第2章温度传感器精选文档.ppt
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1、第2章 温度传感器本讲稿第一页,共八十五页2.1 温度测量概述温度测量概述本讲稿第二页,共八十五页v2.1 温度测量概述温度测量概述v 温度是表征物体冷热程度的物理量。v 温度不能直接测量,而是借助于某种物体的某种物理参数随温度冷热不同而明显变化的特性进行间接测量。v 温度的表示(或测量)须有温度标准,即温标。理论上的热力学温标,是当前世界通用的国际温标。v 热力学温标确定的温度数值为热力学温度(符号为T),单位为开尔文(符号为K)。本讲稿第三页,共八十五页热力学温度是国际上公认的最基本温度。我国目前实行的为国际摄氏温度(符号为t)。两种温标的换算公式为:t()=T(K)-273.15K 进行
2、间接温度测量使用的温度传感器,通常是由感温元件部分和温度显示部分组成,如图2-1所示。图图2-1 温度传感器组成框图温度传感器组成框图 本讲稿第四页,共八十五页2.2 热电偶传感器热电偶传感器本讲稿第五页,共八十五页v2.2 热电偶传感器热电偶传感器v 热电偶在温度的测量中应用十分广泛。它构造简单,使用方便,测温范围宽,并且有较高的精确度和稳定性。v2.2.1 热电偶测温原理热电偶测温原理v1.热电效应热电效应v 如图如图2-2所示,两种不同材料的导体组成所示,两种不同材料的导体组成一个闭合回路时,若两接点温度不同,则在一个闭合回路时,若两接点温度不同,则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热
3、电该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应,该电动势称为热电势。效应,该电动势称为热电势。本讲稿第六页,共八十五页图图2-2 热电效应热电效应 本讲稿第七页,共八十五页2.两种导体的接触电势 假设两种金属A、B的自由电子密度分别为nA和nB,且nAnB。当两种金属相接时,将产生自由电子的扩散现象。达到动态平衡时,在A、B之间形成稳定的电位差,即接触电势eAB,如图2-3所示。图图2-3 两种导体的接触电势两种导体的接触电势 本讲稿第八页,共八十五页3.单一导体的温差电势 对于单一导体,如果两端温度分别为T、TO,且TTO,如图2-4所示。图图2-4 单一导体温差电势单一导体温差电势本讲稿第九
4、页,共八十五页 导体中的自由电子,在高温端具有较大的动能,因而向低温端扩散,在导体两端产生了电势,这个电势称为单一导体的温差电势。势电偶回路中产生的总热电势,由图2-5可知:EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO)或 EAB(t,tO)=eAB(t)+eB(t,tO)-eAB(tO)-eA(t,tO)式中:EAB(T,TO):热电偶回路中的总电动势;eAB(T):热端接触电势;eB(T,TO):B导体温差电势;eAB(TO):冷端接触电势;eA(T,TO):A导体温差电势。本讲稿第十页,共八十五页图图2-5 接触电势示意图接触电势示意图本讲稿第十一页
5、,共八十五页v 在总电势中,温差电势比接触电势小很多,可忽略不计,则热电偶的热电势可表示为:v EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)v 对于已选定的热电偶,当参考端温度TO恒定时,EAB(TO)=c为常数,则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系,即:v EAB(T,TO)=eAB(T)-c=f(T)v 实际应用中,热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定。v 分度表是在参考端温度为00C时,通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。本讲稿第十二页,共八十五页v.热电偶的基本定律v(1)中间导体定律v 在热电偶回路中接入第三种导体,只要该导体两端温度相等,则热电
6、偶产生的总热电势不变。v 如图2-6所示,可得回路总的热电势v EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO)v 根据这个定律,我们可采取任何方式焊接导线,将热电势通过导线接至测量仪表进行测量,且不影响测量精度。本讲稿第十三页,共八十五页图图2-6 中间导体定律示意图中间导体定律示意图 本讲稿第十四页,共八十五页v(2)中间温度定律v 在热电偶测量回路中,测量端温度为T,自由端温度为TO,中间温度为O,如图2-7所示。则T,TO热电势等于T,TO与TO,TO热电势的代数和。即vEAB(T,TO)=EAB(T,TO)+EAB(TO,TO)v 运用该定律可使测量距离加长,也
7、可用于消除热电偶自由端温度变化影响。本讲稿第十五页,共八十五页图图2-7 中间温度定律示意图中间温度定律示意图 本讲稿第十六页,共八十五页v(3)参考电极定律(也称组成定律)v 如图2-8所示。v 已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T,T0)时的热电动势分别为EAC(T,T0)、EBC(T,T0),则相同温度下,由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T,T0)可按下面公式计算:v EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)v 参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作。本讲稿第十七页,共八十五页图图2-8 参考电极定律示意图参考电极定律示意图 本讲稿第十
8、八页,共八十五页v 例2.1 v 当T为100,T0为0时,鉻合金铂热电偶的E(100,0)=+3.13mV,铝合金铂热电偶E(100,0)为-1.02mV,求鉻合金铝合金组成热电偶的热电势E(100,0)。v解:v 设鉻合金为A,铝合金为B,铂为C。v即 EAC(100,0)=+3.13mVv EBC(100,0)=-1.02mVv则 EAB(100,0)=+4.15mV本讲稿第十九页,共八十五页v2.2.2 热电偶的结构形式及热电偶材料热电偶的结构形式及热电偶材料v1.普通型热电偶v 普通型热电偶一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接
9、、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。v 如图2-9所示:本讲稿第二十页,共八十五页 1-热电极热电极;2-绝缘瓷管绝缘瓷管;3-保护管保护管;4-接线座接线座;5-接线接线柱柱;6-接线盒接线盒 图图2-9 直形无固定装置普通工业用热电偶直形无固定装置普通工业用热电偶 本讲稿第二十一页,共八十五页v2.铠装热电偶(缆式热电偶)铠装热电偶(缆式热电偶)v 铠装热电偶也称缆式热电偶,是将热电偶铠装热电偶也称缆式热电偶,是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起,外表再丝与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起,外表再套不锈钢管等构成。套不锈钢管等构成。v 这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐这种
10、热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用。用。v 如图如图2-10所示:所示:本讲稿第二十二页,共八十五页 1-热电极热电极;2-绝缘材料绝缘材料;3-金属套管金属套管;4-接线盒接线盒;5-固定装置固定装置 图图2-10 铠装热电偶铠装热电偶 本讲稿第二十三页,共八十五页3.薄膜热电偶 用真空镀膜技术或真空溅射等方法,将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶称为薄膜热电偶。如图2-11所示:图图2-11 薄膜热电偶薄膜热电偶 本讲稿第二十四页,共八十五页v4.热电偶组成材料及分度表v 为了准确可靠地进行温度测量,必须对热电偶组成材料严格选择。v 目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为:v 铂铑3
11、0铂铑6、v 铂铑10铂、v 镍铬镍硅v 镍铬铜镍(我国通常称为镍铬康铜)。v 组成热电偶的两种材料写在前面的为正极,后面的为负极。v 热电偶的热电动势与温度之关系表,称之为分度表。本讲稿第二十五页,共八十五页v2.2.3 热电偶测温及参考端温度补偿热电偶测温及参考端温度补偿v1.热电偶测温基本电路v 如图2-12所示,v图(a)表示了测量某点温度连接示意图。v图(b)表示两个热电偶并联测量两点平均温度。图(c)为两热电偶正向串联测两点温度之和。v图(d)为两热电偶反向串联测量两点温差。v 热电偶串、并联测温时,应注意两点:v 第一,必须应用同一分度号的热电偶;v 第二,两热电偶的参考端温度应
12、相等。本讲稿第二十六页,共八十五页图图2-12 常用的热电偶测温电路示意图常用的热电偶测温电路示意图 本讲稿第二十七页,共八十五页v2.热电偶参考端的补偿v 热电偶分度表给出的热电势值的条件是参考端温度为0。如果用热电偶测温时自由端温度不为0,必然产生测量误差。应对热电偶自由端(参考端)温度进行补偿。v 例如:用K型(镍铬-镍硅)热电偶测炉温时,参考端温度t0=30,v 由分度表可查得 E(30,0)=1.203mv,v 若测炉温时测得E(t,30)=28.344mv,v 则可计算得vE(t,0)=E(t,30+E(30,0)=29.547mvv 由29.547mv再查分度表得t=710,是炉
13、温。本讲稿第二十八页,共八十五页2.3 金属热电阻传感器金属热电阻传感器本讲稿第二十九页,共八十五页v2.3 金属热电阻传感器金属热电阻传感器v 金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器,是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。v 金属热电阻的主要材料是铂和铜。v 热电阻广泛用来测量-220+850范围内的温度,v 少数情况下,v 低温可测量至1K(-272),高温可测量至1000。本讲稿第三十页,共八十五页 最基本的热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成,如图2-14所示。图图2-14 金属热电阻传感器测量示意图金属热电阻传感器测量示意图 本讲稿第三十一页,共八十五页v2
14、.3.1 热电阻的温度特性热电阻的温度特性v 热电阻的温度特性,是指热电阻Rt随温度变化而变化的特性。v1.铂热电阻的电阻温度特性v 铂电阻的特点是测温精度高,稳定性好,所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂电阻的应用范围为-200+850。v 铂电阻的电阻温度特性方程,在-2000的温度范围内为:v Rt=RO1+At+Bt2+Ct3(t-100)v 在0+850的温度范围内为:v Rt=RO(1+At+Bt2)本讲稿第三十二页,共八十五页v2.铜热电阻的电阻温度特性v 由于铂是贵金属,在测量精度要求不高,温度范围在-50+150时普遍采用铜电阻。铜电阻与温度间的关系为v Rt=R0(1+1t
15、+2t2+3t3)v由于2、3比1小得多,所以可以简化为v RtR0(1+1t)v2.3.2 热电阻传感器的结构v 热电阻传感器由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成,如图2-15所示。本讲稿第三十三页,共八十五页图图2-15 热电阻结构热电阻结构 本讲稿第三十四页,共八十五页2.4 集成温度传感器集成温度传感器本讲稿第三十五页,共八十五页v2.4 集成温度传感器集成温度传感器v 集成温度传感器具有体积小、线性好、反应灵敏等优点,所以应用十分广泛。v 集成温度传感器是把感温元件(常为PN结)与有关的电子线路集成在很小的硅片上封装而成。v 由于PN结不能耐高温,所以集成温度传感器通常测量
16、150以下的温度。v 集成温度传感器按输出量不同可分为:v 电流型、电压型和频率型三大类。本讲稿第三十六页,共八十五页2.4.1 集成温度传感器基本工作原理集成温度传感器基本工作原理 图2-16为集成温度传感器原理示意图。其中V1、V2为差分对管,由恒流源提供的I1、I2分别为V1、V2的集电极电流,则Ube为:只要I1/I2为一恒定值,则Ube与温度T为单值线性函数关系。这就是集成温度传感器的基本工作原理。本讲稿第三十七页,共八十五页图图2-16 集成温度传感器基本原理图集成温度传感器基本原理图 本讲稿第三十八页,共八十五页2.4.2 电压输出型集成温度传感器电压输出型集成温度传感器 图2-
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