第10章+热电式传感器(改).ppt

第10章热电式传感器 温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量 现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容 如家用电器有 电饭煲 电冰箱 空调 微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器 概述 概述 根据所用测温物质的不同和测温范围不同 有煤油温度计 酒精温度计 水银温度计 气体温度计 电阻温度计 温差温度计 辐射温度计 光测温度计等等 概述 温度是表征物体冷暖程度的物理量 体现了物体内部分子运动状态的特征 温度是不能直接测量的 只能通过物体随温度变化的某些特征 如体积 长度 电阻等 来间接测量 热电式传感器将温度变化转换为电量 电阻 电势等 应用广泛 按测温方法不同 热电式传感器分为接触式和非接触式两种 接触式测温是基于热平衡原理 如水银温度计 热敏电阻和热电偶等 非接触式测温是基于热辐射原理 如辐射温度计 红外测温仪等 概述 概述 续上表 概述 温标温度标尺 建立温标必须具备三个条件 1 固定的温度点 基准点 2 测温仪器 确定测温质和测温量 3 温标方程 内插公式 1 经验温标 2 热力学温标 3 国际温标 4 1990年国际温标 温度标尺 1 经验温标 由特定的测温质和测温量所确定的温标华氏温标1714年德国人华伦海特 Fahrenheit 在沸点和冰点之间等分为180份 每份为华氏1度 10F 摄氏温标1742年瑞典人摄尔塞斯 Celsius 规定水的冰点沸点之间等分为100份 每份为1度 10C 经验温标特点 是借助于一些物质的物理量与温度之间的关系 用实验方法得到的经验公式来确定温度值的标尺 因此有局限性和任意性 2 热力学温标 1948年物理学家开尔文 Kelvin 首先提出将温度数值与理想热机的效率相联系 根据热力学第二定律来定义温度数值 建立一个与测温质无关的温标 热力学温标 确定的温度数值 热力学温度 绝对温度 用符号T表示 单位 开尔文 用K表示 热力学温度的起点为绝对零度 所以它不可能为负值 且冰点是273 15K 沸点是373 15K 请注意水的冰点和三相点是不一样的 两者相差0 01K 3 国际温标1927年国际温标 ITS 27 1927年第七届国际计量大会决定采用热力学温标做国际温标 称为1927年国际温标 ITS 27 具有3个基本特点 尽可能接近热力学温标 复显精度高并能确保量值的统一 用以复现的标准温度计使用方便 性能稳定 国际温标经过几次修改 1948年国际温标 ITS 48 1968年国际实用温标 IPTS 68 1990年国际温标 ITS 90 4 1990年国际温标 ITS 90 根据第18届国际计量大会的决议 自1990年1月1日起开始在全世界实行我国 自1994年1月1日开始全面实施90国际温标主要有三方面内容 温度单位 定义固定温度点 复现固定温度点的方法 温度单位 符号 T 单位为开尔文 K K的定义为水的三相点温度的1 273 16 用与冰点273 15K的差值表示的热力学温度称为摄氏温度 符号为t 单位为度 0C 即t T 273 15 并有10C 1K 摄氏度 0C 是由国际温标重新定义的 是以热力学温标为基础的 90国际温标定义国际开尔文温度T90和国际摄氏度t90 其间关系如同T和t一样 即t90 T90 273 15 定义固定温度点 90国际温标的定义固定温度点是利用一系列纯物质各相间可复现的平衡状态或蒸汽压所建立起来的特征温度点 这些特征温度点的温度指定值是由国际上公认的最佳测量手段测定的 复现固定温度点的方法 90国际温标把温度分为4个温区 各个温区的范围 使用的标准测温仪器分别为 0 65 5 0K间为3He或4He蒸汽压温度计 3 0 24 5561K间为3He或4He定容气体温度计 13 8033K 961 780C间为铂电阻温度计 961 780C以上为光学或光电高温计 在水的冰点以上的温度使用摄氏度单位 0C 在冰点以下的温度使用热力学温度单位 K 热电偶的基本工作原理是热电效应 即将温度变化转换为热电势变化 热电偶传感器结构简单 测温范围宽 热惯性小 准确度高 是工业上最常用的温度检测器件之一 10 1热电偶 热电偶传感器 优点 1 测量精度高 因热电偶直接与被测物体接触 不受中间介质的影响 2 测量范围广 常用热电偶从 50 1600 可连续测量 3 构造简单 使用方便 热电偶通常由两种不同金属组成 而且不受大小限制 外有保护套管 使用非常方便 适用于远距离测量和自动控制 10 1热电偶 10 1 1热电效应 定义 以两种不同性质的导体或半导体材料A B串接成一个闭合回路 如果两导体的两个接合点处的温度不同 即T T0 则在两导体间产生热电势 也称热电动势 常用EAB T T0 表示 同时在回路中有一定大小的电流 这种现象称为热电效应 10 1 1热电效应 图10 1热电偶结构示意图 相关概念 1 热电极 闭合回路中的导体或半导体A B 2 热电偶 闭合回路中的导体或半导体A B的组合 3 工作端 两个接点中温度高的一端 4 参比端 两个接点中温度低的一端 5 热电动势 两导体的接触电势和单一导体的温差电势之和 10 1 1热电效应 1 接触电势 1 产生主要原因 不同材料具有不同的自由电子密度 两种不同材料的导体接触时 接触面会发生电子扩散 10 1 1热电效应 浓度高的失去电子显正电 浓度低的得到电子显负电 当扩散达到动态平衡时 得到一个稳定的接触电势 温度T时热端接触电势 冷端接触电势 2 定义 当扩散达到动态平衡时 在接触区形成一个稳定的电位 称为接触电势 3 在闭合回路中 总的接触电势为 若NA NB 则eAB T 0 若NA NB 则eAB T 0 电子浓度高的材料电位高 1 接触电势 2 定义 当扩散达到动态平衡时 在接触区形成一个稳定的电位 称为接触电势 表示为 10 1 1热电效应 k为波尔兹曼常数 k 1 38 10 23J K T为接点处的温度 e为电子电荷 e 1 6 10 19C NA NB分别为导体A B的电子浓度 若NA NB 则eAB T 0 若NA NB 则eAB T 0 电子浓度高的材料电位高 2 温差电势 汤姆逊电势 1 产生主要原因 导体中的自由电子在高温端具有较大的动能 电子从高温端向低温端扩散 因而高温端带正电 低温端带负电 形成静电场 并阻碍电子扩散 10 1 1热电效应 2 温差电势 2 定义 当扩散达到动态平衡时 两端产生一个相应的电位差 称为温差电势 表示为 10 1 1热电效应 A为汤姆逊系数 表示单一导体两端单位温度差为1 时所产生的温差电势 与材料的性质和两端温度有关 若T T0 则eA T T0 0 反之亦然 A B两导体构成闭合回路总的温差电势为 单一导体的温差电势为 3 接触电势和温差电势的性质 10 3 10 4 10 5 10 1 1热电效应 4 回路总电势用e表示接触电势或温差电势 用E表示回路总电势 且假定T T0 NA NB 如图 有 图10 2回路总电势示意图 10 1 1热电效应 4 回路总电势 10 1 1热电效应 A B分别为导体A B的汤姆逊系数 NAT NBT NAT0 NBT0分别为导体A B在接点温度为T T0时的电子密度 10 1 1热电效应 讨论 1 热电偶材料相同时 NA NB A B 热电偶材料相同 10 1 1热电效应 讨论 2 两接点温度相同时 两接点温度相同 T T0 形成热电势的两个必要条件是 1 两种导体的材料不同 2 两个接点所处的温度不同 讨论 3 接触电势与温差电势的地位金属导体内温差电势极小 可忽略 回路中接触电势起决定作用 工程应用中认为热电势近似等于接触电势 10 1 1热电效应 讨论 3 金属导体的接触电势占主导 10 1 1热电效应 若使冷端温度T0保持不变 则热电势是热端温度T的单值函数 这是热电偶的测温基本原理 结论 热电偶两电极材料相同 NA NB时 无论两端点温度如何 总热电势为零 2 如果热电偶两接点温度相同 T T0时 A B材料不同 回路总电势为零 必要条件 一 两种不同的金属材料组成热电偶 二 它的两端存在温差 温度传感器 热电偶热电效应 讨论 4 冷端温度的标定工程实际中 标定热电偶时 冷端温度通常取0 因此令eAB T0 f T0 f 0 C 常数 则EAB T T0 eAB T C f T CEAB T T0 是T的单值函数 10 1 1热电效应 图10 3热电偶测温系统简图 5 测温系统简图 10 1 1热电效应 10 1 2热电偶的基本定律 实际中 测量出热电势后如何确定温度值 通常不是利用公式计算 而是查热电偶分度表来确定 热电偶分度表是将冷端温度保持为0 通过实验建立起来的热电势与温度之间的数值对应关系 热电偶测温完全是建立在利用实验热特性和一些热电定律的基础上 1 中间导体定律2 参考电极定律 标准电极定律 3 中间温度定律 10 1 2热电偶的基本定律 内容 1 各定律含义2 定律使用条件3 具体应用意义 图10 4热电偶中间导体定律示意图 1 中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体 如传感器的引出导线等 时 只要其两端温度相等 回路总热电势就不变 10 1 2热电偶的基本定律 图a 因为 所以 10 1 2热电偶的基本定律 中间导体定律 图b可以得到相同的结论 同理 只要保证加入导体的两端温度相等 则热电偶回路中即使加入第三种 第四种或更多种导体 回路总电势也不变 意义 中间导体定律表明了接入仪表测量线的方法 10 1 2热电偶的基本定律 中间导体定律 推导一下吧 10 1 2热电偶的基本定律 中间导体定律 根据中间导体定律 用开路热电偶对液态金属和金属壁面测温 2 参考电极定律 标准电极定律 设接点温度为T T0 则用导体A B组成的热电偶产生的热电势等于由导体A C组成的热电偶和由导体C B组成的热电偶产生的热电势的代数和 10 1 2热电偶的基本定律 参考电极定律 EAB T T0 EAC T T0 ECB T T0 其中C为参考电极 或称为标准电极 一般由铂制成 图10 5热电偶参考电极定律示意图 2 参考电极定律 标准电极定律 10 1 2热电偶的基本定律 参考电极定律 EAB T T0 EAC T T0 ECB T T0 其中C为参考电极 或称为标准电极 一般由纯铂制成 性能稳定 熔点高易提纯 10 1 2热电偶的基本定律 参考电极定律 意义 若能由实验测得各种材料热电极对铂丝的热电特性 就不难推得任意材料间的热电特性 证明 2 参考电极定律 标准电极定律 10 1 2热电偶的基本定律 参考电极定律 标准电极定律为热电偶电极的选配提供了方便 例如 铂铑30 铂热电偶的EAC 1084 5 0 13 976mV 铂铑6 铂热电偶的EBC 1084 5 0 8 354mV根据标准电极定律 铂铑30 铂铑6热电偶EAB 1084 5 0 13 976 8 354 5 612mV 3 中间温度定律接点温度为 T T0 时的热电势等于该热电偶在接点温度为 T Tn 和 Tn T0 时相应热电势的代数和 其中 Tn称为中间温度 图10 6热电偶中间温度定律示意图 10 1 2热电偶的基本定律 中间温度定律 10 1 2热电偶的基本定律 中间温度定律 所以 即得 当T0 0时 有 因为 中间温度定律为制定热电偶的分度表奠定了理论基础 热电偶分都表都是以冷端温度为0 时作出的 从分度表 见于各种传感器使用手册 查出参考端为0 时的热电势 即可求得参考端温度不为0 时的热电势 同理 以导体A 和B 分别替代导体A和B时 有 该式为补偿导线的应用提供了理论依据 10 1 2热电偶的基本定律 中间温度定律 10 1 2热电偶的基本定律 中间温度定律 一般工程测量中冷端都不为零 任一恒定值 因此只要测出热端冷端的热电势 便可利用热电偶分度表求出被测工作端的实际温度 解 由T0 30 查表10 1所示的热电偶分度表得E 30 0 1 2mV 则E T 0 E T 30 E 30 0 39 17mV 1 2mV 40 37mV 再由40 37mV查分度表得 实际炉温为T 977 理论上讲 任何两种不同材料的导体或半导体都可以组成热电偶 但为了测量可靠 对热电偶的材料有几点基本要求 在测温范围内 热电性质稳定 物理化学性质稳定 不易氧化 腐蚀 电阻温度系数小 导电率高 比热小 10 1 3常用热电偶 测温时 产生的热电势大 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 10 1 3常用热电偶 1 常用类型 1 铂铑 铂热电偶 K 特点 精度高 1300 2 镍铬 镍硅热电偶 K 特点 线性好 50 1300 价格低 最常用 3 镍铬 考铜热电偶 E 特点 灵敏度高 常温测量 50 500 价格低 4 钨铼10 钨铼20热电偶 特点 精度高 测高温 2000 成本高 10 1 3常用热电偶 2 热电偶的结构形式为了适应不同的测温要求和条件 热电偶结构形式有普通型热电偶 铠装热电偶和薄膜热电偶等 1 普通型热电偶普通型热电偶在工业上应用最多 由热电极 绝缘套管 保护管和接线盒组成 10 1 3常用热电偶 图10 7普通型热电偶结构 10 1 3常用热电偶 2 铠装热电偶 3 热电势的测量热电势在mv范围 通常用动圈式仪表 电位差计 示波器和数字式测量仪表等测量 动圈式仪表实际上是一个磁电式毫伏计 它是利用电流流过仪表动圈时 动圈在磁场的作用下带动指针偏转的原理制成的 精度不高 10 1 3常用热电偶 仪表指示电压为 10 1 3常用热电偶 3 热电势的测量 10 1 3常用热电偶 3 热电势的测量 补偿法测量 测量回路中的电流为0 避免了回路电阻的影响 提高了测量精度 补偿法测量电动势需要一个数值可以调节 大小已知的标准电源 以便能与被测电动势相补偿 1 补偿原因 1 只有当热电偶冷端温度保持不变时 热电势才是被测温度的单值函数 2 测温时由于冷端暴露在空气中 往往和工作端又比较接近 故冷端温度易波动 3 而且热电偶分度表是以零度为参考温度的 因此 实际应用中必须进行冷端温度补偿 10 1 4热电偶的冷端补偿 2 补偿方法 1 0 恒温法 冰浴法 2 修正法 3 补偿导线法 4 补偿电桥法 10 1 4热电偶的冷端补偿 1 冰浴法冷端用冰水混合物或0 恒温器保持在0 这种方法可避免校正的麻烦 但使用不便 多在实验室中使用 10 1 4热电偶的冷端补偿 适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用 2 冷端温度计算校正法 热电势修正法 冷端温度不为零时 运用热电偶分度表修正 修正方法如前例所述 温度修正法 设T为仪表指示温度 T0为冷端温度 则被测实际温度T为 T T kT0 式中 k为热电偶修正系数 与热电偶的种类和测温范围相关 有表可查 10 1 4热电偶的冷端补偿 用镍铬 镍硅 K型 热电偶测温 热电偶参比端温度为30 测得的热电势为28mV 求热端温度 反查K分度表T 701 5 计算修正曲线 解 当E T T0 39 17mV时 查热电偶分度表可得指示温度T 946 冷端温度T0 30 例10 2用冷端温度计算校正法求解例10 1 表10 2所示的热电偶修正系数得k 1 00 则实际炉温为T T kT0 946 1 00 30 976 和热电势修正法所得炉温相差1 2 补偿方法 3 导线补偿法目的是使冷端远离工作端 和测量仪表一起放到恒温或温度波动小的地方 10 1 4热电偶的冷端补偿 2 补偿方法 3 导线补偿法最简单的实现方法是直接延长热电偶的长度 但安装不便 费用高 实际应用不采用 而是采用合适的补偿导线 要求补偿导线 在0 100 范围内和所连接的热电偶有相同的热电性能 且补偿导线的材料是廉价金属 10 1 4热电偶的冷端补偿 2 补偿方法 3 导线补偿法 冷端需有自动补偿装置 连接处的温度应低于100 补偿导线的材质与热电偶有关 如 铂铑 铂热电偶用铜 镍铜作为补偿导线 镍铬 镍硅热电偶用铜 康铜作为补偿导线 10 1 4热电偶的冷端补偿 注意 4 补偿电桥 10 1 4热电偶的冷端补偿 图10 10补偿电桥 补偿电桥与冷端处于相同的温度场 当冷端温度变化引起热电势变化时 补偿电阻将调整电桥的输出电压Uab以补偿热电势ex的变化 补偿的效果取决于桥臂电阻和桥路电流的选择 1 热电偶测温系统 10 1 5热电偶的应用 图10 11典型热电偶测温系统结构框图 图10 12热电偶冷端补偿电路 2 热电偶冷端补偿电路 10 1 5热电偶的应用 电路工作时 调整电阻R2 使得I1 t0 10 3mA 这样在电阻R1上就产生了一个随冷端温度t0变化的补偿电压U1 I1R1 三端稳压器 其输出电压为2 5V 3 热电偶连接在特殊情况下 同一分度号的热电偶在冷端温度相同时可以串联和并联使用 10 1 5热电偶的应用 图10 13热电偶串联和并联电路 3 热电偶连接 10 1 5热电偶的应用 正向串联 可增加热电势的输出 提高灵敏度 3 热电偶连接 10 1 5热电偶的应用 b 反向串联 可测两点温差 3 热电偶连接 10 1 5热电偶的应用 c 并联 可测量平均温度 热电偶典型测温线路 普通测温线路 b 带有补偿器的测温线路 c 具有温度变送器的测温线路 d 具有一体化温度变送器的测温线路 测量某一点的温度 10 1 5热电偶的应用 炉温的自动记录 热电偶 应用 炉温的自动调节 热电偶 应用 10 2金属热电阻和半导体热敏电阻 热电阻式传感器 1 测温原理原理 导体的 随温度T变化 特点 灵敏度低 精度高 宜用于常温和低温测量 对导体材料的要求 理化性能稳定 热容量小 温度系数大 输出线性好 便宜 10 2 1金属热电阻测温原理及常用金属热电阻 作为热电阻的材料要求 电阻温度系数要大 以提高热电阻的灵敏度 电阻率尽可能大 以便减小电阻体尺寸 热容量要小 以便提高热电阻的响应速度 在测量范围内 应具有稳定的物理和化学性能 电阻与温度的关系最好接近于线性 应有良好的可加工性 且价格便宜 使用最广泛的热电阻材料是铂和铜 广泛用于测量 200 850 少数可测1000 以上 2 常用金属热电阻 铂电阻和铜电阻 1 铂电阻 在氧化性介质中 高温下的物化性质稳定 电阻温度特性可表示为 10 14 式中 Rt是温度为t时铂电阻的电阻值 R0是温度为0 时铂电阻的电阻值 50 100 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 ITS 90中规定 A 3 9083 10 3 1 B 5 775 10 7 1 2 C 4 183 10 12 1 4 10 2 1金属热电阻测温原理及常用金属热电阻 2 铜电阻 电阻值与温度近似为线性关系 电阻温度系数大 易加工 价格便宜 但电阻率小 温度超过100 时易被氧化 测温范围一般在 50 100 电阻 温度特性可表示为Rt R0 1 t 10 15 式中 Rt是温度为t时铜电阻的电阻值 R0是温度为0 时铜电阻的电阻值 50 100 两种 分度号分别为Cu50和Cu100 相应的分度表可查阅相关资料 为铜电阻的电阻温度系数 10 2 1金属热电阻测温原理及常用金属热电阻 3 热电阻测量电路 三线制电桥电路 10 2 1金属热电阻测温原理及常用金属热电阻 指示仪表具有很大的内阻 使得流过r3的电流近似为零 当UA UB时 电桥平衡 使r1 r2 Ra Rt 从而消除了导线电阻的影响 1 热敏电阻及其特性 1 热敏电阻由半导体材料制成 2 温度系数绝对值 灵敏度 比一般金属电阻大10 100倍 3 热惯性小 不需要冷端补偿 4 功耗小 易实现远距离测量与控制 10 2 2半导体热敏电阻 1 热敏电阻及其特性 5 阻值与温度变化呈非线性关系 6 分为负温度系数热敏电阻 NTC 正温度系数热敏电阻 PTC 和临界温度系数 CTR 三类 10 2 2半导体热敏电阻 片式负温度系数热敏电阻 BN系列珠状NTC热敏电阻器 GN系列玻壳型NTC热敏电阻器 PN系列功率型NTC热敏电阻器 SN系列温度传感器 10 2 2半导体热敏电阻 2 分类 PTC 正温度系数 当温度超过某一数值时 电阻朝正的方向快速变化 主要用于过热保护 彩电消磁 发热源的定温控制 限流元件 CTR 负温度系数 在某个温度值上电阻值急剧变化 具有开关特性 主要用作温度开关 PTC CTR虽不能作为大温度范围的温度传感器使用 但用于检测是否超过特定温度 电阻急变的温度 是方便的 例如 PTC上流过电流就发热 若超过急变温度 电阻就变大 电流变小而不发热 所以装在恒温器上能保持一定的内部温度 装在干燥器上使其起到温度开关的作用 10 2 2半导体热敏电阻 2 分类 10 2 2半导体热敏电阻 2 分类 NTC 很高的负温度系数 广泛用途 点温 表面温度 温差 温场等测量 自动控制及电子线路的热补偿线路 3 热敏电阻的基本参数 1 标称电阻值R25 热敏电阻在25 时的电阻值 大小由热敏电阻的材料和几何尺寸决定 2 电阻温度系数 热敏电阻的温度变化1 时 其阻值变化率与阻值之比 即 10 2 2半导体热敏电阻 3 热敏电阻的基本参数 2 电阻温度系数 热敏电阻的温度变化1 时 其阻值变化率与阻值之比 即式中 t是温度为T K 时的电阻温度系数 决定工作范围内的温度灵敏度 RT是温度为T K 时的电阻值 10 2 2半导体热敏电阻 3 材料常数BB值越大 则阻值越大 灵敏度也就越高 4 时间常数 表明热敏电阻加热和冷却的速度 10 2 2半导体热敏电阻 3 热敏电阻的基本参数 产品外观 10 2 2半导体热敏电阻 热敏电阻的结构形式 1 汽车水箱温度测量 10 2 3热敏电阻的应用 图10 14汽车水箱温度检测电路 热敏电阻点温计 温度控制 简易温度控制器 温度补偿 仪表中的电阻温度补偿电路 金属一般具有正的温度系数 采用负温度系数的热敏电阻进行补偿 可以抵消由于温度变化所产生的误差 2 温度补偿 利用热敏电阻的负温度特性补偿电路中某些温度特性相反的元件 10 2 3热敏电阻的应用 图10 15晶体管静态工作点补偿电路 Ub Ic Ib 3 流量测量 利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量流量 流速 风速等 热敏电阻流量计 温度的测量 热电阻 按输出信号分类 1 电压型 2 电流型 10 3集成温度传感器 10 3 1模拟集成温度传感器AD590特点 AD590是典型的模拟集成温度传感器 输出为电流信号 在U 4 30V时 通过AD590的电流I与温度t成正比 在 55 150 范围内 电流与温度的关系式为 10 18 10 3集成温度传感器 式中 kt为标度因子 制造时标定 3 AD590的特点 线性电流输出 正比于绝对温度 测温范围为 55 150 精度高 非线性误差小 电源范围宽 10 3 1模拟集成温度传感器AD590 AD590的典型测温电路 热力学温度测量基本电路 10 3 1模拟集成温度传感器AD590 摄氏温度测量基本电路 按照串行总线的类型 智能集成温度传感器有单线总线 1 Wire 二线总线 含SMBus PC总线 和三线总线 含SPI总线 等几种类型 典型的产品有DS18B20 单线总线 LM75 PC总