测试技术_第8章热电传感器

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,song yonggang,*,2024/9/17,song yonggang,1,第八章 热电传感器,8-1,测温方法,一、接触式测温,通过热传递，达到热平衡的原理，再根据测温元件随温度变化的规律来确定温度的高低。,接触式测温分为：膨胀式、电阻式和热电偶三类。,1,、膨胀式, 液体膨胀式：,利用液体的热胀冷缩特性，如酒精、水银等；, 气体膨胀式：,利用气体的热胀冷缩特性，如氮气；, 固体膨胀式：,利用固体的热胀冷缩特性，如复合双金属。,2024/9/17,song yonggang,2,2,、电阻式,工作原理：,利用金属或者半导体材料的电阻温度特性工作。,分类：,热电阻和热敏电阻。,3,、热电偶,工作原理：,两种不同的金属组成的闭合回路的热电效应工作。,二、非接触式测温,工作原理：,热辐射原理。任何物体的温度高于绝对零度（,-273,。,15C,），都有一部分能量向外辐射，温度越高，辐射能量越大。辐射能量是以电磁波的形式向外传递的。包括,射线，,X,射线，紫外线，可见光，红外线等。其中红外线和可见光可以转变为热能。利用红外辐射和可见光测量温度的方法称为热辐射测温。,2024/9/17,song yonggang,3,8,2,电阻式温度传感器,利用感温元件的电阻值随温度变化的特性制成的传感器。,热电阻,-,金属电阻温度传感器。,热敏电阻,半导体温度传感器。,一、热电阻,大多数金属的电阻值随温度变化而变化。常用做热电阻的金属有铂和铜。,常用热电阻：,1,、铂热电阻,A,、,B,、,C,分度系数，,A=3.96847,10,-3,/,，,B=,5.847,10,-7,/,，,C=,4.22,10,-12,/,。,铂热电阻的,R,0,分别为,46,和,100,。,2024/9/17,song yonggang,4,百度电阻比：,表示纯度不同时，,100,与,0,的电阻值之比，即 。工业常用的铂热电阻的 。,铂的纯度越高，电阻率越大。纯度越高，上述比值也越大。,2,、铜热电阻,其中：,铜的电阻率小，体积大，易氧化，只适用于低温及无腐蚀环境工作。,铜热电阻的,R,0,分别为,50,和,100,。,2024/9/17,song yonggang,5,2024/9/17,song yonggang,6,2024/9/17,song yonggang,7,三线式测量电桥与普通电桥所不同的是考虑了导线电阻对于电桥平衡的影响，设置了调零电阻,R,a,。,其中,r,1,r,2,r,3,分别代表导线电阻。,R,t,为热电阻，,R,a,为调零电阻。,R,1,R,2,为桥臂电阻。,当,U,A,=U,B,电桥平衡，使,r,1,=r,2,，则,R,a,=R,t,。,二、热电阻的测量电路,常用电桥作为热电阻的测量电路。因为热电阻的阻值很小，所以连接导线的电阻值不可忽视。为此，常用三线式电桥连接法。,2024/9/17,song yonggang,8,三、热敏电阻,利用半导体材料的电阻值随温度变化的特性工作。,分类：,1,、负温度系数（,NTC,，,Negative Temperature Coefficient,）：电阻值随温度升高而下降，标为绿色；,2,、临界温度电阻（,CTR, Critical Temperature Resistor,）：电阻值随温度升高而急剧下降，标为白色；,3,、正温度系数（,PTC,，,Positive Temperature Coefficient,）：电阻值随温度升高而升高，标为红色。,2024/9/17,song yonggang,9,热敏电阻的特性,1,、电阻,温度特性,热敏电阻的电阻值与温度之间为非线性关系。,几种常用热敏电阻的电阻,温度特性如右图所示。,2024/9/17,song yonggang,10,2,、伏安特性, 负温度系数热敏电阻,的伏安特性分为二个区域：,线性区：,电流小于,I,a,时，热敏电阻的端电压与电流保持线性关系，遵循欧姆定律。功耗小，温升可以忽略。,负阻区：,电流继续增大时，功耗和温升增大，电阻值,R,t,增大放慢。若电流继续增大，电阻值急剧下降，电压随电流的增大而下降，曲线呈非线性。,2024/9/17,song yonggang,11,正温度系数热敏电阻,的伏安特性也有两个区域。,线性区：,当电流从零开始增大过程中，电压与电流成线性关系。,当功耗继续增大时，热敏电阻温度超过环境温度，引起电阻值增大，曲线开始弯曲，当电压增至,U,m,时，对应的电流为最大电流,I,m,。电压继续增大，温升引起的电阻值的增加超过电压增加的速度，电流反而减小。,2024/9/17,song yonggang,12,热敏电阻伏安特性的作用：,用来正确选择热敏电阻的最佳工作范围。主要使用线性区，用于测温、控制温度和进行温度补偿。,2024/9/17,song yonggang,13,热敏电阻的应用：,1,、温度测量：用于测量气体、液体、固体、高空气象、海洋、深井等方面的温度测量。由于热敏电阻的阻值大，灵敏度高，故常与普通直流电桥一起使用。用于热水器、冰箱等温度测量。,2,、温度补偿：利用负温度,系数的热敏电阻对具有正温,度系数的元件进行温度补偿。,3,、温度控制：将热敏电阻放置在测温场中，利用热敏电阻的继电效应，与继电器或其他保护装置的线圈连接，实现温度控制。,2024/9/17,song yonggang,14,4,、过热保护：,小电流工况：,采用直接保护。将,PTC,（正温度系数）热敏电阻串接在电路中与被保护对象靠近放置。,变压器过热保护 电机过热保护,大电流工况：,采用间接保护。利用负电阻温度系数电阻，通过晶体管或继电器等对被保护装置进行保护。,5,、在家用电器中作为电热源：, 电吹风：用蜂巢式,PTC,热敏电阻作为加热源。, 室温调节器：用蜂巢式,PTC,热敏电阻作为发热体，通过改变通风量，调节室内温度。,2024/9/17,song yonggang,15,8,3,热电偶,一、热电变换原理：,把两种不同金属导体接成闭合回路，如果两端温度不同,(,设,T,T,O,),，则在回路中就会产生热电势。这种由于温度不同而产生电动势的现象，称为,热电效应,。若两端的温差越大，产生的热电势也越大。通常把上述两种不同导体的组合称为热电偶，称,A,、,B,两导体为,热电极,。两个接点中，一个为工作端,(,或称为,热端,),T,，测温时将它置,于被测温度场中；另一个叫自由端,(,或称为,冷端,),T,O,，一般要求冷端恒定在某一温度。,热电偶回路中，所产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。,2024/9/17,song yonggang,16,由导体,A,和,B,组成的闭合回路,当两个结点的温度,T,T,0,时,回路的总热电势为两个结点的接触电势和两个导体的温差电势的代数和，即,:,式中：,T,，,T,0,-,结点处的绝对温度；,K-,波耳滋曼常数（,关于温度及能量的物理常数,）；,e-,电子电荷量；,-,导体,A,和,B,的自由电子密度；,-,温差系数，与导体材料和温度有关。,2024/9/17,song yonggang,17,实践证明：金属中的自由电子数量足够多，温度变化对其影响很小，所以，同一导体的温差电势极小，可以忽略。上式为：,当电极材料,A,，,B,选定之后，热电势是结点温度,T,，,T,0,的函数值之差，即：,若保持冷端温度,T,0,不变（通常为,0,）， 为一个常数，则热电势仅为热端温度,T,的单值函数,C,。通过测量热电势即可测量热端温度。这就是热电偶测温原理的基本公式。,2024/9/17,song yonggang,18,热电偶工作的基本要求：,1,、若热电偶两电极,A,和,B,材料相同，两接点温度不同时，接触电势,E,AB,(T),和,E,AB,(T,O,),皆为零。温差电势,E,A,(T,，,T,O,),和,E,B,(T,，,T,O,),大小相等，方向相反，所以不会产生热电势，即热电偶的电极必须由两种不同的材料构成；,2,、若热电偶两接点温度相同，两电极材料不同时，无温差电势，接触电势大小相等方向相反，也不会产生热电势，即热电偶的两个结点之间必须有温度差；,3,、热电势的大小仅与热电极材料的性质、两结点之间的温度差有关，而与热电偶的尺寸及形状无关。即热电极都是,A,、,B,两种材料组成的热电偶可以完全互换，不管热电偶的尺寸、形状如何。,2024/9/17,song yonggang,19,二、热电偶的基本定律,(1),均质导体定律,两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。由一种均质金属组成的热电偶，即使有温差，也无热电势。,(2),中间导体定律,在热电偶回路中插入第三、四,种导体，只要插入导体的两端温度相等，且插入导体是匀质的，则无论插入导体的温度分布如何，都不会影,响原来热电偶热电势的大小。因,此，将毫伏表接入热电偶回路,并保证两个结点温度一致，不影,响热电偶的输出，即可对热电势,进行正确测量。,2024/9/17,song yonggang,20,(3),中间温度定律,热电偶,AB,在接点温度分别为,T,，,T,。,时的热电势，等于热电偶在接点温度为,T,、,T,n,和,T,O,时的热电势的代数和。即,E,AB,(T,，,T,O,),E,AB,(T,，,T,n,),十,E,AB,(T,n,，,T,O,),(4),标准电极定律,若两种导体,A,、,B,分别与第三种导体,C,组成的热电偶的热电势已知，则导体,A,、,B,组成的热电偶的热电势为：,这里,C,称为标准电极。铂容易提纯，熔点高，性能稳定，使用中一般是以纯铂作为标准电极。,2024/9/17,song yonggang,21,三、热电偶的冷端温度补偿：,一、冷端恒温法：,恒温法就是把热电偶的冷端置于某种温度不变的装置中。将冷端放在冰和水混合的容器中，保持冷端为,0,不变。这种方法精度高，但在工程中应用很不方便，一般用于实验室。,在冷端温度不等于,0,但,t,n,为不变时，根据中间温度定律，可将热电势修正到冷端为,0,时的电势,E(t,，,0),E(t,，,t,n,),十,E(t,n,，,0),，,因为温度,t,n,保持不变,E,(t,n,，,0),为常值，该值可从热电偶分度表中查出。测出的热电势,E(t,，,t,n,),与查表得到的,E(t,n,，,0),相加，就可得到冷端为,0,时的热电势,E(t,，,0),，根据,E(t,，,0),再查热电偶分度表，就可得到,t,。,2024/9/17,song yonggang,22,二、补偿导线法：,用在,0,100,温度范围内热电性质与热电偶相近的廉价金属导线，代替贵重金属延长热电极冷端，这种导线称为冷端补偿导线。只要在冷端温度可能的变化范围内,(0,100),，由,C,、,D,所组成的补偿导线与由,A,、,B,组成的工作热电偶具有相同的热电特性，即,E,CD,(t,，,0),E,AB,(t,，,0),，则由中间导体定律可知，,C,、,D,的接入不会引起附加误差。,应用补偿导线时必须注意：,(l),不同的热电偶必须选用相应的补偿导线。,(2),补偿导线和热电极连接处两接点的温度必须相同，且不可超过规定的温度范围,(,一般为,0,100),。,(3),采用补偿导线只是移动了冷接点的位置，当该处温度不为,0,时，仍须进行冷端温度补偿。,2024/9/17,song yonggang,23,三、补偿电桥法：,电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势，去补偿由冷端变化而引起的热电势的变化量。这种装置也称为冷端温度补偿器。如图所示，该补偿器常接在热电偶与显示仪表之间，电阻,R,l,，,R,2,，,R,3,和限流电阻,R,g,是用温度系数很小的锰铜丝做成的。,R,H,是用电阻温度系数较大的铜或镍线绕制而成。,当环境温度为,20,时，电桥处于平衡状态。,a,、,b,两点电位相等，无电压输出，补偿电桥不影响热电偶回路的热电势。当环境温度变化时，热电偶的冷端和,R,H,感受相同的温度变化，从而,R,H,电阻值也随温度而改变，使电桥失去平衡，有不平衡电势,E,1,输出；同时，冷端温度的变化使热电偶的电势值随之变化,E,2,。如果我们设计,E,1,与,E,数值相等、极性相反，则叠加后互相抵消，因而起到冷端温度变化自动补偿的作用。,2024/9/17,song yonggang,24,8,4,热电偶的结构及热电势的测量,热电偶的类型、规格、结构品种繁多，根据热电极材料可分为难熔、贵金属、贱金属、非金属热电偶等；根据测温范围可分为高温、中温、低温热电偶；根据工业标准可分为标准化、非标准化热电偶；按结构可分为普通、铠装、薄膜热电偶等。,一、热电偶的结构,如图为普通热电偶的结构图示意图，它由热电极、绝缘管,(,或绝缘子,),、保护套管、接线盒等几部分组成。根据测温范围和环境情况，可以选用不同的热电偶和不同的保护套管。,2024/9/17,song yonggang,25,普通热电偶的热电极是一端焊在一起的两根金属丝，两热电极之间用绝缘套管绝缘。为了防止有害介质侵蚀热电极，还常配有保护套管，通过接线盒引出电极线。热电偶在测量温度时，将测量端插入被测对象的内部，主要用于测量容器或管道内气体、蒸汽、液体等介质的温度。,铠装热电偶是由不锈钢保护管，氧化镁绝缘粉，热电偶丝材经模压成型的热电偶。,2024/9/17,song yonggang,26,二、热电偶测温电路及其应用,1,热电偶测温基本线路,2024/9/17,song yonggang,27,图,(a),是测量某点温度的线路，,A,、,B,为热电偶，,C,、,D,为补偿导线，冷端温度为,T,0,，,E,为铜导线,(,在实际使用时把补偿导线连接到仪表的接线端子，冷端温度即为仪表接线端所处的环境温度,),，,G,为配用仪表。,图,(b),是测量两点温度差的线路。用两支同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，连接的方法应使各自产生的热电势互相抵消。这时仪表,G,即可测得,T,l,和,T,2,的温度之差。,图,(c),是测量平均温度的线路，通常用几支同型号的热电偶并联在一起，要求三支热电偶都工作在线性段，在指示仪表中指示的为三支热电偶输出的平均值。,图,(d),是测量几点温度之和的线路，它利用了同类型的热电偶相串联来测量几点温度之和。,2024/9/17,song yonggang,28,三、应用实例,金属表面温度的测量,金属表面温度的测温范围从几百摄氏度到一千多摄氏度，测量方法通常采用直接接触测温法。,直接接触测温法是指采用各种型号及规格的热电偶，用粘接剂或焊接的方法，将热电偶与被测金属表面直接接触，然后把热电偶接到显示仪表上组成测温系统，测出金属壁面的温度。,用直接接触测温法测量金属表面温度时，应尽量减少由于和金属表面接触而破坏原有温度场所造成的影响，以提高测量精度。,2024/9/17,song yonggang,29,一般在,200,300,时，可采用粘接剂将热电偶的结点粘附于金属壁面，工艺比较简单。但是在不少情况下，特别在温度较高、要求测量精度高和时间常数小的情况下，常用焊接的方法。测量金属壁面温度用的热电偶丝一般比较细，采用常规焊接法容易烧断，而且焊接质量不好，一般采用根据电容充放电原理制成的焊接机。如果被测金属壁比较薄，那么热电偶丝一般都焊在表面。连接到测量仪表时，为减少误差，在紧靠测量端的地方要加足够长的保温材料保温，也可在接头处加绝热罩。如果金属壁较厚，且机械强度又允许，则可对不同壁面采用不同的引出方式，如从槽内引出、从斜孔内引出和从壁的后面引出。,2024/9/17,song yonggang,30,热电偶分度表的使用方法,根据选用的热电偶查相应的分度表。对于分度表未列出的可采用中间插值法计算。,