1、,第九章 熱電式傳感器,9.1 熱電阻傳感器 9.2 熱電偶傳感器 9.3 熱電式傳感器的應(yīng)用,上一頁,下一頁,返 回,A,2,9.1 熱電阻傳感器 分為金屬熱電阻式(熱電阻)和半導(dǎo)體熱電阻式(熱敏電阻)，,上一頁,下一頁,返 回,溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。,9.1.1 金屬熱電阻 1.熱電阻材料的特點(diǎn),A,3,取一只 100W/220V 燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計(jì)算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為484 。,A,4

2、,熱電阻的材料要求： (1)電阻溫度系數(shù)要大，以提高熱電阻的靈敏度； 電阻率盡可能大，以便減小電阻體尺寸； 熱容量要小，以便提高熱電阻的響應(yīng)速度； (2)在測量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能； (3)良好的輸出特性，電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性； (4)應(yīng)有良好的可加工性，且價(jià)格便宜。易提純、復(fù)現(xiàn)性好 使用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅,A,5,2.鉑、銅熱電阻的特性, 鉑熱電阻 主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)，廣泛應(yīng)用于溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。 銅熱電阻 測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍一般為50150。,上一頁,下一頁,返 回,A,6, 鉑熱電阻 目前最好材料,鉑是一種貴金屬。它的特點(diǎn)是

3、精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很強(qiáng)。 鉑在很寬的溫度范圍內(nèi)約1200C以下都能保證上述特性。 鉑容易提純，復(fù)現(xiàn)性好,長時(shí)間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達(dá)10-4 ， 有良好的工藝性，可制成很細(xì)的鉑絲(0.02mm或更細(xì))或極薄的鉑箔。 與其它材料相比，鉑有較高的電阻率，因此普遍認(rèn)為是一種較好的熱電阻材料。 缺點(diǎn)：鉑電阻的電阻溫度系數(shù)比較??； 價(jià)格貴,上一頁,下一頁,返 回,2.鉑、銅熱電阻的特性,A,7,鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān),純度常用百度電阻比表示：,百度電阻比,W（100）越高，表示鉑絲純度越高， 國際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定，作為基準(zhǔn)器的鉑電阻， W（100）1.3925 目前技術(shù)水平已達(dá)到

4、W（100）1.3930， 工業(yè)用鉑電阻的純度W（100）為1.3871.390。,A,8,鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系，即特性方程如下： 當(dāng)溫度 t 在190 t 0時(shí)：,當(dāng)溫度t在0 t 660時(shí)：,國內(nèi)工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，W（100）1.391，R0分為100和500兩種，分度號(hào)分別為Pt100和Pt500，實(shí)際使用時(shí)可查分度表（給出阻值和溫度的關(guān)系）求溫度,上一頁,下一頁,返 回,A,9,附錄 鉑熱電阻分度表,A,10, 銅熱電阻,應(yīng) 用：測量精度要求不高且溫度較低的場合 測量范圍：50150 優(yōu) 點(diǎn)： 溫度范圍內(nèi)線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純、加工，價(jià)格便宜，復(fù)制性能好。 缺

5、點(diǎn)： 易于氧化，一般只用于150以下的低溫測量和沒有水分及無侵蝕性介質(zhì)的溫度測量。 與鉑相比，銅的電阻率小，所以銅電阻的體積較大。,上一頁,下一頁,返 回,A,11,所以制成相同阻值的電阻時(shí)，銅電阻絲要細(xì)，這樣機(jī)械強(qiáng)度就不高， 或者就要長，使體積增大。此外銅很容易氧化，所以它的工作上限為150 C 。但銅電阻價(jià)格便宜，因此仍被廣泛采用。,由于銅電阻的電阻率小,A,12,銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為,工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的R0按國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取50和100兩種， 分度號(hào)分別為Cu50和Cu100，相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。 其它熱電阻 銦電阻、錳電阻、碳電阻,上一頁,下一頁,返 回,A,

6、13,2. 熱電阻的結(jié)構(gòu),上一頁,下一頁,返 回,普通工業(yè)用熱電阻式溫度傳感器,熱電阻： 電阻體（最主要部分）、 絕緣套管、 接線盒。,A,14,銅熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖,鉑熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖,上一頁,下一頁,返 回,A,15,熱電阻的主要技術(shù)性能,A,16,A,17,9.1.2 熱敏電阻,利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化的特性制成 由金屬氧化物和化合物按不同的配方比例燒結(jié) 優(yōu) 點(diǎn)： (1) 熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大（49倍） (2) 電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測量點(diǎn)溫、表面溫度及快速變化的溫度。 (3) 結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械性能好。 缺點(diǎn)：線性度較差，復(fù)現(xiàn)性和互換性較差。,上一頁,下一頁,返 回,

7、1. 熱敏電阻的特點(diǎn),A,18,熱敏電阻分類：,正溫度系數(shù)(PTC) 負(fù)溫度系數(shù)(NTC) 臨界溫度系數(shù)(CTR),上一頁,下一頁,返 回,A,19,PTC熱敏電阻正溫度系數(shù) 鈦酸鋇摻合稀土元素?zé)Y(jié)而成 用途：彩電消磁，各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)， 發(fā)熱源的定溫控制，限流元件。 CTR熱敏電阻臨界負(fù)溫度系數(shù) 以三氧化二釩與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化 物的弱還原氣氛中混合燒結(jié)而成 用途：溫度開關(guān)。 NTC熱敏電阻很高的負(fù)電阻溫度系數(shù) 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等過渡金屬氧化物 混合燒結(jié)而成 應(yīng)用：點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫場等測量 自動(dòng)控制及電子線路的熱補(bǔ)償線路,上一頁,下一頁,返 回,A,

8、20,2. 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性,上一頁,下一頁,返 回, 溫度特性 伏安特性,A,21, 溫度特性,NTC型熱敏電阻，在較小的溫度范圍內(nèi)，電阻-溫度特性,式中 RT 熱敏電阻在絕對溫度T時(shí)的阻值； A 與熱敏電阻材料及幾何尺寸有關(guān)的常數(shù)； B 熱敏電阻材料常數(shù)，一般為20006000K，,若已知溫度T1和T2下的兩個(gè)電阻值RT1和RT2，就可求得B值：,A,22, 伏安特性,在穩(wěn)態(tài)情況下，通過熱敏電阻的電流I與其兩端的電壓U之間的關(guān)系，,上一頁,下一頁,返 回,A,23,當(dāng)流過熱敏電阻的電流很小時(shí): 電流不足以使之加熱。電阻值只決定于環(huán)境溫度，伏安特性是直線，遵循歐姆定律。主要用來測溫。

9、 當(dāng)電流增大到一定值時(shí)： 流過熱敏電阻的電流使之加熱，熱敏電阻溫度升高，出現(xiàn)負(fù)阻特性，電阻隨之減小，于是電壓上升速度減慢，出現(xiàn)非線性。當(dāng)電流繼續(xù)增加時(shí)，熱敏電阻自身溫度上升更快，阻值大幅下降，其減小速度超過電流增加速度，出現(xiàn)電壓隨電流增加而減小的現(xiàn)象。此時(shí)熱敏電阻能升高的溫度與周圍介質(zhì)溫度和散熱條件有關(guān)。當(dāng)電流和周圍介質(zhì)溫度一定時(shí)，熱敏電阻的阻值取決于介質(zhì)流體速度和介質(zhì)密度等散熱條件。,(1)與熱敏電阻串聯(lián)或并聯(lián)金屬熱電阻 (2)利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)線性化,熱敏電阻的線性化,A,24,上一頁,下一頁,返 回,熱敏電阻的結(jié)構(gòu),構(gòu)成：熱敏探頭、引線、殼體,A,25,熱敏電阻的主要參數(shù)(了解), 標(biāo)稱電阻值

10、RH 在環(huán)境溫度為250.2時(shí)測得的電阻值，又稱冷電阻。其大小取決于熱敏電阻的材料和幾何尺寸。 耗散系數(shù)H 指熱敏電阻的溫度與周圍介質(zhì)的溫度相差1時(shí)熱敏電阻所耗散的功率，單位為mW /； 熱容量C 熱敏電阻的溫度變化1所需吸收或釋放的熱量，單位為J；,上一頁,下一頁,返 回,A,26, 能量靈敏度G （W） 使熱敏電阻的阻值變化1所需耗散的功率。 時(shí)間常數(shù) 溫度為T0的熱敏電阻突然置于溫度為T 的介質(zhì)中，熱敏電阻的溫度增量T= 0.63 (TT0) 時(shí)所需的時(shí)間。 額定功率PE 在標(biāo)準(zhǔn)壓力（750mmHg）和規(guī)定的最高環(huán)境溫度下，熱敏電阻長期連續(xù)使用所允許的耗散功率，單位為W。在實(shí)際使用時(shí)，熱

11、敏電阻所消耗的功率不得超過額定功率,上一頁,下一頁,返 回,A,27,7.2 熱電偶傳感器,上一頁,下一頁,返 回,7.2.1 熱電效應(yīng)及其工作定律 1. 熱電效應(yīng),兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接觸端溫度T T0時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢，并形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。,熱電勢由兩種材料的接觸電勢和單一材料的溫差電勢決定,A,28,先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)熱電效應(yīng)原理演示,結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢。,熱電極A,右端稱為：自由端（參考端、冷端）,左端稱為：測量端（工作端、熱端）,熱電極B,熱電勢,A,B,A,29,(1). 接觸電勢（不同導(dǎo)體）,k 玻耳茲曼常數(shù)

12、1.38*10-23(J/K)； T 接觸面的絕對溫度； e 單位電荷量； NA金屬電極A的自由電子密度 NA金屬電極B的自由電子密度,接觸電勢EAB(T)是由B(低)到A(高)的電勢,上一頁,下一頁,返 回,A,30,(2). 溫差電勢(同一導(dǎo)體),A 湯姆遜系數(shù)(溫差系數(shù))，它表示溫差為1時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢值，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。 EA(T,T0) 是由T0端指向T端的電勢,溫差電勢 （湯姆遜電勢）,上一頁,下一頁,返 回,A,31,(3). 熱電偶回路的總熱電勢,上一頁,下一頁,返 回,回路電勢取順時(shí)針方向(若TT0)，則：,A,32,若熱電極A和B為同一種材料時(shí)，NA=NB, A= B，

13、 則EAB(T, T0)=0。 若熱電偶兩端處于同一溫度下， T=T0 ， 則EAB(T, T0)=0 。 由上可知熱電勢存在必須具備兩個(gè)條件： 一、兩種不同的金屬材料組成熱電偶， 二、材料的兩端存在溫差。,上一頁,下一頁,返 回,結(jié)論：,A,33,熱電勢是關(guān)于溫度T和T0的函數(shù)，而不只是溫度T的函數(shù)。因而常固定T0 ，當(dāng)T0=0時(shí)，f (T0)=0則有：,此時(shí)，E與T之間有唯一對應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，因此就可以用測量到的熱電勢E來得到對應(yīng)的溫度值T。 熱電偶熱電勢的大小，只是與導(dǎo)體A和B的材料以及冷熱端的溫度有關(guān)， 與導(dǎo)體的粗細(xì)長短及兩導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。 其熱電勢值用實(shí)驗(yàn)方法測出(取T0=0)，

14、以分度表的形式給出。,上一頁,下一頁,返 回,A,34,K熱電偶的分度表,比較查出的3個(gè)熱電勢，可以看出熱電勢是否線性？,A,35,(1). 中間導(dǎo)體定律,在熱電偶回路中接入的另一種導(dǎo)體稱中間導(dǎo)體C，只要中間導(dǎo)體的兩端溫度相同，熱電偶回路總電動(dòng)勢不受中間導(dǎo)體接入的影響。 因而測量電路的接入對熱電偶回路總電動(dòng)勢不會(huì)造成影響。,2 工作定律,A,36,(2). 連接導(dǎo)體定律,此式即為連接導(dǎo)體定律，為在工業(yè)測量溫度中使用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論基礎(chǔ)。,上一頁,下一頁,返 回,當(dāng)連接導(dǎo)體與熱電極的熱電特性相同時(shí)：,此式即為中間溫度定律。為利用分度表奠定了理論基礎(chǔ),A,37,例 ：用（K型）熱電偶測量某一溫度

15、，若參比端溫度Tn=30，測得的熱電勢E(T,Tn)=23.702mV，求測量端實(shí)際溫度T。,查分度表有E（30，0）= 1.203 mV,反查分度表有T=600，測量端實(shí)際溫度為600,上一頁,下一頁,返 回,A,38,(3) 參考電極定律,若已知有關(guān)電極與標(biāo)準(zhǔn)電極配對的熱電勢，即可求出任何兩種熱電極配對的熱電勢而不需要測定。,例如：已知EAC(1084.5 , 0)=13.967(mV) EBC(1084.5 , 0)=8.354(mV) 則： EAB(1084.5 , 0)=13.967-8.354=5.613(mV),A,39,9.2.2 熱電偶 1熱電偶材料 （1）標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,A,

16、40,（2）非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,上一頁,下一頁,返 回,A,41,2. 熱電偶結(jié)構(gòu) （1）普通熱電偶 （2）鎧裝熱電偶 （3）薄膜熱電偶 （4）浸入式熱電偶,A,42,3. 熱電偶的溫度補(bǔ)償,熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度有關(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度恒定，才能通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。,上一頁,下一頁,返 回,(1). 0oC恒溫法 (2). 溫度修正法 (3). 延伸熱電極法(即補(bǔ)償導(dǎo)線法) (4). 補(bǔ)償電橋法,A,43,(1). 0oC恒溫法,適用于實(shí)驗(yàn)室中的精確測量和檢定熱電偶時(shí)使用。,上一頁,下一頁,返 回,A,44,(2). 溫度修正法,在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶的

17、參比端往往不是0oC，而是環(huán)境溫度tn，這時(shí)測量出的回路熱電勢要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點(diǎn)之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。,可用室溫計(jì)測出環(huán)境溫度Tn，從分度表中查出的E(Tn,0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢E(T,Tn)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到準(zhǔn)確的被測溫度值。,上一頁,下一頁,返 回,A,45,（3）延伸熱電極法（補(bǔ)償導(dǎo)線法）,補(bǔ)償導(dǎo)線就是用與熱電偶的熱電性質(zhì)相近的材料制成導(dǎo)線用它將熱電偶的參比端延長到需要的地方，而且不會(huì)對熱電偶回路引入超出允許范圍的附加測溫誤差。 組成：補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、護(hù)套和屏蔽層。 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線功能(避免測量端溫度頻

18、繁變化對測溫造成的誤差。) 其一實(shí)現(xiàn)了冷端遷移； 其二是降低了電路成本。,上一頁,下一頁,返 回,A,46,補(bǔ)償導(dǎo)線的型號(hào)、線芯材質(zhì)和絕緣層著色,上一頁,下一頁,返 回,A,47,使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)注意問題：,補(bǔ)償導(dǎo)線只能用在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（0100）； 熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個(gè)接點(diǎn)處要保持溫度相同； 不同型號(hào)的熱電偶配有不同的補(bǔ)償導(dǎo)線（與熱電偶材料相匹配）； 補(bǔ)償導(dǎo)線正、負(fù)極需分別與熱電偶正、負(fù)極相連，不得接反；,上一頁,下一頁,返 回,A,48,（4）. 補(bǔ)償電橋法,利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值,上一頁,下一頁,返 回,A,49,普通裝配型熱電偶的

19、外形,安裝螺紋,安裝法蘭,9.3 熱電式傳感器的應(yīng)用,A,50,普通裝配型熱電偶的 結(jié)構(gòu)放大圖,接線盒,引出線套管,固定螺紋 （出廠時(shí)用塑料包裹）,熱電偶工作端（熱端）,不銹鋼保護(hù)管,A,51,鎧裝型熱電偶外形,法蘭,鎧裝型熱電偶可 長達(dá)上百米,薄壁金屬 保護(hù)套管（鎧體）,鎧裝型熱電偶橫截面,A,52,隔爆型熱電偶外形,厚壁保護(hù)管,壓鑄的接線盒,電纜線,A,53,其他熱電偶外形,小形K型熱電偶,A,54,A,55,請將右圖各有關(guān)設(shè)備正確地連接起來，組成熱電偶測溫、控溫電路。,黃,綠,紅,L1,L2,L3,接大地銅排,接零,熱電偶輸出端,電爐,交流接觸器,三相 空氣開關(guān),A,56,380V線圈的交流接觸器連接過程,當(dāng)溫度控制器測得的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，5-6兩端開路，交流接觸器失電，電爐回路被切斷。