第九章热电式传感器.ppt

第九章热电式传感器 热电偶温度传感器热敏电阻温度传感器IC温度传感器 通过本章的学习了解温度传感器的作用 地位 分类和发展趋势 理解热电效应定义 掌握热电偶三定律及相关计算 热电偶冷端补偿原因及补偿方法 掌握热敏电阻不同类型的特点 特性曲线及应用场合 学习要点 第一节概论 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件 在种类繁多的传感器中 温度传感器是应用最广泛 发展最快的传感器之一 温度是与人类生活息息相关的物理量 在2000多年前 就开始为检测温度进行了各种努力 并开始使用温度传感器检测温度 人类社会中 工业 农业 商业 科研 国防 医学及环保等部门都与温度有着密切的关系 工业生产自动化流程 温度测量点要占全部测量点的一半左右 温度是反映物体冷热状态的物理参数 因此 人类离不开温度 当然也离不开温度传感器 一 温度的基本概念 热平衡 温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量 分子物理学 温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度 能量 温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量 温标 表示温度大小的尺度是温度的标尺 热力学温标thermodynamictemperaturescale国际实用温标Internationalpracticaltemperaturescale摄氏温标Celsiustemperaturescale华氏温标Fahrenheittemperaturescale 如果在式中再规定一个条件 就可以通过卡诺循环中的传热量来完全地确定温标 1954年 国际计量会议选定水的三相点为273 16 并以它的1 273 16定为一度 这样热力学温标就完全确定了 即T 273 16 Q1 Q2 1848年威廉 汤姆首先提出 以热力学第二定律为基础 建立温度仅与热量有关 而与物质无关的热力学温标 又称开尔文温标 scaleofKelvin 用符号K表示 它是国际基本单位制之一 根据热力学中的卡诺定理 如果在温度T1的热源与温度为T2的冷源之间实现了卡诺循环 则存在下列关系式 1 热力学温标thermodynamictemperaturescale Q1 热源给予热机的传热量Q2 热机传给冷源的传热量 为解决国际上温度标准的同意及实用问题 国际上协商决定 建立一种既能体现热力学温度 即能保证一定的准确度 又使用方便 容易实现的温标 即国际实用温标 简称IPTS 68 又称国际温标 2 国际实用温标 注意 摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同 即温度间隔1K 1 T0是在标准大气压下冰的融化温度 T0 273 15K 水的三相点温度比冰点高出0 01K 1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度 用t表示 其单位是开尔文 符号为K 1K定义为水三相点热力学温度的1 273 16 水的三相点是指纯水在固态 液态及气态三项平衡时的温度 热力学温标规定三相点温度为273 16K 这是建立温标的惟一基准点 InternationalPracticalTemperatureScale 四个温度段 规定各温度段所使用的标准仪器 低温铂电阻温度计 13 81K 273 15K 铂电阻温度计 273 15K 903 89K 铂铑 铂热电偶温度计 903 89K 1337 58K 光测温度计 1337 58K以上 国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号T68和t68来区别 一般简写为T与t 3 摄氏温标Celsiustemperaturescale 是工程上最通用的温度标尺 摄氏温标是在标准大气压 即101325Pa 下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份 每一等份称为摄氏一度 摄氏度 一般用小写字母t表示 与热力学温标单位开尔文并用 摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系 4 华氏温标Fahrenheittemperaturescale 目前使用较少 规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度 水的沸点为212华氏度 中间等分为180份 每一等份称为华氏一度 符号 与摄氏温度的关系 T t 273 15K t T 273 15 m 1 8n 32 n 5 9 m 32 二 温度传感器的特点与分类 随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化 蒸气压的温度变化 电极的温度变化热电偶产生的电动势 光电效应热电效应介电常数 导磁率的温度变化 物质的变色 融解 强性振动温度变化 热放射 热噪声 1温度传感器的物理原理 11 特性与温度之间的关系要适中 并容易检测和处理 且随温度呈线性变化 除温度以外 特性对其它物理量的灵敏度要低 特性随时间变化要小 重复性好 没有滞后和老化 灵敏度高 坚固耐用 体积小 对检测对象的影响要小 机械性能好 耐化学腐蚀 耐热性能好 能大批量生产 价格便宜 无危险性 无公害等 2 温度传感器应满足的条件 3 温度传感器的种类及特点 接触式温度传感器非接触式温度传感器 接触式温度传感器的特点 传感器直接与被测物体接触进行温度测量 由于被测物体的热量传递给传感器 降低了被测物体温度 特别是被测物体热容量较小时 测量精度较低 因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大 非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线 从而测量物体的温度 可进行遥测 其制造成本较高 测量精度却较低 优点是 不从被测物体上吸收热量 不会干扰被测对象的温度场 连续测量不会产生消耗 反应快等 物理现象 体积热膨胀 电阻变化 温差电现象 导磁率变化 电容变化 压电效应 超声波传播速度变化 物质颜色 P N结电动势 晶体管特性变化 可控硅动作特性变化 热 光辐射 种类 铂测温电阻 热敏电阻 热电偶 BaSrTiO3陶瓷 石英晶体振动器 超声波温度计 示温涂料液晶 半导体二极管 晶体管半导体集成电路温度传感器 可控硅 辐射温度传感器光学高温计 1 气体温度计2 玻璃制水银温度计3 玻璃制有机液体温度计4 双金属温度计5 液体压力温度计6 气体压力温度计 1 热铁氧体2 Fe Ni Cu合金 温度传感器分类 1 温度传感器分类 2 温度传感器分类 3 此外 还有微波测温温度传感器 噪声测温温度传感器 温度图测温温度传感器 热流计 射流测温计 核磁共振测温计 穆斯保尔效应测温计 约瑟夫逊效应测温计 低温超导转换测温计 光纤温度传感器等 这些温度传感器有的已获得应用 有的尚在研制中 公元1600年 伽里略研制出气体温度计 一百年后 研制成酒精温度计和水银温度计 随着现代工业技术发展的需要 相继研制出金属丝电阻 温差电动式元件 双金属式温度传感器 1950年以后 相继研制成半导体热敏电阻器 最近 随着原材料 加工技术的飞速发展 又陆续研制出各种类型的温度传感器 三 温度传感器的发展概况 接触式温度传感器非接触式温度传感器 1 常用热电阻范围 260 850 精度 0 001 改进后可连续工作2000h 失效率小于1 使用期为10年 2 管缆热电阻测温范围为 20 500 最高上限为1000 精度为0 5级 接触式温度传感器 3 陶瓷热电阻测量范围为 200 500 精度为0 3 0 15级 4 超低温热电阻两种碳电阻 可分别测量 268 8 253 272 9 272 99 的温度 5 热敏电阻器适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用 经济性好 价格便宜 l 辐射高温计用来测量1000 以上高温 分四种 光学高温计 比色高温计 辐射高温计和光电高温计 2 光谱高温计前苏联研制的YCI I型自动测温通用光谱高温计 其测量范围为400 6000 是采用电子化自动跟踪系统 保证有足够准确的精度进行自动测量 二 非接触式温度传感器 3 超声波温度传感器特点是响应快 约为10ms左右 方向性强 目前国外有可测到5000 的产品 4 激光温度传感器适用于远程和特殊环境下的温度测量 如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度 精度为1 美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计 最高温度可达8000 专门用于核聚变研究 瑞士BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开 K 的高温 1 超高温与超低温传感器 如 3000 以上和 250 以下的温度传感器 2 提高温度传感器的精度和可靠性 3 研制家用电器 汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器 4 发展新型产品 扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻 发展薄膜热电偶 研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻 研制系列晶体管测温元件 快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器 5 发展适应特殊测温要求的温度传感器 6 发展数字化 集成化和自动化的温度传感器 三 温度传感器的主要发展方向 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 第二节热电偶温度传感器 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 热电偶的选择 安装使用和校验 两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路 若导体A和B的连接处温度不同 设T T0 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 See back 发现 所以又称西拜克效应 一 工作原理 回路中所产生的电动势 叫热电势 热电势thermo electricforce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 A B T 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 接触电势原理图 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 结论 4点 EAB T T0 EAB T EAB T0 f T C 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 T0 EAB 0 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 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 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 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 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 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 EAB 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 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 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 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 时 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 1 铂 铂铑热电偶 S型 分度号LB 3测量温度 长期 1300 短期 1600 一 热电偶常用材料 2 镍铬 镍硅 镍铝 热电偶 K型 分度号EU 2测量温度 长期1000 短期1300 3 镍铬 考铜热电偶 E型 分度号EA 2测量温度 长期600 短期800 4 铂铑30 铂铑6热电偶 B型 分度号LL 2测量温度 长期可到1600 短期可达1800 几种持殊用途的热电偶 1 铱和铱合金热电偶如铱50铑 铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100 的高温 2 钨铼热电偶可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中 使用温度范围300 2000 分度精度为1 3 金铁 镍铬热电偶主要用在低温测量 可在2 273K范围内使用 灵敏度约为10 V 4 钯 铂铱15热电偶输出性能高 在1398 时的热电势为47 255mV 6 铜 康铜热电偶 分度号MK热电势略高于镍铬 镍硅热电偶 约为43 V 复现性好 稳定性好 精度高 广泛用于20K 473K的低温实验室测量中 5 铁 康铜热电偶 分度号TK灵敏度高 线性度好 可在800 以下的还原介质中使用 二 常用热电偶的结构类型1 工业用热电偶2 铠装式热电偶 又称套管式热电偶 3 快速反应薄膜热电偶4 快速消耗微型热电偶 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 979mV 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 84mV 故得EAB T 0 EAB T 21 EAB 21 T0 1 979 0 84 2 819 mV 再次查分度表 与2 819mV对应的热端温度T 69 注意 既不能只按1 979mV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 例用动圈仪表配合热电偶测温时 如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上 在热电动势为零时 指针指示的温度值并不是0 而是TH 而热电偶的冷端温度已是TH 则只有当热端温度T TH时 才能使EAB T TH 0 这样 指示值就和热端的实际温度一致了 这种办法非常简便 而且一劳永逸 只要冷端温度总保持在TH不变 指示值就永远正确 4 零点迁移法 应用领域 如果冷端不是0 但十分稳定 如恒