第八章 热电式传感器.ppt

2020 2 5 1 本章主要内容 概述8 1热电阻8 2热电偶 概述温度是用来定量地描述物体冷热程度的物理量 温度是建立在热平衡基础上的 人类一直在探索如何测量温度 人体是一种测温仪 精度底 量程小 2020 2 5 3 概述 缺点 受气压影响 最早使用仪器来测量温度的是伽里略1592年底 伽里略发明了第一个用来测量温度的仪器 2020 2 5 4 1624年温度计第一次正式在文献里出现 1654年意大利的一个公爵费迪南德二世做成了一个真正不受气压影响的温度计 开尔文 牛顿等建立了各种温标 绝对温标 摄氏温标 华氏温标 概述 2020 2 5 5 接触式测温基于热平衡原理 即测温敏感元件必须与被测介质接触 使两者处于同一热平衡状态 如水银温度计 热电偶温度计 电阻温度计 非接触式测温利用物质的热辐射原理 测温元件不需与被测介质接触 如 辐射温度计 红外热象仪等 温度测量方法可分为 接触式 非接触式 2020 2 5 6 本课程主要介绍接触式测温原理及方法 热电式传感器 将温度变化转换为电量变化的装置 较普通的热电式传感器将温度量转换为电势和电阻 常用热电式传感器的敏感元件有 热电偶 热电阻 热电偶 将温度转换为电势之变化 热电阻 将温度转换为电阻阻值之变化 概述 2020 2 5 7 8 1热电阻 电阻温度计原理基于导体或半导体的电阻值随温度变化的性质而工作的 测温敏感元件有 金属导体 半导体热敏电阻 2020 2 5 8 一 金属测温电阻 金属热电阻 一般金属导体具有正的电阻温度系数 电阻率随温度的上升而增加 在一定的温度变化范围内 电阻和温度之间的函数关系 其中 R R0分别表示温度为t和t0时的电阻值 为材料的电阻温度系数 4 6 10 3 0C 在不同温度范围内 电阻温度系数 是不同的 希望在测量温度的范围内 是一个常数 8 1热电阻 2020 2 5 9 热电阻材料应具备以下性质 1 电阻温度系数 要大 2 在测量范围内 材料的物理 化学性质稳定 3 电阻率 要大 可提高温度计的动态响应 4 电阻温度关系线性好 5 材料要容易制作 价格便宜 常用材料有 铂 铜 铁 镍等 热电阻的制作是用上述金属的细丝绕在云母 石英或陶瓷等绝缘支架上 8 1热电阻 2020 2 5 10 二 半导体热敏电阻 热敏电阻是由金属氧化物 NiO MnO2 CuO TiO2 粉末按一定比例混合烧结而成的半导体 电阻值随温度上升而下降 具有负温度系数 T是绝对温度0K A B是常数 B单位是0K 电阻温度系数 单位温度变化所引起的电阻的相对变化 2020 2 5 11 半导体热敏电阻的电阻温度系数 不是常数 而和绝对温度的平方成反比 当T T0时有电阻R0 当T T时有电阻R 1 2 2020 2 5 12 电阻值R与温度T的关系 常数B可通过实验获得 即只要测定温度分别为T1和T0时半导体的热敏电阻的阻值R1和R0 B的范围一般为1500 50000K 2020 2 5 13 半导体热敏电阻与金属热电阻相比 有以下优点 1 温度系数的绝对值较热电阻大 灵敏度高 可测0 001 0 00050C的微小温度变化 2 电阻率大 时间常数小 毫秒级 可制成体积小 热惯性小 响应速度快的感温元件 半导体热敏电阻缺点 1 电阻温度特性分散性大 2 稳定性差 3 非线性较严重 2020 2 5 14 三 电阻测定1 测量方法可采用电桥测定热电阻的电阻值2 常用电桥测热阻存在的问题 二线接桥法 注意 将热电阻接到电桥的导线会产生附加电阻r1 r2 这是产生测量误差的一个重要原因 3 采取的技术措施 可采用三线接桥法及四线接桥法 用具有相同温度特性的导线r1 r2分别接到两个邻臂上 因而可互相抵消 而第三根线与负载电阻RL相串联 由于负载的输入阻抗都很大 r3则可忽略不计 几种常用的热电阻传感器测量电路1 PT100的测量电路图7 18PT100转换电路 图7 19铂电阻恒电流工作电路 2 恒电流工作方式下TRRA102B铂电阻的基本测量电路图7 20铂电阻恒电流工作电路 3 恒电压工作方式下TRRA102B铂电阻的基本测量电路图7 21恒电压工作电路 图7 22恒电压工作电路 4 电流为4 20mA的铂电阻环形测量电路图7 23用铂电阻制作的4 20mA的环路器电路 5 测温范围为0 600 的带有线性化电路的环形电流电路图7 24用于铂电阻的测温范围为0 600 的4 20mA电流环形电路 图7 26电路的非线性误差 图7 25铂电阻的3线式连接法 2020 2 5 24 8 2热电偶 热电偶 将温度量转换为电势大小的热电式传感器 热电偶具有以下特点 结构简单 使用方便 精度高 热惯性小 可测局部温度和便于远距离传送与集中检测 2020 2 5 26 8 2热电偶 一 工作原理 席贝克效应 两种不同材料的导体A和B串联起来形成一个闭合回路 如果两个接合点的温度不同 电路中将产生热电势 并形成热电流 热电势的大小与材料的性质及接点的温度有关 称为温差热电效应或热电效应 该现象是1821年德国物理学家Secback发现的 热电势可用函数关系式表示 EAB f T T0 若知道EAB T0 即可利用热电效应来测温或温度差 2020 2 5 27 定义 这两种不同导体的组合体称为热电偶 两个连接端点 一个称为工作端T 另一个称为自由端或参考端T0或冷端 两根金属丝称之为热电极 8 2热电偶 2020 2 5 28 温差电势是如何产生的 温差电势是由两种导体的接触电势 珀耳贴电势 与同一种导体的温差电势 汤姆逊电势 所组成的 8 2热电偶 1 接触电势 接触电势原理图 A B 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 6 10 19C k 波尔兹曼常数 k 1 38 10 23J 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 A eA 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 2 V 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T T0 则必存在着两个接触电势和两个温差电势 回路总电势 T0 T 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 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 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 Aa B C 2 3 EABa A T0 2 3 A B EAB T1 T2 C T0 EAB T1 T2 EAB T1 EAB T2 a b T0 T0 EAB T1 T2 EAB T1 EAB T2 第三种材料接入热电偶回路图 E T0 T0 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 T0 T EBA T T0 B A T0 T EAC T T0 A C T0 T 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 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 EAB 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A B 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 物理性能稳定 热电特性不随时间改变 化学性能稳定 以保证在不同介质中测量时不被腐蚀 热电势高 导电率高 且电阻温度系数小 便于制造 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 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 01 0 l m 4 1 2 3 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60 6 0 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5 7 1 4 2 3 5 6 7 8 9 11 10 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 方法冰点槽法计算修正法补正系数法零点迁移法冷端补偿器法软件处理法 四 冷端处理及补偿 原因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 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 53 35 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 kTH 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 a b U Uab RCu R1 R2 R3 R 供电4V直流 在0 40 或 20 20 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 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 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 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 基于热电偶的温度计图J型热电偶0 300 测温电路 图7 36带有量程切换的热电偶测温电路 图带有量程切换的热电偶测温电路