项目二温度检测传感器及仪表

项目二温度检测传感器及仪表天津渤海职业技术学院李駪、姜涛、姜秀英制作在检测与控制过程中，检测与控制的对象常常是温度、压力、物位、流量等各种非电量。这些非电量往往要先利用传感器转换成电量，以便检测与控制。为了实现检测与控制系统中传感器与其他装置的兼容性和互换性，转换成的电量有必要采用统一的国际标准。l973年4月国际电工委员会(IEC)第65次技术委员会通过了这一标准，规定了传感器输出电量信号的规格，即过程控制系统的模拟直流电流信号为0～10mADC或4mA～20mADC，模拟直流电压信号为lV～5VDC。变送器是一种将非标准电量信号转换为统一的标准电量信号的装置。有些变送器将信号检测与变送构成了一体，因此，变送器是输出标准信号的传感器。项目二温度检测传感器及仪表2.1温度测量的基本概念温度传感器是检测温度的器件，其种类最多，应用最广，发展最快。日常使用的材料及电子元件大部分都有随着温度而变化的特征，但作为实用传感器必须满足如下一些条件：(1)在使用温度范围内温度特性曲线要求达到的精度能符合要求。为了在较宽的温度范围内进行检测，温度系数不宜过大，过大了就难以使用，但对于狭窄的温度范围或仅仅定点的检测，其温度系数越大，检测电路也能越简单。(2)为了将它用于电子电路的检测装置，要具有检测便捷和易于处理的特性及一定的量。随着半导体器件和信号处理技术的进步，对温度传感器所要求的输出特性应能满足要求。(3)特性的偏移和蠕变越小越好，互换性要好。(4)对于温度以外的物理量不敏感。(5)体积要小，安装要方便。为了能正确地测量温度，传感器的温度必须与被测物体的温度相等。传感器体积越小，这个条件越能满足。(6)要有较好的机械、化学及热性能。这对于使用在振动和有害气体的环境中特别重要。(7)无毒、安全以及价廉，维修、更换方便等。温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类。接触式是指传感器直接与被测物体接触，从而进行温度测量，这是温度测量的基本形式。这种方式的特点是通过接触方式把被测物体的热量传递给传感器，从而降低了被测物体的温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此，采用这种方式要测得物体的真实温度，前提条件是被测物体的热容量要足够大且大于温度传感器。而非接触式方式是测量物体热辐射发出的红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测，这是接触式所做不到的。2．1．1温度传感器的分类与选型温度传感器分类方法很多，可按工作方式、测温范围、性能特点等多方面来分类。根据传感器与被测介质是否接触可分为接触式和非接触式；根据测量的工作原理可分为膨胀式、压力式、热电阻、热电偶、辐射式等。常用温度传感器的分类见表2-1。下面介绍几种常用温度传感器的分类与选型。1．热电偶温度传感器热电偶是目前应用最广泛的温度传感器。热电偶的特点是结构简单，仅由两根不同的导体或半导体材料焊接或绞接而成：测温的精确度和灵敏度足够高；稳定性和复现性较好；动态响应快；测温范围广：电动势信号便于传送。最简单的热电偶测温系统如图2-1所示。热电偶是由两种不同材料的导体(或半导体)A、B焊接而成。焊接的一端为工作端(或热端)，与导线连接的一端为自由端(或冷端)，导体A、B称为热电极，总称热电偶。测量时将其工作端与被测介质相接触，测量仪表常为动圈仪表或电位差计，用来测出热电偶的热电势，连接导线为补偿导线及铜导线。1．热电偶温度传感器(1)热电偶的工作原理在图2-2(a)中两种不同的导体(或半导体)A、B组成闭合回路，两接点温度分别为t和(t)，则在回路中产生一个电动势。这个物理现象就是塞贝克效应，此电势称为热电势。热电势的产生由接触电势与温差电势两部分组成。接触电势是两种不同的导体因自由电子密度不同而在接触处形成的电动势，又称帕尔帖电势。此电势与材质、温度有关，表示为eAB(t)、eAB()，A为正极，B为负极。温差电势是同一材质导体因两端温度不同而产生的电动势，又称汤姆逊电势。此电势与材质、温度有关，表示为(to)、(t1)。0t0t0t0tAEBE图2-1最简单的热电偶测温系统图2-2热电偶电路的构成可用下式进行计算:(t，)=(t，0)—(，0)(2-1)式中，(t，0)和(，0)分别相当于该热电偶的工作端温度为t和而自由端温度为0℃时的热电势。ABEABEABE0t0tABEABE0t(2)常用热电偶的种类。根据热电偶测温的基本原理，理论上任意两种不同材料的导体或半导体均可作为热电极组成热电偶，但实际上为保证可靠地进行具有足够精度的温度测量，对热电极材料必须进行严格选择。一般有以下要求：在测温范围内，物理、化学稳定性要高；电阻温度系数小；导电率高；组成热电偶后产生的热电势要大；热电势与温度要有线性关系或简单的函数关系；复现性好；便于加工成丝等。(3)热电偶的结构。热电偶通常由热电极、绝缘子、保护管、接线盒四部分组成，其结构如图2-3所示。图2-3热电偶的结构图2-4冰浴法(4)补偿导线的选用。利用热电偶测温，必须保证自由端温度恒定。但在实际工作中，由于热电偶的自由端靠近设备或管道，使得自由端温度会受到环境温度及设备或管道中介质温度的影响。因此，自由端温度难于保持恒定。为了准确测量温度，必须设法使自由端延伸到远离被测对象且温度又比较稳定的地方。如果把热电偶做得很长，则安装使用不方便，因热电极多为贵金属，所以成本高。人们从实践中发现，某些便宜金属组成的热电偶在0～100。C范围内的热电特性与已经标准化的热电偶的热电特性非常接近。因此，可以用这些导线来代替原有热电极，将热电偶的自由端延伸出来，这种方法称为补偿导线法。不同的热电偶要求配用不同的补偿导线，使用补偿导线时，补偿导线的正、负极必须与热电偶的正、负极同名端对应相接。正、负两极的接点温度t0应保持相同，延伸后的自由端温度应当恒定，这样应用补偿导线才有意义。①自由端温度校正法(公式修正法)。若自由端温度不为0℃，而是某一恒定温度t0，则测得的热电势为取(t，to)，由公式求得实际温度所对应的热电势为(t，0)=(t，t0)+(t0，0)(2-2)②0℃恒温法(冰浴法)。如图2-4所示，将热电偶的自由端放入盛有绝缘油的试管中，该试管则置于装有冰水混合物的恒温器内，使自由端温度保持O℃，然后用铜导线引出。此法多用于实验室中。ABEABEABEABE③校正仪表零点法。一般仪表工作时，指针指在零位上(机械零点)。在自由端温度比较稳定的情况下，可预先将仪表的机械零点调整到相当于自由端温度(一般是室温)的数值上来补偿测量时仪表指示值的偏低。由于室温是变的，因此这种方法有一定的误差，但由于方法简单，故工业上常用。④补偿电桥(自由端温度补偿器)法图2-5具有补偿电桥的热电偶测温电路2．热电阻温度传感器如果应用热电偶测500℃以下的中、低温，则会存在以下两个问题：第一，热电偶输出的热电势很小，这时对电子电位差计的放大器和抗干扰措施要求都很高，仪表维修也困难；第二，由于自由端温度变化而引起的相对误差突出，不易得到全补偿。因此，工业上广泛应用热电阻温度计来测量一200℃～+500℃范围的温度。(1)热电阻的测温原理。利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的感温元件叫热电阻。大多数金属在温度每升高l℃时，其电阻值要增加0．4％--0．6％。电阻温度计就是利用热电阻这一感温元件将温度的变化转化为电阻值的变化，通过测量桥路转换成电压信号，然后送至显示仪表指示或记录被测温度。热电阻温度计具有输出信号大、线性好、测量准确、可远传、自动记录和实现多点测量等优点。(2)热电阻的结构。热电阻通常由电阻体、绝缘子、保护套管和接线盒四个部分组成，其中绝缘子、保护套管及接线盒部分的结构和形状与热电偶的相应部分相同。(3)铂热电阻和铜热电阻的性能及适用范围。①铂热电阻(WZP型号)。铂是比较理想的热电阻材料，易于提纯，在氧化性介质中，甚至在高温下，其物理、化学性质都很稳定，且在较宽的温度范围内可保持良好的特性。但在还原性介质中，特别是在高温下易被沾污，使铂丝变脆，并改变其电阻与温度间的关系。目前我国常用的铂电阻有两种：一种是Ro=10Ω，其对应的分度号为Ptl0；另一种是Ro=100Ω，其对应的分度号为Ptl00。②铜热电阻(WZC型号)。铜的电阻温度系数大，易加工提纯，其电阻值与温度呈线性关系，价格便宜，在一50℃～l50℃内有很好的稳定性。但温度超过150℃后易被氧化，而失去线性特性，因此，它的工作温度一般不超过150。C。铜的电阻率小，要具有一定的电阻值，铜电阻丝必须较细且长，则热电阻体积较大，机械强度低。工业上用的铜电阻有两种：一种是Ro=50Ω，其对应的分度号为Cu50：另一种是Ro=100Ω，其对应的分度号为Cul00。（4）连接方式：工业热电阻多采用三线制接法，如图2-6所示。即从热电阻引出三根导线，这三根导线粗细相同，长度相等，阻值都是一样。当热电阻与电桥配合时，其中一根串联在电桥的电源上，另外两根分别串联在电桥的相邻两臂中。使相邻两臂的阻值都变化同样大的阻值，这样把连接导线随温度变化的电阻值加在相邻的两个桥臂上，则其变化对测量的影响就可相互抵消。图2-6热电阻的三线制接法图2-7半导体热敏电阻特性(5)PTC热敏电阻。PTC热敏电阻是以钛酸钡掺合稀土元素烧结而成的半导体陶瓷元件，具有正温度系数。其特性曲线随温度升高而阻值增大，且有斜率最大的区段。通过成分配比和添加剂的改变，可使其斜率最大的区段处于不同的温度范围内。PTC型和CTR型热敏电阻最适合于制造位式作用的温度传感器，只有NTC型热敏电阻才适合制造连续作用的温度传感器。大多数热敏电阻用于-l00℃～300℃之间。但是要特别注意的是，并非每个热敏电阻都能在这整个范围里工作。从图2-7可以看出，PTC和CTR型的特性曲线只有不大的区段是陡峭的，NTC型也只有低温段斜率比较大。所以，热敏电阻不宜在宽阔温度范围里工作，但可以由多个适用于不同温度区间的热敏电阻分段切换，以达到-l00℃～300℃的范围。4．集成温度传感器所谓的敏感集成传感器，就是在一块极小的半导体芯片上集成了包括敏感器件、信号放大电路、温度补偿电路、基准电源电路等在内的各个单元，它使传感器和集成电路融为一体，提高了传感器的性能，是实现传感器智能化、微型化、多功能化，提高检测灵敏度，实现大规模生产的重要保证。集成温度传感器具有测温精度高、重复性好，线性优良，体积小，热容量小，稳定性好，输出电信号大的特点。与其他类型温度传感器相比，其工作温度范围较窄(一55℃～+150℃之间)。图2-8AD590外形和电路符号5．温度变送器温度变送器有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。它们分别将输入的直流毫伏信号及被测温度信号转换为4mA～20mADC和1V～5VDC输出的统一信号。这三种变送器在线路结构上都分为量程单元和放大单元两个部分，其中放大单元是通用的，量程单元随品种、测量范围而变。变送器总体结构如图2-10、图2-11、图2-12所示。图中，一表示信号回路，双线表示供电回路。图2-10直流毫伏信号变送器结构框图图2-11配热电阻的温度变送器结构框图图2-12配热电偶的温度变送器结构框图6．一体化温度变送器一体化温度变送器是温度传感元件与变送电路的紧密结合体。它是一种小型固态化温度变送器，与热电偶或热电阻安装在一起，不需要补偿导线或延长线，由直流24V供电，用两线制方式连接，输出4mA～20mADC标准信号。其原理框图如图2-13所示。图2-13一体化温度变送器原理框图一体化温度变送器的特点是变送器直接从现场输出4mA～20mADC标准信号，大大提高了长距离传送过程中的抗干扰能力，免去了补偿导线，节省了投资。变送器一般采用硅橡胶密封，不需要调整维护，耐震、耐湿、可靠，适用于多种恶劣环境。从以上分析可知，测温装置多种多样，在选择中要根据实际要求，分析被测对象的特点和状