传感器与检测技术最新版本

1、任务6.1热电偶温度测量、任务6.2热电阻温度测量和项目6温度测量。【知识目标】学习热电偶和热电阻的工作原理，熟悉常用热电极材料的类型和性能特点。能力目标学习识别通用温度检测元件和温度测量仪器，能够使用热电偶和热电阻，使用手册查阅温度测量元件的技术参数，解决简单的温度检测问题。在轧钢过程中，钢坯的轧制温度是关键的工艺参数，钢坯温度的控制直接影响产品质量。加热炉的炉温在950 1200之间，应根据轧机轧制节奏的变化随时调整，因此加热炉的温度能否得到有效控制将直接影响钢坯的质量和成本，而温度的准确测量是控制的前提。本任务是选择一个温度传感器来测量温度，以控制轧钢过程中的钢坯温度。热电偶是工程中常用

2、的一种温度检测传感器。它是一种自生式传感器，无需外部电源，即可直接将测得的温度转换为电位输出。热电偶在温度测量中的应用具有结构简单、使用方便、测量精度高、测量范围广的优点。常用热电偶的测量范围为-50 1600。如果使用特殊材料，测量范围会更宽。一些特殊的热电偶最低可达-270(如金、铁、镍和铬)，最高可达2800(如钨和铼)。热电偶1的工作原理。热电效应当两个不同的导体或半导体形成一个回路时，当两端相互连接时，只要两个节点的温度不同，回路中就会产生电动势，形成电流，这就是所谓的“热电效应”。如图所示，由两种导体组成的闭合回路称为热电偶，回路中的电势称为热电势；两个导体a和b被称为热电极。当测

3、量温度时，将两个热电极的接头1放置在被测温度场(t)中，这被称为测量端，也称为工作端或热端；另一个触点2被置于某个恒定温度(T0)，这被称为参考端或自由端和冷端。热电偶测温示意图，6.1.1热电偶的工作原理，2。热电势的组成热电偶电路中产生的热电势由接触电势和温差电势组成。这里，以导体为例来说明热电势的产生。(1)接触电势由于不同的金属材料具有不同的自由电子密度，当两个不同的金属导体接触时，电子将在接触表面扩散。电子的扩散速率与两个导体的电子密度有关，并与接触区域的温度成正比。让导体A和B的自由电子密度为钠和铌，就有钠和铌。作为电子扩散的结果，导体A失去电子并带正电，而导体B由于获得电子而带负

4、电，在接触表面形成电场。这个电场阻止电子继续扩散。当达到动态平衡时，在接触区域形成稳定的电势差，即接触电动势，如图所示。热电偶的工作原理2。热电势的组成。在同一个导体中，如果两端的温度不同，就会在两端之间产生电动势，即产生单个导体的热电电动势，这是由于导体中的自由电子在高温端具有很大的动能，从而扩散到低温端。高温端由于电子的损失而带正电，低温端由于电子的获得而带负电，在高温端和低温端之间形成电势差。热电电动势的大小与导体的性质和两端的温差有关。工作热电偶的材料和结构1。热电偶的材料根据金属的热电效应原理，任何两种不同材料的导体都可以作为热电极形成热电偶，但在实际应用中，用作热电极的材料应满足以

5、下条件：(1)热电势应足够大；(2)热电性能稳定，热电势与温度呈单值关系或简单的函数关系；(3)电阻的温度系数和电阻率应小；(4)易于复制，工艺性和互换性好，易于制作统一的分度表，材料应具有一定的韧性和良好的可焊性，便于生产。常用的热电偶材料包括铂铑、镍铬、镍硅、康铜、镍铜、纯铂丝等。6.1.2热电偶的材料和结构，(1)普通热电偶。这种热电偶的形状如图所示，主要用于测量气体、蒸汽和液体的温度。热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒组成。它的热电极是两根一端焊接在一起的金属线，两根热电极由绝缘管绝缘。6.1.2热电偶材料和结构(2)铠装热电偶(电缆型)。它由热电极、绝缘材料和金属保护套组合

6、，拉伸而成。根据测量端的不同形式，可分为触底型、非触底型、露头型和帽型。铠装热电偶具有弯曲、耐压、热响应时间快、坚固耐用等优点。适用于测量位置狭窄、结构复杂的物体，其物理外观如图所示。铠装热电偶、6.1.2热电偶材料和结构，(3)薄膜热电偶采用真空蒸发(或真空溅射)、化学镀膜等工艺将热电极材料沉积在绝缘衬底上，形成金属薄膜。热电偶测量端小而薄(厚度可达0.01 0.1 m)，热惯性小，响应快，可用于小面积瞬态表面温度和温度的测量。薄膜热电偶分为片状、针状等。(4)表面热电偶。表面热电偶用于测量各种状态下的固体表面温度，例如测量轧辊、金属块、炉壁、橡胶气缸和涡轮叶片的表面温度。(5)浸入式热电偶

7、。浸入式热电偶主要用于测量液态金属的温度。它可以直接插入液态金属中，通常用于测量钢水、铁水、铜水、铝水和熔融合金的温度。热电偶的温度补偿。根据热电效应原理，热电偶产生的热电势与两端温度有关。只有当冷端的温度恒定时，热电势才是热端温度的单值函数。由于热电偶分度表是在冷端温度为0时制作的，为了正确反映使用中的热端温度，最好将冷端温度恒定在0。然而，在实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，由于环境温度的影响，其温度并不恒定。因此，必须采取相应的措施进行补偿或纠正。常用的方法如下：1。0。热电偶的参考端放在0的恒温容器中，以保证参考端的温度在0恒定。该方法仅适用于实验室或精确的温度测量。热电偶2的

8、温度补偿。基准端子的恒温法在实际测量中，通常很难将基准端子保持在0不变，所以我们可以尝试将基准端子保持在一定的正常温度Tn。通常，恒温器用于容纳热电偶的参考端子，或者参考端子放置在温度变化缓慢的大油箱中。3.电桥补偿法。如果难以实现基准端子的恒温，可以采用电桥补偿法。模式所谓补偿导体实际上是一对化学成分不同的导体，在0 150的温度范围内，它们具有与热电偶相同的热电特性，但价格相对便宜。如图所示，这是补偿导线法的示意图。在这种方法中，热电极的加长部分是另外两根不同金属的长导线P和Q，它们被称为参考端补偿导线。，参见末端延伸法示意图，*任务实施：根据轧钢加热炉的测温范围和操作要求，结合热电偶的相

9、关知识，选择性价比最好的镍铬镍硅(K)热电偶作为测温传感器。如图所示，将热电偶的热端插入炉内，检测炉温t，冷端通过补偿线与测量仪器的输入铜线连接，插入冰瓶，确保t0=0。此时，熔炉中的实际温度可以通过测量仪器测量的热电势来确定。炉膛温度测量示意图、任务6.2热阻温度测量，*任务简介、气化炉常用于炼油和化工行业，炉膛内的正常温度在1300左右，甚至高达1500。炉内内衬的耐火砖在高温下会腐蚀，由于受热气体和熔渣的侵蚀，耐火砖会变薄。炉内耐火砖变薄甚至脱落，使热气通过砖缝侵入气化炉壁，提高了气化炉表面温度，降低了气化炉金属外壳的强度，造成设备不安全。本课题的任务是检测气化炉表面温度并报警，以便及时

10、确定更换耐火砖的时间。气化炉的耐压为6.5兆帕(克)，表面温度在400至450之间，正常值约为425。根据传感器的温度测量范围，可以选择热电阻温度传感器作为温度测量元件，形成温度报警系统。热阻温度传感器如何测量温度？它的结构和特点是什么？电阻温度传感器的知识电阻温度传感器将温度变化转化为温度敏感元件的电阻变化，然后通过电路将其转化为电压或电流信号输出。它利用导体或半导体材料的电阻值随温度变化的原理来测量温度，即材料的电阻率随温度变化，这就是所谓的热阻效应。通常，由金属导体制成的测温元件称为金属热阻，简称热阻；由半导体材料制成的温度测量元件被称为半导体热敏电阻，简称热敏电阻。1.热阻的基本工作原

11、理热阻通常由纯金属制成，它是基于金属导体的电阻值随着温度的升高而增大的特性。热阻是中低温(200 650)范围内最常用的温度传感元件。其主要特点是测量精度高，性能稳定。常用的金属热电阻主要包括铂电阻和铜电阻。2.常用热电偶(1)铂电阻被认为是目前制造热阻的最佳材料。性能稳定，重复性好，测量精度高，其电阻值与温度有非常近似的线性关系。缺点是电阻的温度系数小，价格高。铂电阻主要用于制作标准电阻温度计，其测量范围一般为-200 650。根据ITS-1990标准，我国统一设计的最常用的工业铂电阻是Pt100和Pt1000，即0时铂电阻的阻值分别为100和1000。2.常用热电偶(2)铜电阻铜材料易于提

12、纯，电阻温度系数大。铜的电阻与温度成线性关系，铜的价格相对便宜。铜电阻的缺点是抗蚀剂小、6.2.1热阻，3。热电阻结构在测量气体或固体表面温度时，可以直接使用电阻温度敏感元件，环境好，无腐蚀。但是，当测量液体或恶劣的测量环境时，电阻温度敏感元件不能直接使用，因此有必要在其外表面增加一个保护罩进行保护。在工业测量过程中，为了防止腐蚀、冲击、延长使用寿命和便于安装和接线，通常使用以下四种标准结构。(1)普通热电阻温度传感器(2)铠装热电阻温度传感器(3)末端热电阻温度传感器(4)隔爆热电阻温度传感器、6.2.1热电阻，4。热电阻测量电路热电阻温度测量电路最常用的是桥式电路，如图所示。在该图中，R1

13、、R2、R3和Rt(或Rq、RM)构成了电桥的四个引脚，其中Rt是热阻，Rq和RM分别是零电平和满量程调节的调节电阻(电位计)。测量时，将开关S转到“1”，调整Rq使仪器指示为零，然后将开关S转到“3”，调整RM使仪器指示满量程，调整后再将开关S转到“2”，即可进行正常测量。在实际应用中，热电阻的敏感元件安装在测量现场，感受被测介质的温度变化，而测量电路和显示仪表安装在远离现场的控制室，热电阻的引线电阻会对测量结果产生很大影响，导致测量误差。三线单臂电桥电路通常用来克服环境温度的影响。下图显示了热阻的三线连接方法。热电阻测量桥的三线连接，6.2.2热敏电阻，1。热敏电阻的特性热敏电阻是一种新型

14、的半导体测温元件，由电阻值随温度变化很大的半导体电阻制成。通常使用重金属氧化物，如锰、钛和钴，并在高温下烧结和混合。与金属热敏电阻相比，由半导体材料制成的热敏电阻具有以下特点：温度系数大，灵敏度高，比金属电阻大很多倍；结构简单，体积小；电阻率高，热惯性小，适合动态测量；电阻和温度变化之间存在非线性关系。稳定性和互换性相对较差。热敏电阻的常见结构和符号如图所示。a)晶片热敏电阻b)列热敏电阻c)珠状热敏电阻d)铠装e)厚膜f)图形符号1-热敏电阻2-玻璃外壳3-引线4-铜外壳5-传热安装孔热敏电阻结构和符号、6.2.2热敏电阻，2。热敏电阻分类热敏电阻通常可分为指数型和突变型(也称临界温度型，缩写为CTR)。它们的电阻和