第7章热电式传感器

第7章热电式传感器,本章介绍用来测量温度的传感器，包括：热电偶、热电阻、热敏电阻等。介绍这些传感器的基本工作原理、类型及应用。温度测量传感器分类方法有很多种，如教材中常用按工作原理分：膨胀式、电阻式、热电式和辐射式等形式；实际使用按用途分：基准温度计和工业温度计；按测量方法又可分为接触式和非接触式。还有以下三张表中的分类。,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。测温方法很多，我们仅介绍最常用的三类：热电偶、热电阻、热敏电阻。,第一节热电偶传感器,一、热电偶的工作原理热电偶的工作原理是基于热电效应。1、热电效应将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个结点温度不同时，在回路中就会产生热电动势，形成电流，此现象称为热电效应。,闭合回路中的两种导体称为热电极。回路中的两结点，一个称工作端（热端T），另一个称参比端（冷端T0）。通常将两种导体组合，并将温度转化成热电动势输出的器件叫做热电偶，是一种常用的测温传感器。,热电偶为何能产生热电动势呢？热电动势的形成是由于接触电动势和温差电动势共同作用的结果。其大小与组成热电偶的两种导体的材料及结点温度（T0、T）有关。（1）接触电动势eAB(T)当两种导体A、B接触，在其接触区会形成一个电场，即在两导体接触区形成稳定的电位差，即接触电动势：,式中：eAB(T)-导体A、B的接点在温度T时形成的接触电动势；k玻耳兹曼常数，k=1.3810-23J/Ke电子电荷量，e=1.610-19CT接触处的温度NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。,接触电动势eAB(T)的形成，可以用以下理论解释。不同导体材料具有不同的自由电子密度（NA、NB），当其接触时，发生电子扩散。电子扩散速率与各自的电子密度（NA、NB）有关。不妨设NANB。当电子扩散平衡时，A失去电子带正电荷，B得到电子带负电荷。其结果在接触区形成电场，该电场阻碍了电子的继续扩散，达到了动态平衡，即形成了接触电动势eAB(T)。,（2）温差电动势eA(T，T0),温差电动势是在同一导体的两端因其温度的不同而产生的一种热电动势。其大小与导体的性质和两端的温度差有关。可表示为：,eA(T，T0)-导体A的温差电动势；A、B分别为导体A、B的汤姆逊系数；T、T0导体两端的绝对温度。,因此，根据图10-2，可计算回路总的电动势：,一般情况下，温差电动势T0，所以总电动势EAB（T，T0）中，eAB(T)占主导。当NANB，则A为正极，B为负极。,从（10-3）式可得出有关热电偶回路的几点结论或基本定律,1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。换种说法：热电偶必须采用两种不同的材料作为热电极，否则，输出总电动势为零。2）若T=T0，即冷、热端温度相同，输出热电动势为0；3）热电偶的总热电动势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关；,例1（P237）,1、将一灵敏度为0.08mV/的热电偶与电压表相连接，电压表接线端是50，若电位计上读数是60mV，求热电偶的热端温度是多少？,解：已知热电偶灵敏度为常数0.08mV/，说明所测温度与热电偶输出成线性关系，可设：E(T)=kT+A=0.08T+A其中：T为工作端温度，A是待定常数。,因电压表接线端为50。则当测端温度也为50时，有：E（50）=0推出：A=4mV，故：E(T)=0.08T4,当电压表测得数值为60mV时，即：60=0.08T4T=800,4)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其（第三种材料）两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,根据该定律，可以将第三导体换成测量仪表，只要保持两结点温度相同，就可测量热电动势。,证明：图中回路中总电动势为：EABC(T，T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)(10-4),式中右边三项分别为A与B导体、B与C导体、C与A导体组成的热电偶在T或T0温度下的热电动势。,在T=T0的情况下，回路中的总电动势为0，即：,EABC(T0，T0)=EAB(T0)+EBC(T0)+ECA(T0)=0(10-5),将此式与（10-4）相减，可得：,EABC(T，T0)=EAB(T)EAB(T0)=EAB(T，T0)证毕,5)参考电极定律两种导体A、B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：,教材对此式作了证明，我们在此不做推导。,由于铂的物理化学性质稳定，人们多采用铂作为参考电极。,参考电极定律有何实际意义？,由于适于制作热电偶的材料约300余种，两两组合数量达C3002种以上。显然对这些组合的配对都作热电偶的标定，显然费时费力。由于铂材料性能稳定，熔点较高且易提纯，可用作标准参考电极。用热电偶材料与铂配对，只需要300余种热电偶的标定，这样可大大减少不必要的材料配对工作。,例2：（P237）已知在某特定条件下材料A与铂配对的热电动势为13.967mV，材料B与铂配对的热电动势为8.345mV，求出在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电动势？,解：根据式（10-7）,EAB=13.9678.345=5.622(m),二、常用热电偶,适于制作热电偶的材料约300余种。到目前为止，国际电工委员会已将其中七种推荐为标准化热电偶。这七种热电偶为：贵金属类：铂铑10铂；铂铑13铂；铂铑30铂铑6；一般金属类：铜康（考）铜；铁康铜；镍铬康铜；镍铬镍硅（铝）,热电偶,1铂铑10铂热电偶(S型)分度号LB3工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300、短期：1600。特点：材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管。外套材料常用30高温合金。材料属贵金属，成本较高。热电动势较弱。,2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型)分度号EU2工业用热电偶丝：1.22.5mm，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。测量温度：长期1000，短期1300。特点：价格比较便宜，在工业上广泛应用。高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。复现性好，热电势大。,3镍铬考铜热电偶(E型)分度号为EA2工业用热电偶丝：1.22mm，实验室用可更细些。正极：镍铬合金负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。测量温度：长期600，短期800。特点：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。,4铂铑30铂铑6热电偶(B型)分度号为LL2正极：铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600，短期可达1800。特点：材料性能稳定，测量精度高。还原性气体中易被侵蚀。低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。成本高。,几种特殊用途的热电偶（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：是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼5-钨铼20热电偶使用温度范围3002000分度精度为1。（3）金铁镍铬热电偶：主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V。（4）钯铂铱15热电偶：是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为47.255mV，比铂铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。,（6）铜康铜热电偶，分度号MK热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K473K的低温实验室测量中。,（5）铁康铜热电偶，分度号TK灵敏度高，约为53V/，线性度好，价格便宜，可在800以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。,三、热电偶温度补偿（冷端处理及补偿）,为何要进行冷端温度补偿热电偶输出的热电动势是两结点温度差（热端温度和冷端温度差）的函数，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动势是以冷端温度0为依据。而在实际使用中，冷端温度是随环境温度变化的，很难保持温度恒定。因此，就要采取一些措施来抵消由于冷端温度变化对输出热电动势的影响。在工业使用时，解决冷端补偿问题有许多方法，一般根据使用条件和测量精度的要求来确定所使用的具体方法。,热电偶冷端温度主要补偿方法有：冰点槽法（见后面说明）计算修正法零点迁移法（见后面说明）冷端补偿器法（见后面说明）补偿导线法软件处理法（见后面说明）,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,T0,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。,2.零点迁移法,应用领域：如果冷端不是0，但十分稳定的场所（如恒温车间）。,实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。,3.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。,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,4.软件处理法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。,第二节热电阻传感器,一、概述热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参数进行检测的装置。热电阻传感器的主要优点：性能稳定、测量精度高。在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精度更高；具有较大的测量范围，尤其在低温区。一般可在-270900范围内使用（推荐在150以下时选用）；易于使用在自动测量和远距离测量中。与热电偶相比，没有参比端误差问题。,二、热电阻的材料要求：作为测量温度用的热电阻材料应具有以下特点：电阻温度系数大。电阻率大；热容量小。热惯性要小。在测温范围内具有稳定的物理和化学性能；良好的工艺性。便于批量生产，以降低成本；电阻随温度的变化呈线性关系，具有良好的输出特性。根据以上要求，纯金属是制造热电阻的主要材料。目前广泛应用的热电阻有：铂、铜，镍、铁等。,常用热电阻材料：1、铂热电阻铂是一种贵金属，其主要优点是物理化学性能极为稳定，并具有良好的工艺性，易于提纯，可以制作极细的铂丝（0.02或更细），但它的电阻温度系数较小。铂的使用温度范围为-200650，可作为温度标准使用，也广泛用于高精度的工业温度测量。由于成本原因，在测量精度要求不高的场合下，一般采用铜电阻。,铂电阻阻值与温度变化之间的关系：在-2000范围内：Rt=R01+At+Bt2+C（t-100）t3在0850范围内：Rt=R0（1+At+Bt2）式中：Rt、R0-分别为0和t（）时的电阻值；对于常用的工业铂电阻，常数：A=3.90802103/；B=5.802107/2；=4.273501012/4；,2、铜热电阻铜热电阻仅用来制造-50180范围内的工业用电阻温度计。其主要特点是在上述温度范围内，其电阻与温度的关系是线性的；而且它的电阻温度系数比铂高，但它的电阻率低。在温度不高、测温元件尺寸没有特殊限制时，可以使用铜电阻温度计。电阻值与温度关系为：Rt=R01+At+Bt2+Ct3式中：Rt、R0-分别为0和t（）时的电阻值；系数A=4.28899103/；B=2.133107/2；=1.233109/3；,3、其它热电阻镍和铁电阻的温度系数较大，电阻率也高，因此也适合于作热电阻。镍热电阻使用温度为50100；铁热电阻使用温度为50150；两种热电阻目前应用较少，主要是由于它们有以下缺点：铁很容易氧化，化学性能不好；但由于铁的线性、电阻率和灵敏度都较高，加以适当保护，也可作为热电阻元件。镍非线性严重，材料提取困难，但稳定性优于铁，在自动恒温和温度补偿方面的应用较多。铟热电阻适宜在低温269258使用，精度精度、灵敏度高；锰热电阻适宜在低温271210使用,灵敏度高，但易损坏；碳电阻适宜在低温273268.5使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，但热稳定性差。,第三节热敏电阻传感器,热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的热敏器件。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。,一、热敏电阻的特点电阻温度系数范围甚宽，灵敏度高。有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大10100倍左右。结构简单，体积小，可以测量点温度。电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；阻值与温度变化呈非线性关系；稳定性和互换性较差。材料加工容易、工艺性能好。可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为0.2mm。,热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可