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传感器第二章 温度检测


第二章 温度检测

概述
温度的定义: 宏观概念---是物体冷热程度的表示. 热平衡的两物体,其温度相等。 微观概念---是大量分子运动平均强度的 表示。 分子运动愈激烈其温度表现越高。

2.1 温标及测温方法
2.1.1 温标 温标:用来衡量温度高低的标准尺度。 一、经验温标: 1.以物体热胀冷缩现象为基础。 2

.把在两温度点之间体积的总变化分为 若等分,每个等分定义为1度。

2.1.1 温标
摄氏温标:它把冰点定为0度,把水的沸点 定位100度,将两个固定点之间的距离等分 为100份,每一份为1度,记为℃。 华氏温标:它规定水的沸腾温度为212度, 氯化铵和冰的混合物为0度,这两个固定点 中间等分为212份,每一份为1度,记为℉。

9 t ?F ? t ?C ? 32 5

2.1.1 温标
二、热力学温标
热力学温标为了在分度上和摄氏温标相 一致,把理想气体压力为零时对应的温 度——绝对零度与水的三相点温度分为 273.16份,每份为1 K(Kelvin) 。

2.1.1 温标
三、国际实用温标
国际实用温标的惟一基准点为水的三相点。

t ?C ? T K ? 273.15

2.1.2 温度检测的主要方法及分类
温度测量分为接触式和非接触式两大类。 1.接触式测温:测温元件与被测对象接触,依靠 传热和对流进行热交换。 优点:结构简单、可靠,测温精度较高。 缺点:容易破坏被测对象的温度场; 不适于测量高温对象、处于运动中的 对象; 高温和腐蚀性介质影响感温元件的性能 和寿命。

2.1.2 温度检测的主要方法及分类
2.非接触式测温:测温元件不与被测对象接触, 而是通过热辐射进行热交换,或测温元件接收 被测对象的部分热辐射能,由热辐射能大小推 出被测对象的温度。 优点:具有较高的测温上限; 热惯性小,可达千分之一秒,故便于测 量运动物体的温度和快速变化的温度。
缺点:容易受到外界因素的干扰,测量误差较 大,且结构复杂,价格比较昂贵。

2.1.2 温度检测的主要方法及分类
温度传感器应满足的条件:
?

特性与温度之间的关系要适中,并容易检测和 处理,且随温度呈线性变化; 除温度以外,特性对其它物理量的灵敏度要低; 特性随时间变化要小;

? ?

?

重复性好,没有滞后和老化;

2.1.2 温度检测的主要方法及分类
?

灵敏度高,坚固耐用,体积小,对检测对象的
影响要小; 机械性能好,耐化学腐蚀,耐热性能好; 能大批量生产,价格便宜等。

? ?

2.2 膨胀式温度计
?

?

膨胀式温度计是基于物体受热时产生膨 胀的原理,分为液体膨胀式和固体膨胀 式两类。 膨胀式温度计种类很多,按膨胀基体可 分成液体膨胀式玻璃温度计、液体或气 体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金 属温度计。

2.2.1 双金属温度计

2.2.1 双金属温度计

2.2.1 双金属温度计

2.2.1 双金属温度计
?

?

优点:抗振性能好、结构简单、读数方 便。 缺点:测量范围不大(-80℃~600℃); 精度不高(通常为1.5级左右)。

2.2.2 压力式温度计

2.2.2 压力式温度计
?

优点:结构简单、强度高、抗振性较好。 缺点:精确度低、耐腐蚀性能较差。

?

2.2.3 玻璃温度计
?

玻璃液体温度计简称玻璃温度计,是一 种直读式仪表。水银是玻璃温度计最常 用的液体,其凝固点为-38.9℃、测温上 限为538℃。

2.2.3 玻璃温度计
?

?

全浸式:测温准 确度高,但读刻 度困难,使用操 作不便。 局浸式:读数容 易,但测量误差 较大,即使采取 修正措施其误差 比全浸式仍要大 好几倍或更多。

2.3 电阻式温度传感器
?

?

?

热电阻测温原理:金属导体或半导体的 电阻值随温度变化的性质,将电阻值的 变化转换为电信号,从而达到测温的目 的。 大多数金属在温度升高1 ?C 时电阻将增 加0.4%~0.6%。 半导体电阻一般随温度升高而减小,其 灵敏度比金属高,每升高1 ?C ,电阻约 减小2%~6%。

2.3 电阻式温度传感器
?

1. 2. 3. 4. 5.

制造热电阻的材料要求: 电阻温度系数大; 电阻率高; 热容量、热惯性要小 在测温范围内, 物理、化学性能稳定; 材料质纯、 加工方便和价格便宜等。

2.3.1 金属热电阻传感器
? ?

一、热电阻的类型 目前由纯金属制造的热电阻的主要材料 是铂、铜和镍。

2.3.1 金属热电阻传感器
1. 铂热电阻 优点: ? 精度高,稳定性好,性能可靠,耐氧化 性能很强; ? 容易提纯,复现性好; ? 有较高的电阻率。

2.3.1 金属热电阻传感器
缺点: ? 在高温下, 易受还原性介质污染; ? 电阻温度系数比较小; ? 价格贵。

2.3.1 金属热电阻传感器
? ?

?

测温范围: -200~850℃ 目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10, 其中Pt100更为常用。 电阻和温度的关系:

当 ? 200 ? t ? 0℃时, ?1 ? At ? Bt 2 ? Ct 3 ? t ? 100 ? ? R ? t ? ? R0 ? ?

当0 ? t ? 850℃时,R ? t ? ? R0 ?1 ? At ? Bt 2 ?

2.3.1 金属热电阻传感器
2.铜热电阻 优点: ? 电阻值与温度的关系几乎呈线性(-50 ℃ ~150℃); ? 材料易提纯,价格低廉; ? 温度系数大,灵敏度较高。

2.3.1 金属热电阻传感器
缺点: ? 电阻率小,电阻体积较大; ? 热惯性较大,稳定性较差; ? 容易氧化。

2.3.1 金属热电阻传感器
? ?

?

测温范围: -50 ℃ ~150℃ 目前国标规定的铜热电阻有Cu50和 Cu100两种 电阻和温度的关系:

当 ? 50 ? t ? 150℃时,R ? t ? ? R0 ?1 ? ? t ?

2.3.1 金属热电阻传感器
二、热电阻的结构 热电阻的结构通常由电阻体、 绝缘体、 保护套管和接线盒四部分组成。

2.3.1 金属热电阻传感器
三、热电阻传感器的测量电路

二线制

2.3.1 金属热电阻传感器
R2 Es R3
r r Rt r
r4

R1

I

?A

r1

r3

?Rt

V

r2

三线制

四线制

2.3.1 金属热电阻传感器
?

?

?

热电阻的端子有三种不同的连接方式: 二线式、 三线式和四线式。 二线式适用于印制电路板上, 测量回路 与传感器不太远的情况。 在距离较远时, 为消除引线电阻受环境 温度影响造成的测量误差, 需要采用三 线式或四线式接法。

2.3.2 半导体热敏电阻传感器
一、特性 ? 温度特性 ? 伏安特性
二、主要参数

2.3.2 半导体热敏电阻传感器
三、热电阻的特点 优点: ? 灵敏度高,其灵敏度比热电阻要大1~2个数量 级; ? 很好地与各种电路匹配,而且远距离测量时几 乎无需考虑连线电阻的影响; ? 体积小; ? 热惯性小,响应速度快,适用于快速变化的测 量场合; ? 结构简单坚固,能承受较大的冲击、振动。

2.3.2 半导体热敏电阻传感器
缺点: ? 阻值与温度的关系非线性严重; ? 元件的一致性差,互换性差; ? 元件易老化,稳定性较差; ? 除特殊高温热敏电阻外,绝大多数热敏 电阻仅适合0~150℃范围,使用时必须 注意。

2.3.2 半导体热敏电阻传感器
四、热敏电阻的应用 1. 温度测量-----NTC 2. 温度补偿-----NTC 3. 温度控制-----NTC 4. 过热保护-----PTC

2.3.2 半导体热敏电阻传感器
?

?

?

?

大多数:负温度系数。热敏电阻在不同值时的电阻- 温度特性,温度越高,阻值越小,且有明显的非线性。 NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数,特别适用 于:-100~+300℃之间测温。 PTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大,且有斜率最大 的区域,当温度超过某一数值时,其电阻值朝正的方 向快速变化。其用途主要是彩电消磁、各种电器设备 的过热保护等。 CTR也具有负温度系数,但在某个温度范围内电阻值 急剧下降,曲线斜率在此区段特别陡,灵敏度极高。 主要用作温度开关。 各种热敏电阻的阻值在常温下很大,不必采用三线制 或四线制接法,给使用带来方便。

2.3.2 半导体热敏电阻传感器

2.4.1 热电偶测温原理
热电偶是当前热电测温中普遍使用的一 种感温元件。 一、热电偶的特点: ? 测温范围宽(-271℃~2800℃) ? 性能稳定、准确可靠 ? 动态响应好 ? 输出直接为电信号,可以远传和记录
?

2.4.1 热电偶测温原理

二、热电偶的分类 1.按照电偶材料分类:S、B、E、K、R、J、 T 七类。 2.按用途和结构分类 按用途分类:普通工业型、专用型。 按结构分类:普通型、铠装型、薄膜型。

2.4.1 热电偶测温原理
三、测温原理 热电偶的测温原理基于热电效应。

2.4.1 热电偶测温原理
?

? ?

热电效应:将两种不同的导体A和B连成 闭合回路,当两个接点处的温度不同时, 回路中将产生一个电势,通常我们将这 种现象称为热电效应。 两极、两端。 热电偶闭合回路中产生的热电势由两种 电势组成:接触电势和温差电势。

2.4.1 热电偶测温原理
1.接触电势 ? 接触电势: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。 ? 接触电动势的数值取决于两种不同导体 的材料特性和接触点的温度。 接触电动势EAB(T) 可表示为:

kT N A (T ) EAB (T ) ? 1n e N B (T )

2.4.1 热电偶测温原理
2.温差电势 ? 温差电势:同一导体的两端因其温度不 同而产生的一种电动势。 ? 机理:高温端的电子能量要比低温端的 电子能量大,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,在导体两 端便形成温差电动势。

2.4.1 热电偶测温原理
导体A上的温差电势EA(T,T0)的表达式为:

K E A (T , T0 ) ? e

?

T

T0

1 d [N A (T )T ] N A (T )

2.4.1 热电偶测温原理
3.热电回路的热电势
A

E A (T , T0 )
T0

T
E AB (T )
B

E AB (T0 )

EB (T , T0 )
EAB(T, T0)=EAB(T)+EB(T,T0)-EAB(T0)-EA(T,T0)

2.4.1 热电偶测温原理
结论:
? ? ?

两热电极相同时,总电动势为0。 两接点温度相同时,总电动势为0。 影响因素取决于材料和接点温度,与形 状、尺寸、材料中间各处的温度等无关。

2.4.1 热电偶测温原理
?

当热电偶材料一定时,热电偶的总电动 势EAB(T,T0)成为温度T和T0的函数差,即:
EAB (T , T0 ) ? f (T ) ? f (T0 )

?

当冷端温度T0 固定时,EAB(T0)=c为常数, 则总的热电动势就只与温度T成单值函 数关系,即 :

EAB (T , T0 ) ? f (T ) ? C

2.4.1 热电偶测温原理
四、热电偶基本定律 1.均质导体定律 ? 热电偶必须由两种不同性质的均质材料 构成。 ? 意义:有助于检验两个热电极材料成分 是否相同及材料的均匀性。 ?

2.4.1 热电偶测温原理
2.中间导体定律 ? 在热电偶测温回路内,接入第三种导体 时,只要第三种导体的两端温度相同, 则对回路的总热电势没有影响。
A

t0
T
C

A

t

t0
B B

B (a)

t0

t1

C (b)

t1

EABC (t , t0 ) ? EAB (t ) ? EAB (t0 ) ? EAB (t , t0 )

2.4.1 热电偶测温原理
?

应用:利用热电偶进行测温,必须在回
路中引入连接导线和仪表,接入导线和

仪表后不会影响回路中的热电势。
t0 A t0 t B t0 C

C B

t1 t1

A

C

A

C

t (a) (b)

2.4.1 热电偶测温原理
3.中间温度定律 ? 在热电偶回路中,两接点温度为T 、 T0 时 的热电动势,等于该热电偶在接点温度 为T 、 Ta 和Ta 、 T0 时热电动势的代数和, 即:
EAB (T , T0 ) ? EAB (T , Ta ) ? EAB (Ta , T0 )

2.4.1 热电偶测温原理
应用: ? 根据这个定律,可以连接与热电偶热电特性相 近的导体A’和B’,将热电偶冷端延伸到温度 恒定的地方,这就为热电偶回路中应用补偿导 线提供了理论依据。 ? 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。 在实际热电偶测温回路中 ,利用热电偶这一性 质,可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。

2.4.1 热电偶测温原理
4.标准电极定律 ? 两种导体A、B分别与第三种导体C组成 热电偶,如果A、C和B、C热电偶的热电 动势已知、那么这两种导体A、B组成的 热电偶产生的电动势可由下式求得:
EAB (t , t0 ) ? EAC (t , t0 )-EBC (t , t0 )

2.4.1 热电偶测温原理
意义: ? 通常选用高纯铂丝作标准电极 ? 只要测得它与各种金属组成的热电偶的 热电动势,则各种金属间相互组合成热 电偶的热电动势就可根据标准电极定律 计算出来。

2.4.2 热电极材料及常用热电偶
一、热电极材料 对热电极材料的要求: 1.在测温范围内,热电性质稳定,不随时间和被 测介质变化而变化,物理、化学性能稳定,不 易被氧化或腐蚀。 2.电导率高,电阻温度系数小。 3.热电势随温度变化率要大,并在测温范围内接 近常数。 4.机械强度要高,复制性好,复制工艺简单,价 格便宜。

2.4.2 热电极材料及常用热电偶
二、标准热电偶

2.4.3 热电偶的结构
一、普通型热电偶
保护管 绝缘管 热端

接线盒

热电极

2.4.3 热电偶的结构

2.4.3 热电偶的结构
二、铠装热电偶

接线盒 固定装置 B 金属导管 绝缘材料 B-B

B

A A放大

热电极

2.4.3 热电偶的结构
铠装热电偶的优点: ? 测温端热容量小,动态响应快; ? 可弯曲安装使用; ? 机械强度高,抗干扰性好,可安装在结 构复杂的装置上。

2.4.3 热电偶的结构

2.4.3 热电偶的结构
三、薄膜热电偶
热电极 工作端 绝 缘 基 板 引 出 导 线

接头夹具

2.4.3 热电偶的结构
薄膜热电偶的特点: ? 热接点可以做得很小(μm); ? 热容量小、反应速度快(μs); ? 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。

2.4.4 热电偶冷端温度补偿
?

?

为使热电偶的热电动势与被测量间呈单 值函数关系,热电偶的参比端温度必须 固定。 热电偶的温度----热电动势关系以及分度 表是在参比端为0 ?C得到的。可采用以下 方法处理。

2.4.4 热电偶冷端温度补偿
一、补偿导线法 问题引出: ? 热电偶冷端暴露于空间,受环境温度影响。 ? 热电极长度有限(一般为350~2000mm ),冷 端受到被测温度变化的影响。 ? 需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场 数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表 (造价过高)。

2.4.4 热电偶冷端温度补偿
解决办法: ? 把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且 温度比较稳定的地方。 ? 选用一种具有和所连接的热电偶相同的 热电性能,其材料又是廉价金属导线。 ? 国际电工委员会也制定了补偿导线国际 标准,适合于标准化热电偶使用。

2.4.4 热电偶冷端温度补偿

2.4.4 热电偶冷端温度补偿
须注意的问题: 1. 补偿导线连接端的工作温度不能超出(0~100℃), 否则会给测量带来误差。 2. 各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用。 3. 由于补偿导线与电极材料通常并不完全相同,因此 两连接点温度必须相同。 4. 连接补偿导线时要注意区分正负极,使其分别与热 电偶的正负极一一对应。 5. 在需高精度测温场合,处理测量结果时应加上补偿 导线的修正值,以保证测量精度。

2.4.4 热电偶冷端温度补偿
二、计算法(冷端温度修正法) 问题引出:
?

热电偶的分度表所表征的是冷端温度为0℃时的热电势 -温度关系,与热电偶配套使用的显示仪表就是根据这 一关系进行刻度的。 在工业测温现场一般不能使冷端保持0℃。

?

?

由于计算机尤其是微处理器和单片机推广普及,因而,
智能化测温仪普遍按下述以软件为主的补偿方式。

2.4.4 热电偶冷端温度补偿
解决办法: ? 由中间温度定律可知,假定当热电偶的 测量端和参考端温度分别为t、t0,则热 电动势:
EAB ? t,0? ? EAB ? t,t0 ? ? EAB ? t0,0?

2.4.4 热电偶冷端温度补偿

2.4.4 热电偶冷端温度补偿
例题: ? 用S型热电偶测炉温时,测得参比端温度 t1=38℃;测得测量端和参比端间的热电 动势E(t, 38)=6.465 mV,试求实际炉温。

2.4.4 热电偶冷端温度补偿
三、补偿电桥法:利用不平衡电桥产生的 电动势可以补偿热电偶参考端因温度变 化而产生的热电势, 称为电桥补偿法。

2.4.4 热电偶冷端温度补偿

t0 ? ? E AB (t , t0 ) ? ? ? ? ? ? R CU ? U AB ? ? ? ? ? E AB (t , t0 ) ? U AB ? 恒定值
E

R4

R1
A

R2
B

Rcu

R3





t

2.4.4 热电偶冷端温度补偿
?

四个桥臂的电阻R1、R2、R3为1Ω,电阻 RCu在温度为20℃时电阻值也为1Ω

2.4.4 热电偶冷端温度补偿
四、冰浴法( 0?C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, 以便冷端温度保持0℃。 ? 这是一种理想的补偿方法,但工业中使 用极为不便。

2.4.5 热电偶常用测温电路
一、测量某点温度的基本电路
补偿导线 A t B (a) 补偿导线 A t B (c) 温度 变送器 A 显示仪表 t B (d) 温度 变送器 显示仪表 t B (b) 铜导线 显示仪表 A 补偿器 显示仪表 补偿导线

热电偶典型测温线路?

(a) 普通测温线路;

(b) 带有补偿器的测温线路;

(c) 具有温度变送器的测温线路; (d) 具有一体化温度变送器的测温线路

2.4.5 热电偶常用测温电路
?

特殊情况下,热电偶可以串联或并联使用,但
只能是同一分度号的热电偶,且冷端应在同一

温度下。如热电偶正向串联, 可获得较大的热
电势输出和提高灵敏度;在测量两点温差时,

可采用热电偶反向串联;利用热电偶并联可以
测量平均温度。

2.4.5 热电偶常用测温电路
二、测量两点之间的温度差
显示仪表

A

B

B

A

t1

t2

2.4.5 热电偶常用测温电路
三、测量平均温度

特点:当有一只 热电偶烧断时, 难以觉察出来。 当然,它也不会 中断整个测温系 统的工作。

R

R

R

显 示 ET 仪 表

E1
A B A

E2
B A

E3
B

t1

t2

t3

热电偶的并联测温线路图

2.4.5 热电偶常用测温电路
四、测量几点温度之和
显示仪表

优点:热电动势大,仪 表的灵敏度大大增加, 且避免了热电偶并联线 路存在的缺点,可立即 可以发现有断路。 缺点:只要有一支热电 偶断路,整个测温系统 将停止工作。

ET t0 E1
A B A

E2
B A

E3
B

t1

t2

t3

热电偶的串联测温线路图

2.9 集成温度传感器
2.9.1 电流输出型集成温度传感器AD590
?

美国AD公司于70年代末推出体积仅同一 只小功率高频晶体管大小的集成化半导 体温度传感器AD590。

2.9.1 AD590

AD590集成温度传感器? (a) 外形; (b) 电路符号; (c) 内部原理框图

2.9.1 AD590
?

AD590的工作原理。 如图所示,在 AD590内部原理框图中,V1和V2构成 镜像恒流源,I1=I2;V3由几个与V4结 构相同的晶体管组成;V4的PN结检测 温度,UBE3和UBE4的差值ΔUBE加在电 阻R上, 则I1为
U BE3 ? U BE3 KT I 3 KT I1 ? ? ln ? ln n R q I4 q 由图可见,I0=2I1, 与温度成正比。

2.9.1 AD590
? ?

?

?

AD590的温度测量范围为-55~150℃; 校准时精度为±1.0℃,不校准时精度为 ±1.7℃; 测温灵敏度为1μA/K, 在 1 kΩ负载上可 产生1 mV/K电压。 电流输出型与电源负载串联,不受电源 电压和导线电阻的影响, 因此可以远距 离传送。

2.9.1 AD590
?

AD590输出特性如 图所示,当U>4 V

时,电流只随温度
变化, 输出阻抗约 为10 MΩ。 因此,

电源电压通常选在5
V以上。

2.9.1 AD590

特点: ? 外接线非常简单(仅两根),使用十分方便; ? 内有稳压和恒流电路,对外接电压要求 非常低; ? 非线性误差较小; ? 使用温度范围为-50—150℃; ? 它具有良好的互换性;

补充内容:
?

测温元件的选择与安装

选用原则:较高温度——热电偶 中低温区——热电阻 一般以500℃为分界,但不绝对。

测温元件的选择
原因有两点:

1. 在中低温区,热电偶输出的热电势很小, 对测量仪表放大器和抗干扰要求很高。 2. 由于冷端温度变化不易得到完全补偿, 在较低温度区内引起的相对误差就很突 出。

测温元件的安装

(c) 错误插法

(a) 斜插

(b) 插入弯头处

测温元件的安装
?

?

?

选择有代表性的测温点位置,测温元件 有足够的插入深度; 热电偶或热电阻的接线盒的出线孔应朝 下,以免积水及灰尘等造成接触不良, 防止引入干扰信号; 检测元件应避开热辐射强烈影响处。要 密封安装孔,避免被测介质溢出或冷空 气吸入而引入误差。


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