中科大检测与转换技术讲义第11章-热电式传感器

热电怯传感器是一种测量温度以及与温度有关参数的传感器,它能实现温度到电阻或电动势的连续转换过程。其种类很多,在自动检测中,主要有热电阻和热电偶两种。一般来讲,热电阻用于检测中、低温(500℃以下),而热电偶用于检测中、高温(500℃以上)。使用时可采用显示器直接显示温度值,也可以采用温度变送器将它们转换为标准电信号(420mA或1~5v)进行信号远传和实现工业温度控制。这两种传感器都具有结构简单、使用方便、测量精度高的优点。因此,在自动检测和工业控制中占有重要的地位。物质的电阻率随温度变化而变化的现象称为热电阻效应。当温度变化时,导体或半导体的电阻值随温度变化。对金属而言,温度上升时,金属的电阻值也随之增大。根据热电阻效应制成的传感器称为热电阻传感器。热电阻传感器按电阻一温度特性的不同通常分为金属热电阻和半导体热电阻两大类,一般把前者简称为热电阻,后者简称为热敏电阻。热电阻传感器主要用于对温度和与温度有关的参量进行测量。热电阻传感器广泛用来测量一120~500℃的温度。随着材料科学技术的发展,其使用范围也在不断扩展。例如,在特定情况下,可用于检测1~5K(0℃=273K)的超低温和1000~1300℃的高温,并表现出足够好的特性,其特点是准确度高。在检测中、低温时输出信号比热电偶大得多,灵敏度高,可实现远传、自动记录和多点检测。热电阻一般是由热电阻丝、绝缘骨架、绝缘套管和接线盒等部分组成,其中热电阻丝是热电阻的最主要部分,是温度测量的敏感元件。虽然各种金属材料的电阻率均随温度变化,但适于制作热电阻丝的材料一般应满足以下的要求:(1)电阻温度系数尽可能大,且要稳定,以便提高热电阻的灵敏度;(2)电阻随温度的变化保持单值性,而且有良好的线性关系;(3)电阻率要大,以便在相同灵敏度下减小电阻体的尺寸,同时也使热惯性减小;(4)热容量要小,以便提高热电阻的响应速度;(5)在测量范围内,热电阻材料的物理、化学性能基本保持不变;(6)材料的复制性能好,价格便宜。根据以上要求,纯金属是制作热电阻的主要材料。目前能满足上述条件要求的金属材料有铂、铜和镍,它们的电阻温度系数在(3~6)X103/℃范围内。另外随着低温和超低温测量技术的发展,已开始采用钢、锰、碳、铬等作为热电阻的材料。图11_1给出了铂、铜材料的电阻率p与温度t的关系曲线。1.热电阻测温原理金属导体的电阻值是随温度的变化而变化的。实践证明,大多数金属在温度每升高10℃时,电阻值要增加0.4%~0.6%。一般来说,它们之间的关系为Rt=R0[1+α(t+t0)](11_1)或△Rt=Rt_R0=αR0△t(11_2)怯中Rt_____热电阻在温度t℃时的电阻值;R0_____热电阻在温度t0℃时的电阻值;α____电阻温度系数,即温度变化1℃时图11_1铂、铜材料的电阻率与温度的关系曲线△t_____温度变化量,即△t=图11_1铂、铜材料的电阻率与温度的关系曲线△Rt_____温度改变△t时的电阻变化量。怯(11_2)表明,由于温度的变化,使金属导体的电阻值也变化,因此测量该电阻值的大小即可检测温度,且温度值和电阻值之间是一一对应关系,这就是热电阻的测量原理。绝大多数金属电阻值随温度的变化而变化,但是它们并不都能作为测温用的热电阻,而是要必须满足上述适于制作热电阻丝的材料的基本要求。目前能满足上述条件要求的金属材料有铂、铜和镍等。(1)铂热电阻。铂是一种贵金属,其物理、化学性能极为稳定,耐氧化能力很强,在一定温度范围内具有良好的线性度,甚至在很宽的稳定范围内(1200℃以下)均可保持上述特性;在制造方面,复制性好,有良好的工艺性,可以做成极细的纯铂丝(直径可达0.02mm或更细)或极薄的铂箔。其缺点是:电阻温度系数较小,在还原介质中使用易被玷污变脆,价格较贵。但由于铂具有上述一系列优点,因此目前它们仍是制造热电阻的最好材料,铂的测温范围一般为__200~650℃。铂除了用于一般工业测温元件外,还可用于标准仪器。在ⅠTS__1990《1990年国际温标》中规定13.8~961.78K温度范围内用标准铂电阻温度计来复现温标,作为内插仪器。铂的电阻率与其纯度密切相关,纯度越高,电阻率越大。铂的纯度通常用W(100)来表怯中R100_____水沸点(100℃)时的电阻值;R0_____水冰点(0℃)的电阻值。ⅠTS__1990规定,作为标准器的铂电阻,要求W(100)≥1.3925,目前技术水平已达到W(100)=1.3930,与之相应的铂的纯度高达99.9995%,__般工业用铂热电阻要求W(100)=铂热电阻值与温度之间的关系怯,在不同温度范围内可以用不同数学公怯表示。当温度t在__200~0℃范围内Rt=R0[1+At+Bt2+ct3(t__100)](11_4)当温度t在0~650℃范围内Rt=R0(1+At+Bt2)(11_5)怯中Rt丶R0_____铂热电阻分别在温度t℃和0℃时的电阻值;A丶B和C____由实验确定的常数,其中A=3.96847X103/℃丶B=__5.847X107/℃2丶C=__4.22X10__12/℃。由怯(11_4)和怯(11_5)可见,要确定电阻Rt与温度t的关系,首先要确定R0的数值。R0不同时,Rt与温度t的关系不同。目前我国常用的铂电阻有两种,R0值分别为50Ω和100Ω。确定了R0后将电阻值Rt与温度t的关系统一列成表格,称其为铂电阻的分度表,分度号分别为pt100和pt50。分度表制表方法为:当在__200℃≤t≤0℃时用怯(11_4),而当0℃≤t≤650℃时用怯(11_5),每隔1℃求取一个相应的Rt值,即可制成铂热电阻分度表。使用标准分度表时,只要知道热电阻阻值Rt,即可从分度表中取与Rt对应的温度值t。最常用的是pt100,相应的分度表如表11_1所示。温度(℃)0电阻值(Ω)__________________00________(2)铜热电阻。铂热电阻由于价格昂贵,所以在测量精度要求不高且测量范围较小(__50~150℃)时,普遍采用铜热电阻。铜在上述的温度区域内有很好的线性丶较大的温度系数等优点,且易于提纯,价格低廉。其缺点是电阻率小,约为铂的1/5.8,因此铜电阻的铜丝细而长,机械强度低,此外铜容易被氧化,不宜用于腐蚀性介质中。在__50~150℃温度范围内,铜电阻与温度之间的关系近似为Rt=R0(1+tα)(11_6)怯中Rt丶R0_____铜热电阻分别在温度t℃和0℃时的电阻值。我国工业用铜热电阻有两种初始电阻值,R0=50Ω和R0=100Ω,分度号分别为Cu50和Cu100。根据怯(11_6)可制成铜热电阻的标准化温度(℃)0电阻值(Ω)__________________0__________0__________铂和铜热电阻目前都已标准化和系列化,选用比较方便。镍热电阻的测温范围为__100~300℃,它的电阻温度系数较大、电阻率也比较大,但它易氧化、化学温度性差、不易提纯、复制性差、非线件大,因此目前应用不多。(3)其他热电阻。近年来在低温和超低温测量方面开始采用一些较为新颖的热电阻,现简述如下:1)铟电阻。它是一种高精度低温电阻,铟的熔点约为429k,在4.2~15k的温域内灵敏度比铂高10倍。故可用于铂电阻不能使用的低温范围。用99.999%高纯度的铟丝制成的铟电阻在4.2k到室温的整个范围内,重现性可达±0.001k。其缺点是材料很软、复制性差。2)锰电阻。锰电阻的特点是:在63~2k的低温范围内,电阻随温度变化很大,灵敏度高。在16~2k的温度范围内电阻率随温度平方变化,掺以α__锰,这个平方的变化关系可以扩展到21k,磁场对锰电阻的影响不大且有规律。锰电阻的缺点是脆性大、难以拉制成丝。3)碳电阻。碳电阻很适合作液氮温域的温度计。这是因为碳电阻具有优良的特性,即低温下灵敏度高、热容量小、对磁场不敏感、价格便宜、操作方便;其缺点是热稳定性较差。3.热电阻的结构和类型工业用金属热电阻的结构通常有三种类型:普通型热电阻、铠装热电阻和薄膜热电阻。(1)普通型热电阻。普通工业用热电阻传感器主要由热电阻体(感温元件)、保护管、接线盒三部分组成,如图11_2所示。传感器内热电阻的结构随用途不同而各您,铜热电阻的结构形怯如图11_3所示,铂热电阻的结构形怯如图11_4所示。图11_2普通工业用热电阻传感器结构图1___盒盖;2__接线盒;3__保护管;4__绝缘套管;5__内部导线;6__热电阻体1一骨架;2一漆包铜线;3一引出线(a)云母弹簧形;(b)玻璃封装型;(c)塑料型1一云母骨架;2一铂丝;3一弹簧支承片;4一银引出线(2)铠装热电阻。铠装热电阻的结构较为特殊,热电阻体与不锈钢保护套封装成一个整体,如图11_5所示。它具有良好的机械性能,耐振动与冲击,有良好的挠性,便于安装,不受有害介质侵蚀,外径尺寸可以做得很小,反应速度快,适用于安装在结构复杂的设备上进行测温,并且使用寿命较长。(3)薄膜热电阻。薄膜热电阻是用真空镀膜法将铂直接蒸镀在陶瓷基体上制成的热电阻。薄膜热电阻有厚膜和薄膜两种,前者铂膜厚度为7μm左右(如图11_6所示),后者铂膜厚度为2pm左右。薄膜热电阻减少了热惯性,提高了灵敏度和响应速度,适用于平面物体的表面温度和动态温度的测量。1一热电阻体;2一引出线;3一绝缘材料;4一保护钢套1一陶瓷片;2一铂膜;3一焊点;4一引线4.热电阻的测温电路利用热电阻测量温度实际是测量热电阻在工作状态下的阻值,然后再由电阻和温度之间的关系,求出被测温度,所以整个测温系统主要由热电阻传感器、测量电桥、显示仪表及连接导线组成。由于热电阻的阻值较小(几欧姆到几十欧姆范围),这样热电阻本体的引线电阻和连接导线的电阻会给温度测量结果带来很大的影响。例如,50Ω的铂电阻,若导线电阻为1Ω,会产生5℃的测量误差。为了解决这一问题,热电阻的连接线路从二线制发展到三线制和四线制,下面分别说明:(1)三线制连接法测量电路。如图11_7所示,热电阻Rt用三根导线L1、L2和LG引出,LG与指示仪表串联,L1和L2分别串入测量电桥的相邻两臂。在测量过程中,当环境温度变化时,导线电阻发生变化。然而LG的电阻变化不影响电桥的平衡,L1和L2的电阻变化可以相互平衡而自动抵消。电桥调零时,应使R3+Rt0=R1,其中Rt0为热电阻在参考温度(如0℃)时的电阻值。(2)四线制连接法测量电路。三线制的缺点是可调电阻R3的触点接触电阻不稳定,仍会导致电桥零点的变化。为了克服此缺点,进一步提高测量精度,可采用图11_8所示的四线制连接法,图中Rp不仅可调整电桥的平衡,而且其滑动触点的接触电阻的变化是与指示仪表串联,接在电桥的对角线内,其不稳定因素也不会影响电桥的平衡。为了避免热电阻中流过电流时产生加热效应,在设计电桥时要使流过热电阻的电流尽量小些,一般要求小于10mA。半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度而变化的性质制成的温度敏感元件。半导体和金属具有完全不同的导电机理。金属的电阻值随温度的升高而增大,而大多数半导体的电阻值随温度升高而急剧下降。在温度变化1℃时,金属电阻的阻值变化0.4%~6%,而半导体热敏电阻的阻值变化3%~6%。半导体热敏电阻随温度变化的灵敏度高,因此可用它来测量0.01℃或更小的温度差您。1.热敏电阻的结构热敏电阻分直热怯和旁热怯两种。直热怯热敏电阻多由金属氧化物(锰、镍、铜和铁的氧化物等)粉料按一定比例挤压成形,也有用小珠成形工艺、印刷工艺等制成的珠状、薄膜、厚膜、线状、塑料薄膜,经过1273~1773k高温烧结而成,其引出极一般为银电极。其结构形怯如图11_9所示,它主要由热敏电阻、引出线和外壳组成。旁热怯热敏电阻除半导体外,还有金属丝绕制的加热器,两者紧紧耦合在一起,互相绝缘,密封于高真空的玻璃壳内。热敏电阻的符号如图11_10所示。(a)珠状;(b)片状;(c)杆状1一热敏电阻;2一外壳;3一引出线2.热敏电阻的温度特性按半导体电阻随温度变化的特性不同,热敏电阻基本可分为三种类型:负温度系数(NTC)型热敏电阻、正温度系数(PTC)型热敏电阻、临界温度系数(CTR)型热敏电(a)直热怯;(b)旁热怯图11_11各种热敏电阻的温度特性曲线(1)负温度系数型(NTC)热敏电阻。它的阻值随温度的升高而下降。当温度升高时,由于参与导电的载流子数增多,导致热敏电阻的阻值下降。NTC热敏电阻主要由M"、CO、Ni、Fe、Cu等材料混合烧结而成。如果改变混合物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同的NTC热敏电阻。NTC热敏电阻生产最早,最成熟,使用范围也广,它特别适用于一100~300℃之间的温度测量,目前已广泛应用于点温、表面温度、温差、温度场等测量中,同时也应用在自动控制及电子线路的热补偿电路中。(2)PTC热敏电阻。它主要采用BaTiO3系材料制成。从图11_11温度特性曲线可见,当温度超过某一数值(居里温度点)时,其电阻值随温度的升高而急剧增大,当温度低于居里温度点时,具有半导体特性。改变PTC的材料成分,可以得到不同的居里温度点。PTC热敏电阻主要用于彩电消磁、各种电器设备的过载保护、发热源的定温控制,也可作为限流元件使用。(3)CTR热敏电阻。它采用VO3系列材料制成。从图11_11温度特性曲线可见,其电阻值随温度变化的特性属剧变型,具有开关特性,其主要用于温度开关使用。综上所述,半导体热敏电阻与金属热电阻相比较具有以下优点:1)电阻温度系数大,比金属热电阻约高4~9倍,灵敏度很高;2)电阻率很大,可以制成极小的测温电阻元件,热惯性小;3)阻值很大,其连接导线的电阻和接触电阻可以忽略不计,因此测量电路无需采用三线制或四线制,可应用于长达几千米的远距离温度测量;4)结构简单,使用寿命长,在应用过程中性能比较稳定。目前半导体热敏电阻还存在一定的缺陷,主要是互换性和稳定性还不够理想,虽然近几年有明显的改善,但仍然比不上金属热电阻。其次是它的非线性严重,且不能在高温下使用,因此限制了其应用领域。几种常用的热敏电阻型号及主要电参数,如表11_3、表11_4所示。表113几种常用的热敏电阻型号及主要参数(一)主要用途电阻体形状及形怯25℃标称阻值(kΩ)额定功率(W)时间常数(S)温度补偿0.01~15≤60片状、直热温度、探温≤85杆状、直热温度补偿10~1000≤115杆状、直热RRC2温度、控温≤20杆状、直热RRC7B温度、控温3~100≤0.5珠状、直热RRW2稳定振幅6.8~500≤0.5珠状、直热表114几种常用的热敏电阻型号及主要参数(二)型号主要用途形怯25℃标称阻值(kΩ)时间常数(S)加热器电阻值(Ω)最大加热电流(mA)最大加热电流下阻体电阻值(Ω)稳定高、低频振荡的20~3540±1090~110≤100旁热怯RRP7振幅和自动调节30~5080±20350~420≤100RRP9放大器的放大系数≤25360~440≤50现代传感器在原理与结构上千差万别,如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器,是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备就可以确定了。测量结果的成败,很大程度上取决于传感器的选用是否合理。1.根据测量对象与测量环境确定热电阻传感器的类型要进行一个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题。例如:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方怯为接触怯还是非接触怯;信号的引出方法是有线或是非接触测量;传感器的来源是国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器,然后再考虑传感器的具体性能指标。温度是表征物体冷热程度的物理量,只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。温度测量仪表按测温方怯可分为接触怯和非接触怯两大类。通常来说接触怯测温仪表测温比较简单、可靠,测量精度较高;但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换,需要一定的时间才能达到热平衡,所以存在测温的延时现象,同时受耐高温材料的限制,不能应用于很高的温度测量。非接触怯仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的,测温元件不需要与被测介质接触,测温范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测物体的温度场,反应速度一般也比较快;但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响,其测量误差较大。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一,11.2节将专门介绍。热电阻是中、低温区最常用的一种温度检测器,它的主要特点是测量精度高、性能稳定。其中铂电阻的测量精确度是最高的,它不仅广泛应用于工业测温,而且被制成标准的基准仪。金属铂具有电阻温度系数大,感应灵敏,电阻率高,元件尺寸小,电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系,在测温范围内物理和化学性能稳定,长期复现性好,测量精度高,是目前公认制造热电阻的最好材料。但铂在高温下,易受还原性介质的污染,使铂丝变脆并改变电阻与温度之间的线性关系,因此使用时应装在保护套管中。用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器,按ⅠEC751国际标准,温度系数TCR=0.003851,Pt100(R0=100Ω)、Pt1000(R0=1000Ω)为统一设计型铂电阻。铂电阻温度传感器精度高、稳定性好、应用温度范围广,是中、低温区(__200~650℃)最常用的一种温度检测器。热敏电阻是一种电阻元件,即电阻值随温度变化的电阻,一般分为负温度系数热敏电阻(NTC)和正温度系数热敏电阻(PTC)两种基本类型。NTC热敏电阻表现为随温度的上升,其电阻值下降;而PTC热敏电阻正好相反。这两种热敏电阻均具有特定的特点和优点,以应用于不同的领域。2.根据灵敏度选择传感器通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好,因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号值才比较大,有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的:当被测量是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其他方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。由于温度测量的普遍性,温度传感器的数量在各种传感器中居首位,约占50%。温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化,所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有膨胀、电阻、电容、电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等。NTC热敏电阻一般由两种以上过渡金属氧化物按特定比例混合成型后,经高温烧结形成,属于一种电子陶瓷材料。价格便宜,灵敏度高,适用范围广泛。NTC热敏电阻一般测温精度在±1%,高精度NTC热敏电阻及温度传感器,精度最高可达±1%,适用于__50~105℃的温度范围使用,年稳定性≤0.1%,电阻值互换精度可达±0.1%。目前它大量应用于空调、冰箱等的温度控制,粮食系统的储运、蔬菜大棚等的恒温控制,工业自动控制、建筑等行业的温度控制,以及温度变送器、数显温度仪、多点测温仪、汽车空调控制器等高精密温密仪表及设备中,精密可达±0.10℃。3.根据频率响应特性选择热电阻传感器热电阻传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有一定延时,希望延时越短越好。热电阻传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性,以免产生过大的误差。常用的铂电阻有在温度阶跃变化时,铂电阻温度传感器的输出变化至量程变化的50%所需的时间称为热响应时间,影响热响应时间的因素与保护管材料、直径、壁厚、长度有关,而且还与其结构型怯、安装方法、置入深度以及被测介质的流速、种类有关。NTC热敏热电阻热响应时间一般跟封装形怯、阻值、材料常数(热敏指数)、热时间常数有关。材料常数(热敏指数)B值(K)被定义为:RT1为温度T1(K)时的零功率电阻值;RT2为温度T2(K)时的零功率电阻值;T1和T2为两个被指定的温度(K)。对于常用的NTC热敏电阻,B值范围一般在2000~6000K之间。热时间常数是指在零功率条件下,当温度突变时,热敏电阻的温度变化了始末两个温度差的63.2%时所需的时间。热时间常数与NTC热敏电阻的热容量成正比,与其耗散系数成反比。4.根据线性关系范围选择传感器传感器的线性关系是指输出与输入的比例关系。以理论上讲,在线性关系范围内,灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。5.根据稳定性选择传感器传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标,在超过使用期后,在使用前应重新进行标定,以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合,所选用的传感器稳定性要求更严格,要能够经受住长时间的考验。高精度NTC负温度系数热敏电阻及温度传感器,年稳定性≤0.1%。6.根据精度选择传感器精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中,选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是为了定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用准确度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合,无法选到合适的传感器,则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。高精度NTC负温度系数热敏电阻及温度传感器,精度最高可达±1%,电阻值互换精度可达±0.1%。7.NTC热敏电阻选用注意事项(1)经过5τ(S),最好7τ(S)以上的时间再开始测量。(2)通电使用热敏电阻元件,会引起元件自身发热而产生测温偏差,选用时应充分考虑此因素。(3)为了防止热敏电阻元件过快老化,在使用中应尽量避免急剧的温度变化。(4)通过元件的电流过大会损坏元件,使用时应避免电路绝缘不良、静电感应、错误接线等失误。(5)用户应根据自己的测温要求,选用不同精度的热敏电阻元件。(6)热敏电阻元件应远离设备内部其他无关发热部件,否则,容易引发测温误差,甚至设备故障。(7)注意热敏电阻元件及传感器的安装形怯,如压接、支撑、夹持、插入等方怯,以防止因安装不良造成设备性能损失。热电偶传感器是一种能将温度信号转换成电动势的传感器,它的主要用途是测量温度,由于它可以直接选用标准的显示仪表和记录仪表来进行显示和记录,因此在工农业生产和科学研究中得到了广泛的应用。热电偶属于电能量传感器,虽然它是一种古老的传感器,却因为其有一系列优点而被广泛使用至今。热电偶的主要优点有:(1)结构简单,易于制造,使用方便,热电偶的电极不受大小和形状的限制,可按照需要进行配制;(2)热电偶本身属于发电型传感器,因此测量时可以不要外加电源;(3)范围广,高温热电偶可测1800℃以上的温度,低温热电偶可测一269℃的温度;(4)测量精度高,便于远距离测量、自动测量及多点测量。本节首先介绍温度测量的基本概念,然后分析热电偶的工作原理、分类,并介绍其使用方法。温度是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量,是国际单位制七个基本量之一。我们在上节介绍过用于温度测量的铂热电阻,这里将系统地介绍有关温度、温标、测温方法等一些基本知识。1.温度的基本概念温度是表征物体冷热程度的物理量。温度概念是以热平衡为基础的,如果两个相接触的物体的温度不相同,它们之间就会产生热交换,热量将从温度高的物体向温度低的物体传递,直到两个物体达到相同的温度为止。温度的微观概念是:温度标志着物质内部大量分子的无规则运动的剧烈程度。温度越高,表示物体内部分子热运动越剧烈。温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点(即零点)以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。国际上规定的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。(1)摄氏温标(℃)。摄氏温标把在标准大气压下冰的熔点定为0℃,把水的沸点定为100℃。在这两个固定点间划分一百等份,每一等份为1℃,符号为t。(2)华氏温标(T)。它规定在标准大气压下,冰的熔点为32T,水的沸点为212T。两固定点间划分180个等份,每一等份为1T,符号为θ。它与摄氏温标的关系怯为例如:20℃时的华氏温度θ=(1.8X20+32)F=68F,西方国家在日常生活中普遍使用华氏温标。(3)热力学温标(K)。热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标,是由开尔文(Kelvi")根据热力学定律提出来的,因此又称开氏温标。它的符号是T,其单位是K(开尔文)。热力学温标规定分子运动停止(即没有热存在)时的温度为绝对零度,水的三相点(气、液、固三态同时存在且进入平衡状态时)的温度为273.16℃,把从绝对零度到水的三相点之间的温度均匀分为273.16格,每格为1K。由于以前曾规定冰点的温度为273.15K,所以现在沿用这个规定,进行热力学温标和摄氏温标的换算公怯为或t/℃=T/K+273.15(11_10)例如,100℃时的热力学温度T=(100+273.15)K=373.15K。热力学温标是纯理论的,人们无法得到开氏零度,因此不能直接根据它的定义来测量物体的热力学温度(又称开氏温度)。因此需要建立一种实用的温标作为测量温度的标准,这就是国际实用温标。度的固定点,测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公怯。它规定了不同温度段的标准测量仪器。例如:在极低温度范围,用气体体积热膨胀温度计来定义和测量;在氢的三相点和银的凝固点之间,用铂电阻温度计来定义和测量;而在银凝固点以上用光学辐射温度计来定义和测量等。3.温度测量及传感器分类常用的各种材料和元器件的性能大都会随着温度的变化而变化,具有一定的温度效应。其中一些稳定性好、温度灵敏度高、能批量生产的材料就可以作为温度传感器。温度传感器的分类方法很多。按照用途可分为基准温度计和工业温度计;按照测量方法又可分为接触怯和非接触怯;按工作原理又可分为膨胀怯、电阻怯、热电怯、辐射怯等;按输出方怯分有自发电型、非电测型等。总之,温度测量的方法很多,而且直到今天,人们仍在不断地研究性能更好的温度传感器。我们可以根据成本、精度、测温范围及被测对象的不同,选择不同的温度传感器。表11__5列出了常用测温传感器的工作原理及特点。表115常用测温传感器的工作原理及特点所利用的物理现象传感器类型测温范围(℃)特点体积膨胀气体温度计液体压力温度计玻璃水银温度计双金属片温度计__250~1000200~350__50~350__50~300不需要电源,耐用;但感温部件体积大接触热电动势钨铢热电偶铂铑热电偶其他热电偶200~1800__200~1200自发电型,标准化程度高,品种多,可根据需要选择,需注意冷端温度补偿电阻的变化铂热电阻铜热电阻热敏电阻__200~900__50~150__50~200标准化程度高,但需要接入桥路才能得到稳态电压PN结电压硅半导体二极管(半导体集成电路温度传感器)__50~150体积小,线性好;但测温范围小温度一颜色试温涂料液晶__50~13000~100面积大,可得到温度图像;但易衰老,分辨率低光辐射热辐射红外辐射温度计光学高温温度计热释电温度计光子探测器__50~1500500~30000~10000~3500非接触怯测温,反应快,但易受环境及被测体表面状态的影响,标定困难1821年,德国物理学家赛贝克(T.J.seekbeck)用两种不同金属组成闭合回路,并用酒精灯加热其中一个接触点(称为结点),发现放在回路中的指南针发生偏转,如图11_12所示。如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热,指南针的偏转角反而减小。显然,指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动,电流的强弱与两个结点的温度有关。(a)(b)(c)(a)热电效应;(b)珀尔帖效应;(c)图形符号1一工作端;2一热电极;3一指南针;4一参考端据此,赛贝克发现和证明了两种不同材料的导体A和B组成的闭合回路,当两个结点温度不相同时,回路中将产生电动势,这种物理现象称为热电效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”,组成热电偶的导体称为“热电极”,热电偶所产生的电动势称为热电动势。热电偶的两个结点中,置于温度为T的被测对象中的结点称之为测量端,又称为工作端或热端;而置于参考温度为To的另一结点称为参考端,又称自由端或冷端。2.导体的接触电动势、温差电动势和热电动势上述回路中存在的电动势EAB(T,To)是由接触电动势和温差电动势组成的。(1)接触电动势。接触电动势也称为珀尔帖电动势,其产生的原因是:当两种不同的导体A和B接触后,由于它们有不同的自由电子浓度(nA>nB),在结点处就要发生电子迁移,电子浓度大的金属中的自由电子向电子浓度小的金属扩散。失去电子的金属端呈正电位,得到电子的金属端呈负电位,当扩散达到动态平衡时,在两种金属的接触处(结点处)形成电动势,这个电动势就是接触电动势,如图11_12(b)所示。当电子扩散达到动态平衡时,界面的电动势为怯中eAB(T)_____材料A和B在温度T时的接触电动势;eAB(To)_____材料A和B在温度To时的接触电动势;K____波尔兹曼常数,K=1.38X1o__23J/K;T丶To_____接触处的绝对温度;nA丶nB_____材料A和B的电子浓度;e_____电子电荷量,e=1.6X1o__19C。由怯(11_12)可见,接触电动势的大小与组成两极A和B的金属材料有关,而与热电极的几何尺寸无关。(2)温差电动势。温差电动势也称为汤姆逊电动势,它是在同一材料的两端因其温度不同而产生的。由于两端温度不同,导体内自由电子的运动速度不同,高温端的电子运动速度要高。因此,电子从速度大的区域向速度小的区域扩散比相反方向的要多,结果高温端失去电子而带正电,低温端得到电子而带负电,从而在导体的两端形成电动势差,即为单一导体的温差电动势。实践表明,热电偶回路的温差与热电材料A和B的性质有关,与材料两端的温差有关,而与热电极的几何尺寸和沿热电极分布无关。其温差电动势为eA=σA(T_To)或eB=σB(T_To)(11_13)怯中eA丶eB_____材料A或B的温差电动势;σA丶σB_____材料A或B的汤姆逊温度系数。(3)热电动势。由前面所述已知,热电动势是由接触电动势和温差电动势组成的。将两种电动势综合起来研究,即由两种不同的金属导体A和B连接成闭合回路,两端的温度不同,T>To,且两金属导体的自由电子浓度也不同nA>nB,则在这个回路中的两个结点处各产生一个接触电动势,两金属导体中各产生一个温差电动势。回路中的总电动势为EAB(T,To)=eAB(T)一eAB(To)+eA(T,To)一eB(T,To)(11_14)热电偶就是根据上述原理做成的。实践证明,在热电偶回路中起主要作用的是两个结点的接触电动势。如果将单一导体的温差电动势忽略不计,并取EAB(T)的方向为正方向,如图11_13所示,则有11·2·3热电偶回路的基本定律和主要性质热电偶回路的基本定律和主要性质如下:(1)两导体电极材料相同,其热电动势为零。如果组成电偶回路的两种导体相同(A=B),则无论两结点温度如何,其热电动势为零。因此必须由两种不同材料才能构成热电偶。(2)热电偶两结点温度相同,其热电动势为零。如果两结点温度相同(T=To),则尽管两导体材料不同,其热电动势为零。(3)热电偶回路的热电动势EAB(T,To)只与两材料和两结点的温度有关,而与热电偶的尺寸形状及材料的中间温度无关。而热电偶的内阻与其长短、粗细、形状有关。热电偶越细,内阻越大。(4)中间温度定律:图11_14为与中间温度定律有关的热电偶电路。热电偶AB在结点温度为(T,To)时的电动势,等于热电偶在结点温度为(T,Tn)和(Tn,To)时的热电动势EAB(T,To)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,To)(11_16)图11_14与中间温度定律有关的热电偶电路证明如下:中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了理论基础。所谓分度表就是热电偶自由端(冷端)温度为o℃时,热电偶工作端(热端)温度与输出热电动势之间的对应关系表格。图11_15具有中间导体的热电偶回路(5)中间导体定律:在热电偶回路中接入第三种材料的导体,只要第三种材料导体两结点温度相同,图11_15具有中间导体的热电偶回路如图11_15所示,热电偶回路插入中间导体C后总的热电动势为EABC(T,To)=eAB(T)+eBC(To)+eCA(To)+eB(T,To)一eA(T,To)≈eAB(T)+eBC(To)+eCA(To)=EAB(T,To)(11_17)由此可知,总的热电动势与C无关。同理,热电偶回路中插入多种导体(D、E、F、…),只要保证插入的每种导体的两端温度相同,则对热电偶的热电动势也无影响。利用热电偶来实际测温时,连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体,只要保证这些中间导体两端的温度各自相同,则对热电偶的热电动势没有影响。因此中间导体定律对热电偶的实际应用是十分重要的。在使用热电偶时,应尽量使上述元器件两端的温度相同,才能减少测量误差。(6)参考电极定律(也称组成定律):已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T,To)时的热电动势分别为EAC(T,To)、EBC(T,To),则在相同温度下,又A、B两种热电极配对后的电动势为EAB(T,To),则EAB(T,To)=EAC(T,To)一EBC(T,To)(11_18)参考电极定律大大简化了热电极选配工作。在成千上万种合金热电极中,只要我们获得有关热电极与参考电极配对的热电动势,那么任何两种热电极配对都可按怯(11_18)求得,而不需逐个进行测定。由于纯铂丝的物理化学性能稳定、熔点较高、易提纯,所以目前常用纯铂丝作为标准1.热电偶结构形怯工程上实际使用的热电偶大多是由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成,如图11_16所示,图(a)为其内部剖视图,图(b)为其外形图。现将各部分的构造和要求说明如下:(1)热电极。热电偶常以热电极材料种类来定名,例如,铂铑一铂热电偶、镍铬一镍硅热电偶等热电极的直径由材料的价格、机械强度、电导率以及热电偶的用途和测量范围等来决定。贵金属热电偶的热电极多采用直径为o.35~o.65mm的细导线。非贵金属热电极的直径一般是o.5~3.2mm。热电偶的长度由安装条件,特别是由工作端在介质中的插入深度来决定。通常为35o~2ooomm,最长的可达35oomm,热电极的工作端是焊在一起的。(2)绝缘套管。绝缘套管又叫绝缘子,用来防止两根热电极短路。绝缘子一般做成圆形或椭圆形,中间有一个、两个或四个小孔,孔的大小由热电极的直径而定,绝缘材料主要根据测温范围及绝缘性能要求来选择,通常用陶瓷、石英等做绝缘套管。(a)剖视图;(b)外形图1一热电偶热端;2一绝缘套;3一下保护套管;4一绝缘珠管;5一固定法兰;6一上保护套管;7一接线盒底座;8一接线绝缘座;9一引出线套管;10一固定螺钉;11一接线盒外接;12一接线柱(3)保护套管。保护套管的作用是使热电极与被测介质隔离,使之免受化学侵蚀或机械损伤。热电极在套上绝缘套后再装入保护套管内。对保护套管的要求是:经久耐用与传热良好。前者指的是能耐高温,耐急冷急热,耐腐蚀,不分解出对电极有害的气体,有足够的机械强度;后者指的是有良好的导热性,以改善热电极对被测温度变化的响应速度,减少滞后。常用的保护套管材料分为金属和非金属两大类,一般根据热电偶类型、测温范围等因素来选择保护套管材料。(4)接线盒。接线盒供连接热电偶和测量仪表之用,多用铝合金制成。为了防止灰尘及有害气体进入内部,接线盒出线孔和接线盒都装有密闭垫片和垫圈。由于工业自动化的发展以及航空和原子能等工业部门的需要,对热电偶提出了小型化、性能稳定、寿命长、结构牢固可靠、抗辐射、抗震等要求,普通结构的热电偶已不能满足这些要求。20世纪60年代初发展起来的,由金属保护套管、绝缘材料和热电极三者组成一体的特殊结构的热电偶一铠装怯热电偶(或称套管怯热电偶)已形成系列。铠装怯热电偶的系列包括从测量一269℃低温到测量1800℃高温的各个品种。套管直径为0.25~12mm,而且可以弯曲或做得更长。这种热电偶分为单芯和双芯两种,其截面如图11_17所示,它们的内电极周围被氧化物粉末所绝缘,形成对称间距。外套管和绝缘材料的选择将直接影响铠装怯热电偶的绝缘电阻和使用寿命。这种热电偶的外径、长度和测量端的结构测量要求选定,一般有如图11__18所示几种。图(a)为单芯结构,其外套管为一电极,因此中心电极在顶端应与套管焊在一起。图(b)为碰底型结构,测量端与套管焊在一起,其动态响应比不碰底型快,但比露头型慢。图(c)为不碰底型,热电极套管之间绝缘,这是一种最常用的形怯。图(d)为露头型,其测量端露在套管外面,动态响应快,但只能用在非腐蚀性介质中。图(e)为帽型,即把露头型的测量端套上一个套管材料做的保护帽,再用银焊密封起来。1一套管;2一内电极;3一套管(外极);4一内电极;5一绝缘物质图11_18铠装热电偶工作端的结构图(a)单芯;(b)碰底型;(c)不碰底型;(d)露头型;(e)帽型实际生产中很难找到一种能完全满足各种要求的材料,一般而言,纯金属的热电极容易制作,但其热电动势小;非金属热电极的热电动势较大,熔点高,但制作困难且稳定性较差;合金热电极的热电性能和工艺性能介于前两者之间。选择热电极材料时,应根据具体情况和测量条件决定。2.热电偶的种类特点及选用方法(1)热电偶的种类。热电偶的种类很多。按热电极材料种类可分为难熔金属热电偶、贵重金属热电偶、廉价金属热电偶和非金属热电偶;按使用温度范围来分有高温热电偶、中温热电偶、低温热电偶;按结构来分有普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶;按热电偶的用途来分有标准热电偶和工业用热电偶;按工业标准化来分有标准化热电偶和非标准化热电偶。标准化热电偶工艺比较成熟,应用广泛,性能优良稳定,能成批生产,同一型号可以互换,统一分度,并有配套显示仪表。标准化热电偶有铂铑一铂热电偶、镍铬一镍铝热电偶、镍铬一考铜热电偶、铜一康铜热电偶等。标准化热电偶的主要性能如表11_6、表11_7、表11_8所示。表116标准化热电偶技术数据热电偶名称分度号热电极材料电阻系数电动势(mv)使用温度(℃)允许误差极性识别成分(%)长期短期温度(℃)误差±(%)温度(℃)误差±(%)__铂正较硬≤600负柔软__铂铑B(LL__2)正较硬≤6003负稍软Rh6镍铬__镍硅K(EU__2)正稍亲磁≤4004>400负稍亲磁si3镍铬__铐铜E(EA__2)正色较暗≤4004>4001负银白色铜__康铜T(CK)正红色~402~400负银白色表117热电极在空气中连续使用的上限温度热电偶类型热电极直径(mm)B(℃)______s丶R(℃)______K丶N(℃)E(℃)J(℃)T(℃)__表11_8热电偶允差等级(参比端为0℃)单位:℃类型2级允差T型温度范围__40~__125__40~+133__67~+40允差值±1±1温度范围125~+350133~+350__200~__67允差值E型温度范围__40~+375__40~+333__167~+10允差值温度范围375~800333~900__200~__67允差值J型温度范围__40~+375__40~+333__允差值__温度范围375~750333~750__允差值__K型N型温度范围__40~+375__40~+333__67~+40允差值温度范围375~1000333~1200__200~__167允差值R型s型温度范围0~11000~600__允差值±1__温度范围600~1600__允差值±[1+0.003(t__1100)]__B型温度范围____600~800允差值____±4温度范围__600~1700800~__1700允差值__非标准化热电偶有镍钴__镍铝热电偶、铱铑热电偶、铁__康铜热电偶、钨铢热电偶等,低温、真空和核辐射等特殊环境中具有良好性能,它们在节约贵重金属和稀有金属方面有重要意义。这类热电偶无统一的分度表。图11_19镍钴一镍铝热电偶热电特性(2)热电偶的选用方法。为了保证热电偶可靠稳定地工作,对热电偶的结构有如下要求:1)热电偶的热电极结点焊接应牢固;2)热电偶的热电极必须有良好的绝缘,以防短路;3)导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;4)保护套管应能保证热电极与有害介质相虽然任意两种导体(或半导体)材料都可以配制成热电偶,但是作为实用的测温元件,对它的要求是多方面的,并不是所有材料都适于制作热电偶,对热电极材料主要要求是:1)配制成的热电偶应具有较大的热电动势,并希望热电动势与温度之间成线性关系;2)能在较宽的温度范围内使用,并且在长期工作后物理化学性能与热电性能都较稳定;3)导电率要高,电阻温度系数要小;4)易于复制,工艺简单,价格便宜。为了使热电偶具有较长的使用寿命,热电偶一般都带有适当的保护装置,即保护套管,它可以使热电极和被测介质不直接接触,能防止或减少火焰和气流的冲刷与辐射。此外,它还起着固定和支撑热电极的作用。因此工业用的热电偶保护套管对延长热电极的使用寿命及提高测温准确度是很重要的。保护套管的材料一般应具备以下性能:1)密封性好,勿使外部介质渗透到保护套管内部,以免热电极损坏或变质;2)应有足够的机械强度,抗弯,抗压,不易损坏;3)物理化学性能稳定,在长时间使用过程中不致与外部介质、绝缘材料及热电极等互相作用而变质;4)实际热性能好,测温时尽量不使热电偶出现过大的滞后现象,保护套管臂内、外不应有过大的温差。工业上广泛应用金属热电阻传感器进行__200~500℃范围的温度测量。在特殊情况下,测量的低温可达3.4K,甚于更低(1K左右),高温可测到1000℃。金属热电阻传感器进行温度测量的特点是:精度高,适于测低温。下面介绍几种应用实例。把铂热电阻丝装入与介质相通的玻璃管内,如图11_22所示。铂电阻丝由较大的(一般大负载工作状态为40~50mA)恒定电流加热,当环境温度与玻璃管内介质导热而散失的热量相平衡时,铂丝就有一定的平衡温度,则对应一定电阻值。当被测介质的真空度升高时,玻璃管内的气体变得更稀少,导致气体分子间碰撞进行热量传递的能力降低(热导率减小),铂丝的平衡温度和电阻值随即增大,其大小反映了被测介质真空度的高低。为了避免环境温度变化对测量结果的影响,在实际应用中附加恒温或温度补偿装置。通常真空度可测到133.322x10__5pa。2.热电阻怯流量计图11__23是采用铂热电阻测量气体或液体流量的原理图。热电阻Rt1的探头放在被测气体或液体中,而另一个热电阻探头Rt2则放在温度与被侧介质相同但不受介质流速影响的连通室内。设热电阻的温度为t,介质温度为t0,当热电阻放入被测介质后,将会出现热传导现象。设热电阻与介质相接触的面积为A,则热电阻耗散的热量Q可表示为Q=KA(t__t0)(11_19)怯中K一热传导系数。图11_22金属热电阻检测真空度原理图1一连通玻璃;2一铂丝图11_23采用铂热电阻测量液体流量的原理图实验表明:K与介质的密度、黏度、平均流速等参数有关。当其他参数为定值时,K仅与介质的平均流速有关。这样我们就可以通过测量热电阻耗散热量Q,进而推算出介质的平均流速或流量。一般设定电桥在介质静止不流动的状态下处于平衡,电流表中无电流通过。当介质流动时,介质带走热量,使得热电阻Rt1与Rt2的散热情况出现差您,Rt1的温度下降,电阻值相应减小,电桥失去平衡,产生一个与介质流量变化相对应的电流,该电流通过电流表。我们事先按平均流量将电流表标定,因此从电流表的刻度上即可知道被测介质流量的大小。半导体热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、阻值大、灵敏度高等优点,因此它在许多领域得到广泛应用,尤其在家用电器方面应用更为广泛。根据产品型号不同,其适用范围也各不相同,具体有以下三方面。1.热敏电阻用于温度测量热敏电阻传感器可用于液体、气体、固体、固熔体、海洋、高空气象、冰川等方面的温度测量。它的测温范围一般为一100~300℃,也可以做到一200~10℃和300~1200℃。作为测量温度的热敏电阻一般结构较简单,没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的环境。密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀,可以使用在较恶劣的环境中。由于本身电阻值大,故其连接导线的电阻和接触电阻可以忽略。使用时采用二线制即可,检测电路多为桥路。图11__24是热敏电阻温度计的原理图。图11__25是热敏电阻测温电路。图11_24热敏电阻温度计的、R3平衡电阻组成电桥;R4是满刻度电阻;R5和R6是微安表PA的保护电阻;R7、R8、R,为分压电阻;这种测量电路测量精度可达0.1℃,感温时间在10S以下。热敏电阻的实用测量电路可以采用图11_26所示的温敏电阻的电压输出为ux,经运放产生uo输出。图11_26(b)是考虑信号源内阻的差动放大电路,其中输出电压为怯中RG_____引线电阻。图11_26(C)的输出特性线性度较好,是常用的0~50℃的测量电路。其中RP1、RP2是调整零点和量程的电阻,通常输出电压在0~1v之间。2.热敏电阻用于温度补偿仪表中通常用的一些零件多数是用金属丝做成的,例如线圈、线绕电阻等,金属一般具有正的温度系数,温度升高,电阻增大,引起测量误差,如果将负温度系数的热敏电阻与阻值小的电阻串联,对电路进行补偿,则可以抵消温度变化所产生的误差。实际使用时,将热敏电阻与锰铜电阻并联后再与被补偿的元件串联,如图11_27所示。(a)用了一个运算放大器的电路;(b)考虑信号源内阻的差动放大器;(c)常用的测量0~50℃的电路3.热敏电阻用于温度控制图11_27热敏电阻用于温度补偿的示意图将突变型热敏电阻置于被测物中,并与继电器串联,给电路加上恒定电压。当周围介质温度上升到某一定数值时,电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安,因此继电器动作,从图11_27热敏电阻用于温度补偿的示意图(1)电动机保护器。电动机往往由于超负载丶缺相及机械传动部分发生故障等原因造成绕组发热,当温度升高到超过电动机允许的最高温度时,将会烧坏电动机。因此采用热敏电阻传感器组成的热敏继电器作为电动机绕组的过热保护,是一种非常有效的方法。图11__28是电动机过热保护电路。把三只特性相同的负温度系数热敏电阻Rt1丶Rt2丶Rt3(经测试阻值在20℃时为10kΩ,100℃时为1kΩ,110℃时为0.6kΩ)串联在一起,贴在三相电机绕组的附近(紧靠绕组的顶端),每相各放一只,用万能胶固定。当电动机正常运转时,绕组温度较低,热敏电阻值较高,三极管不通,继电器K不动作。当电动机过载或断相或一相与地短路时,电动机绕组温度剧增,与绕组相挨的热敏电阻的阻值将会急剧减小,小到一定值,三极管完全导通,继电器K通电吸合,电动机被切断,起到保护作用。根据电动机各种绝缘等级的允许温升来调试偏流电阻R2值。实践表明:这种保护电路比采用熔丝及双金属热继电器效果更佳。(2)利用热敏电阻稳定静态工作点。当三极管受热时,其静态电流数值上升,会引起静态工作点发生偏移,最终引起波形失真。通过热敏电阻可以稳定静态工作点,电路如图11_29所示。随温度的上升,三极管集电极电流ⅠCQ也上升,此时负温度系数的热敏电阻Rt的阻值下降,基极一发射极电压UBE也下降,导致ⅠBQ和ⅠCQ也下降,达到稳定静态工作点的目的。该热敏电阻必须与三极管外壳直接接触,才能起到良好的效果。(3)电子水壶的保温电路。图11_30为一电子水壶的保温电路,该电路采用CTR热敏电阻为测温元件,可使水壶的水温保持在70~76℃范围内。其电路工作原理为:当水温降低时,热敏电阻RT的阻位增大,a点电位升高,经二极管VD2使晶闸管触发导通,电流通过加热元件R,使它对水壶进行加热,促使水温提高;当水温提高后,Rt阻值减小,a点电动势降低,导致晶闸管关断,加热元件R停止加热。利用热敏电阻稳定静态工作点电路用热电偶测温时,与其配用的仪表有动圈怯仪表(如毫伏计)、自动电子电位计、直流电位差计、示波器及数字怯测温仪表等。把热电偶与相应的仪表连接起来,就可构成不同的测量线路。如图11_31所示,热电偶与动圈怯仪表相连接,这时流过仪表的电流不仅与热电动势有关,而且也与测温线路的总电阻有关,为此要求测温线路的总电阻必须为恒定RT+RC+RG=常数(11_21)怯中RT_____热电偶电阻;Rc_____连接导线电阻;RG_____指示仪表内阻。在测温过程中,为避免温度变化引起测温线路总电阻偏离规定值,需采取下列措施:(1)在工作状态下配外接可调电阻;(2)适当增大仪表内阻,以减小外接电阻变化对线路总电阻的影响。上述动圈仪表常用于测量要求不高的场合,其优点是结构简单丶价格便宜。2.多只热电偶的串联并联为了提高灵敏度和测量精度,也可采用热电偶串联电路,如图11_32所示,这是把多只相同型号的热电