第二章-温度传感器

回顾思考：1.一个完整的自动测控系统一般由哪几部分组成？2.什么是传感器？由哪几部分组成？每部分作用是什么？模块二温度传感器模块二温度传感器本章内容：温度测量概述热电偶传感器金属热电阻传感器半导体热敏电阻温度测量概述温度测量基本概念温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。温标温度数值的表示方法称为温标。目前国际上规定的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标（绝对温标）等。华氏温标：冰的熔点为32F，水的沸点为212F。符号为，单位F。几种温标的对比摄氏温标：冰的熔点定为0℃，水的沸点100℃。符号为t，单位为℃。0/(1.8/32)FtC热力学温标（K）热力学温标：又称开氏温标，规定分子运动停止时的温度为绝对零度，水的三相点的温度为273.16度。它的符号是T，单位是开尔文（K）。威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像0//273.15TKtC测量方法接触式非接触式工作原理膨胀式电阻式热电式辐射式温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。温度测量分类示温涂料装满热水后图案变色CPU散热风扇低温时为蓝色温度升高后变为红色不需要电源，耐用但感温部件体积较大气体的体积与热力学温度成正比红外温度计任务一热电偶传感器热电偶测温原理热电偶材料、分类及结构热电偶冷端补偿热电偶应用热电偶传感器特点1.结构简单、制造使用方便，电极不受大小和形状限制，可按照需要选择；2.测温范围广，下限可达-260℃，上限可达1800℃以上；3.热惯性小，准确度高，各温区中误差均符合计量委员会标准。一、热电偶测温原理指南针1821年，德国物理学家赛贝克指南针偏转说明回路中有电动势产生，并有电流在回路中流动；电流的强弱与两个接点的温差有关。由两种不同材料的导体组成的闭合回路，由于回路中两个接点温度的不同，使回路中产生了电动势，简称热电势（ThermoelectricForce），这种现象称之为热电效应。TE热端（热接点）T冷端（冷接点）T0热电势：EAB(T,T0)Ο热电效应接触电动势两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势自由电子＋ABeAB（T）T()ABeT在单一导体中，热端自由电子的热运动动能大，冷端相对较小，在电子相互扩散中，热端电子较多地通过A扩散到冷端。热端失去电子带正电，冷端得到电子而带负电，从而形成一个静电场，该电场反过来会阻碍电子的继续扩散，直到二者达到动态平衡，此时，在导体的两端必然会形成一个电位差，这个电位差称为温差电势。温差电势0TA0TeTTdTA（,）＝0TB0TeTTdTB（,）＝AT0TBσ—汤姆逊系数，表示单一导体两端温度差为1℃时所产生的温差电势，其大小取决于材料性质和两端温度温差电势ABAB0B0A0EeTeTeTTeTT＝（）-（）+（，）-（，）接触电势逆时针方向：热电势的组成0TA0TeTTdTA（,）＝0TB0TeTTdTB（,）＝AT0TBABB0AB0A0EeTeTTeTeTT＝（）+（，）-（）-（，）分度表结论1、热电偶必须要由两种不同材料才能构成，如果热电偶两极材料相同，即使两端温度不同，但总输出热电动势仍为零；2、如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电动势必然等于零。两结点温差越大，热电动势越大。3、热电动势大小只与材料和结点温度有关，而热电偶的内阻与其长短、粗细、形状有关。热电偶越细内阻越大。回顾思考：1.正常人体温约为37℃，则此时华氏温度约为（），热力学温度约为（）。2.什么是热电效应？3.热电偶产生的热电动势由哪几部分组成？大小与什么有关？4.用镍铬-镍硅热电偶测量某一水池内水的温度，测出的热电动势为2.43mV。再用温度计测出环境温度为30℃（且恒定），求池水的真实温度。CTT0T0TT0TNTNAB000(,)()()(,)ABCABABABETTETETETT热电偶回路总的热电势，不会因为在其电路中的任意部分接入第三种两端温度相同的材料而有所改变。Ο热电偶基本定理1.中间导体定理BATNTBAT0TN+=BAT0TTN),(),(),(00TTETTETTEABnABnABΟ热电偶基本定理2.中间温度定理镍铬—镍硅热电偶，工作时其自由端温度为30℃,测得热电势为30.43mV,求被测介质的实际温度。思考题：Ο热电偶基本定律3.参考电极定律热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为（T,）时的热电动势分别为、，在相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势可按照下面公式计算：0T0(,)ACETT0(,)BCETT0(,)ABETT000(,)(,)(,)ABACBCETTETTETT二、热电偶材料、分类及结构热电偶材料热电极：组成热电偶的两根热偶丝。要求：1.制成热电偶的热电动势应较大；热电动势与被测温度之间应尽量成线性关系；2.化学稳定性好，不易氧化和腐蚀；3.复现性好，响应速度快。国际电工委员会（IEC）认证的性能较好的标准化热电偶有8种，国际上称之为“字母标志热电偶”。名称分度号代号测温范围/0C100时的热电动势/mv0C特点铂铂30—铂铂6BWRR50-18200.033熔点高，测温上限高，性能稳定，精度高100以下时热电动势极小，可不必考虑冷端补偿；价昂，热电动势小；只适用于高温域的测量。0C铂铂13—铂R---50--17680.647使用上限较高，精度高，性能稳定，复现性好；但热电动势较小，不能在金属蒸汽和还原性气氛中使用，在高温下李旭使用特性渐变坏，价昂；多用于精密测量。铂铂10—铂铂铂—铂铂铂铂铂—铂铂铂铂—铂铂铂—铂铂铂—铂铂TJENKSWRPWRN--WRK--WRC-50--1768-270--1370-27--1370-270--800-210--760-270--4004.2795.2696.3192.7444.0950.646同上，性能不如铂铑13-铂热电偶；长期以来曾作为国际温标的法定标准热电偶热电动势答，线性好，稳定性好，价廉；但材质较硬，在1000摄氏度以上长期使用会引起热电动势漂移多用于工业测量。一种新型热电偶，个性性能比K型热电偶更好；更适宜于工业测量。热电动势比K型热电偶大50%左右，线性好，耐高湿度，价廉；但不能用于还原性气体；多用于工业测量价廉，在还原性气体中较稳定；但纯铁易被腐蚀和氧化；多用于工业测量价廉，加工性能好，离散性小，性能稳定，线性好，精度高；铜在高温时易被氧化，测温上限低，多用于低温测量，可作-200摄氏度到0摄氏度温域的计量标准接线盒引出线套管固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管热电偶的种类和结构普通热电偶结构普通装配型热电偶的结构放大图普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面铠装型热电偶制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。隔爆型热电偶结构特点：接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线由两种薄膜热电极材料,用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶。其热接点可以做得很小(可薄到0.01~0.1μm)，具有热容量小,反应速度快等的特点,热相应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。薄膜热电偶小形K型热电偶其他热电偶外形思考题：1.测CPU散热片的温度应选用（）型热电偶。2.测量锅炉烟道中烟气温度应选用（）型热电偶。3.测100m深岩石钻孔中温度应选用（）型热电偶。热电偶测量电路1.测量某点温度的基本电路将两个同型号的热电偶配用相同的补偿导线，其接线应使两热电势反向串联ET=E1-E22.测量两点之间的温度差用几个同型号的热电偶依次将正负相连，A′、B′是与被测量热电偶热电性质相同的补偿导线。输出电势大，可感应较小的信号。只要一个热电偶断路，总的热电势消失，或热电偶短路，将会引起仪表值的下降。ET=E1+E2+E3回路总的热电势为：3.测量温度之和用几个同型号的热电偶(工作在线性段)并联在一起，在每一个热电偶线路中分别串联均衡电阻R，且仪表输入阻抗很大ET=(E1+E2+E3)/34.测量设备中的平均温度回路中总的热电势等于热电偶输出电势之和的平均值//ABABNNNN0()()()()ABBBnBAAAnEETETETETABTB’A’TNTNRLT0T0Cu0000()()lnln()()()()(,)BAABBAnBAABBAABABABnnkETETTennETETETETETT三、热电偶冷端延长冷端延长方法使用补偿导线的优点：1.将冷端温度波动区延长到温度相对稳定区，是指示仪表示值变得稳定起来。2.补偿导线比使用相同长度的热电极便宜很多。3.补偿导线多用铜及合金制作，所以单位长度直流电阻比直接使用很长的热电极小得多，可以减小测量误差。4.补偿导线通常使用塑料做绝缘层，易弯曲，便于敷设。补偿导线外形A’B’屏蔽层保护层注意问题1、两根补偿导线与热电偶两个电极接点温度必须相同；2、各补偿导线只能与相应型号热电偶相配补偿导线在0-100℃范围内，热电势与配套的热电偶热电势相等，所以不影响测量精度。补偿导线型号配用热电偶补偿导线材料正极负极补偿导线绝缘层着色正极负极SCS铜铜镍合金红色绿色KCK铜铜镍合金红色红色红色红色红色蓝色KXEXJXTXKEJT镍铬合金镍硅合金镍硅合金铜镍合金铁铜镍合金铜铜镍合金黑色棕色紫色白色3、必须在规定范围内使用。4、极性切勿接反。将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0C不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0C而引入的误差。在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0C不变。四、热电偶冷端温度补偿1、冷端恒温法冰浴法接线图1—被测流体管道2—热电偶3—接线盒4—补偿导线5—铜质导线6—毫伏表7—冰瓶8—冰水混合物9—试管10—新的冷端2.仪表机械零点调整法T0AB’A’T0R5R2R3RhRpabcdmVB利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。3、电桥补偿法XT-WBC热电偶冷端补偿器燃气热水器防熄火、防缺氧原理五、热电偶应用回顾思考：1.什么是补偿导线？热电偶测温为什么要采用补偿导线？使用要注意什么问题？2.热电偶温度补偿有几种方法？3.在实验室测量金属的熔点时，冷端温度补偿可用（）减小测量温差；而在车间，用带微机的数字式测温仪表测量炉膛的温度时，应采用（）较为妥当。取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，额定热态电阻值应为多少？金属热电阻传感器热电阻效应随着温度的增高，金属材料的电阻率ρ会随着发生变化，这个电阻率变化的比例我们用一