《传感器与检测技术》课件ppt 7 温度传感器

温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍 的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高 、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外 ，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。 微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。 7-1 热电偶温度传感器 热电偶的工作原理 热电偶回路的性质 热电偶的常用材料与结构 冷端处理及补偿 两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合 回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0）， 则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有 电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在 1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜 克效应。 热电偶原理图 TT0 A B 一、热电偶的工作原理 回路中所产生的电 动势，叫热电势。 热电势由两部分组 成，即温差电势和 接触电势。 热端冷端 1. 接触电势 接触电势原理图 + AB eAB(T) - eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ； NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。 接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。 AeA(T,To ) To T eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温 差电动势，例如在0时，铜的 =2V/。 2. 温差电势 温差电势原理图 由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果 TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势 ： T0T eAB(T)eAB(T0) eA(T,T0) eB(T,T0) A B 3. 回路总电势 NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； A 、 B导体A和B的汤姆逊系数。 根据电磁场理论得 EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C=g(T ) 由于NA、NB是温度的单值函数 在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成 表格，以供备查。由公式可得： EAB(T, T0)= EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T)-EAB(0)-EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T，0)-EAB(T0，0) 热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度以 及T0和零度的热电势之差。 4.导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的 温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T ，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就 是利用热电偶测温的原理。 3.只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不 同时才能有热电势产生。 1.热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度 有关；与热电偶的长度、粗细无关。 2.只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶 ；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是 同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。 结论(4点)： 对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、 T2 、 、Tn ，冷端温度为零度的热电势。其热电势为 E= EAB（T1）+ EBC（T2）+ENA（Tn） 由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体 是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生 电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一 定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材 料作为电极。（用途） 二、热电偶回路的性质 1. 均质导体定律 E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0 三种不同导体组成的热电偶回路 T A B C T T 2. 中间导体定律 一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连 接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为 零。 如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则 两点结论： l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a 中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路 的总电势不变，即 同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此 回路的电势也为： T2 T1 A a B C23 EAB a A T0 2 3 A B EAB T1 T2 C T0 EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2） (a) (b) T0T0 EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2） 第三种材料 接入热电偶 回路图 E T0T0 T E T0 T1 T1 T 电位计接入 热电偶回路 用途 根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要 保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路 中原来的热电势，接入的方式见下图所示。 EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0） T0TEBA(T,T0) B A T0T EAC(T,T0) A C T0T ECB(T,T0) C B 标准电极定律 2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热 端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为 ： 用途：纯金属很多，合金更多，如果要得出它们之间的热电动势很困难。铂的物 理化学性质稳定，熔点高、易提纯。通常选用高纯铂丝作为标准电极。 3. 中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1 、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、 T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电 势为EAB(T1, T3)，则 B B A T2 T1 T3 A A B EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3） 用途：制定热电式分度表奠定理论基础，参考温度0度 EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） A B T1 T2 T2 A B T0 T0 热电偶补偿 导线接线图 E 对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据 。如当T2=0时，则： 只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影 响总热电势。这便是引入补偿导线原理。 EAB=EAB(T1)EAB(T0) 说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热 电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，当 EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为 热电偶材料应满足： l 物理性能稳定，热电特性不随时间改变； l 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐 蚀； l 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； l 便于制造； l 复现性好，便于成批生产。 三、热电偶的常用材料与结构 常用热电偶的结构类型 1工业用热电偶 下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶 丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验 室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。 工业热电偶结构示意图 1接线盒；2保险套管3绝缘套管4热电偶丝 12 3 4 (a)(b)(c)(d) 1 3 2 2铠装式热电偶（又称套管式热电偶） 优点是小型化（直径从 12mm到0.25mm）、寿命 、热惯性小，使用方便 。 测温范围在1100以 下的有：镍铬镍硅、 镍铬考铜铠装式热电 偶。 断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者 拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式 如图。 图3.2-12 铠装式热电偶断面结构示意图 1 金属套管; 2绝缘材料; 3热电极 (a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露头型; (d) 帽型 3快速反应薄膜热电偶 用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜 装热电偶。如图，其热接点极薄(0.010.lm) 4 1 23 快速反应薄膜热电偶 1热电极; 2热接点; 3绝缘基板; 4引出线 因此，特别适用于对壁面温度的 快速测量。安装时,用粘结剂将它 粘结在被测物体壁面上。目前我 国试制的有铁镍、铁康铜和 铜康铜三种,尺寸为 6060.2mm;绝缘基板用云母、陶 瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测 温范围在300以下；反应时间仅 为几ms。 4快速消耗微型热电偶 下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为0.05 0.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝 缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化 ，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可 达土57。 14235678 91110 快速消耗微型 1刚帽； 2石英； 3纸环； 4绝热泥；5冷端； 6棉花； 7绝缘纸管； 8补偿导线；9套管； 10塑料插座； 11簧片与引出线 方法 u 冰点槽法 u 计算修正法 u 补正系数法 u 零点迁移法 u 冷端补偿器法 u 软件处理法 四、冷端处理及补偿 原因 l热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出 热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定； l热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产 生误差。 1. 冰点槽法 把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法 仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路 ，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使 相互绝缘。 mV A B A B T C C 仪表 铜导线 试管 补偿导线 热电偶 冰点槽 冰水溶液 四、冷端处理及补偿 T0 2. 计算修正法 用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算 例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测 得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21,查 此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得 EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0) =1.999+0.832 =2.831(mV) 再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。 注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也 不能把49加上21，认为T=70。 EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0) 3. 补正系数法 把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所 得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即 式中：T为未知的被测温度； T为参比端在室温下热电 偶电势与分度表上对应的某个温度； TH室温； k为补正系数，其它参数见下表。 例 用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时热电 动势为11.348mV查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度 T=1150。再从下表中查出，对应于1150的补正系数k=0.53 。于是，被测温度 T=1150+0.5335=1168.3（） 用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但 误差不大于0.14。 T T k T H 温度T/ 补正系数k 铂铑10-铂(S)镍铬-镍硅（K） 1000.821.00 2000.721.00 3000.690.98 4000.660.98 5000.631.00 6000.620.96 7000.601.00 8000.591.00 9000.561.00 10000.551.07 11000.531.11 12000.53 13000.52 14000.52 15000.53 16000.53 热电偶补正系数 4. 冷端补偿器法 利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热 电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝 绕制)四个桥臂和桥路电源组成。 设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0 ，电桥 对仪表读数无影响。 冷端补偿器的作用 注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷 端靠近，使处于同一温度之下。 mV EAB(T,T0) T0 T0 T A B + +- ab U Uab RCu R1R2 R3 R T0 Ua Uab EAB(T,T0) 供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。 注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R 不一样，互换时必须重新调整。 1. 热电偶的选择、安装使用 热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、 测温时间长短来选择热电偶和保护套管。其安装地点要有代表 性，安装方法要正确，图3.2-17是安装在管道上常用的两种方法 。在工业生产中，热电偶常与毫伏计连用（XCZ型动圈式仪表 ）或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。另 外也可 图3.2-17 热电偶安装图 通过与温度变送器 经放大后再接指示 仪表，或作为控制 用的信号。 五、热电偶的选择、安装使用和校验 热电偶 分度号 校验温度/ 热电偶允许偏差/ 温度偏差温度偏 差 LB3 600，800， 1000，1200 06002.4 600 占所测热电势 的0.4% EU2 400，600， 800，100 04004400 占所测热电势 的0.75% EA2 300，400， 600 0300 4 300 占所测热电势 的1% 2. 热电偶的定期校验 校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉 中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。图为热电偶校验装 置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的 允许偏差，见下表。 工业热电偶允许偏差 7 8 5 6 4 3 2 1 稳 压 电 源 220V 热电偶校验图 1-调压变压器； 2-管式电炉； 3标准热电偶； 4-被校热电偶； 5-冰瓶； 6-切换开关； 7-测试仪表； 8-试管 作业！ 5-6 5-7 7-10 7-11 7-12 7-13 上讲内容回顾 重点掌握 热电效应？热电式组成 热电偶基本定律 一般了解 常用热电偶材料 热电偶冷端补偿方法 请将 右图各有 关设备正 确地连接 起来，组 成热电偶 测温、控 温电路。 黄绿红 L1 L2 L3 接大地铜排 接零 热电偶输出端 电炉 交流接 触器 三相 空气开关 380V线圈的 交流接触器 连接过程 当温 度控制器 测得的温 度达到设 定值时，5 -6两端开 路，交流 接触器失 电，电炉 回路被切 断。 接大地铜排 黄绿红 L1 L2 L3 电炉 接零 “3”端接何处 热电偶 热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变 化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测 的装置。其中将温度变化转换为电阻变化的称为 热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的 称为热电偶传感器。 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电 阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电 阻。 7-2 热电热电 阻传传感器 一. 热电阻 1.热电阻材料的特点 热电阻材料必须具有以下特点： (1).高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可 加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。 (2).化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围 内热电阻的测量准确性。 (3).良好的输出特性。即必须有线性的或者接近线 性的输出。 (4).良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。 适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍、铁等。 2.铂、铜热电阻的特性 铂、铜为应用最广的热电阻材料。虽然铁、镍的温 度系数和电阻率均比铂、铜要高，但由于存在着不 易提纯和非线性严重的缺点，因而用得不多。 铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能 稳定，制成的铂电阻输出输入特性接近线性，测 量精度高。 n 铂热电阻 主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的 传递。 n 铜热电阻 测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为 50150。 铂热电阻 目前最好材料 铂电阻的精度与铂的提纯程度有关 百度电阻比 W（100）越高，表示铂丝纯度越高， 国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）1.3925 目前技术水平已达到W（100）1.3930， 工业用铂电阻的纯度W（100）为1.3871.390。 铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度t在200 t 0时： 当温度t在0 t 650时： 国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）1.391， R0分为50和100两种，分度号分别为Pt50和Pt100， 其分度表（给出阻值和温度的关系） 铜热电阻 n应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合 测量范围：50150 n优 点： 温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提 纯、加工，价格便宜，复制性能好。 n缺 点： 易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水 分及无侵蚀性介质的温度测量。 与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。 铜电阻的阻值与温度之间的关系为 关系是线性的 工业上使用的标准化铜热电阻的R0 按国内统一设计取50和100两种， 分度号分别为Cu50和Cu100， 相应的分度表可查阅相关资料。 二. 热电阻的结构 普通工业用热电阻式温度传感器 铜热电阻结构示意图 铂热电阻结构示意图 三、热电阻测温线路 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，其问的引线很长，如果仅用两根导线接在 热电阻两端，导线本身的阻值必然和热电阻的阻值串联在 一起，造成测量误差。如果每根导线的阻值是r，测量结 果中必然含有绝对误差2r。实际上这种误差很难修正，因 为导线阻值r是随其所处环境温度而变的，而环境温度变 化莫测，这就注定了用两线制连接方式不宜在工业热电阻 上应用。 （一）三线制 （二）四线制 52 三线制测量电桥 四线制接法 问题1 简述 热敏电阻的主要特点 2 热敏电阻的典型结构 3 热敏电阻的主要材料 7-3 热敏电阻温度传感器 1. 标称电阻R25（冷阻） 标称电阻值是热敏电阻在250.2时的阻值。 二、热敏电阻的基本参数 2. 材料常数BN 是表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。BN值 决定于材料的激活能E,具有BN=E2k的函数关系，式中k为 波尔兹曼常数。一般BN值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越 高。在工作温度范围内，BN值并不是一个常数，而是随温度的 升高略有增加的。 3. 电阻温度系数（t） 热敏电阻的温度变化1 时电阻值的变化率。 4. 耗散系数H 热敏电阻器温度变化1所耗散的功率变化量。在工作范围内 ，当环境温度变化时,H值随之变化,其大小与热敏电阻的结构 、形状和所处介质的种类及状态有关。 6. 最高工作温度Tmax 热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温 度： T0环境温度；PE环境温度为T0时的额定功率；H耗散系数 7. 最低工作温度Tmin 热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。 8. 转变点温度Tc 热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电 阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。 5. 时间常数 热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温 度变化量从开始到最终变量的63.2所需的时间。它与热容量C 和耗散系数H之间的关系 9. 额定功率PE 热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗 功率。在此功率下,它自身温度不应超过Tmax。 10. 测量功率P0 热敏电阻器在规定的环境温度下,受到测量电流加热而引起的电 阻值变化不超过0.1时所消耗的功率 11. 工作点电阻RG 在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后使电阻器 自热而达到某一给定的电阻值。 12. 工作点耗散功率PG 电阻值达到RG时所消耗的功率。 UG电阻器达到热平衡时的端电压。 （一）热敏电阻器的电阻温度特性（RTT） 1 2 3 4 铂丝 4060120 1600 100 101 102 103 104 105 106 RT/ 温度T/C 热敏电阻的电阻-温度特性曲线 1-NTC；2-CTR； 3-4 PTC 三、热敏电阻器主要特性 TT与RTT特性曲线一致。 RT、RT0温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值； BN NTC热敏电阻的材料常数。 由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成 的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450），都能 利用该式，它仅是一个经验公式。 1 负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性 NTC的电阻温度关系的一般数学表达式为： 如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率 为BN ，通过点(1/T，lnRT)的一条直线,如图。 105 104 103 102 0 -101030507085100120 T/C 电 阻 / NTC热敏电阻器的电阻-温度曲线 材料的不同或配方的比例和方法不同，则BN也不同。用 lnRT1/T表示负电阻温度系数热敏电阻温度特性，在 实际应用中比较方便。 为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即 T0=25），则NTC热敏电阻器的电阻温度关系式： RT/R25BN关系如下表。 0 255075100125 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 (25C,1) RT / RT0-T特性曲线 RT/R25 T RTR25BN系数表 RTR25 BN R50R25 2200 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 5000 0.565 0.500 0.483 0.458 0.435 0.413 0.392 0.372 0.354 0.273 3.175 4.720 5.319 5.993 6.751 7.609 8.6571 9.660 10.88 19.77 1.963 2.221 2.362 2.512 2.671 2.840 3.020 3.211 3.414 4.642 0.347 0.288 0.259 0.236 0.214 0.194 0.176 0.160 0.146 0.092 0.227 0.173 0.149 0.132 0.115 0.101 0.088 0.077 0.067 0.034 0.113 0.076 0.062 0.051 0.042 0.034 0.028 0.023 0.019 0.007 R0R25R75R25R-20R25R150R25R100R25 2.正电阻温度系数（PTC）热敏电阻器的电阻温度特性 其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引 起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图 10000 1000 100 10 0 50100150200250 R20=120 R20=36.5 R20=12.2 PTC热敏电阻器的电阻温度曲线 T/C 电 阻 / Tp1 Tp2 Tc=175 C PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻温度 曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。当温度低于Tp1时，温度灵敏度低； 当温度升高到Tp1后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速 增大）；当温度升到Tp2时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范 围内存在温度Tc，对应有较大的温度系数tp 。 经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电 阻温度特性可近似用下面的实验公式表示： 式中 RT、RT0温度分别为T、T0时的电阻值； BP