传感器原理及应用第九章热电式传感器课件

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1、9.1 9.1 热电偶热电偶9.2 9.2 热电阻传感器热电阻传感器第九章第九章 热电式传感器热电式传感器概述 热电式式传感器感器是一种将温度温度变化转换为电量量变化的装置。它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特征来达到测量的目的。通常将被测温度转换为敏感元件的电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由电压、电流这些电参数的变化来表达所测温度的变化。将温度转换为电势大小的热电式传感器叫热电偶偶；将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻阻。温度电量测量得出结果 热电偶偶是工程上应用最广泛的温度传感器。 它构造简单, 使用方便, 具有较高的准确度、稳定性及复现性, 温度测量范围宽,

2、 在温度测量中占有重要的地位。 一、一、热电偶工作原理偶工作原理 1.热电效效应 两种不同材料的导体或半导体连成闭合回路，两个接点分别置于温度为T和T0的热源中，该回路内会产生热电势。热电势的大小反映两个接点温度差，保持T0不变，热电势随着温度T变化而变化。测得热电势的值，即可知道温度T的大小。9.1 9.1 热电偶热电偶 两种不同的导体不同的导体（或半导体）组成一个闭合回路,在闭合回路中，A、B导体称为热电极导体称为热电极。T端结点称为工作端或热端；T0端结点称为冷端或自由端。 产生的热电势由两部分组成产生的热电势由两部分组成: 温差电势和接触电势温差电势和接触电势(1)接触电势（珀尔贴电动

3、势） 产生原因：产生原因：由于两种不同导体的自由电子密度不由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。同而在接触处形成的电动势。 两种导体接触时,自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散, （NANB,A到B）在接触处失去电子的一侧带正电, 得到电子的一侧带负电, 形成稳定的接触电势稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。触点的温度。式中: K波尔兹曼常数; e单位电荷电量; NAT、NBT和NAT0、NBT0分别在温度为T和T0时, 导体A、B的自由电子密度。 两接点的接触电势 和 可表示为 （2）温差电势

4、（汤姆逊效应）温差电势（汤姆逊效应） 同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。 同一导体的两端温度不同时, 高温端的电子能量要比低温端的电子能量大, 因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多, 结果高温端因失去电子而带正电, 低温端因获得多余的电子而带负电, 形成一个静电场，该静电场阻止电子继续向低温端迁移，最后达到动态平衡。因此, 在导体两端便形成温差电势, 其大小由下面公式给出: 温差电动势：热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和AB(T, T0)=eAB(T) -

5、eAB(T0) +eB(T, T0) -eA(T, T0)：汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势。在总热电势中, 温差电势比接触电势小很多, 在精度要求不高的情况下, 热电偶的热电势可近似表示为：AB(T, T0) eAB(T) -eAB(T0)对于已选定的热电偶, 当参考端温度T0恒定时, eAB(T0) 为常数, 则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系, 即 AB(T, T0) =EAB(T)-c=f(T)实际应用中, 热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0时, 通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。热电偶回路的几

6、点结论热电偶回路的几点结论： 如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极。必须采用两种不同的材料作为热电极。 如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电势亦为零。势亦为零。 热电偶热电偶AB的热电势与的热电势与A、B材料的中间温度无关，只材料的中间温度无关，只与结点温度有关。与结点温度有关。 2. 热电偶基本定律热电偶基本定律 （1） 中间导体定律中间导体定律 利用

7、热电偶进行测温, 必须在回路中引入连接导线和仪表, 接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明, 在热电偶测温回路内在热电偶测温回路内, 接入第三种导体接入第三种导体, 只要其两端温只要其两端温度相同度相同, 则对回路的总热电势没有影响。则对回路的总热电势没有影响。 EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0) （1） 当T= T0 时, 有 EABC(T0)=eAB(T0 )+eBC(T0)+eCA(T0) =0 由此得eAB(T0 )eBC(T0)eCA(T0) 代入（1）式(T, T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T, T0) 同理,

8、加入第四、第五种导体后, 只要加入的导体两端温度相等, 同样不影响回路中的总热电势（2）标准电极规则）标准电极规则 当结点温度为T, T0时，用导体A，B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。 参考电极的实用价值在于：它可大大简化热它可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定。个去测定。 用作参考电极(标准电极)的材料，目前主要为纯铂丝材

9、，因为铂的熔点高，易提纯，且在高温与常温时的物理、化学性能都比较稳定。(3)中间温度定律中间温度定律 热电偶AB在接点温度为 、回路总电动势等于和的代数和。 二、热电偶类型二、热电偶类型 理论上讲, 任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶, 但为了准确可靠地测量温度, 对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件: 热电势变化尽量大, 热电势与温度关系尽量接近线性关系, 物理、 化学性能稳定, 易加工, 复现性好, 便于成批生产, 有良好的互换性。 实际上并非所有材料都能满足上述要求。 目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种。国际电工委员会（IEC）向世界各国

10、推荐8种标准化热电偶, 所谓标准化热电偶, 它已列入工业标准化文件中, 具有统一的分度表。 我国从1988年开始采用IEC标准生产热电偶。目前工业上常用的有四种标准化热电偶1.铂铑10铂热电偶2.镍铬镍硅热电偶3.镍铬考铜热电偶4.钨铼5钨铼20热电偶（铂铑10铂）热电偶分度表 测量端温度/0102030405060708090热电动势/mV010020030040050060070080090010000.0000.6451.4402.3233.2604.2345.2376.2747.3458.4489.5850.0550.7191.5252.4143.3564.3335.3396.3807

11、.4548.5609.7000.1130.7951.6112.5063.4524.4325.4426.4867.5638.6739.8160.1730.8721.6982.5993.5494.5325.5446.5927.7628.7869.9320.2350.9501.7852.6923.6454.6325.6486.6997.7828.89910.0480.2991.0291.8732.7863.7434.7325.5716.8057.8929.01210.1650.3651.1091.9622.8803.8404.8325.8556.9138.0039.12610.2820.4321.1

12、902.0512.9743.9384.9335.9607.0208.1149.24010.4000.5021.2732.1413.0694.0365.0346.0647.1288.2559.35510.5170.5731.3562.2323.1644.1355.1366.1697.2368.3369.47010.635 三、三、 热电偶的结构形式热电偶的结构形式 为了适应不同生产对象的测温要求和条件, 热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。 (1)普通型热电偶普通型热电偶 普通型结构热电偶工业上使用最多, 它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成 (2)铠装热电偶铠装

13、热电偶 铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、 绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体, 它可以做得很细很长, 使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小, 动态响应快, 机械强度高机械强度高, 挠性好挠性好, 可安装在结构复杂的装置上可安装在结构复杂的装置上, 因此被广泛用在许多工业部门中。因此被广泛用在许多工业部门中。 (3)薄膜热电偶薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料, 用真空蒸镀、 化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶, 薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.010.1m）, 具有热容量小, 反应速度快等的特点, 热相应时间

14、达到微秒级, 适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。 四四.热电偶常用测量电路热电偶常用测量电路 热电偶测温时, 它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、 数字表等）配套使用, 也可与温度变送器配套, 转换成标准电流信号。（1）单点温度测量 （2）测量两点的温度差 用两只相同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，反向串联。产生热电势为 ET=EAB（T1，T0）-EAB（T2，T0）显示仪表CBADBAT2T1T0T0C如用一台显示仪表显示多点温度时, 可按下图 连接, 这样可节约显示仪表和补偿导线。 （3）测量多点的温度（4）测量平均温度用几只型号特性相同的热电偶并联在一起。仪表R

15、1E1R2R3E2E3T2T1T3T0ET (1)热电偶补偿导线 在实际测温时, 需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表, 这样参考端温度t0也比较稳定。热电偶一般做得较短 需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线工程中采用一种补偿导线, 它通常由两它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成种不同性质的廉价金属导线制成, 而且在而且在0100温度范围内温度范围内, 要求补偿导线和所配热电偶具有相要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。同的热电特性。 五五.热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿 (2)计算法当热电偶冷端温度不是0，而是根据热电

16、偶中间温度定律，可得到电势的计算校正公式： 例 用镍铬一镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度to30 ，在直流电位差计上测得的电动势EAB(t,30)=38500mV，求炉温为多少?镍铬一镍硅热电偶分度表（自由端温度为0 ）测量端温度/0102030405060708090热电动势/mV-0+01002003004005006007008009001000110012001300 -0.0000.0004.0958.13712.207 16.39520.64024.90229.12833.27737.32541.26945.10848.82852.398 -0.3920.3974.5088.5371

17、2.62316.81821.06625.32729.54733.68637.72441.65745.48649.192 -0.7770.7984.9198.93813.03917.24121.49325.75129.96534.09538.12242.05445.86349.555 -1.1561.2035.3279.34113.45617.66421.91926.17630.38334.50238.51942.43246.23849.9161.5271.6115.7339.74513.87418.08822.34626.59930.79934.90938.91542.81746.61250.

18、276-1.8892.0226.13710.15114.29218.51322.77227.02231.21435.31439.31043.20246.98550.633-2.2432.4366.53910.56014.71218.93823.19827.45531.62935.71839.70343.58547.35650.990-2.5682.8506.93910.96915.13219.36323.62427.86732.04236.12140.09643.96847.72651.344-2.9203.2667.33811.38115.55219.78824.05028.28832.45

19、536.52440.48844.34948.09551.697-3.2423.6817.73711.73915.97420.21424.47628.70932.86636.92540.89744.72948.46252.049解：查镍铬一镍硅热电偶K分度表得：根据中间温度定律得：查镍铬一镍硅热电偶K分度表得： (3)参考端0恒温法 在实验室及精密测量中, 通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中, 以便参考端温度保持0, 这种方法又称冰浴法。 不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻R1、 R2 、R3、电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCU 和稳压电源组成。补偿电桥法补偿电桥法(4)

20、参考端温度自动补偿法（补偿电桥法补偿电桥法） 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号, 来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0或变化而引起热电势的变化值。补偿原理：将带有铜热电阻的补偿电桥与被补偿的热电偶串联，铜与热电偶的冷端置于同一温度场。室温时，电桥输出为零，当冷端温度变化时，铜电阻阻值变化造成电桥不平衡输出。此不平衡输出电压对热电偶输出变化有抵消作用。 六六.热电偶的应用热电偶的应用2热电偶测温差如图，两只热电偶为E型，t1=400，t0=20，电势差14.773mV，求温差？发现t2为K型，求温差 +-+t2t1+-t00102030405060708090热电动

21、势(mv)000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.853.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.73361376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.76714.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.214热电偶分度表热电偶分度表(

22、K型型) 0102030405060708090热电动势(mv)000.5911.1921.8012.4193.0473.6834.3294.9835.6461006.3176.9967.6338.3779.0789.78710.50111.22211.94912.68120013.41914.1714.90916.66116.41717.17817.94218.71019.48120.25630021.03321.81422.59723.38324.17124.96125.75426.54927.34528.14340028.94329.74430.54631.35032.15532.960

23、33.76734.57435.38236.190热电偶分度表热电偶分度表(E型型) 答： 例 用镍铭一镍硅热电偶测量炉温，仪表读数为385，后来发现把补偿导线接反了。t1=28, t0=42。求： 实际tx为多少度（用mV表示） 若补偿导线错用铜线，则tx又 是多少？解： E(385，28)=E(tx，42)-E(42，28) E(tx)=E(385，28)+E(42，28)+E(42) =15.77-21.12+21.69 =16.91mV E(385，28)= E(tx，42) E(tx)=E(385)-E(28)+E(42) =15.77-1.12+1.69=16.34mV 热电阻传感器

24、是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类, 一般把金属热电阻称为热电阻, 而把半导体热电阻称为热敏电阻。热电阻广泛用来测量-200+850范围内的温度, 少数情况下, 低温可测量至1K, 高温达1000。标准铂电阻温度计的精确度高, 并作为复现国际温标的标准仪器。热电阻传感器由热热电电阻阻、连连接接导导线线及显显示示仪仪表表组成, 如图所示。热电阻也可与温度变送器连接, 转换为标准电流信号输出。 9.2 热电阻传感器热电阻传感器 一、 常用热电阻 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。 1、铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳

25、定性好、性能可靠, 所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准, 铂热电阻的使用温度范围为-200+850。 铂热电阻的特性方程为 在-2000的温度范围内: Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) 在0850的温度范围内: Rt = R0(1+At+Bt2) 式中Rt和R0分别为t和0时铂电阻值; A、 B和C为常数。 在ITS-90 中, 这些常数规定为: A=3.908310-13/ B=-5.77510-7/2 C=-4.18310-12/4 从上式看出, 热电阻在温度t时的电阻值与R0 有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种, 它们的分度号分别为

26、Pt10和Pt100, 其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表, 即Rt-t 的关系表, 这样在实际测量中, 只要测得热电阻的阻值Rt, 便可从分度表上查出对应的温度值。铂电阻Pt100分度表 温度/0102030405060708090 电阻/-200-1000010020030040050060070080018.4960.25100.00100.00138.50175.84212.02247.04280.90313.59345.13375.5156.1996.09103.90142.29179.51215.57250.48284.22316.80348.22378.48

27、52.1192.16107.79146.06183.17219.12253.90287.53319.99351.30381.4548.0088.22111.67149.82186.82222.65257.32290.83323.18354.37384.4043.8784.27115.54153.58190.45226.17260.72294.11326.35357.37387.3439.7180.31119.40157.31194.07229.67264.11297.39329.51360.47390.2635.5376.33123.24161.04197.69233.17267.49300.

28、65332.66363.5031.3272.33127.07164.76201.29236.65270.68303.91335.79366.5227.0868.33130.89168.46204.88240.13274.22307.15338.92369.5322.8064.30134.70172.16208.45243.59277.56310.38342.03372.52铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W100表示, 它是铂热电阻在100时电阻值R100与0时电阻值R0之比。 按IEC标准, 工业使用的铂热电阻的W1001.3850。 2、铜热电阻 由于铂是贵重金属, 因此, 在一些测量精度要求

29、不高且温度较低的场合, 可采用铜热电阻进行测温, 它的测量范围为-50+150。 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的, 可近似地表示为: Rt=R0（1+t） 式中为铜热电阻的电阻温度系数, 取=4.2810-3/。 铜 热 电 组 的 两 种 分 度 号 为 Cu50(R0=50)和 Cu100（R100=100）。 铜热电阻线性好, 价格便宜, 但它易氧化, 不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。 二、热电阻的结构二、热电阻的结构 工业用热电阻的结构如图所示。 它由电阻体、 绝缘管、保护套管、引线和接线盒等部分组成。 铂热电阻结构 铜热电阻结构 1云母骨架；2铂丝；3弹簧支撑片；4银引出线1骨架；2漆包铜线；3引出线 热电阻内部引线方式有两线制、 三线制和四线制三种。 二线制中引线电阻对测量影响大, 用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。 四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响, 用于高精度温度检测。三、三、 金属热电阻测量电路金属热电阻测量电路 四、热电阻的应用四、热电阻的应用 采用铂热电阻的测量电路