六章节热电式传感器.ppt
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1、第六章 热电式传感器,6.1 热电偶 6.2 热电阻 6.3 集成温度传感器 6.4 热电式传感器的应用,热电式传感器是一种将温度变化转换为电参量变化的装置。例如将温度变化转化为电阻、磁导或电势等的变化,通过适当的测量电路,就可由这些电参数的变化来表达所测温度的变化。 在各种热电式传感器中,以把温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换为电势大小的热电式传感器叫做热电偶,将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛的应用。另外利用半导体PN结与温度的关系所制成的结型温度传感器在窄温场中也得到了十分广泛的应用。, 热电偶是工程上应用最广泛
2、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, 在温度测量中占有重要的地位。 6.1.1 热电偶的结构原理 两种不同的导体(或半导体) 组成一个闭合回路, 如图 6- 1 所示。,6.1 热电偶传感器,图6-1 热电偶的结构组成,两种不同的导体或半导体的组合称为热电偶。 两个接点, 一个称工作端, 又称测量端或热端, 测温时将它置于被测介质中; 另一个称自由端, 又称参考端或冷端。 在图6 - 1 所示的回路中, 所产生的热电势由两部分组成: 温差电势和接触电势。 1. 接触电势 接触电势是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
3、。,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, 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。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。两接点的接触电势EAB(T)和EAB(T0)可表示为,EAB(T)= 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的电子密度。 ,2.温差电势 温差电势是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
4、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, 因此, 在导体两端便形成接触电势, 其大小由下面公式给出:,式中: NAT和NBT分别为A导体和B导体的电子密度, 是温度的函数。 3.热电势 热电偶回路中产生的总热电势为 AB(T, T0)=EAB(T)+EB(T, T0)-EAB(T0)-EA(T, T0) 在总热电势中, 温差电势比接触电势小很多, 可忽略不计, 热电偶的热电势可表示为 EAB(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 EAB(T, T0)=
5、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。用热电偶测温, 还要掌握热电偶基本定律。下面引述几个常用的热电偶定律。 6.1.2 热电偶基本定律 1. 中间导体定律 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, 接入第三种导体, 只要其两端温度相同, 则对回路的总热电势没有影响。,接入第三种导体回路如图 6-2 所示。 由于温差电势可忽略不计, 则回路中的总热电势等于各接
6、点的接触电势之和。 即 EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0) 当T= T0 时, 有 BC(T0)+ECA(T0)=-E(T0) 得 (T, T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T, T0) 同理, 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。 ,图6-2 中间导体定律,2.中间温度定律 热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势EAB(t, t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势EAB(t, tc)和EAB(tc, t0)的代数和(见图 6-3 ), 即: 该定律是参考端温度计算修正法的理论依
7、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。 ,中间温度定律的实用价值为: (1)当热电偶自由端(冷端)温度不为0时,可利用该定律及分度表求得工作端温度T; (2)热电偶长度不够时,可据此定律选用适当的补偿导线。,3.均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路中, 不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何, 都不能产生热电势。这条定理说明, 热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。,图6-3 中间温度定律,4标准电极定律 热电偶由A,B两种导体制成,若将A,B两种导体分别与第三种导体C制成如图6-4所示的热电偶,且三个热电偶的热端和冷端温度相同
8、(T,T0),则A和B热电偶的热电势EAB(T,T0)等于A和C热电偶热电势EAC(T,T0)与B和C热电偶热电势EBC(T,T0)之差,称标准电极定律。公式为: EAB(T,T0)= EAC(T,T0) EBC(T,T0),.,图6-4 标准电极定律,6.1. 3.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
9、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。表6-1 为我国采用的几种热电偶的主要性能和特点。,表6-1 标准化热电偶的主要性能特点,表中所列的每一种热电偶中前者为热电偶的正极, 后者为负极。 目前工业上常用的有四种标准化热电偶, 即铂铑30-铂铑6, 铂铑10-铂, 镍铬-镍硅和镍铬-铜镍(我国通常称为镍铬-康铜)热电偶, 它的分度表见表 6 - 2 至表 6 - 5,另外, 目前还生产一些特殊用途的热电偶,
10、 以满足特殊测温的需要。 如用于测量3800超高温的钨镍系列热电偶, 用于测量2273K的超低温的镍铬-金铁热电偶等。 6.1.4 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, 其结构如图 6 -5 所示。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、 活动法兰连接、 无固定装置等多种形式。 ,6-5 普通热电偶结构,2.铠装热电偶 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
11、伸加工而成的坚实组合体, 如图 6 - 6所示。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, 挠性好, 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。 ,图6-6 铠装热电偶,3.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, 如图 6 - 7 所示。 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。,图6-7 薄膜热电
12、偶,6.1.5.热电偶的补偿导线及参考端温度补偿方法 从热电偶测温基本公式可以看到, 对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只与工作端温度t和自由端温度t0有关, 即: EAB(t, t0)=e AB(t)-eAB(t0) 热电偶的分度表是以t0=0作为基准进行分度的, 而在实际使用过程中, 参考端温度往往不为0, 那么工作端温度为t时, 分度表所对应的热电势EAB(t, 0)与热电偶实际产生的热电势EAB(t, t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式: EAB(t, 0)= EAB(t, t0)+ EAB(t0, 0),由此可见, EAB(t0, 0)是参考端温度t0的函数, 因此需要对热
13、电偶参考端温度进行处理。 (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, 它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成, 而且在0100温度范围内, 要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。 常用热电偶的补偿导线列于表 6- 6 ,(2)参考端温度修正法采用补偿导线可使热电偶的参考端延伸到温度比较稳定的地方, 但只要参考端温度不等于0, 需要对热电偶回路的电势值加以修正, 修正值为EAB(t0 , 0)。 经修正后的实
14、际热电势, 可由分度表中查出被测实际温度值 (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。 (4)参考端温度自动补偿法(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。,如图6-8 所示, 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。 补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度, 但由于rCU的阻值随环境温度变化而变化, 如果适当选择桥
15、臂电阻和 桥路电流, 就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于参考端温度变化引起的热电势EAB(t, t0)变化量, 从而达到自动补偿的目的。 ,图6-8 补偿电桥,4 热电偶测温线路 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, 图 6 - 9 为典型的热电偶测温线路。 如用一台显示仪表显示多点温度时, 可按图 6 - 10连接, 这样可节约显示仪表和补偿导线。 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, 且参考端应在同一温度下。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。
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