《温度传感器的应用》PPT课件.ppt

温度传感器的应用 Page2 温度传感器的类型 TemplateforMicrosoftPowerPoint Page3 温度传感器的测温范围 Page4 用比较法测量各种量 如电阻 电容 电感等 的仪器 最简单的是由四个支路组成的电路 各支路称为电桥的 臂 如图电路中有一电阻为未知 2 一对角线中接入直流电源 另一对角线接入检流计 可以通过调节各已知电阻的值使 中无电流通过 则电桥平衡 未知电阻 2 1 3 图2中 非平衡电桥的BD两端接负载电阻为Ro的电压表 该电桥不需要调平衡 只要测量输出电压Uo或电流Io 就可得到Rx值 当负载电阻Ro 即电桥输出处于开路状态 时 Io 0 电桥输出端接数字电压表或高输入阻抗放大器时属这种情况 电桥 Page5 电桥 R0较大时 I0趋向于零因Io 0 故I1 I4 I2 I3 根据分压原理 输出电压Uo为 即设室温t t0时 Rx Rx0 当温度t t0 Dt时 Rx Rx0 DRx 由 4 22 3 式求得电压Uo为 Page6 测温原理 由于温度变化而引起的温度传感器的阻值变化较小 通常采用电桥构成放大器 当温度传感器的阻值发生变化时 电桥的两臂出现不平衡 这使得电桥输出一个毫幅级的电压而供中间级放大器放大 再经后续电路测量 电桥输出电压的值可以通过下式求得 Page7 热电阻传感器 热电阻 电阻值随温度变化的温度检测元件 金属热电阻的阻值与温度的关系 RT R0 1 a T T0 b T T0 2 式中 Rt为温度t时的阻值 Rt0为温度t0 通常t0 0 时对应电阻值 为温度系数 半导体热电阻的阻值与温度的关系 RT AeB t式中Rt为温度为t时的阻值 A B取决于半导体材料的结构的常数 Page8 采用热电阻构成的测温仪器有电桥 直流电位差计 电子式自动平衡计量仪器 动圈比率式计量仪器 动圈式计量仪器 数字温度计等用热电阻进行温度测量时的接法有四线式接法 三线式接法 二线式接法 Page9 热电阻传感器的四线式接法 为了消除热电阻测量电路中电阻体内导线以及连线引起的误差 在右图所示的电桥及直流电位差计或数字电压表中 热电阻体采用 线连接方式 这样 可用于对标准电阻温度计进行校正 并能对温度进行高精度的测量 如图所示为热电阻传感器构成的电桥测温计 图中 为热电阻体构成的电阻元件 为检流计或微电流检测器 为固定电阻 R 为平衡调节电阻 S为切换开关 L1 L2为热电阻体内导线 检流计上部的电压 VGU RX RX R U下部的电压 VGD R4 R3 R4 U检流计的电压 VG VGU VGD RXR3 R4R R3 R4 R RX U由上式可见只要RX的值发生变化 则VG发生变化 Page10 另一种四线式接法 右图中R为固定电阻 R 为平衡调节电阻 S为切换开关 L1 L2为热电阻体内导线 设R1的左半部分电阻为R10 右半部分电阻为R11 R2的左半部分电阻为R20 右半部分电阻为R21 R3的左半部分为R30 右半部分为R31 当S接到A时 检流计的左半部分电压为 VGL R30 R10 R R10 R30 U右半部分电压为 VGR RX R21 RX R21 R U则检流计和R11 R20两边的电压为 VG VGL VGR R21R30 RR30 RXR1 RRX R R1 R30 RX R21 R U当S接到B时 检流计的左半部分电压为 VGL R30 R10 RX R R10 R30 RX U右半部分电压为 VGR R21 R21 R U则检流计和R11 R20两边的电压为 VG VGL VGR R21R RR30 R10R RRX R R10 R30 RX R21 R Page11 热电阻构成电位差计或数字电压表 为热电阻体构成的电阻元件 为标准电阻 为电流调节电阻 为切换开关 VRs RS Rh RS RX UVRx Rx Rh RS RX U通过电位差计或数字电压表测出VRs与VRx的差值从而确定出温度 Page12 温度传感器的三线式接法 采用 线式连接方式时使用的导线必须是材质 线径 长度及电阻值相等 而且在全长导线内温度分布相同 这种方式可以消除热温度传感器电阻内导线及连线引起的大部分误差 一般的温度测量大都采用这种接线方式 不难算出检流计两边的电压为 VG RRx RR3 Rx R R R1 U图a 为电桥或动圈式计量仪器图 为带放大器的动圈式计量仪器放大器两输入端的电压为 V RRx RR3 Rx R R R1 U Page13 图 为电子自动平衡式计量仪器 图 为数字式温度计设RP上端的电压为RPU 下端电压为RPD 图C 中放大器两边的电压为 UA 2RPD Rx R RP 2RP 2R Rx U Page14 三线式接法能消除误差的原理 PT100引出的三根导线截面积和长度均相同 即r1 r2 r3 测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥 铂电阻 Rpt100 作为电桥的一个桥臂电阻 将导线一根 r1 接到电桥的电源端 其余两根 r2 r3 分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上 这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻 电桥处于平衡状态 引线线电阻的变化对测量结果没有任何影响 Page15 热电阻传感器的二线式接法 右图所示电路为采用 线式连接方式 这种接线方式不能消除连线电阻随温度变化引起的误差 为此 应确保连线电阻值远低于测温的热电阻值 一定要将外部的电阻值调整到计量仪器说明书中提供的标称值 外部电阻是指接在计量仪器的测量端子外侧的导线及测温热电阻体内导线所组成的电路的电阻 不包括由热电阻体构成的电阻元件的电阻 采用热电阻进行高精度的温度测量时 不希望采用 线式连接方式 即使采用也要使用电阻补偿导线检流计两边的电压为 UG RxR RRP R Rx R RP U Page16 采用电阻补偿导线的 线式连接方式 采用这种2线式接法和三线式接法有同样的效果图a 为电桥或动圈式测温计 图b 为电子自动平衡式计量仪器 Page17 3线式铂热电阻实用电路 Page18 相关计算 起始值 由于A1放大器的虚短和虚段特性 V V I I 0 则RA和RB两端的电压为稳压管两端的电压 即是5V 所以VT1集电极的电流为 i 5 RA RB 1mART的初始阻值为 RT 100 B点电压为 VB 1 mA X 2r 100 b点电压为 VA 1 mA X r 100 先讨论r对电路的影响 此时R0 R1 0 从B点看 则b点电压为0 此时 V V 0 流过R2和R3电流相同 则增益为 A1 R3 R2 1 R5 R4 1 R5 R4 从b点看 则B点电压为0 由虚短和虚断特性 且R2 R3增益为 A2 1 R3 R2 1 R5 R4 2 1 R5 R4 则输出为 U0 VBA1 VAA2 100 1 R5 R4 当温度无变化时电路输出电压为0 B 点的电压为 此时此时R0 R1 0 VB 1 mA X 2r 200 从B 点看到的增益和从B看到的增益相同 而且b点增益也不变 则输出电压为 U0 VB A1 VAA2 0 Page19 相关计算 动态值 当温度变化时 设电阻值变化为 R 由前面知道 VB 1 mA X 2r 200 R VA 1 mA X r 100 R 电路的增益不变 则电路的输出值 U0 VB A1 VAA2 1 R5 R4 X1 mA X 2r 200 R 2 1 R5 R4 X1 mA X r 100 R 1 R5 R4 R mV 可见 电路输出信号的增益主要取决于R5 R4的比值 调节R5 R4的比值就可以改变电路增益的大小 图 Page20 电容的作用 滤波电容用在电源整流电路中 用来滤除交流成分 使输出的直流更平滑 去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方 用来消除自激 使放大器稳定工作 旁路电容用在有电阻连接时 接在电阻两端使交流信号顺利通过 在数字电路中由于电路有很高的频率 就对电流的需求忽高忽低 使得电源有了一定频率的变化 所以在一般的数字IC的电源旁路都有去耦电容 大小一般为0 1uF 0 1 F的去耦电容对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果 对40MHz以上的噪声几乎不起作用 1 F 10 F的电容 并行共振频率在20MHz以上 去除高频噪声的效果要好一些 对于同一个电路来说 旁路 bypass 电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象 把前级携带的高频杂波滤除 而去耦 decoupling 电容也称退耦电容 是把输出信号的干扰作为滤除对象 Page21 热电偶传感器 热敏电阻加热时 温度从 变化到 时 热敏电阻的温度 为 0 632 这种热响应特性如图所示 图中 热敏电阻冷却时从 变到 或加热时从 变到 时 冷却或加热到 与 间温度差的63 2 需要的时间称为热时间常数 Page22 热敏电阻的基本连接方式 图 是 个热敏电阻 与 个电阻 的并联方式 这可简单构成线性电路 若在 以下的范围内 其非线性可抑制在 以内 并联电阻 的阻值为热敏电阻 的阻值 的0 35倍 图 和图 为合成电阻方式 温度系数小 适用于宽范围的温度测量 测量精度也较高 图 为比率式 电路构成简单 具有较好的线性 Page23 右图是采用热敏电阻的温度测量电路 图 为并联方式 热敏电阻 与电阻 并联 输出 为 U0 Ub式中 由于这种电路非常简单 电源电压的变化会直接影响输出 因此 工作电源一般采用稳压电源 图 为桥接方式 热敏电阻作为桥的一臂 输出为桥路之差 即为 0 Ua式中 用热敏电阻构成的测温计 Page24 图c用热敏电阻作为运算放大器的反馈电阻的测温电路 电路中2 5V基准电压与电阻形成的电流变换为与热敏电阻阻值变化相应的电压 这作为运算放大器A1的输出电压 该输出电压再经运算放大器A2后会被扣除一定的偏置电压 于是A2的输出电压信号与温度相对应 该电路的热敏电阻直接接在运算放大器构成的反相放大电路中 易受到外部感应噪声的影响 因此 重要的是热敏电阻回路的布线要尽量短 根据继承运算放大器的性质不难算得 U0 图d是热敏电阻与比较器组合的电路 其电路若达到设定温度 则比较器A1开始工作 A1应具有适当时滞特性 这样 电路就具有较好的快关特性 U 1 5 RP 1 5 RP RT Rs UccU 1 2 UccU U 时比较器开始工作 Page25 热电敏的数字式体温计 Page26 热电偶传感器 热电偶 一端结合在一起的一对不同材料的导体 并应用其热电效应实现温度测量的敏感元件 如图 若使T0为给定的恒定温度 如趋为00C 则热电动势仅为T一端 称为测量端 温度T的单值函数 则电动势电压为 EAB T T0 eAB T f T0 f T 0 T Page27 热电偶的优点 热电偶是将温度变换为电量进行检测 因此方便纪律与控制 价廉而且容易买到 测量方法简便而且精度高 测量时间也比较短 测量温度范围较宽 可以根据灵敏度与寿命选用热电偶的种类与线径 可以测量较小物体的温度以及狭窄所处的温度 被测物体与计量仪器件的距离可较远 途中即使局部发生温度变化 对测量值几乎没有影响 Page28 热电偶的缺点 能使用的热电偶的种类受到测量场环境的限制 除需要绝缘管和保护管以外 还需要基准点或基准节点补偿 精度限定为测量温度或裸线温度的0 2 左右 高温或长期使用时由于环境的影响使其性能下降 因此 需要定期检查与更换 组装时手接触或机油等使热电偶受到污染而影响其寿命 出现测温节点的短线故障以及外电路的短路事故 Page29 热电偶实际应用时要满足以的条件 热电动势应较大 高温或低温使用时 热电动势稳定 而且寿命长 耐热性号 在高温时还能保证有足够的机械强度 耐腐蚀性强 对空气等的环境适应性强 对于同种类热电偶的芯线其特性均匀 互换性强 价廉而且容易买到 Page30 基准节点 热电偶的热电势由热电偶的两触点间误差决定 为此 需要设定作为基准的结点 即基准结点 这个标准的结点用冷结点 然而 这个冷结点的温度变化并不意味着时测量的温度 因此 要确定不同方式的基准结点 即冰点式基准结点 电子冷却式基准结点 恒温式基准结点 补偿式基准结点和室温式基准结点等 如右图为冰点式基准结点 由于冰水保持热平衡 因此 基准结点就保持在冰点处 Page31 补偿式基准结点 恒温槽式基准结点是用温度调节器将基准结点的温度调整为恒定温度 这时 用温度计测量基准结点的温度 需要对基准结点的温度进行补偿 如右图 这是在测量仪器的一部分测量电路中 采用温度系数较大的基准结点补偿电阻RC 将基准结点的温度变化引起的电压变化加到热电偶的热电势中对其进行补偿的方式 工作电源采用电池或稳压二极管构成的稳压电源 Page32 对基准温度结点进行补偿 对于基准结点温度校正为00C的热电偶温度计 若使用时其基准结点温度为t0 0C 则温度结点温度t 0C 时 可采用以下三种方法求出 1 若测量的热电动势为E t t0 mV 基准结点温度为00C 测温结点的温度为t 0C 及t0 0C 时 各自热电势为Ett mV 及Et0 mV 则测温结点的温度t 0C 对应于下式中E1 mV 时温度 Et E t t0 E02 动圈式计量仪器用温度进行刻度时 通过指针调节装置进行调节 使其端子段结石的指示值为基准结点温度t0 0C 若基准结点的温度变化 则用这种方法得到与上述同样的结果3 若热电偶的热电势特性曲线为线性时 测温结点的温度t 0C