第2章__温度传感器

第 2章 温度传感器2.1 温度测量概述2.2 热电偶传感器2.3 金属热电阻传感器2.4 集成温度传感器2.5 半导体热敏电阻2.6 负温度系数热敏电阻2.7 温度传感器应用实例2.8 实训2.1 温度测量概述v2.1 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）。 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 2-1 温度传感器组成框图 2.2 热电偶传感器v2.2 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v1.热电效应v 如图 2-2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。 图 2-2 热电效应 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 2-3 两种导体的接触电势 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 2-4 单一导体温差电势导体中的自由电子，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。 图 2-5 接触电势示意图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。 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。 图 2-6 中间导体定律示意图 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，也可用于消除热电偶自由端温度变化影响。 图 2-7 中间温度定律示意图 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。图 2-8 参考电极定律示意图 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 )=+4.15mVv2.2.2 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、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： 1-热电极 ;2-绝缘瓷管 ;3-保护管 ;4-接线座 ;5-接线柱 ;6-接线盒图 2-9 直形无固定装置普通工业用热电偶 v2.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。v 这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用。v 如图 2-10所示：1-热电极 ;2-绝缘材料 ;3-金属套管 ;4-接线盒;5-固定装置图 2-10 铠装热电偶 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 2-11 薄膜热电偶 v 4.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 30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。 v 2.2.3 热电偶测温及参考端温度补偿v 1.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相等。图 2-12 常用的热电偶测温电路示意图 v 2.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v E(t,0 )=E(t,30 +E(30 ,0 )=29.547mvv 由 29.547mv再查分度表得 t=710 ，是