《传感器检测与应用》（省奖）作者王斌 学习情境3.机床电机的过热保护

1、传感器检测与应用传感器检测与应用学习情境三：温度的检测学习情境三：温度的检测 机床电机的过热保护机床电机的过热保护情境介绍：情境介绍： 机床在长时间的工作中都要发热，如果长期环境温度较高，散热通风不良，就可能损坏电机绕组与转动轴承。因此，我们可以通过预理温度传感器对机床电机与转动轴承超温运行进行保护，以延长机床设备的使用寿命。 实现温度检测的传感器有多种，如热电阻、热电偶等。它们原理不同，适用场合各异，但均能实现将热参数转为电参数的功能。本学习情境通过金属热电阻实现温度控制电路，从而能够对机床电机进行温度监测，当温度过高及时切断线路，实现报警，以达到过热保护的作用。学习情境三：温度的检测学习情

2、境三：温度的检测 机床电机的过热保护机床电机的过热保护学习要点：学习要点： l热电阻传感器的实现原理；l金属热电阻的分类、特点及接线方法；l热敏电阻的分类、特性及应用；l机床电机过热保护的原理，掌握实现方法和步骤。l知识点拨知识点拨l热电阻传感器实现温度的检测热电阻传感器实现温度的检测l机床电机过热保护的实施机床电机过热保护的实施l知识拓展知识拓展学习情境三：温度的检测学习情境三：温度的检测 机床电机的过热保护机床电机的过热保护一、金属热电阻一、金属热电阻二、半导体热敏电阻二、半导体热敏电阻 用途：热电阻传感器主要用于对温度或和温度有关的参量进行检测。在工业上被广泛用来测量-200+960范围

3、内的温度。分类：按热电阻性质不同可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。前者通常称为热电阻，后者称为热敏电阻。一、金属热电阻一、金属热电阻 原理：原理：温度升高温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加电阻值增加，我，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。相同。 取一只取一只 100W/220V 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，灯泡，用万用表测

4、量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为定热态电阻值应为484484 。 1 1、材料：、材料：要求有大的、稳定的电阻温度系数，大，线性好，性能稳定，便于生产，通常用铜、铂、镍铜、铂、镍。 热电阻的主要技术性能热电阻的主要技术性能 2 2、特点：、特点：测温精度较高，范围广，稳定性、重复性好。但热惯性大，灵敏度低。3 3、结构：、结构：热电阻是由电阻体（感温元件）、绝缘套管和接线盒等主要部件组成的，电阻丝是热电阻的最主要部分。铂热电阻分度表铂热电阻分度表薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻 小型铂热电阻小型

5、铂热电阻 防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻 在有些生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体、蒸汽，如果使用普通的热电偶非常不安全，极易引起环境气体爆炸。二、半导体热敏电阻二、半导体热敏电阻 1 1热敏电阻的类型热敏电阻的类型（1 1）负温度系数热敏电阻（）负温度系数热敏电阻（NTCNTC）指数型指数型：热敏电阻的阻值与温度之间呈负的指数关系。突变型突变型：当温度上升到某设定值时，其阻值突然下降。多用于各种电子电路中抑制浪涌电流，起保护作用。（2 2）正温度系数热敏电阻（）正温度系数热敏电阻（PTCPTC）线性型线性型：热敏电阻的阻值与温度之间呈近似线性关系。突变型突变型：当温度超过某一限度或电流超过

6、某一限度时，其电阻值突然增大。在电阻线路中多起限流、保护作用。下图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？下图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？123452 2、热敏电阻的外形、结构及符号、热敏电阻的外形、结构及符号热敏电阻外形热敏电阻外形 MF12MF12型型NTCNTC热敏电阻热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 玻璃封装玻璃封装NTCNTC热敏电阻热敏电阻MF58 MF58 型热敏电阻型热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻（续）（续） 带安装孔的热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率大功率PTCPTC热敏电阻热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形

7、式的热敏电阻（续）（续） 贴片式贴片式NTCNTC热敏电阻热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻（续）（续） MF58MF58型（珠形）高精度负温度系型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻数热敏电阻MF5A-3MF5A-3型热敏电阻型热敏电阻非标热敏电阻非标热敏电阻非标热敏电阻（续）非标热敏电阻（续） 非标热敏电阻（续）非标热敏电阻（续） 一、金属热电阻传感器一、金属热电阻传感器二、半导体热电阻传感器二、半导体热电阻传感器 用电桥作为传感器的测量电路，在进行温度测量时特点是精度高，适于测低温。1 1、测量转换电路、测量转换电路一、金属热电阻传感器一、金属热电阻传感器 热电阻的三线制：工业上用

8、的铂电阻的引线为三根，目的是消除连接线电阻的影响。 由于金属电阻阻值较小，连接线引线电阻及其变化不能忽略。为减小影响，采用如下三线制连接。汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传感器及水温表铜热电阻铜热电阻2 2、热电阻传感器的检测、热电阻传感器的检测铂电阻温度显示、变送器铂电阻温度显示、变送器可设定温度的温度控制箱可设定温度的温度控制箱 旋转式机械设定开关旋转式机械设定开关 拨码式设定开关拨码式设定开关（1 1）温度测量）温度测量双桥温差测量电路双桥温差测量电路二、半导体热电阻传感器二、半导体热电阻传感器热敏电阻温度面板热敏电阻温度面板表表 热敏电阻热敏电阻数字温度计数字温度计热敏电阻体温表热敏

9、电阻体温表 热敏电阻体温表的调试、标定方法热敏电阻体温表的调试、标定方法 先调先调RP1RP1（零位）（零位）再调再调RP2RP2（满度）（满度）热敏电阻用于热敏电阻用于CPUCPU的温度测量的温度测量 应变片测量的温度补偿（2 2）温度补偿）温度补偿温度升高，电阻变大，引起测量误差温度升高，电阻变大，引起测量误差（3 3）温度控制）温度控制 过热保护功能的实现最基本的要求是当电机温度过高，超过其工作极限后，自动切断电机启动电路，使电机停转，从而实现保护。这里采用金属热电阻，当温度升高，使得热电阻阻值变大，通过控制电路实现通断控制。一、简介一、简介 机床在长时间的工作中都要发热，其中以机床电机

10、绕组投热与机械转动轴承发热较为严重，尤其是在环境温度较高，散热通风不良的场合，就可能损坏电机绕组与转动轴承。为此，可以通过预埋温度传感器对机床电机与转动轴承超温运行进行保护，以延长机床设备的使用寿命。二、保护电路原理图二、保护电路原理图三、电路原理分析三、电路原理分析 电源经变压器T降压、整流桥V1整流、电容C1滤波、 稳压二极管V2稳压，为控制电路提供15V的稳压电源。Rt是预埋在电机绕组中或转动轴承处的热敏电阻，它与电阻R1、电位器R2串联，从R2抽头上取得电压给三极管V3提供偏流。在电机绕组或转动轴承的温度较低时，Rt的阻值较小，a点电位较低，V3截止，晶闸管KP门极触发电压很低而不能导

11、通，机床电机正常运转。 当温度超过设定值时，Rt的阻值上升的较高，此时，a点电位升高， V3导通KP得到较高的门极电压而触发导通，继电器线圈K通电，其常闭触头K1打开，切断电机起动电路，使机床设备停转，从而实现保护。另外，常开触头K2闭合，进行铃响超温报警；发光二授管V5发亮，也进行超温报警。四、温度传感器的选择四、温度传感器的选择 要使控制电路能很好地起到过热保护的作用，必须正确选择与安装好温度传感器。用作温度传感器的热敏元件有许多种，要选择适合温度范围要求与精度要求的元件，对于电机绕组与转动轴承的过热保护，介绍选用WZPD型的铂热电阻，其主要参数为： 测温范围测温范围：-40180 温度允

12、许误差温度允许误差： (0.30+0.0051|t|)， t为被测点的温度， 00时的电阻值时的电阻值：1000.12 100100时的电阻比时的电阻比：1.3850.01 工作激励电流工作激励电流：5mA 分度号分度号：Pt100 绝缘等级绝缘等级：F级五、温度传感器的安装五、温度传感器的安装(1)把WZPD型铂热电阻和电阻温度计的引接线用焊锡焊牢，焊锡型号为HiSnPb582。再把焊头用云母带半叠包包好，并套上硅有机玻璃漆布管。(2)用3块玻璃布板把铂热电阻用704胶粘牢。(3)把上述处理好的铂热电阻(一般需3-6个)沿定子内圆周均匀分布，轴向则一般位于绕组线圈的中间，也可依据通风散热方式

13、的不同位于预计温度较高的一端。具体的埋设位置视每槽的线圈边数而定：如果每槽有两个线圈边，则埋设在两个线圈边之间；如果每槽只有一个线圈边，则埋设在绕组绝缘外层与槽楔之间的预计最热处；如果每槽有两个以上的线圈边，则埋设在线圈之间预计最热处，埋设处不再垫绝缘材料。l应强调的是：在保证安全的前提下，应考虑尽量埋设在绕组的最热部位，并使其与被测部位紧密接触；还要注意采取保护措施，避免冷却空气的影响而不能准确反映被测绕组的最高温度。(4)把各铂热电阻的引出线连接到接线盒内进行并联，引出线的长度不能有多余的。l是否掌握热电阻传感器的工作原理；l是否正确使用不同类型热电阻进行温度检测；l机床电机过热保护电路的

14、温度传感器安装是否规范；l机床电机过热保护电路能否按照预设温度门限值进行电机工作停转。 热电偶传感器介绍热电偶传感器介绍 热电偶传感器的使用热电偶传感器的使用结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极热电极A A 热电偶传感器介绍热电偶传感器介绍 热电极热电极B B热电势热电势一、热电效应一、热电效应 将两种不同材料的导体构成一闭合回路，由于两结点温度不同产生电动势,回路产生电流的现象称为热电效应热电效应。两种不同材料导体组成的回路称为“热电偶热电偶”，组成热电偶的导体为“热电极热电极”，产生的电动势称为“热电势热电势”。 符号

15、符号T T端称为工端称为工作端或热端作端或热端A导体导体B导体导体T0T0端称为自端称为自由端或冷端。由端或冷端。1 1、热点效应的微观解释、热点效应的微观解释 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。2 2、热电势的特点、热电势的特点 热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差t 的函数： EAB（T，T0）=eAB（T）- eAB（T0）=fABt3 3、几个结论、几个结论l如果热电偶

16、两结点温度相同，则热电势等于零。结点温差越大，热电势越大。l如果热电偶两电极材料相同，即使两端有温差，也无热电势。必须有两种不同材料构成热电偶。l热电势的大小只与材料和结点温度有关，而热电偶的内阻和其长短、粗细、形状有关。二、热电偶的种类二、热电偶的种类 八种国际通用热电偶：八种国际通用热电偶： B:B:铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6 R: R:铂铑铂铑1313铂铂 S:S:铂铑铂铑1010铂铂 K:K:镍铬镍铬镍硅镍硅 N:N:镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅 E:E:镍铬镍铬铜镍铜镍 J:J:铁铁铜镍铜镍 T:T:铜铜铜镍铜镍 用于制造用于制造铂铂热电偶的各种热电偶的各种铂铂热电偶丝热电偶丝几种常用热

17、电偶的测温范围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势 分度号分度号 名称名称 测量温度范围测量温度范围 10001000 C C热电势热电势/ mV/ mVB B铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 650501820 1820 C C4.8344.834R R铂铑铂铑1313铂铂-50-501768 1768 C C10.50610.506S S铂铑铂铑1010铂铂-50-501768 1768 C C9.5879.587K K镍铬镍铬镍铬镍铬 ( (铝铝) ) -270-2701370 1370 C C41.27641.276E E镍铬铜镍镍铬铜镍 ( (康铜康铜) )270270800 800

18、C C5 5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析 哪几种热电偶的测温上限较高？ 哪几种热电偶的线性较差？哪一种热电偶的灵敏度较高？ 哪一种热电偶的灵敏度较低？1 1、普通装配型热电偶、普通装配型热电偶安装螺纹安装螺纹安装法兰安装法兰三、热电偶的结构类型三、热电偶的结构类型普通装配型普通装配型热电偶的结构热电偶的结构接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢不锈钢保护管保护管 铠装热电偶的制造工艺：铠装热电偶的制

19、造工艺：把热电极材料与高温绝缘把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。成为柔软、细长的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶

20、可以制作得很细，机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。弯曲、超长等优点。 2 2、铠装型热电偶、铠装型热电偶法兰法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可长达上百米长达上百米薄壁金属保护薄壁金属保护套管（铠体）套管（铠体） BA绝缘材绝缘材料料铠装型热电偶横截面铠装型热电偶横截面3 3、隔爆型热电偶、隔爆型热电偶 结构特点：结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、特殊结构，它的接线盒是经过压铸而

21、成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。 使用场合：使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、易爆等化学气体或蒸汽，如果

22、用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。很容易引起环境气体爆炸）。隔爆型热电偶外形隔爆型热电偶外形厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒4 4、其他热电偶、其他热电偶小形小形K K型热电偶型热电偶一、热电偶自由端温度的补偿一、热电偶自由端温度的补偿 热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势是被测热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势是被测温度的单一函数，必须保持自由端温度的单一函数，必须保持自由端( (冷端冷端) )的温度恒定。为的温度恒定。为了消除或补偿由于自由端温度不恒定而引入的测量误差，了消除或补偿由于自由端温度不恒定而引入的测量误差，常用以下几种方法。常用以下几种方

23、法。必要必要性性1 1、仪表调零修正法、仪表调零修正法 在在t0t0基本不变的情况下，仪表预先机械调零到基本不变的情况下，仪表预先机械调零到t0t0处，处，即仪表预先输入即仪表预先输入E E（t0t0，00）则指针指向）则指针指向t0 t0 。 热电偶传感器的使用热电偶传感器的使用 指针被预调到室温（指针被预调到室温（40 40 C C ），可补偿冷端损失），可补偿冷端损失2 2、冷端温度自动补偿、冷端温度自动补偿 一般采用电桥补偿法：在热电偶回路中串入一个自动补偿的电位差信号来补偿热电势的变化值。E（t，0）=E（t，t0）+Uab 原理：原理：电桥补偿法是利用直流电桥的不平衡电压来补偿热电

24、偶因自由端温度变化而引起的热电动势变化值。XT-WBCXT-WBC热电偶热电偶 冷端补偿器冷端补偿器3 3、延引电极法、延引电极法 原因：原因：为了使热电偶自由端不受高温热源的影响，自由端温度基本保持恒定或波动较小，可把热电偶做得很长，这样势必使用贵重金属的热电偶耗费加大。 方法：方法：采用在一定温度范围内(0100)与工作热电偶的热电特性相近的材料制成导线，用它将热电偶的自由端延长至所需要的地方，用补偿导线制成的热电偶与工作热电偶相连，它既可把工作热电偶的原自由端延长到新的自由端，节省了贵重金属，又不会由于引入该导线而给工作热电偶带来测量误差。 AB屏蔽层屏蔽层保护层保护层补偿导线外形补偿导

25、线外形常用热电偶补偿导线的特性常用热电偶补偿导线的特性配用热电配用热电偶正偶正- -负负补偿导补偿导线线正正- -负负导线外皮导线外皮颜色颜色100100热电热电势势（mVmV）150150热电热电势势（mVmV）2020时的电时的电阻率（阻率（m m）正正负负铂铑铂铑1010铂铂铜铜铜铜镍镍红红绿绿0.6450.6450.0.0230231.0291.029+0.024+0.024- -0.0550.0550.04840.04841010-6-6镍铬镍镍铬镍硅硅铜康铜康铜铜红红蓝蓝4.0954.0950.0.15156.1376.1370.20.20 00.6340.6341010-6-6镍

26、铬考镍铬考铜铜镍铬镍铬考铜考铜红红黄黄6.956.950.30.30 010.6910.690.30.38 81.251.251010-6-6钨铼钨铼5 5钨钨铼铼2020铜铜铜铜镍镍红红蓝蓝1.3371.3370.0.045045二、热电偶的应用二、热电偶的应用1 1、热电偶的测温线路、热电偶的测温线路（1 1）两点间温度之和的测量）两点间温度之和的测量 使用多根热电偶串联测温时，就能成倍地提高总的热电动势的输出，大大提高测量的灵敏度 。（2 2）两点间温度之差的测量）两点间温度之差的测量 应注意对于测量两点间温度之和及温度之差两个同型号的热电偶其冷端温度必须相同，并且它们的热电动势都与温度呈线性关系，否则将产生测量误差。 2 2、热电偶热电动势的测量、热电偶热电动势的测量 热电偶输出的热电动势与被测温度有对应关系，热电动势的测量可用动圈式仪表、电位差计、电子电位差计，或通过微机识别后输出显示温度值。 注意：注意：用电位差计测量时，是采用标准电压来平衡热电动势的。标准电压与热电动势方向相反，回路中没有电流。因此，线路电阻对测量结果没有影响。 XCZXCZ系列指针式显示仪表系列指针式显示仪表 XC系列动圈式仪表测