热电式传感器及应用

热电式传感器及应用1第1页，课件共81页，创作于2023年2月第5章热电式传感器及其应用

温度

电信号（电阻、电压、电流等）

热电式传感器分

PN结型热电式传感器

热电阻热电偶2第2页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第3页5.1热电阻5.2p-n结型温度传感器5.3热电偶

5.3.1热电偶的工作原理5.3.2热电偶的基本定律5.3.3热电偶的种类和结构5.3.4热电偶的冷端补偿及处理5.3.5热电偶热电势测量及其误差分析5.3.6热电偶测温实例5.1.1金属热电阻5.1.2半导体热敏电阻5.7热电传感器的应用

第3页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第4页5.1热电阻温度

电阻热电阻：

金属热电阻（铂热阻、铜热阻等）

半导体热敏电阻（PTC、NTC、CTR）热电阻效应：物质的电阻率随温度变化的现象第4页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第5页1原理、结构和材料原理：电阻－温度效应—大多数金属导体的电阻都随温度而变化。电阻-温度特性方程：

Rt=R0(1+t+t2+…)（5-1）热电阻感温元件—纯金属材料，其性能要求：

大则灵敏度高；

理化性能稳定；

恒定，以保证线性关系；

大，体积尺寸小；

复现性好。5.1.1金属热电阻第5页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第6页5.1.1金属热电阻(1)．铂热电阻（WZP）

结构材料：φ0.02～0.05mm铂（Pt）丝绕在云母等绝缘骨架上，装入保护套管，接出引线，铂的电阻率ρ＝0.0981×10－6Ω·m；或箔式结构；薄膜式结构。图5－1铂热电阻的结构第6页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第7页5.1.1金属热电阻

测温范围和应用：

－259.34～630.54℃；

温度基准、标准用。

百度电阻比：

W(100)—纯度(100℃时的电阻值与0℃时的电阻值的比值用W(100)表示)；

W(100)＝R100/R0

标准用铂热电阻：W(100)≥1.39256，

纯度99.9995％；

精度：0.001℃～0.0001℃

工业用热电阻要求：W(100)=1.387-1.390，

精度：200℃～0℃，1℃；

0℃～100℃，0.5℃；

100℃～650℃，(0.5％)t第7页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第8页5.1.1金属热电阻

电阻—温度关系：

Rt=R0(1+At+Bt2)0℃≤t≤650℃Rt=R0(1+At+Bt2+C(t100)t3)200℃≤t≤0℃其中A、B、C与W(100)有关，见附表（书后）。

在测温范围不大时，基本线性。

分度号：工业用标准铂热电阻的阻值

Pt100，

（R0=100Ω）；

Pt50，

（R0=50Ω）；

Pt1000，（R0=1000Ω）；（R0：零摄氏度时的电阻值）

等。

分度表：见附表（书后）。第8页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第9页5.1.1金属热电阻(2).铜热电阻（WZC）(测量精度不太高，测量范围不大的情况，用铜热电阻来代替铂热电阻)

结构材料：Cu丝绕制，＝(4.25～4.28)×10-3/℃(铜电阻温度系数)

＝0.015×10-6

Ω·m；

测温范围和应用：50℃～100℃，工业用温度计；

百度电阻比：W(100)≥1.425，

精度：50℃～50℃，0.5℃，

50℃～100℃，(1％)t

电阻－温度特性：Rt=R0(1+t)，在测温范围内线性。

分度号：Cu100，Cu50，等。

分度表：见附表另外，铁、镍材料也可制作热电阻温度计。第9页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第10页5.1.1金属热电阻

2热电阻测量线路

直流电桥线路，主要考虑其引线电阻和接触电阻影响(热电阻阻值小，导线电阻值将带来不可忽视的测量误差)，常采用三线接法和四线接法。如图5-2、图5-3所示。

其次考虑工作电流的热效应影响，工作电流<10mA。图5－2热电阻测温电桥的三线连接法第10页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第11页5.1.1金属热电阻

图5－3热电阻测温电桥的四线连接法第11页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第12页5.1.1金属热电阻

3热电阻的应用

(1)．铂热电阻测温

恒压工作的铂热电阻测温电路如图5-4（a）所示。

热电阻选用TRRA1023B(Pt1000)，R0＝1000Ω

；

传感器工作电压UB＝10V＋e1。

测温电桥输出：可得10mV/℃的电压灵敏度。第12页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第13页5.1.1金属热电阻

图5－4恒压工作铂热电阻测温电路（a）测温电路；（b）直流/交流变换器电路第13页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第14页5.1.1金属热电阻

恒流工作的铂热电阻测温电路如图5-5所示。传感器的工作电流约为1mA，此时传感器的灵敏度约为3mV/℃，一般运放都可选用。图5-5

恒流工作铂热电阻测温电路第14页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第15页5.1.1金属热电阻

(2)．热电阻数字温度计

热电阻数字温度计测温电路如图5-5所示。测温电桥输出信号经MAX138A/D转换，数字显示。

图5－5热电阻数字温度计电路

MAX138A/D转换器与ICL5106比较，增加了如下功能：

片内设置有负电源转换器，因此可以单电源供电；

工作电源电压范围宽（2.5~5V）；片内设置有振荡电路。第15页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第16页5.1.1金属热电阻差动输出传感器信号适宜与MAX138等A/D转换连接，实现数字测量。MAX138、ICL5106、ICL5105等A/D转换器的转换精度是三位半，与二进制10位A/D转换器的转换精度相当。

线性化测温电路如图5-10所示。图5-10线性化测温电路第16页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第17页5.1.1金属热电阻

(3)．A/D转换器比例工作的热电阻温度测量电路

测温电路如图5-11、图5-12所示。图5-11A/D转换比例工作电路图5-12铂电阻A/D转换测温电路第17页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第18页

5.1.2半导体热敏电阻热敏电阻的类型(利用电阻率随温度变化特性的不同）

PTC(正温度系数热敏电阻)

，温度控制，限流元件；

NTC

(负温度系数热敏电阻)，

温度测量，补偿元件；

CTR(在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界电阻器)，温度开关元件。热敏电阻温度曲线如图5-13所示。图5-13热敏电阻特性曲线第18页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第19页5.1.2半导体热敏电阻1

热敏电阻主要特性(NTC热敏电阻)

(1)．电阻－温度特性

T0＝20℃(＝293K)R0=R20(额定电阻)；T1＝T＝100℃R1＝R100；

＝(2000～6000)KB—热敏电阻常数。热敏电阻温度系数：若B＝4000K，T＝323K(50℃)，则＝3.8％/℃，大！图5-14NTC热敏电阻温度特性若：第19页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第20页5.1.2半导体热敏电阻(2).伏-安特性

在稳态下，通过热敏电阻的电流I与其两端之间的电压U的关系，称为热敏电阻的伏-安特性。如图5-15所示。

当电流很小时，不足以使热敏电阻产生温升，则其电阻值只决定于环境温度，伏-安特性呈线性，遵循欧姆定律，主要用于测温。

当电流增大到一定值时，使热敏电阻产生温升，会出现负阻特性。图5-15热敏电阻伏安特性

第20页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第21页5.1.2半导体热敏电阻(3)．安-时特性

热敏电阻的电流-时间曲线如图5-16所示，表示热敏电阻在不同的外加电压下，电流达到稳定最大值所需要时间。这是一热平衡过程，一般为0.5～1s。图5-16热敏电阻安-时特性第21页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第22页5.1.2半导体热敏电阻2热敏电阻的主要技术参数

(1)．标称电阻值RH，(25±0.2℃)时的电阻值，又称冷电阻。

(2)．电阻温度系数，温度变化1℃时，热敏电阻阻值的变化率（％/℃）。

(3)．耗散系数H，热敏电阻温度与周围介质温度相差1℃时所耗散的功率(W/℃)。

(4)．热容c，热敏电阻温度变化1℃时所需吸收或释放的热量单位为（J/℃）。

(5)．能量灵敏度G＝(H/)×100，使热敏电阻的阻值变化1%时所需耗散的功率，单位为(W)。

(6)．时间常数＝c/H，温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T的介质中，热敏电阻的温度增量T=0.632(T-T0)时所需的时间(s)，即热容C与耗散系数H之比。第22页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第23页5.1.2半导体热敏电阻

3热敏电阻的应用

热敏电阻的优点：温度系数大，灵敏度高；热容量小，响应快，分辨率高；价格便宜等。缺点：互换性差，热电特性非线性大等。主要用于温度的测量、控制，温度补偿，流速（或流量）测量等。

(1).流量测量

基于流体流速（流量）与散热关系，利用热敏电阻桥式电路测流体流速（或流量），如图5－17所示。图5-17热敏电阻流量计第23页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第24页5.1.2半导体热敏电阻(2).温度控制

利用热敏电阻的温度控制电路如图5－18所示。图5－18温度控制电路第24页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第25页5.1.2半导体热敏电阻(3)．温度上、下限报警

热敏电阻温度上、下限报警电路如图5－19所示。图5－19温度上下限报警电路第25页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第26页5.1.2半导体热敏电阻(4)．温度测量

图5－20是利用NTC热敏电阻组成的0~100℃的测温电路，相应的输出电压为0~5V，其灵敏度为50mV/℃。图5－20温度测量电路5．热电偶温度冷端补偿

后面介绍。第26页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第27页5.2p－n结型温度传感器5.2.1二极管温度传感器

PN结伏安特性：则式中，I—PN结正向电流；U—PN结正向压降；Is—PN结反向饱和电流；q—电子电量（1.61019C）；T—绝对温度；k—玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K）。

保持I恒定，则U与T成线性关系，这就是PN结的测温原理，其灵敏度输出特性呈线性，且测量精度高第27页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第28页5.2p－n结型温度传感器5.2.2晶体管温度传感器

将NPN型晶体管的bc结短接，利用be结作为感温器件，接近PN结理想特性，如图5－21所示—测温原理。图5－21晶体管温度传感器

第28页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第29页5.2p－n结型温度传感器5.2.3集成温度传感器(将温敏器件及其辅助电路集成在同一芯片上制成，线性输出正比于绝对温度)

一只晶体管发射极电流密度Je通常a1，JeJs，则

若图5－22中，Js1＝Js2,a1＝a2

，则图中

只要Je1

，Je2

（I1，I2）均为恒流，则Ube与T成线性关系—测温原理。图5－22集成温度感温点电路

第29页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第30页5.2p－n结型温度传感器集成温度传感器主要类型：

电压型，三线制，ku＝10mV/℃，

LM34/35，LM135/235，…

；

电流型，两线制，kI＝1μA/K，

AD590/592，LM134/234，…；

数字输出型，TMP03/04，AD7416,…；

电阻可编程温度控制器，AD22105,TMP01，…；

等。

第30页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第31页5.2p－n结型温度传感器AD590电流型集成温度传感器（图5－23）

测温原理：

晶体管对T3-T4使IT分为I1=I2

，起恒流作用；T1,T2起感温作用；

T1由8只与T2相同的晶体管并联而成，因此，T2中的电流密度J2为T1中的电流密度J1的8倍，即

J2＝8J1

图5－23输出电流正比于绝对温度的AD590温度敏感电路第31页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第32页

通过R的电流

，IT＝2I1，若取R＝358Ω，则kT＝IT/T＝2×179/358＝1(A/K)所以

IT＝kT·T5.2p－n结型温度传感器

Ube1和Ube2反极性串接施加在电阻R上，则R上电压为：

第32页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第33页5.2p－n结型温度传感器AD590的特性：

1）伏安特性

当U=4～30V时，理想恒流源，电流只随温度T变化；

2）温度特性

55℃～150℃，IT与T有较好的线性，输出电流灵敏度kI＝1A/K；非线性误差为T＝(0.3～3)℃；

3）精度：可达0.5℃图5－24AD590基本特性曲线第33页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第34页5.2p－n结型温度传感器5.2.4集成温度传感器的典型应用

1．测量温度

AD590远程温度测量

如图5－25所示。图5－25AD590摄氏温度测量电路第34页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第35页5.2p－n结型温度传感器数字温度计

如图5－26所示。图5－26XSW-1型数字温度计第35页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第36页5.2p－n结型温度传感器

2.测量温差

如图5－27所示。

I=IT1IT2＝kT(T1T2)；

U0＝IR3＝kTR3(T1T2)＝f(T1T2)图5－27AD590温差测量电路第36页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第37页5.2p－n结型温度传感器3．测最低温度

AD590串连，如图5－28所示；4．测平均温度

AD590并连，如图5－28所示。图5－28AD590测最低温度、平均温度第37页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第38页5.2p－n结型温度传感器5.温度控制

AD590作为温度控制的感温元件，如图5－29所示图5－29AD590温度控制系统第38页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第39页5.3热电偶5.3.1热电偶的工作原理

热电效应：将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成一个闭合回路（称为热电偶，见图5－30），若两接触点温度(T,T0)不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克(Seebeck)效应。回路中的电势称为热电势或塞贝克电势，用EAB(T,T0)或EAB(t,t0)表示。

热电效应

热电势EAB(T,T0)或EAB(t,t0)(由接触电势和温差电势两部分组成)图5－30热电效应热电偶：

热电极（导体A、B）；

测量端（热端或工作端）T(t)；

参考端（冷端或自由端）T0(t0)。第39页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第40页5.3.1

热电偶的工作原理1．Peltier(泊尔帖)效应（热电效应的逆效应）——接触电势

自由电子密度不同的两种金属接触处，由于电子的扩散现象在接触点处形成接触电势或Peltier电势，此现象称为Peltier效应。接触电势为总接触电势：图5－31热电效应示意图EAB(T)：温度为T时，金属A与B结点处的接触电势，e为电子电荷量，k为波尔兹曼常数，nA、nB分别为A和B的自由电子密度。第40页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第41页5.3.1

热电偶的工作原理2．Thomson效应——温差电势

均质导体，两端温度不相等时，由于体内自由电子从高温端向低温端的扩散，在其两端形成的电势称为温差电势或Thomson电势，此现象称为Thomson效应。导体A中的Thomson电势：

导体B中的Thomson电势：

回路中总的Thomson电势：式中，A、B分别为导体A、B中的Thomson系数。第41页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第42页5.3.1

热电偶的工作原理综合考虑A、B组成的热电偶回路，当T≠T0时，总的热电势为

讨论：

如果热电偶两电极材料相同(nA＝nB;A=B),两接点温度不同，不会产生热电势；

如果两电极材料不同，但两接点温度相同(T=T0;)，也不会产生热电势；

热偶工作的基本条件：两电极材料不同，两接点温度不同；

热电势大小与热电极的几何形状和尺寸无关。

当两热电极材料不同，且A、B固定（即nA、nB、

A、B为常数），热电势便为两结点温度（T，T0）的函数

（TO恒定）这就是热偶测温原理。

热电势的极性：热端失去电子为正，获得电子为负，且有第42页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第43页5.3.2

热电偶的基本定律

1.均质导体定律

要求热电极材质均匀，克服因热电极上各点温度不同时造成附加误差。

2.中间导体定律

热偶回路断开接入第三种导体C，若C两端温度相同，则回路热电势不变，这为热电势的测量（接入测量仪表，第三导体）奠定理论基础，见图5－32。图5－32热电偶测温电路原理图第43页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第44页5.3.2

热电偶的基本定律3.中间温度定律若T0＝0℃，4.标准（参考）电极定律

标准电极定律原理如图5－33所示。以C作为标准电极，一般C为铂，构建热偶A、B。图5－33标准电极定律示意图例

：

则第44页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第45页5.3.3热电偶的种类和结构

1热电极材料和类型

(1)．热电极材料的基本要求

热电极是感温元件，物理性质见表5－1，基本要求：

热电势足够大，测温范围宽、线性好；

热电特性稳定；

理化性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀；

电阻温度系数α

、电阻率ρ小；

易加工、复制性好；

价廉

(2)

．热电偶类型

标准化热电偶及其参数表5－2，

分度表及计算公式：见附表3~附表6第45页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第46页5.3.3热电偶的种类和结构

2热电偶的结构

热电偶接点焊接要求和焊接方法（不引入第三种材料，接点大小适当）；电极之间绝缘。见图5－34。图5－34热电偶电极的绝缘方法

（a）裸线热电偶；（b）珠形绝缘热电偶；（c）双孔绝缘子热电偶；（d）石棉绝缘管热电偶第46页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第47页5.3.3热电偶的种类和结构

(1).普通型热电偶普通型热电偶结构见图5－35。图5－35普通型热电偶结构第47页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第48页5.3.3热电偶的种类和结构(2)．铠装热电偶

铠装热电偶结构见图5－36。图5－36铠装热电偶工作端结构

（a）单芯结构；（b）双芯碰底型；（c）双芯不碰底型；（d）双芯帽型第48页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第49页5.3.3

热电偶的种类和结构(3)．薄膜热电偶

薄膜热电偶电极为厚度0.01~0.1m薄膜构成，见图5－37图5－37铁-镍薄膜热电偶第49页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第50页5.3.4热电偶的冷端补偿及处理热偶标准分度表是以T0＝0℃为参考温度条件下测试制定的，若T0≠0℃，则应进行冷端补偿，其补偿方法：

1.延长导线法

利用补偿导线代替热电极，引到温度较稳定的T0端测试。要求：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具有相同或相近的热电特性。

2.0℃恒温法

将热电偶冷端置于冰水混合物的0℃恒温器内，使其工作与分度状态达到一致。

第50页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第51页5.3.4热电偶的冷端补偿及处理图5－38是延长导线法和0℃恒温法的一个实例。图5－38冷端处理的延长导线法和0℃恒温法第51页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第52页5.3.4热电偶的冷端补偿及处理3.冷端温度修正法

（1）热电势修正法

利用中间温度定律式中，Tn

热电偶测温时的是环境温度；EAB(T，Tn）是实测热电势；EAB(Tn，0)是冷端修正值。

例如：铂铑10—铂热电偶测温，参考冷端温度为室21℃，测得查表，则由此查分度表

T＝92℃

若直接用0.465mV查表，则T＝75℃。

也不能将75℃＋21℃＝96℃作为实际温度。第52页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第53页5.3.4热电偶的冷端补偿及处理（2）温度修正法

由实测热电势EAB（T，Tn）查表，得T

真实温度为：

T＝T＋kTn

式中，k为热电偶修正系数，决定于热电偶与热电偶种类和被测温度范围。

例如前例：实测EAB(T，Tn)=0.465mV，

→

查分度表T=75℃；

查修正系数表5－4，此时该热电偶的k=0.82，Tn=21℃

，

则实际温度T=75+0.82×21=92.2℃与前面结果基本一致。这中修正方法在工程上应用较为广泛。第53页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第54页5.3.4热电偶的冷端补偿及处理4、冷端温度自动补偿法

（1）电桥补偿法

原理：电桥输出电压Uab(T0,0)=EAB(T0,0)，自动补偿。

补偿电路：如图5－39所示。图中R1、R2、R3、RW为锰铜电阻，阻值几乎不随温度变化，RCu为铜电阻，电阻值随温度升高而增大。T0=0℃时，R1=R2=R3=RCu，电桥输出Uab=0，对热电偶电势无影响。T0≠0℃时，Uab≠0，Uab=U(T0,0)=EAB(T0,0)，热电偶的热电势得到自动补偿。图5－39冷端温度补偿线路图第54页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第55页5.3.4热电偶的冷端补偿及处理（2）PN结冷端补偿

PN结冷端补偿电路如图5－40所示。

PN结温度系数﹣2.2mV/℃，其补偿电压ΔU。

设EAB(T0,0)=k1T0，k1

为热电偶在0℃附近灵敏度，则回路电势为：

EAB(T,0)EAB(T0,0)ΔU=EAB(T,0)k1T0

UD/n而

UD=U02.2T0

式中，UD—二极管D的PN结端电压；U0—PN结在0℃时的端电压，(硅管约为700mV)；n—电位器RW的分压比。

令

k1=2.2/n，则

EAB(T,0)﹣UD/n=EAB(T,0)﹣700/n与冷端温度变化无关，得到自动补偿。

图5－40PN结冷端温度补偿器

第55页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第56页5.3.4热电偶的冷端补偿及处理（3）AD590冷端温度补偿法

AD590冷端温度补偿电路如图5－41所示。

图5－41AD590冷端补偿应用第56页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第57页5.3.5热电偶热电势测量及其误差分析1热电偶的热电势测量

(1)．伺服式温度表

测量原理：

电位补偿法Ex=IRH

常用低电势电位差计，如UJ31进行测量，分辨率可达到V数量级。

图5－42电位差计原理图第57页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第58页5.3.5热电偶热电势测量及其误差分析(2)．数字式温度表

热电偶的热电势

信号放大（仪用放大器）

A/D数子测量

注意对热电偶的热电势的线性校正和冷端补偿，可采用硬件或软件来实现。

第58页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第59页5.3.5热电偶热电势测量及其误差分析

2误差分析

(1)．测量基本误差：

1）分度误差：工业用热偶与标准热偶分度之间误差；

2）仪表误差：测量仪表引入测量误差；

3）冷端处理误差；

4）接线误差：接线电阻影响，应选高内阻测量仪表；

5）漏电误差，必须保证良好绝缘。

(2)．传热误差

热偶测温存在热交换平衡问题，存在热电偶测量端温度低于被测介质温度现象，称为传热误差，应尽量减少热偶的热量损失。

第59页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第60页5.3.5热电偶热电势测量及其误差分析(3)．动态误差

1）动态响应：

牛顿冷却定律：向感温元件传热的速度正比于周围介质与元件间的温差。令

，得式中，T—介质真实温度；Tj—热接点温度

这是一个一阶系统，其动态特性第1章中已讲述。

第60页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第61页5.3.5热电偶热电势测量及其误差分析

测量恒定温度

将热电偶从室温T0迅速插入温度为T的温度场中，其响应Tj为

式中，t—时间；—热电偶时间常数。

若当t=0时，

T0=0,则

上式第一项为输入量，即被测温度；第二项为动态误差。愈大，测量值达到实际温度值的时间愈长，动态误差也就愈大。第61页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第62页5.3.5热电偶热电势测量及其误差分析

测量线性上升温度

设被测温度为

T=T0

+kt

则热电偶的响应

Tj=T0+ktkt(1et/）

测正弦变化曲线

设被测温度为

T=T0+TAsinωt当t5时，达到稳定状态其中，

。值愈大，热电偶温度响应的振幅愈小，相为滞后角愈大。

第62页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第63页5.3.5热电偶热电势测量及其误差分析

2）减小动态误差的方法

关键是减小。

选用v/F较小接点

选用c，较小的热电极材料

采用RC微分网络进行校正图5－43采用RC微分校正网络校正热电偶的动态特性第63页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第64页5.3.5热电偶热电势测量及其误差分析

裸丝热电偶传递函数为

RC网络(如图5－43所示)传递函数为

系统总传递函数为

,(τ1=τ2=τ)

取上式逆拉氏变换，可得

其中

τ==1=2，为测试系统时间常数。

该系统仍有一定热惯性，若使<<1，则很小，从而大大减小动态误差。

第64页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第65页5.3.6热电偶测温实例

0～600℃K型热电偶温度计如图5－44所示。

AD590作冷端补偿；放大电路；线性化电路。可获得10mV/℃的输出电压灵敏度，则Uout=0～6000mV。

图5－44K型热电偶测温电路（0~600℃）

第65页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第66页5.7热电传感器的应用热电传感器在日常生活、工农业生产、国防、航天、医学及科研中得到十分广泛的应用，本节仅举几例加以简单介绍。220VRpRTT1T2DCBTSCR220v~加热丝图5-28无触点恒温控制器电路图5.7.1无触点恒温控制器无触点自动温控电路如图5-28所示。其控温范围从室温到150℃，精度为±0.1℃。测温用的热敏电阻RT作为偏置电阻接在第66页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第67页T1、

T2组成的差分放大器电路内，当温度变化时，热敏电阻阻值变化，引起T1集电极电流变化，影响二极管D支路电流，从而使电容C充电电流发生变化，则电容电压达到单结晶体管BT峰点电压的时刻发生变化，即单结晶体管的输出脉冲产生相移，改变了可控硅SCR的导通角，改变了加热丝的电源电压，从而达到自动控温的目的。图中电位器Rp用以调节不同的设定温度。5.7.2室内空气加热器

PTC热敏元件由于具有升温快、能自控、安全节能、组成电路简单等特点，因而在各种取暖器上得到了广泛的应用。图5-29是空气加热器的电路结构示意图，其中PTC元件上有许多小孔，后面装有散热用的鼓风机。当接通电源后，PTC元件由于阻值小会有大电流通过而开始加热，鼓风机同时工作，它吹出的空气把PTC元件产第67页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第68页生的热量带向室内空间。由于空气流速和PTC热量的自动平衡，出风口的温度达50～60℃。当鼓风机由于故障原因停止转动时，PTC元件的阻值会急剧增大，从而限制了电流的通过，温度便下降到很低，可以避免意外事故的发生。～220VθPTC鼓风机入气口外壳PTC元件图5-29室内空气加热器电路及结构示意图

PTC元件的形状常用的有方形板状和圆盘状两种。方形板状的尺寸为70mm×70mm×10mm，在厚度方向上约1800个小孔。圆盘状的尺寸为￠50×(3.5～7.0)mm。PTC元件的功率为300～1000W。第68页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第69页R1+5VMOC3020R2负载S4312HN911关门控制电路RP1增益调节R2C1T1T2～220V56图5-30自动门控制电路原理图＋5.7.3自动门控制电路图5-30是自动门控制电路原理图。人体移动探测采用新型热释电红外线探测模块HN911。场效应管T1用作延时控制，通过调节电位器RP1便可改变延时控制的时间。光耦合器件MOC3020起交直隔离作用。当无人通过自动门时，HN911输出端为低电平，T1无控制信第69页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第70页号输出，双向晶闸管T2关闭，负载电机不工作，门处于关闭状态。当有人行走接近自动门时，HN911模块检知到人体红外能量，输出端1为高电平输出，双向晶闸管导通，负载电机工作，打开自动门。当自动门运行到位时，由限位开关S切断电源。由于HN911模块的输出端2输出的电平正和1端输出的电平相反，故可用2端的输出信号控制自动门关闭。LED报警电路TT201房间1房间2房间3房间4图5-31客房火灾报警器电路图第70页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第71页5.7.4客房火灾报警器图5-31是客房火灾报警器原理电路图。在每个客房中安装有由TT201温控晶闸管组成的火灾传感器，在每一路中又都串有发光二极管LED，其总线串接报警电路再与电源相连。为及时了解灾情，发光二极管及报警电路均设置在总监控台。若某一房间发生火灾时，房内的环境温度升高，当环境温度升高到温控晶闸管的开启电压温度时，该路的温控晶闸管导通，相应发光二极管发光显示，同时，由于温控晶闸管导通会使总线电流增大，产生报警信号，再经报警电路检测处理后，立即发出火灾警笛声响。5.7.5液位报警器图5-32是采用集成温度传感器的液位报警器的原理电路。它由两个AD590集成温度传感器、运算放大器及报警电路等组成，其中传感器B2设置在警式液面的位置，传感器B1设置在外部。正常情况第71页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第72页5.7.4客房火灾报警器图5-31是客房火灾报警器原理电路图。在每个客房中安装有由TT201温控晶闸管组成的火灾传感器，在每一路中又都串有发光二极管LED，其总线串接报警电路再与电源相连。为及时了解灾情，发光二极管及报警电路均设置在总监控台。若某一房间发生火灾时，房内的环境温度升高，当环境温度升高到温控晶闸管的开启电压温度时，该路的温控晶闸管导通，相应发光二极管发光显示，同时，由于温控晶闸管导通会使总线电流增大，产生报警信号，再经报警电路检测处理后，立即发出火灾警笛声响。5.7.5液位报警器图5-32是采用集成温度传感器的液位报警器的原理电路。它由两个AD590集成温度传感器、运算放大器及报警电路等组成，其中传感器B2设置在警式液面的位置，传感器B1设置在外部。正常情况第72页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第73页下，两个传感器在相同的温度条件下，调节电位器RP1，使运算放大器输出为零。当液面升高时，传感器B2将会被液体淹没，由于液体温度与环境温度的差别，使运算放大器工作输出不为零的控制信号，驱动报警电路报警。

液面B2B1R1R210K报警电路IC－＋50MRP150K＋UR310K741AD590AD590图5-32液位报警器原理图第73页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第74页*5.7.6自动温度测控仪

1.系统组成本系统由温度检测、压频转换、单片机温度测控系统、通讯接口、PC机等五部分组成，其结构如框图5-33所示。PC机温度检测I/F转换单片机控制温度调节部分图5-33系统结构框图

2.工作过程温度传感器AD590首先对现场温度进行测量，输出与温度成正比的电流，经I／F变换转换为与电流成正比的方波重复频率，送单片机采样计数；然后根据软件设定的温度上、下限值进行测量、比较、控制，使现场的温度达到设定值。第74页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第75页＋5ADAD590L110mHC10220C90.1C30.01C20.01RTRIGCVoltDISTHRQVCCR101KPTEMR51KR110K＋5R210KTXDRXD＋5T39012T19013D14148DB1T59013R35KD24148C1470R95KR44KD34004＋5RELR1R2

T49013R522R575TCOM1267+5C810R75KC430gC530gXT11.0592MXL1XL2+5TCCN+C7220C60.11102011RSTVCCP17P16P10P37CRID图5-34自动温度测控仪电原理图第75页，课件共81页，创作于2023年2月齐齐哈尔大学第76页＋5ADAD590L110mHC10220C90.1C30.01C20.01RTRIGCVoltDISTHRQVCCR101KPTEMR51KR110K＋5R210KTXDRXD＋5T39012T19013D14148DB1T59013R35KD24148C1470R95KR44K