1、項目單元8 熱電偶傳感器-熱水器加熱爐溫度檢測單元設計制作,8.1 項目描述 8.2 相關知識 8.3 熱電式傳感器認知 8.4 項目參考設計方案 8.5 項目實施,衛(wèi)浴網 ,8.1 項目描述,本項目單元即利用熱電式傳感器熱電偶設計制作燃氣熱水器加熱爐溫度檢測顯示單元,圖8.1燃氣熱水器的內部結構,8.1.1 項目要求,1. 以熱電偶為傳感元件，將燃氣熱水器加熱爐的溫度轉化為電壓輸出； 2. 測量電路能夠將轉換電壓放大后再輸出； 3. 能將輸出電壓轉化為溫度，并顯示出來； 4. 要求使用4位數碼管顯示溫度； 5. 最終上交調試成功的試驗系統-燃氣熱水器加熱爐溫度檢測顯示單元； 6. 要求有每個

2、步驟的文字材料，包括原理圖、使用說明、元件清單、進程表、調試過程描述等。,8.1.2 相關知識點分析,本單元具體知識點如下： 1. 了解溫度的基本概念，以及各種溫標； 2. 掌握熱電式傳感器的工作原理； 3. 掌握熱電偶的熱電效應和熱電勢的組成； 4. 理解并掌握熱電偶測量溫度過程中的基本定律； 5. 了解國際通用熱電偶的類型、結構及其各自的使用特點； 6. 掌握熱電偶的冷端延長和延長導線的類型，以及溫度補償的方法； 7. 了解金屬熱電阻的工作原理，掌握銅熱電阻和鉑熱電阻的性能特點與應用； 8. 了解熱敏電阻傳感器的類型、構成和應用； 9. 了解集成溫度傳感器的測量原理，掌握其典型期間的使用方

3、法。,8.2 相關知識,8.2.1 溫度測量的基本概念 1溫度的基本概念 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度的概念是以熱平衡為基礎的，如果兩個相接處的物體溫度不相同，它們之間就會產生熱交換，熱量將從溫度高的物體向溫度低物體傳遞，直到兩個物體溫度相同為止。 溫度的微觀概念是：溫度標志著物質內部大量分子的無規(guī)則運動的劇烈程度。溫度越高表示物體內部分子熱運動越劇烈。,2溫標 1）攝氏溫標（C） 攝氏溫標把在標準大氣壓下冰的熔點定為零度（0C），把水的沸點定為100度（100C）。在這兩固定點間劃分100等分，每一等分為攝氏1度，符號為t。 2）華氏溫標（F） 它規(guī)定在標準大氣壓下，冰的熔點為32F

4、，水的沸點為212F。在這兩固定點間劃分180等分，每一等分為華氏1度，符號為。華氏溫標與攝氏溫標之間的關系為： / F=（1.8t / C +32 ） （8-1） 3）熱力學溫標（K） 熱力學溫標是建立在熱力學第二定律基礎上的最科學的溫標，由開爾文根據熱力學定律提出來的，因此又成為開氏溫標。其符號位T，單位為開爾文（K）。 t / C=T / K273.15 （8-2） 或 T / K=t / C+273.15 （8-3）,3溫度測量及傳感器分類,8.2.2 熱電偶傳感器的工作原理及實用電路,1熱電偶工作原理 （1）熱電效應 將兩種不同成分的導體組成一閉合回路。當閉合回路的兩個結點分別置于不

5、同的溫度場中時，回路中將產生一個電勢，該電勢的方向和大小與導體的材料及兩結點的溫度有關，這種現象稱為“熱電效應”，兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，產生的電勢則稱為“熱電勢”，熱電偶的兩個結點，一個稱為工作端或熱端，另一個稱為自由端或冷端。,圖8.2 熱電偶回路原理圖,接觸電動勢,接觸電動勢的數值取決于兩種不同導體的材料特性和接觸點的溫度。兩接點的接觸電動勢eAB(T) 可表示為,含義：由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。,接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。,eAB(T) A B兩材料在溫度T接觸電動勢 T接觸處的絕對溫度 K玻爾茲

6、曼常數(K=1.3810-23J/K) e電子電荷(e=1.610-19C) NA、NB熱電極材料 A B的自由電子密度 (2)溫差電動勢,溫差電勢,溫差電勢原理圖,機理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多，結果高溫端因失去電子而帶正電， 低溫端因獲得多余的電子而帶負電，在導體兩端便形成溫差電動勢。,eA(T，T0)導體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢； T，T0高低端的絕對溫度； A湯姆遜系數，表示導體A兩端的溫度差為1時所產生的溫差電動勢，例如在0時，銅的 =2V/。,熱電偶回路中產生的總熱電勢,eAB(T, T0)=eAB(

7、T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0),忽略溫差電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為：,影響因素取決于材料和接點溫度，與形狀、尺寸等無關 兩熱電極相同材料時，總電動勢為0 兩接點溫度相同時，總電動勢為0 對于已選定的熱電偶，當參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=c為常數，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系，即,可見：只要測出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。,討論,在熱電偶測溫回路內，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。,（1）均質導體定律 如果熱電偶中的兩個熱電極材料相同，無論結點的溫度如何，熱電勢

8、為零。 （2）中間導體定律,2. 熱電偶基本定律,eABC(t,to)=eAB(t)- eAB(to)= eAB(t,to),若熱電偶回路中插入中間導體,只要中間導體兩端溫度相同,則對熱電偶回路總的熱電動勢無影響。 插入導體C后的熱電動勢為：eABC(t,to)=eAB(t)+eBC(to)+eCA(to) eBC(to)+eCA(to)=- eAB(to) eABC(t,to)=eAB(t)- eAB(to)= eAB(t,to) 應用：利用熱電偶進行測溫，必須在回路中引入連接導線和儀表，接入導線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。,中間導體定律證明、應用,測量儀表及引線作為第三種導體的熱電偶回

9、路,同理，熱電偶回路中插入多種導體后,只要保證插入導體兩端測試相同,則對熱電偶的電動勢無影響。 實際應用中用導體和顯示儀表的連接均可看為中間導體。,（3）中間溫度定律,eAB(t,t0)=eAB(t,tn)+eAB(tn,t0),在熱電偶測溫回路中，tn為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t, t0)等于熱電偶AB在接點溫度t、tn和tn、t0時的熱電勢eAB(t, tn)和eAB(tn, t0)的代數和，即,中間溫度定律,eAB(t,to)= eAB(t,tn)+ eAB(tn, to) =eAB(t)-eAB(tn )+eAB(tn)-eAB(t0) =

10、 eAB(t)- eAB(t0) = eAB(t,to) eAB(t,to)= eAB(t,tn)+ eAB(tn, to),中間溫度定律證明,中間溫度定律的應用,根據這個定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導體A和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應用補償導線提供了理論依據。 該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據。在實際熱電偶測溫回路中, 利用熱電偶這一性質, 可對參考端溫度不為0的熱電勢進行修正。,熱電偶的分度表,不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數關系，一般通過實驗的方法來確定，并將不同溫度下測得的結果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表

11、。,S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表,（4）標準電極定律,已知熱電極A B與參考電極C組成的熱電偶極點溫度(t,to)時的熱電動勢分別為EAC(t,to) EBC(t,to)，則A B 兩熱電極配對，熱電動勢EAB(t,to)計算為：,標準電極定律的意義,通常選用高純鉑絲作標準電極 只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據標準電極定律計算出來。,為了適應不同生產對象的測溫要求和條件，熱電偶的結構形式有： 普通型熱電偶 特殊熱電偶 鎧裝型熱電偶 薄膜熱電偶等。 ,3.熱電偶的結構及材料,普通型熱電偶結構,優(yōu)點：測溫端熱容量小，動態(tài)響應快；機械強度

12、高，撓性好，可安裝在結構復雜的裝置上。,鎧裝型熱電偶,薄膜熱電偶,特點：熱接點可以做得很小（m），具有熱容量小、反應速度快（s）等特點，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。,熱電極材料的選取,性能穩(wěn)定 溫度測量范圍廣 物理化學性能穩(wěn)定 導電率要高，并且電阻溫度系數要小 材料的機械強度要高，復制性好、復制工藝簡單，價格便宜,工程用熱電偶材料應滿足條件：熱電勢變化盡量大，熱電勢與溫度關系盡量接近線性關系，物理、化學性能穩(wěn)定，易加工，復現性好，便于成批生產，有良好的互換性。,4.熱電偶的類型,國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦8種標準化熱電偶（已列入工業(yè)標準化文件中，具有統一的

13、分度表）。我國已采用IEC標準生產熱電偶，并按標準分度表生產與之相配的顯示儀表。,標準化熱電偶的主要性能和特點,標準化熱電偶的主要性能和特點,熱電偶典型測溫線路 普通測溫線路； (b) 帶有補償器的測溫線路； (c) 具有溫度變送器的測溫線路； (d) 具有一體化溫度變送器的測溫線路,5 熱電偶測溫線路,測量某一點的溫度,6熱電偶的溫度補償 當熱端溫度為t時，分度表所對應的熱電勢eAB(t, 0)與熱電偶實際產生的熱電勢eAB(t,t0)之間的關系可根據中間溫度定律得到下式：,eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0),由此可見，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數，因此需要

14、對熱電偶冷端溫度進行處理。,熱電偶一般做得較短， 一般為3502000mm。 在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸到遠離現場數十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度t0比較穩(wěn)定。 解決辦法：工程中采用一種補償導線。在0100溫度范圍內，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性,(1) 熱電偶補償導線,。,常用補償導線,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，以便冷端溫度保持0。 這是一種理想的補償方法，但工業(yè)中使用極為不便。,(2) 冷端0恒溫法,當冷端溫度t0不等于0，需要對熱電偶回路的測量電勢值eAB（t，t0）加以修正。當工作端溫度

15、為t時，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。 根據中間溫度定律得到：,eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0),(3) 冷端溫度修正法,例子 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30，測得熱電勢eAB（t，t0）為33.29mV, 求加熱爐溫度。 解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。 可得,eAB（t，0）= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV,由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.8。,(4) 冷端溫度自動補償法（電橋補償法）,8.2.3 金屬熱電阻傳感器的工作原理及實用

16、電路 1金屬熱電阻傳感器基本工作原理 熱電阻是利用電阻與溫度成一定函數關系的特性，由金屬材料制成的感溫元件。當被測溫度變化時，導體的電阻隨溫度變化而變化，通過測量電阻值變化的大小而得出溫度變化的情況及大小數值，這就是熱電阻測溫的基本工作原理。 2常用熱電阻及特性 常用熱電阻材料有鉑、銅、鐵和鎳等。,(1)鉑電阻,當溫度t在-2000范圍內時，鉑的電阻與溫度的關系可表示為 Rt = R01+At+Bt+Ct（t-100） （8-21） 當溫度t在-200850范圍內時，鉑的電阻值與溫度的關系為 Rt = R0（1+At+Bt） （8-22） 式中 R0 溫度為0時的電阻值 Rt 溫度為t時的電阻

17、值 A 常數（A=3.9684710-31/） B 常數（B=-5.84710-71/2） C 常數（C=-8.2210-121/4）,(2)銅電阻,銅電阻的特點是價格便宜（而鉑是貴重金屬），純度高，重復性好，電阻溫度系數大，=（8.258.28）10-3/（鉑的電阻溫度系數在0100之間的平均值為3.910-3/）,其測溫范圍為-50+150，當溫度再高時，裸銅就氧化了。 在上述測溫范圍內，銅的電阻值與溫度呈線形關系，可表示為 Rt = R0（1+ t） （8-23）,(3)其他熱電阻 鎳和鐵的電阻溫度系數大，電阻率高，可用于制成體積大、靈敏度高的熱電阻。但由于容易氧化，化學穩(wěn)定性差，不易提

18、純，重復性和線性度差，目前應用還不多. 近年來在低溫和超低溫測量方面，開始采用一些較為新穎的熱電阻,例如銠鐵電阻、銦電阻、錳電阻、碳電阻等。,3熱電阻的測量電路,圖8.19 熱電阻測溫電路,圖8.20 熱電阻三線制接法測量橋路 1電阻體 2引出線 3顯示儀表,在進行精密測量時，常采用四線制連接法，如圖8.21 所示。由圖可知，調零電阻Rq分為兩部分，分別接在兩個橋臂上，其接觸電阻現檢流計G串聯，接觸電阻的不穩(wěn)定不會影響電橋的平衡和正常工作狀態(tài)，其測量電路常配用雙電橋或電位差計。,圖8.21 熱電阻測溫電路的四線制接法,4.熱電阻的應用 (1)溫度測量 (2)流量測量,圖8.22熱電阻溫度的測量

19、電路圖,圖8.23 熱電阻式流量計電路原理圖,8.2.4 熱敏電阻傳感器的工作原理及實用電路 1熱敏電阻的概念、原理及特點 熱敏電阻是一種新型的半導體測溫元件，它是利用半導體的電阻隨溫度變化的特性而制成的測溫元件。按溫度系數不同可分為正溫度系數熱敏電阻（PTC）和負溫度系數熱敏電阻（NTC）兩種。,主要特點 1）靈敏度高，是鉑熱電阻、銅熱電阻靈敏度的幾百倍。 2）可以根據不同的要求，將熱敏電阻制成各種不同形狀，以供不同電路選擇。 3）穩(wěn)定性好，過載能力強，壽命長。,圖8.24 熱敏電阻的熱電特性曲線,2熱敏電阻的基本應用 熱敏電阻的結構 熱敏電阻的結構型式和形狀很多，如圖所示，可根據使用需要選取。,熱敏電阻的應用 1）溫度控制 利用熱敏電阻作為測量元件還可組成溫度自動控制系統。圖8.26是溫度自動控制電加熱器電路原理圖。,圖8.26 應用熱敏電阻的電加熱器,2）熱敏電阻做溫度補償用 通常補償網絡是由熱敏電阻RT和與溫度無關的線性電阻R1和R2串并聯組成如圖8.27所示。 圖8.27 熱敏電阻溫度補償網絡,3）電動機的過載保護控制 正常運行時，三極管BG截止，KA不動作。當電動機過載、斷相或一相接地時，電動機溫度急劇升高，使Rt阻值急劇減小，到一定值時，BG導通，KA得電吸合，從而實現