《传感器与智能检测技术》课件-5.热电式传感器

机械工业出版社CHINAMACHINEPRESS热电式传感器第5章传感器与智能检测技术秦洪浪

郭俊杰主编

ISBN978-7-111-65262-5热电式传感器5传感器与智能检测技术热电偶传感器5.1热电阻传感器5.2热敏电阻传感器5.3热电式传感器5

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。如冶金、机械、热处理、食品、化工以及玻璃、陶瓷和耐火材料等各类工业生产过程中广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。图5-1为热电式传感器工作原理示意图。传感器与智能检测技术热电式传感器5热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点1和2的温度不同时，如T＞T0，在回路中就会产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，此种现象称为热电效应。该电动势就是著名的“塞贝克温差电动势”，简称“热电动势”，记为EAB，导体A，B称为热电极。接点1通常是焊接在一起的，测量时将它置于测温场所感受被测温度，故称为测量端（或工作端，热端）。接点2要求温度恒定，称为参考端（或冷端）。由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶传感器。传感器与智能检测技术5.1热电偶传感器5.1.1热电偶的测温原理热电式传感器51.铂銠-铂热电偶铂銠-铂热电偶属于贵金属热电偶。其中，正极较硬，是90％铂、10％銠的铂銠合金（简写铂銠10）。负极柔软，是纯金属铂。该热电偶可测量较高的温度，短时间可测量1600℃，长时间可工作在1300℃以下。一般用于较精密的测温或作标准热电偶。由于它的热电势较小，本身电阻较大，测量时需配用灵敏度和准确度较高的仪表。2.镍铬-镍硅热电偶镍铬-镍硅是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种。其热电极通常做得较粗。它的正极不亲磁，是90％镍、9％～10％铬、0.4％硅的合金。负极稍亲磁，是90％镍、2.5％～3％硅、0.6％钴的合金。因为热电极中含有大量镍，故高温下抗氧化能力和抗腐蚀能力都很强。镍铬-镍硅热电偶短时间可用到1200℃，长时间可工作在1000℃以下。它有接近线性的分度曲线。相同温度下，它的热电势值比铂銠-铂热电偶的大4～5倍3.铂銠-铂銠热电偶铂銠-铂銠热电偶属于高温热电偶。其中：正极较硬，是70％铂、30％銠的合金（简写铂銠30）；负极稍软，是94％铂、6％銠的合金（简写铂銠6）。该热电偶在长期使用时，温度可达1600℃。4.铜-康铜热电偶铜-康铜热电偶属于低温热电偶，是低温热电偶中唯一定型的通用热电偶。其中：正极为红色，是纯铜；负极是银白色，是60％铜、40％镍的康铜合金，主要用于-200℃～300℃区间的温度测量。传感器与智能检测技术5.1热电偶传感器5.1.1热电偶的测温原理热电式传感器51.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。如果热电偶的两根热电极由两种均质导体组成，那么，热电偶的热电动势仅与两接点的温度有关，与热电偶的温度分布无关；如果热电极为非均质电极，并处于具有温度梯度的温场时，将产生附加电势，如果仅从热电偶的热电动势大小来判断温度的高低就会引起误差。2.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。根据这一定则，可以将热电偶的一个接点断开接入第三种导体，也可以将热电偶的一种导体断开接入第三种导体，只要每一种导体的两端温度相同，均不影响回路的总热电动势。在实际测温电路中，必须有连接导线和显示仪器，若把连接导线和显示仪器看成第三种导体，只要他们的两端温度相同，则不影响总热电动势。3.参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C(或称标准电极)组成热电偶，只要知道两种导体分别与参考电极组成热电偶时的热电动势，就可以依据参考电极定则计算出两导体组成热电偶时的热电动势，从而简化了热电偶的选配工作。由于铂的物理化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以人们多采用高纯铂作为参考电极。传感器与智能检测技术5.1热电偶传感器5.1.2热电偶定律热电式传感器51．补偿导线法工程中可采用一种补偿导线对冷端温度进行补偿，如图5-3所示。在0～100℃温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的熱电特性。可将热电偶电极做得很长，将冷端移到恒温或变化平缓的环境中。采用该方法时，一方面是安装使用不便，另一方面是需要耗费许多贵重的金属材。传感器与智能检测技术5.1热电偶传感器5.1.3热电偶的冷端温度补偿方法热电式传感器52．冷端0℃恒温法在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0℃恒温器或装满冰水混合物的容器中，以使冷端温度保持0℃。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。3．电桥补偿法电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度不在0℃时引起的热电势变化值，如图5-4所示，在热电偶与测温仪表之间串接一个直流不平衡电桥，电桥中的R1、R2、R3用电阻温度系数很小的锰铜丝制作，另一桥臂的RT用温度系数较大的铜线绕制。传感器与智能检测技术5.1热电偶传感器5.1.3热电偶的冷端温度补偿方法热电式传感器5

热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度的变化来测量温度的元件，它由热电阻体（感温元件），连接导线和显示或纪录仪表构成。热电阻传感器广泛用来测量-200～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可至1K，高温可达1000

℃。在常用的电阻温度计中，标准铂电阻温度计的准确度最高。同热电偶相比，具有准确度高，输出信号大，灵敏度高，测温范围广，稳定型好,

输出线性好等特性。温度升高，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增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。热电阻按感温元件的材质分金属与半导体两类。金属导体有铂、铜、镍、铑铁及铂钴合金等，在工业生产中大量使用的有铂、铜两种热电阻;

半导体有锗、碳和热敏电阻等。按准确度等级分为标准电阻温度计和工业热电阻。按结构分为绕线型、薄膜型和厚膜型等。(1)铂热电阻铂的物理化学性能极为稳定，并有良好的工艺性。以铂作为感温元件具有示值稳定，测量准确度高等优点，其使用范围是-200～850℃。除作为温度标准外，还广泛用于高精度的工业测量。(2)铜热电阻铜热电阻的使用范围是-50～150℃，具有电阻温度系数大，价格便宜，互换性好等优点，但它固有电阻太小，另外铜在250℃以上易氧化。铜热电阻在工业中的应有逐渐减少。

传感器与智能检测技术5.2热电阻传感器热电式传感器5

热敏电阻是一种电阻值随其温度成指数变化的半导体热敏元件。广泛应用于家电、汽车、测量仪器等领域。优点如下：(1)电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10～100倍；(2)结构简单，体积小，可以测量“点”温度；(3)电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；(4)功耗小，不需要参考端补偿，适于远距离的测量与控制。缺点是阻值与温度的关系呈非线性，元件的稳定性和互换性较差。除高温热敏电阻外，