传感器与自动检测项目2

传感器与自动检测学学习习目目标标技能目标能熟练使用热电偶传感器进行温度测量能熟练使用热电偶传感器进行温度测量能熟练使用热电阻传感器进行温度测量能熟练使用热电阻传感器进行温度测量知识目标 掌握热电偶的工作原理、常用的两个基本定律掌握热电偶的工作原理、常用的两个基本定律 熟悉工业热电偶的种类和几种常用热电偶的特性熟悉工业热电偶的种类和几种常用热电偶的特性 掌握热电偶温度补偿原理及常用补偿方法掌握热电偶温度补偿原理及常用补偿方法 掌握常用铂、铜热电阻的特性和热电阻传感器的三线制接法掌握常用铂、铜热电阻的特性和热电阻传感器的三线制接法 熟悉半导体热敏电阻的特性及典型应用熟悉半导体热敏电阻的特性及典型应用 了解红外传感器测温知识了解红外传感器测温知识项目2 温度测量传感器与自动检测热电偶传感器热电偶传感器传感器与自动检测任务1热电偶传感器测量温度热热电电偶偶温温度度传传感感器器将将被被测测温温度度转转化化为为mV级级热热电电动动势势信信号号输输出出，属属于于自自发发电电型型传传感感器器，测测温温范范围围为为 2701800。测温时需将热电偶通过连接导线与显示仪表相连接组成测温系统，实现远距离温度自动测量、显示、记录、报警和控制等，图2.1所示的温度检测系统应用非常广泛。2.1.1热电偶工作原理知识链接传感器与自动检测图2.1 热电偶测温系统示意图传感器与自动检测1热电效应热电效应将两种不同的导体或半导体两端相接组成闭合回路，如图2.2所示，当两个接点分别置于不同温度t、t0（tt0）中时，回路中就会产生一个热电动势，这种现象称为热电效应热电效应。两种导体称为热电极热电极，所组成的回路称为热电偶热电偶，热电偶的两个工作端分别称为热端热端和冷端冷端。热电动势由热电动势由接触电动势接触电动势和和温差电动势温差电动势两部两部分组成。分组成。传感器与自动检测传感器与自动检测 （1）接触接触电动势电动势 当A、B两种不同导体接触时，由于两者电子密度不同（设NANB），从A扩散到B的电子数要比从B扩散到A的电子数多，于是在A、B接触面上形成了一个由A到B的静电场。该静电场的作用一方面阻碍了A导体电子的扩散运动，同时对B导体电子的扩散运动起促进作用，最后达到动态平衡状态。这时A、B接触面所形成的电位差称为接接触触电电动动势势，其大小分别用eAB(t)、eAB(t0)表示。传感器与自动检测 接触电动势的大小与接点处温度高低和导体的电子密度有关。温度越高，接触电动势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电动势越大。传感器与自动检测（2）温差电动势将一根导体的两端分别置于不同的温度t、t0（tt0）中时，由于导体热端的自由电子具有较大的动能，使得从热端扩散到冷端的电子数比从冷端扩散到热端的多，于是在导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。与接触电势形成原理相同，在导体两端产生了温差电动势温差电动势，分别用eA(t，t0)、eB(t，t0)表示。传感器与自动检测tt0_+-eA(t，t0)tt0温差电动势的大小与导体的电子密度及两端温度有关。传感器与自动检测2热电偶回路总热电动势热电偶回路的总热电动势包括两个接触电动势和两个温差电动势。EAB(t，t0)=eAB(t)eAB(t0)eA(t，t0)+eB(t，t0)EAB(t,t0)传感器与自动检测由于热电偶的接触电动势远远大于温差电动势，且tt0，所以总热电动势的方向取决于eAB(t)，故式（2.1）可以写为EAB(t，t0)=eAB(t)eAB(t0)（2.2）热电动势的大小与组成热电偶的导体材料导体材料和两接点的温度温度有关。热电偶回路中导体电子密度大的称为正极，所以A为正极为正极，B为负极为负极。传感器与自动检测当热电偶两电极材料确定后，热电动势便是两接点温度t和t0的函数差，即EAB(t,t0)=f(t)f(t0)（2.3）如果使冷端温度t0保持不变，热电动势就成为热端温度t的单一函数，即EAB(t,t0)=f(t)C=(t)（2.4）传感器与自动检测 当当冷端温度冷端温度t t0恒定恒定时，热电偶产生的热电动时，热电偶产生的热电动势只与热端的温度有关。势只与热端的温度有关。热电偶的几个结论：热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则无论导体截面如何、温度分布如何，回路中的总热电动势恒为零。若热电偶两接点温度相同，尽管采用了两种不同的金属，回路总电动势恒为零。热电偶回路总热电动势的大小只与材料和接点温度有关，与热电偶的尺寸、形状无关。传感器与自动检测1中间导体定律中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体和原导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。2.1.2热电偶的基本定律传感器与自动检测2中间温度定律中间温度定律热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的热电动势的代数和，即 EAB(t，t0)=EAB(t，tn)+EAB(tn，t0)（2.5）当t0=0，tn=t0时，上式可写成 EAB(t，0)=EAB(t，t0)+EAB(t0，0)（2.6）传感器与自动检测1热电偶材料 测量范围广测量范围广。要求在规定的温度测量范围内具有较高的测量精确度、较大的热电动势，温度与热电动势的关系是单值函数。性能稳定性能稳定。要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，有较好的均匀性和复现性。化学性能好化学性能好。要求在规定的温度测量范围内使用时有良好的化学稳定性、抗氧化或抗还原性能，不产生蒸发现象。2.1.3 热电偶的材料、结构及种类传感器与自动检测2热电偶结构热电偶结构热电偶温度传感器广泛应用于工业生产过程中的温度测量，根据其用途和安装位置不同，它具有多种结构形式。（1）普通工业热电偶）普通工业热电偶 普通工业热电偶通常由热电极热电极、绝缘管绝缘管、保护套管保护套管和接线盒接线盒等几个主要部分组成，其结构如图2.3所示。传感器与自动检测1热电极；2焊点；3绝缘套管；4保护套管；5接线盒；6引线口图2.3 普通工业热电偶结构传感器与自动检测热电偶补偿导线温度计传感器与自动检测传感器与自动检测传感器与自动检测（2 2）铠装热电偶）铠装热电偶 它是由金属套管金属套管、绝缘材料绝缘材料和热电极热电极经焊接密封和装配等工艺制成的坚实组合体。金属套管材料:铜、不锈钢（1Cr18Ni9Ti）或镍基高温合金（GH30）等；套管最长可达100m以上,最细能达0.25mm。绝缘材料:电熔氧化镁、氧化铝、氧化铍等的粉末。热电极有单支（双芯）、双支（四芯），彼此间互不接触。铠装热电偶体积小、热容量小、动态响应快、可挠性好、柔软性良好、强度高、耐压、耐震、耐冲击等许多优点，广泛应用于工业生产过程。传感器与自动检测传感器与自动检测传感器与自动检测传感器与自动检测 3热电偶种类 （1）标准型热电偶 标准型热电偶是指制造工艺比较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入工业标准化文件中的热电偶。由于标准化文件对同一型号的标准型热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，故同一型号的标准型热电偶互换性好，具有统一的分度具有统一的分度表，并有与其配套的显示仪表可供选用。表，并有与其配套的显示仪表可供选用。常用的7种标准热电偶：B、R、S、K、N、E、J、T。传感器与自动检测 （2）非标准型热电偶）非标准型热电偶非标准型热电偶：铂铑系铂铑系、铱铑系铱铑系及钨铼系钨铼系热电偶等。铂铑系热电偶：铂铑20-铂铑5、铂铑40-铂铑20等一些种类。性能稳定，适用于各种高温测量。铱铑系热电偶：铱铑40-铱、铱铑60-铱。长期使用的测温范围在2000以下，且热电动势与温度线性关系好。钨铼系热电偶：钨铼3-钨铼25、钨铼5-钨铼20等。最高使用温度可达2500左右，主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。传感器与自动检测（3）薄膜热电偶）薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种金属薄膜两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶，它的测量端既小又薄，热容量很小，动态响应快，可用于微小面积的温度测量和快速变化的表面温度测量。薄膜热电偶测温时需用胶黏剂紧粘在被测物表面，所以热损失很小，测量精度高。由于使用温度受胶黏剂和衬垫材料限制，目前只能用于200300范围内。传感器与自动检测传感器与自动检测表面热电偶传感器与自动检测一体化工业热电偶传感器与自动检测 2.1.4热电偶的冷端补偿热电偶的冷端补偿 由热电偶的工作原理可知，只有当冷端温度恒定时，只有当冷端温度恒定时，热电动势才是热端温度的单值函数。热电动势才是热端温度的单值函数。由于热电偶分度表是以冷端温度为0时做出的，因此在使用时要正确反映热端温度（被测温度），最好设法使冷端温度恒为0，否则将产生测量误差。但在实际应用中，热电偶通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其冷端温度不可能恒定不变。为此，必须采取一些相应的措施进行补偿或修正，以必须采取一些相应的措施进行补偿或修正，以消消除冷端温度变化和不为除冷端温度变化和不为0 0所产生的影响所产生的影响。传感器与自动检测 1补偿导线法补偿导线法热电偶由于受到材料价格的限制一般做得比较短（除铠装热电偶外），冷端距测温对象很近，使冷端温度较高且波动较大，这时就需要采用补偿导线将冷端延伸至远离温度对象而温度恒定的场所（如控制室或仪表室）。传感器与自动检测 补偿导线由两种不同性质的廉价金属材补偿导线由两种不同性质的廉价金属材料制成，在料制成，在0150温度范围内与配接的热电偶温度范围内与配接的热电偶具有相同的热电特性具有相同的热电特性。补偿导线起到了延伸热电极的作用，达到了补偿导线起到了延伸热电极的作用，达到了移动热电偶冷端位置的目的。移动热电偶冷端位置的目的。传感器与自动检测 图2.4 补偿导线在测温回路中的连接传感器与自动检测补偿导线的型号：两个字母组成。补偿导线补偿导线类型类型:延伸型（延伸型（X X）和补偿型（）和补偿型（C C）。延伸型补偿导线：选用的金属材料与热电极材料相同；补偿型补偿导线所选金属材料与热电极材料不同。第一个字母与配用热电偶的型号相对应第一个字母与配用热电偶的型号相对应第二个字母表示补偿导线的类型第二个字母表示补偿导线的类型SCKX传感器与自动检测补偿导线补偿导线型号型号配用配用热电热电偶偶补偿导线补偿导线材料材料补偿导线绝缘层补偿导线绝缘层着色着色正正 极极负负 极极正极正极负负极极SCS铜铜镍合金红色绿色KCK铜铜镍合金红色蓝色KXK镍铬合金镍硅合金红色黑色EXE镍硅合金铜镍合金红色棕色JXJ铁铜镍合金红色紫色TXT铜铜镍合金红色白色表表2.2 2.2 常用热电偶补偿导线常用热电偶补偿导线传感器与自动检测 2 2计算修正法计算修正法 在实际应用中，冷端温度并非一定为0，必须对温度进行修正。修正公式采用中间温度定律。E EABAB(t t，0)=0)=E EABAB(t t，t t0 0)+)+E EABAB(t t0 0，0)0)【例】用镍铬-镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30（且为恒定时），测出热端温度为t时的热电动势为39.17mV，求炉子的真实温度。传感器与自动检测解：设炉子真实温度为t，已知冷端温度t0=30，则热电偶测得的热电势为 E(t，t0)=E(t，30)=39.17mV查镍铬-镍硅热电偶分度表：E(30，0)=1.20mV根据中间温度定律：E(t，0)=E(t，30)+E(30，0)=39.17+1.20=40.37mV再查镍铬-镍硅热电偶分度表可知40.37mV所对应的温度为977，因此炉子真实温度为 t=977传感器与自动检测3 3显示仪表机械零位调整法显示仪表机械零位调整法 在未工作之前，预先将有零位调整器的温度将有零位调整器的温度显示仪表的指针从刻度的初始值（机械零位）调显示仪表的指针从刻度的初始值（机械零位）调至已知的冷端温度值上至已知的冷端温度值上。调整仪表的机械零位相当于预先给仪表输入电动势EAB(t0，0)，测量过程中热电偶回路产生热电势EAB(t，t0)，这时显示仪表接收的总热电势为EAB(t，0)，所以仪表的示