線性好，穩(wěn)定性好，價廉；但材質(zhì)較硬，在1000

C以上長期使用會引起熱電勢漂移；多用于工業(yè)測量鎳鉻硅—鎳硅N-270

1300是一種新型熱電偶，各項性能均比K熱電偶好，適宜于工業(yè)測量鎳鉻—銅鎳（康銅）E-270

800熱電勢比K熱電偶大50%左右，線性好，耐高濕度，價廉；但不能用于還原性氣氛；多用于工業(yè)測量鐵—銅鎳（康銅）J-210

760價格低廉，在還原性氣體中較穩(wěn)定；但純鐵易被腐蝕和氧化；多用于工業(yè)測量銅—銅鎳（康銅）T-270

400價廉，加工性能好，離散性小，性能穩(wěn)定，線性好，精度高；銅在高溫時易被氧化，測溫上限低；多用于低溫域測量?？勺鳎?200

0）

C溫域的計量標(biāo)準(zhǔn)熱電式傳感器5智能傳感與檢測技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.3熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及性能5.1熱電偶傳感器5.1.3熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及性能1.熱電偶的結(jié)構(gòu)和性能普通熱電偶結(jié)構(gòu)和外形鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶熱電式傳感器51．補(bǔ)償導(dǎo)線法工程中可采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線對冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，如圖5-3所示。在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。可將熱電偶電極做得很長，將冷端移到恒溫或變化平緩的環(huán)境中。采用該方法時，一方面是安裝使用不便，另一方面是需要耗費許多貴重的金屬材。智能傳感與檢測技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.4

熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償方法熱電式傳感器52．冷端0℃恒溫法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，以使冷端溫度保持0℃。這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為不便。3．電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度不在0℃時引起的熱電勢變化值，如圖5-4所示，在熱電偶與測溫儀表之間串接一個直流不平衡電橋，電橋中的R1、R2、R3用電阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲制作，另一橋臂的RT用溫度系數(shù)較大的銅線繞制。智能傳感與檢測技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.4

熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償方法熱電式傳感器54．計算修正法當(dāng)冷端溫度恒定但不為零時，需要根據(jù)中間溫度定律進(jìn)行計算修正，消除冷端溫度不為零產(chǎn)生的誤差。該方法適用于熱電偶冷端溫度恒定的情況。在智能化儀表中，查表及運(yùn)算過程均可由計算機(jī)完成。5.

顯示儀表機(jī)械零位調(diào)整法智能傳感與檢測技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.3熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償方法熱電式傳感器51.測量單點溫度智能傳感與檢測技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.5熱電偶測溫電路

（a）（b）熱電式傳感器52.測量多點溫度和智能傳感與檢測技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.5熱電偶測溫電路熱電式傳感器52.測量多點平均溫度智能傳感與檢測技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.5熱電偶測溫電路熱電式傳感器54.測量兩點溫度差智能傳感與檢測技術(shù)5.1熱電偶傳感器5.1.5熱電偶測溫電路熱電式傳感器5

熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化來測量溫度的元件，它由熱電阻體（感溫元件），連接導(dǎo)線和顯示或紀(jì)錄儀表構(gòu)成。。(1)鉑熱電阻鉑的物理化學(xué)性能極為穩(wěn)定，并有良好的工藝性。以鉑作為感溫元件具有示值穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，其使用范圍是-200～850℃。除作為溫度標(biāo)準(zhǔn)外，還廣泛用于高精度的工業(yè)測量。

(2)銅熱電阻銅熱電阻的使用范圍是-50～150℃，具有電阻溫度系數(shù)大，價格便宜，互換性好等優(yōu)點，但它固有電阻太小，另外銅在250℃以上易氧化。銅熱電阻在工業(yè)中的應(yīng)有逐漸減少。

智能傳感與檢測技術(shù)5.2熱電阻傳感器5.2.1熱電阻工作原理熱電式傳感器5智能傳感與檢測技術(shù)5.2熱電阻傳感器5.2.2熱電阻的結(jié)構(gòu)（a）外型結(jié)構(gòu)（b）結(jié)構(gòu)圖銅熱電阻的結(jié)構(gòu)示意圖（a）外型結(jié)構(gòu)（b）結(jié)構(gòu)圖鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)圖熱電式傳感器5智能傳感與檢測技術(shù)5.2熱電阻傳感器5.2.2熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電式傳感器5智能傳感與檢測技術(shù)5.2熱電阻傳感器5.2.3熱電阻的測量電路選擇二線制熱電式傳感器5智能傳感與檢測技術(shù)5.2熱電阻傳感器5.2.3熱電阻的測量電路選擇三線制熱電式傳感器5智能傳感與檢測技術(shù)5.2熱電阻傳感器5.2.3熱電阻的測量電路選擇四線制熱電式傳感器5

熱敏電阻是一種電阻值隨其溫度成指數(shù)變化的半導(dǎo)體熱敏元件。廣泛應(yīng)用于家電、汽車、測量儀器等領(lǐng)域。優(yōu)點如下：(1)電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10～100倍；(2)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量“點”溫度；(3)電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量；(4)功耗小，不需要參考