热电式传感器 (3)精选PPT.ppt

第7章热电式传感器关于热电式传感器(3)第1页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器2特点：热电偶测温范围：热电偶测温范围：1001300特点：结构简单、制作容易、精度高、温度测量范围宽、特点：结构简单、制作容易、精度高、温度测量范围宽、动态响应特性好、输出信号便于远传、使用方便。动态响应特性好、输出信号便于远传、使用方便。是一种有源传感器，测量时不需外加电源。是一种有源传感器，测量时不需外加电源。应用：测量炉子或管道的气体、液体的温度或固体的表面温度应用：测量炉子或管道的气体、液体的温度或固体的表面温度第2页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器 7-1 热电偶 两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T T和和T T0 0不同时，则不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。在该回路中就会产生电动势的现象。热电动势来源包括热电动势来源包括接触电动势：接触电动势：，温差电动势：温差电动势：，热端（测量端或工作端）热端（测量端或工作端）冷端（参考端或自由端）冷端（参考端或自由端）第3页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器4 (一)（导体间）接触电势 7-1 热电偶两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。接触电动势的大小取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度，与导体的直径、长度、几何形状等无关。其中，nA和nB分别为导体A和B的自由电子密度；e电子电荷，e=1.610-19 C；K玻耳兹曼常数，K=1.3810-23 J/K。第4页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器5导体内因两点温度不同，两点产生电势。(二)（导体内）温差电势 7-1 热电偶机理：导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，结果高温端因失去电子而带正电荷，低温端因得到电子而带负电荷，从而形成一个静电场。其中：汤姆逊系数，表示单一导体两点温度差为1 时所产生的温差电势，其值与材料性质及两端温度有关。第5页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器6当T T0，nAnB时，闭合回路总的热电势为EAB(T，T0)：(三)回路总电势 7-1 热电偶若热电偶两电极材料相同，即nA=nB，虽两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零，因此热电偶必须用两种不同材料作为热电极；若热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即T=T0，闭合回路中也不产生热电势。第6页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器7金属导体的自由电子数目很多，以致温度不能显著地改变它的自由电子浓度，所以在同一种金属导体内，温差电势极小，可忽略。(7-5)(三)回路总电势 7-1 热电偶因此起决定作用的是接触电势。第7页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器8(7-5)(三)回路总电势 7-1 热电偶当热电偶回路的一个端点保持温度不变，则热电势 EAB(T，T0)只随另一个端点的温度变化而变化。回路总热电势就可以看成温度T的单值函数第8页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器9 二、热电偶基本定律 (一)中间导体定律 右图的热电偶回路总电势为 7-1 热电偶接触电势温差电势第9页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器10 二、热电偶基本定律 (一)中间导体定律 在T=T0时 7-1 热电偶第10页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器11 二、热电偶基本定律 (一)中间导体定律 右图的热电偶回路总电势为 7-1 热电偶中间导体定律表达式第11页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器12 二、热电偶基本定律 (一)中间导体定律 右图的热电偶回路总电势为 7-1 热电偶对比两个导体的热电偶定律，你能发现什么？只要中间导体两端温度相同,中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响。第12页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器13当接点温度为T、T0时，用导体A、B组成热电偶产生的热电势等于A、C热电偶和C、B热电偶热电势的代数和，即 二、热电偶基本定律 (二)标准电极定律 7-1 热电偶导体C称为标准电极(一般由铂制成)或第13页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器14当接点温度为T、T0时，用导体A、B组成热电偶产生的热电势等于A、C热电偶和C、B热电偶热电势的代数和，即 二、热电偶基本定律 (二)标准电极定律 7-1 热电偶导体C称为标准电极(一般由铂制成)只要知道一些材料与标准电极相配的热电势值，就可以用标准电极定律求出其中任意两种材料配成热电偶后的热电势值。标准电极定律大大简化了热电偶的选配工作，让我们只需获得有关热电极与参考电极配对的热电动势。第14页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器15在热电偶回路中，若导体A、B分别与连接导线A、B相接，接点温度分别为T、Tn、T0。二、热电偶基本定律 (三)连接导体定律与中间温度定律 7-1 热电偶回路总热电势等于热电偶电势EAB(T，Tn)与连接导线电势 (Tn，T0)的代数和。连接导体定律:第15页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器16当导体A与A、B与B材料分别相同时 二、热电偶基本定律 (三)连接导体定律与中间温度定律 7-1 热电偶回路总热电势等于EAB(T，Tn)与EAB(Tn，T0)的代数和中间温度定律:第16页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器17当导体A与A、B与B材料分别相同时 二、热电偶基本定律 (三)连接导体定律与中间温度定律 7-1 热电偶中间温度定律:在生产实际中，例如化工厂、火力发电厂使用的热电偶数达几千支，将热电偶的冷端保持在零度是很不现实的。所以，在工程实际中应用中间温度定律（分度表）可以解决此类问题。第17页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器18 三、常用热电偶及结构理论上，任何两种不同导体(或半导体)都可以配制成热电偶。但为了保证工程技术中的可靠性，以及足够的测量精度，并不是所有材料都能组成热电偶，一般对热电偶的电极材料基本要求是：在测温范围内，热电性质稳定，不随时间而变化，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；电阻温度系数小，导电率高，比热小；测温中产生热电势要大，并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系；材料复制性好，机械强度高，制造工艺简单，价格便宜。7-1 热电偶第18页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器19 (一)常用热电偶常用的热电极材料分贵金属和普通金属两大类 三、常用热电偶及结构 7-1 热电偶铂铑10铂热电偶（分度号S）这种热电偶可在1300以下范围内长期使用，短期可测1600高温，复制精度和测量准确性高，但此热电偶的材料为贵金属，成本较高。镍铬康铜热电偶（E）热电动势大，电阻率小，价格便宜；但抗氧化性差，适用于还原性和中性气体下测温，测量上限较低。镍铬镍硅热电偶（K）化学稳定性较高，测量范因为50+1312，复制性好，产生热电势大，线性好，价格便宜，是工业生产中最常用的一种热电偶。第19页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器20 在热电偶实际使用中，编制出了针对各种热电偶的热电势与温度对照表，称为“分度表”，表中温度按10 分档，其中间值可按内插法计算。各表皆按参考端温度为0 的条件取值。名称型号分度号测温范围（）允许偏差长期短期温度（）偏差温度（）偏差铂铑铂铑WRLLB01 60001 8001 0001 5000.5%1 5007.5%铂铑铂WRLBS01 30001 60006002.4%6000.4%镍镉镍硅WREUK01 00001 30003004%4001%镍镉考铜WREAE0600080003004%3001%铜康铜T060001 000090001 2000400表7-1 常用热偶电阻型号、测温范围及允许误差第20页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器21 (二)热电偶的结构 三、常用热电偶及结构 7-1 热电偶工程上实际使用的热电偶大多数是由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几部分构成。第21页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器第22页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器第23页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器 四、热电偶冷端温度补偿 7-1 热电偶现实：由于热电偶工作端与冷端距离很近，冷端又暴露于空间，容易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。理想：热电偶冷端温度保持不变时，热电势是被测温度的单值函数。补偿导线法冷端温度计算校正法冰浴法补偿电桥法解决办法：第24页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器25(一)补偿导线法 四、热电偶冷端温度补偿 7-1 热电偶用一导线(称之为补偿导线)将热电偶的冷端延伸出来。A、B为补偿导线；t0为原冷端温度；t0为新冷端温度。连接导体定律：补偿导线在0-100范围内和所连接的热电偶具有相同的热电性能，且其材料是廉价金属；当新移的冷端温度恒定时，应用补偿导线才有意义。第25页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器第26页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器27 (二)冷端温度计算校正法 四、热电偶冷端温度补偿 7-1 热电偶热电偶的分度表是在冷端温度保持0 的情况下得到，与它配套使用的仪表又是根据分度表进行刻度的。只要冷端温度不等于0，就必须对仪表示值加以修正。例如，冷端温度高于0，但恒定于t0，则测得的热电偶热电势要小于该热电偶的分度值，此时可用下式进行修正:第27页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器温度0102030405060708090热电动势mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.21432.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.91538.91539.31039.70340.09640.48840.879100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.09548.462120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46654.807镍铬镍铬-镍硅热电偶镍硅热电偶(K型型)分度表分度表(参考端温度为参考端温度为0)第28页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器29例：K型热电偶在工作时冷端温度t0=30，测得热电势EK(t，t0)=39.17 mV。求被测介质的实际温度t?(二)冷端温度计算校正法 四、热电偶冷端温度补偿 7-1 热电偶第29页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器30 (三)冰浴法 为避免经常校正的麻烦，可采用冰浴法使冷端保持0，如下图所示。这种办法最为妥善，但是不够方便，所以仅限于科学实验和实验室使用。四、热电偶冷端温度补偿 7-1 热电偶第30页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器31 (四)补偿电桥法 四、热电偶冷端温度补偿 7-1 热电偶补偿电阻Rcu 为铜电阻，有较大的正温度系数，当温度升高时在铜电阻两端的电压也升高。桥路输出电压为：U=eAB(t)-eAB(t0)+I1Rcu-I2R3 设：eAB(t0)=I1Rcu 通过补偿电阻作用消除冷端的影响R3=0暂不考虑该电阻的作用（其作用为零点迁移）则U=eAB(t)第31页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器32例7-17-27-3第32页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性，对和温度有关的参数进行测量的元件。绝大多数金属具有正的电阻温度系数，利用这一特性制成温度传感器，称为热电阻。7-2 热电阻（1）铂电阻铂电阻的温度特性式中：Rt 温度为t时铂电阻的电阻值（）R0 温度为0时铂电阻的电阻值（）A 常数，3.9684710-3/B 常数，-5.84710-7/C 常数，-4.2210-12/t 测量温度 第33页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器铂电阻分度表铂电阻分度表 第34页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性，对和温度有关的参数进行测量的元件。绝大多数金属具有正的电阻温度系数，利用这一特性制成温度传感器，称为热电阻。7-2 热电阻（2）铜电阻铜电阻的温度特性式中：Rt 温度为t时铜电阻的电阻值（）R0 温度为0时铜电阻的电阻值（）常数，4.2889910-3/t 测量温度 第35页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器36 7-2 热电阻问题：工业用热电阻安装在生产现场，而其指示或记录仪表安装在控制室，其间的引线很长，如果仅用两根导线接在热电阻两端，导线阻值和热电阻阻值串联，造成测量误差。解决办法：(1)三线制图中热电阻Rt的三根连接导线，直径和长度均相同，阻值都是r。电桥平衡条件：(Rt+r)R2=(R3+r)R1在R1=R2时，式中右边含有r的项消去，这种情况下连线电阻r对桥路平衡毫无影响，即可以消除热电阻测量过程中r的影响第36页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器37由恒流源供给已知电流I流过热电阻Rt，使其产生压降U，再用电位差计测出U，便可利用欧姆定律得 7-2 热电阻问题：工业用热电阻安装在生产现场，而其指示或记录仪表安装在控制室，其间的引线很长，如果仅用两根导线接在热电阻两端，导线阻值和热电阻阻值串联，造成测量误差。解决办法：(1)四线制第37页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器第38页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器39 三、特点热电阻与热电偶相比有以下特点。同样温度下输出信号较大，易于测量。以0100 为例，如用K型热电偶，输出为4.095 mV；用S型热电偶输出只有0.643 mV；但用铂热电阻测量0 时阻值为100，则 100 时为139.1，电阻增量为39.1；如用铜热电阻增量可达42.8。测量毫伏级电动势，显然不如测几十欧姆电阻增量容易。测电阻必须借助外加电源。热电阻感温部分尺寸较大，而热电偶工作端是很小的焊点，因而热电阻测温的反应速度比热电偶慢。同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。由于热电阻必须用细导线绕在绝缘支架上，支架材质在高温下的物理性质限制了温度上限范围。7-2 热电阻第39页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器40热敏电阻是一种用半导体材料制成的敏感元件，主要特点如下：灵敏度高。通常温度变化1 阻值变化约1%6%，电阻温度系数绝对值比一般金属电阻大10100倍。体积小。珠形热敏电阻探头的最小尺寸达0.2 mm，能测量热电偶和其他温度计无法测量的空隙、腔体、内孔等处的温度，如人体血管内温度等。使用方便。热敏电阻阻值范围在 102103 之间可任意挑选，热惯性小，而且不像热电偶需要冷端补偿，不必考虑线路引线电阻和接线方式，容易实现远距离测量，功耗小。热敏电阻主要缺点是其阻值与温度变化呈非线性关系。元件稳定性和互换性较差。7-4 热敏电阻第40页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器41 一、热敏电阻的结构与材料 (一)结构 热敏电阻主要由热敏探头1、引线2、壳体3等构成。热敏电阻器的结构及符号 7-4 热敏电阻(a)圆片型；(b)薄膜型；(c)杆型；(d)管型；(e)平板型；(f)珠型；(g)扁圆形；(h)垫圈型；(i)杆型(金属帽引出)第41页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器第42页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器43最常见的热敏电阻器是用金属氧化物半导体材料制成。将各种氧化物在不同条件下烧成半导体陶瓷，以获得热敏特性。一、热敏电阻的结构与材料 (二)材料 7-4 热敏电阻第43页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器44 三、主要特性 (一)热敏电阻的电阻温度特性(RT-T)热敏电阻的阻值RT随温度的变化规律，用RT-T特性曲线表示。7-4 热敏电阻1负温度系数热敏电阻的RT-T曲线2临界负温度系数热敏电阻的RT-T曲线3开关型热敏电阻器RT-T曲线4缓变型正温度系数热敏电阻器RT-T曲线第44页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器 三、主要特性 (一)热敏电阻的电阻温度特性(RT-T)1.负电阻温度系数的热敏电阻的电阻温度特性 7-4 热敏电阻负温度系数的热敏电阻其电阻温度曲线一般数学表达式为：式中 RT、RT0温度为T、T0时热敏电阻的阻值;Bn负电阻温度系数热敏电阻的材料常数。为了使用方便，常取环境温度为25 作为参考温度(即T0=298 K)，则负温度系数热敏电阻的电阻温度特性可写成第45页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器46RT/R25-T特性曲线 三、主要特性 (一)热敏电阻的电阻温度特性(RT-T)1.负电阻温度系数的热敏电阻的电阻温度特性 7-4 热敏电阻第46页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器47 三、主要特性 (一)热敏电阻的电阻温度特性(RT-T)1.正电阻温度系数的热敏电阻的电阻温度特性 7-4 热敏电阻 RT=RT0expBp(T-T0)ln RT=Bp(T-T0)+lnRT0 其中，Bp正温度系数热敏电阻的材料常数。第47页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器48加在热敏电阻上的端电压和通过电阻电流在热敏电阻和周围介质热平衡时的相互关系。(1).负温度系数热敏电阻的伏安特性在环境温度为T0时的静态介质中测出的静态伏安曲线。负温度系数热敏电阻 三、主要特性 (一)热敏电阻的电阻温度特性(RT-T)1.热敏电阻的伏安特性 7-4 热敏电阻当电流很小时，元件功耗小，发热小，热敏电阻相当于固定电阻。随着电流增加，功耗增加，工作电流引起的温升超过介质温度，热敏电阻的阻值下降。电流继续增加时，电压增加逐渐缓慢，因此出现非线性正阻区ab段。当电流为Im时，其电压达到最大Um。若电流继续增加，热敏电阻自身加温更剧烈，使其阻值迅速减小，其阻值减小速度超过电流增加速度，因此热敏电阻的电压降随电流的增加而降低，形成cd段负阻区。当电流超过某一允许值时，热敏电阻将被烧坏。第48页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器49 (2).正温度系数热敏电阻的伏安特性曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过的电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。当热敏电阻的温度超过环境温度时，引起阻值增大，曲线开始弯曲，当电压增至Um时，存在一个电流最大值Im，如电压继续增加，由于温升引起电阻值增加的速度超过电压增加的速度，电流反而减小，曲线斜率由正变负。三、主要特性 (一)热敏电阻的电阻温度特性(RT-T)1.热敏电阻的伏安特性 7-4 热敏电阻第49页，讲稿共50张，创作于星期二第7章热电式传感器感感谢谢大大家家观观看看第50页，讲稿共50张，创作于星期二