第3章 温度传感器

1第三章温度传感器温度传感器分接触式和非接触式两种：非接触式是测量物体热辐射发出的红外线而测物体的温度。接触式是温度传感器直接与被测物体接触测量。23.1热电偶3.2热电阻3.3热敏电阻3.4PN结温度传感器3.5热释电红外传感器3.6温度传感器应用33.1热电偶特点：1.精度高、性能稳定；2.结构简单、易制作;3.互换性好；4.适于远传和多点切换；5.测温范围广－200～2000℃；6.多样型式，适应各种条件。。4常用热电偶的结构热电偶由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。工业热电偶结构示意图1－接线盒；2－保险套管3―绝缘套管4―热电偶丝123453.1.1热电偶的工作原理热电势是由接触电势和温差电势共同作用的结果。参考端（冷端）工作端（热端）当两种不同导体被连接成一闭合回路时,若两节点处的温度不同，则在两导体间就会产生热电势，回路中就会产生电流。这种现象为热电效应。两种导体的组合为热电偶。61.接触电势BAABNNekTTeln)(eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；NA、NB——导体A、B在温度为T时的电子密度。当两种不同导体接触时，在接触面处发生电子扩散，形成接触电位差，电位差的大小与两种材料和接点的温度有关AB+++++++－eAB(T)7AeA(T,To)ToTσA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0——高低端的绝对温度；2.温差电势dT)T,T(eTTA0A0温差电势原理图∑一根均质导体，若两端温度不同，则在两端会产生电动势。称为导体的温差电动势（称为汤姆逊电动势）。dT)T,T(eTTB0B0BTTo8由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：BTATNNlnekT00ln0BTATNNekTdTTTBA0)(3.回路总电势)T,T(e)T,T(e)T(e)T(e)T,T(E0B0A0ABAB0ABNAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；σA、σB——导体A和B的汤姆逊系数。9dT)(dT)(TTBATTBA00dT)(dT)(dT)(00T0BAT0BATTBA＋＝－)T,T(e)T,T(e)T(e)T(e)T,T(E0B0A0ABAB0AB＋BTATNNlnekT00BTAT0NNlnekT－dT)(0T0BAdT)(T0BA总的热电势EAB（T、T0）可简化为EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T)通常温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。10结论：1.若热电偶两电极材料相同，即使两端温度T≠T0，总的热电势为零。2.若热电偶两端温度T=T0，则总的热电势为零。3.热电势的大小与材料和接点温度有关，与热电偶的尺寸，形状及端电极温度分布无关。114.导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数。EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T)EAB(T,T0)=EAB(T)＋EBA(T0)5.热电偶总的热电势等于热电偶每个节点热电势的代数和。EAB(T,T0)=EAB(T)－EAB(T0)12由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。3.1.2.热电偶的基本定律1.均质导体定律132.中间导体定律在热电偶回路中引入第三种材料导体时，只要两端的温度T≠T0，热电偶回路中总热电势不变。ATBCCT014若T=T0则证明：ATBCCT015根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势.ATB电位计CCT0163.中间温度定律在热电偶回路中，若热电偶的中间温度发生变化只要两端温度T≠T0，热电偶总端电势依然不会因为中间温度的变化而改变。AB电位计T0T1)T,T(E)TT,T(E0AB0,nABT17二式相加证明：18（4)标准电极定律若两种导体分别与第三种金属组成热电偶的热电势已知，则由这两种导体组成的热电偶的热电势也就可知。导体C称为标准电极（一般用铂制成）()()()0ACAC0ACTeTeTTE－，=()()()0BCBC0BCTeTeTTE－，=证明：19两式相减得：TeTeTeTeTeTeTeTeTTETTE0BC0ACBCAC0BCBC0ACAC0BC0AC－－－－－，－，若一个热电偶由A、B、C三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：()()()()()()0TeTeTeTeTeTe0BACB0ACBACBAC=++0=++020或()()()()()()TeTeTeTeTeTe0ABBC0ACABBCAC==0－－0000TTETeTeTeTeTeTeTTETTEABABABBC0ACBCACBC0AC，－－－－，－，EAB（T,T0）=EAC（T,T0）-EBC（T,T0）21解：由标准电极定律，镍铬和考铜热电偶的热电动势应等于镍铬合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电动势的差，即例1热端为100℃、冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mVEAB（T，T0）CATToB223.1.3热电偶的常用材料（1）．铂—铂铑热电偶(S型)分度号LB—3正极：铂铑合金丝,用90％铂和10％铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300℃、短期：1600℃（2）．镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型)分度号EU—2正极：镍铬合金(用88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴冶炼而成)。测量温度：长期1000℃，短期1300℃。（3）．镍铬—考铜热电偶(E型)分度号为EA—2正极：镍铬合金负极：考铜合金（用56％铜，44％镍冶炼而成）。测量温度：长期600℃，短期800℃。（4）．铂铑30—铂铑6热电偶(B型)分度号为LL—2正极：铂铑合金（用70％铂，30％铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用94％铂，6％铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600℃，短期可达1800℃。231.冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液3.1.4冷端处理及补偿T0242.补偿导线法补偿导线是根据中间温度定律而实现温度检测的。当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A′、B′即引入所谓补偿导线。ABT1T2T2A’B’T0T0利用补偿导线，可将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所。E当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)，则回路总电动势为EAB=EAB(T1)–EAB(T0)只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。25例2采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800℃，冷端温度为50℃。为了进行炉温的调节与显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20℃。首先由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0℃，热端温度分别为800℃、50℃、20℃时的热电动势：E(800，0)＝33.277mV；E(50，0)＝2.022mV；E(20，0)=0.798mV。26如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为：E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)=(33.277-2.022)mV=31.255mV查分度表知，对应31.255mV的温度是751℃。与炉内真实温度相差49℃。27如果在热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电极延伸到仪表室，输入仪表的热电动势为E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)=(33.277-0.798)mV=32.479mV查分度表知，对应32.479mV的温度是781℃，与炉内真实温度相差19℃。28若冷端温度恒定，但并非0℃，要使测出的热电动势只反映热端的实际温度，则必须对温度进行修正。修正公式如下：3.计算修正法()()()0110+=TTETTETTEABABAB，，，29例3用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为2.436mV。再用温度计测出环境温度为30℃(且恒定)，求池水的真实温度。解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(30，0)=1.203mVE(T，0)=E(T，30)+E(30，0)=2.436mV+1.203mV=3.639mV所以：查分度表知其对应的实际温度为T=88℃。即池水的真实温度是88℃。注意:既不能只按2.436mV查表，认为T=60℃，也不能把60℃加上30℃，认为T=90℃。304.冷端电路补偿法热敏电阻电位补偿法V+RtR1R2TT0Vo=Va+VABaAB00BTAT00ABNNlnekT)T(EdT)(0T0BATRtUa热敏电阻电桥补偿法31T0EAB(T,T0)U=EAB（T，T0）+Uba)RR)(RR(RRRREU3C21C213baaaTRCaUba在0℃下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3R温敏电阻选负的温度系数325.显示仪表零位调整法当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所），可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。ABT1T2T2A’B’T0T0E336.软件处理法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。343.1.4热电偶的测量电路1.单点测量电路2.两点间温差测量电路ATBCCT0ACAT2T1mVBBDmVT0T0353.串联测量电路ACDT1T2mVT1T2mVT3BABBBBAAACDT04.并联测量电路36热电偶接线端子tt1二次仪表t0补偿导线补偿导线0℃＋＋T0变成了中间温度，0℃补偿不起作用热电偶接线端子tt1二次仪表t0补偿导线普通导线0℃＋＋冰水0℃补偿，中间温度定律373.2热电阻3.2.1工作原理热电阻采用金属材料是铜和铂。金属中的原子是由原子核和自由电子组成，自由电子可在晶格中自由运动。当有电场存在时，自由电子在电场作用下定向运动便形成电流。当金属温度升高时，核热运