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1、第10章 熱電勢傳感器10.1 溫度測量溫度測量一、一、溫度概述溫度概述 1 溫度與溫標(biāo)溫度與溫標(biāo)溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。物體的許多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)。許多生產(chǎn)過程都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的,需要測量溫度和控制溫度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對溫度的測量越來越普遍,而且對溫度測量的準(zhǔn)確度也有更高的要求。溫度是表征物體冷熱程度的物理量。為了定量地描述溫度的高低,必須建立溫度標(biāo)尺,即溫標(biāo)。溫標(biāo)就是溫度的數(shù)值表示。第10章 熱電勢傳感器歷史上提出過多種溫標(biāo),如早期的經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)（攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)）,理論上的熱力學(xué)溫標(biāo)等。當(dāng)前世界通用的是1990年制定的國際溫標(biāo)（ITS-9

2、0）,它同時(shí)定義了國際開爾文溫度（符號T90）和國際攝氏溫度（符號t90）。T90和t90之間的關(guān)系為在實(shí)際應(yīng)用中,一般直接用T 和t 代替T90和t90第10章 熱電勢傳感器2 溫度測量的主要方法和分類溫度測量的主要方法和分類(1)溫度傳感器的組成通常由現(xiàn)場的感溫元件和控制室的顯示裝置兩部分組成,如下圖所示。簡單的溫度傳感器往往是溫度傳感器和顯示組成一體的,一般在現(xiàn)場使用。第10章 熱電勢傳感器接觸式測溫方法是使溫度敏感元件和被測溫度對象相接觸,當(dāng)被測溫度與感溫元件達(dá)到熱平衡時(shí),溫度敏感元件與被測溫度對象的溫度相等。這類溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，精度高，穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。這類

3、測溫方法的溫度傳感器主要有:基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度傳感器，基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的電阻式溫度傳感器，基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度傳感器。接觸式測量熱傳遞原理。非接觸式測量熱輻射原理。(2)溫度測量方法及分類第10章 熱電勢傳感器非接觸式測溫方法是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量的大小與溫度有關(guān),并且以電磁波形式向四周輻射,當(dāng)選擇合適的接收檢測裝置時(shí),便可測得被測對象發(fā)出的熱輻射能量并且轉(zhuǎn)換成可測量和顯示的各種信號,實(shí)現(xiàn)溫度的測量。這類測溫方法的溫度傳感器主要有光電高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器、光纖高溫傳感器等。非接觸式溫度傳感器理論上不存在熱接觸

4、式溫度傳感器的測量滯后和在溫度范圍上的限制,可測高溫、腐蝕、有毒、運(yùn)動(dòng)物體及固體、液體表面的溫度,不干擾被測溫度場,但精度較低,使用不太方便。第10章 熱電勢傳感器二、二、膨脹式溫度傳感器膨脹式溫度傳感器根據(jù)液體、固體、氣體受熱時(shí)產(chǎn)生熱膨脹的原理,這類溫度傳感器有液體膨脹式、固體膨脹式和氣體膨脹式。1 液體膨脹式液體膨脹式它是利用液體受熱后體積膨脹原理來測量溫度的。常用的電接點(diǎn)式傳感器。它有固定式和可調(diào)式兩種。圖10-4所示為可調(diào)電接點(diǎn)式溫度計(jì),其中一根鉑絲接在毛細(xì)管下部固定處,另一根鉑絲根據(jù)設(shè)定溫度可以上下移動(dòng),當(dāng)升至設(shè)定溫度時(shí),鉑絲與水銀柱接通,反之?dāng)嚅_,這種既可指示,又能發(fā)出通斷信號,常

5、用于溫度測量和雙位控制。第10章 熱電勢傳感器2 固體膨脹式固體膨脹式固體膨脹式是以雙金屬元件作為溫度敏感元件受熱而產(chǎn)生膨脹變形來測溫的。它由兩種線膨脹系數(shù)不同的金屬緊固結(jié)合而成雙金屬片,為提高靈敏度常作成螺旋形。圖10-5所示為雙金屬溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。螺旋形雙金屬片一端固定,另一端連接指針軸,當(dāng)溫度變化時(shí),雙金屬片彎曲變形,通過指針軸帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)顯示溫度。它常用于測量-80600范圍的溫度,抗震性能好，讀數(shù)方便,但精度不太高,用于工業(yè)過程測溫、上下限報(bào)警和控制。第10章 熱電勢傳感器3 氣體膨脹式氣體膨脹式氣體膨脹式是利用封閉容器中的氣體壓力隨溫度升高而升高的原理來測溫的,利用這種原理測溫

6、的溫度計(jì)又稱壓力計(jì)式溫度計(jì),如下圖10-6所示。溫包、毛細(xì)管和彈簧管三者的內(nèi)腔構(gòu)成一個(gè)封閉容器,其中充滿工作物質(zhì)（如氣體常為氮?dú)猓?工作物質(zhì)的壓力經(jīng)毛細(xì)管傳給彈簧管,使彈簧管產(chǎn)生變形,并由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針,指示出被測溫度的數(shù)值。壓力溫度計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、抗振及耐腐蝕性能好,與微動(dòng)開關(guān)組合可作溫度控制器用,但它的測量距離受毛細(xì)管長度限制,一般充液體可達(dá)20m,充氣體或蒸汽可達(dá)60m。第10章 熱電勢傳感器圖106第10章 熱電勢傳感器10.2 熱電偶傳感器熱電偶傳感器熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它構(gòu)造簡單,使用方便,具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性,溫度測量范圍寬,在溫度測量中占有重要的地位

7、。1.熱電偶測溫原理熱電偶測溫原理兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路,如圖所示。當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢。這種現(xiàn)象成為熱電效應(yīng)。該電動(dòng)勢稱為熱電動(dòng)勢。這兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。兩個(gè)接點(diǎn),一個(gè)稱為工作端(熱端)，另一個(gè)稱為自由端(冷端)。它所產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。第10章 熱電勢傳感器接觸電勢是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢。接觸電勢的大小取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。其數(shù)值可用下式計(jì)算式中:K 為波爾茲曼常數(shù);e 為單位電荷電量;NA(t)、NB(t)分別是導(dǎo)體A、B在溫度為t時(shí)

8、的電子密度。第10章 熱電勢傳感器溫差電勢是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。當(dāng)同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí),高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大,因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多,結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電,低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電,因此,在導(dǎo)體兩端便形成接觸電勢,其大小由下面公式給出:第10章 熱電勢傳感器假設(shè)NANB，T T0，則熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢為EAB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)EAB(T0)EA(T,T0)(10-6)由于溫差電勢比接觸電勢小很多,可忽略,從而得EAB(T,T0)=EAB(T)EAB(T0)（10-7

9、）對于已選定的熱電偶,當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí),EAB(T0)=C為常數(shù),則總的熱電動(dòng)勢就只與溫度T 成單值函數(shù)關(guān)系,即EAB(T,T0)=EAB(T)C=f(T)此式表明，只要測量出EAB(T,T0)的大小，就可知道T，這就是熱電偶的測溫原理。第10章 熱電勢傳感器實(shí)際應(yīng)用中,熱電勢與溫度之間關(guān)系是通過熱電偶分度表來確定的。分度表是在參考端溫度為0時(shí),通過實(shí)驗(yàn)建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。用熱電偶測溫,還要掌握熱電偶基本定律。下面引述幾個(gè)常用的熱電偶定律。2.熱電偶基本定律熱電偶基本定律（1）中間導(dǎo)體定律在熱電偶測溫回路內(nèi),接入第三種導(dǎo)體時(shí),只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對

10、回路的總熱電勢沒有影響。證明如下：第10章 熱電勢傳感器設(shè)接入第三種導(dǎo)體的回路如圖10-8所示。由于溫差電勢可忽略不計(jì),則回路中總熱電勢等于各接點(diǎn)的接觸電勢之和。即EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)(10-9)當(dāng)T=T0時(shí),有EBC(T0)+ECA(T0)=EAB(T0)（10-10）將(1010)式代入(10-9）式中得E(T,T0)=EAB(T)EAB(T0)=EAB(T,T0)（10-11）證畢第10章 熱電勢傳感器(2)中間溫度定律在熱電偶測溫回路中，設(shè)Tc為熱電偶極板上某一點(diǎn)的溫度。熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)的熱電勢EAB(T,T0)等于熱電偶A

11、B在接點(diǎn)溫度T、Tc和Tc、T0時(shí)的熱電勢EAB(T,Tc)和EAB(Tc,T0)的代數(shù)和（見圖10-7）,即：該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測溫回路中，利用熱電偶這一性質(zhì)，可對參考端溫度不為0的熱電勢進(jìn)行修正。第10章 熱電勢傳感器(3)均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中,不論導(dǎo)體的截面和長度如何，各處的溫度分布如何,都不能產(chǎn)生熱電勢。這條定理說明,熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的勻質(zhì)材料構(gòu)成。且熱電偶的熱電勢僅與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。如果熱電偶的電極是非勻質(zhì)導(dǎo)體，當(dāng)導(dǎo)體上存在溫差時(shí)，將會(huì)有附加電動(dòng)勢產(chǎn)生。從而造成測量誤差。所以，熱電極材料的均

12、勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)之一。第10章 熱電勢傳感器3.熱電偶類型熱電偶類型理論上講,任何兩種不同材料的導(dǎo)體都可以組成熱電偶,但為了準(zhǔn)確可靠地測量溫度,對組成熱電偶的材料必須經(jīng)過嚴(yán)格的選擇。工程上用于熱電偶的材料應(yīng)滿足以下條件:熱電勢變化盡量大,熱電勢與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系,物理、化學(xué)性能穩(wěn)定,易加工,復(fù)現(xiàn)性好,便于成批生產(chǎn),有良好的互換性。目前國際上被公認(rèn)比較好的熱電偶材料只有幾種。國際電工委員會(huì)（IEC）向世界各國推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,它已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中,具有統(tǒng)一的分度表。我國從1988年開始采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶。表10-1為我國采用的幾種熱電偶的

13、主要性能和特點(diǎn)。第10章 熱電勢傳感器表表101 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn)第10章 熱電勢傳感器第10章 熱電勢傳感器表中所列的每一種熱電偶中前者為熱電偶的正極,后者為負(fù)極。目前工業(yè)上常用的有四種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,即鉑銠30-鉑銠6,鉑銠10-鉑,鎳鉻-鎳硅和鎳鉻-銅鎳（我國通常稱為鎳鉻-康銅）熱電偶,它的分度表見下表10-2至表10-5另外,目前還生產(chǎn)一些特殊用途的熱電偶,以滿足特殊測溫的需要。如用于測量3800超高溫的鎢鎳系列熱電偶,用于測量2273K的超低溫的鎳鉻-金鐵熱電偶等。第10章 熱電勢傳感器表表102 S型（鉑銠型（鉑銠10鉑）熱電偶分度表鉑）熱電偶

14、分度表第10章 熱電勢傳感器表表103 B型（鉑銠型（鉑銠30 鉑鉑6）熱電偶分度表）熱電偶分度表第10章 熱電勢傳感器表表104 K型（鎳鉻型（鎳鉻 鎳硅）熱電偶分度表鎳硅）熱電偶分度表第10章 熱電勢傳感器表表105 E型（鎳鉻型（鎳鉻 銅鎳）熱電偶分度表銅鎳）熱電偶分度表第10章 熱電勢傳感器4.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件,熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。(1)普通型熱電偶普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多,它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成，其結(jié)構(gòu)如下圖109所示。普通型熱電偶按其安裝時(shí)的連接形式可分為固定螺紋

15、連接、固定法蘭連接、活動(dòng)法蘭連接、無固定裝置等多種形式。第10章 熱電勢傳感器圖圖 109第10章 熱電勢傳感器(2)鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體,如下圖10-10所示。它可以做得很細(xì)很長,使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測溫端熱容量小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,機(jī)械強(qiáng)度高,撓性好,可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上,因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。第10章 熱電勢傳感器圖圖 1010第10章 熱電勢傳感器(3)薄膜熱電偶薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料,用真空蒸鍍、化學(xué)凃?qū)拥绒k法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶,如下圖10-1

16、1所示。薄膜熱電偶的熱接點(diǎn)可以做得很?。杀〉?.010.1m）,具有熱容量小,反應(yīng)速度快等的特點(diǎn),熱相應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級,適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測量。第10章 熱電勢傳感器圖圖 10-11第10章 熱電勢傳感器5.熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及冷端溫度補(bǔ)償方法熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及冷端溫度補(bǔ)償方法從熱電偶測溫基本公式可以看到,對某一種熱電偶來說熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與工作端溫度t和自由端溫度t0有關(guān),即:EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)（10-13）熱電偶的分度表是以t0=0作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的,而在實(shí)際使用過程中,參考端溫度往往不為0,那么工作端溫度為t 時(shí),分度表所對

17、應(yīng)的熱電勢EAB(t,0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢EAB(t,t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式:EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)第10章 熱電勢傳感器由此可見,EAB(t0,0)是參考端溫度t0的函數(shù),因此需要對熱電偶參考端溫度進(jìn)行處理。(1)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線在實(shí)際測溫時(shí),需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表,這樣參考端溫度t0也比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線,它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬導(dǎo)線制成,而且在0100溫度范圍內(nèi),要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。

18、常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線列于表10-6第10章 熱電勢傳感器表表 10 6第10章 熱電勢傳感器(2)冷端溫度修正法采用補(bǔ)償導(dǎo)線可使熱電偶的參考端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方,但只要參考端溫度不等于0,需要對熱電偶回路的電勢值EAB(t,t0)加以修正,修正值為EAB(t0,0)。即：EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)經(jīng)修正后的實(shí)際熱電勢EAB(t,0),可由分度表中查出被測實(shí)際溫度值t。(3)參考端0恒溫法在實(shí)驗(yàn)室及精密測量中,通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中,以便參考端溫度保持0,這種方法又稱冰浴法。第10章 熱電勢傳感器(4)冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（補(bǔ)償電橋法）補(bǔ)償電橋法

19、是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補(bǔ)償信號,來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為0或變化而引起熱電勢的變化值。如下圖10-12所示,不平衡電橋由三個(gè)電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻R1、R2、R3電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻RCu和穩(wěn)壓電源組成。補(bǔ)償電橋與熱電偶參考端處在同一環(huán)境溫度,但由于RCu的阻值隨環(huán)境溫度變化而變化,如果適當(dāng)選擇橋臂電阻和橋路電流,就可以使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab補(bǔ)償由于參考端溫度t0變化引起的熱電勢EAB(t,t0)變化量,從而達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康?。?0章 熱電勢傳感器圖圖1012第10章 熱電勢傳感器4 熱電偶測溫線路熱電偶測溫線路熱電偶測溫時(shí),它可以

20、直接與顯示儀表（如電子電位差計(jì)、數(shù)字表等）配套使用,也可與溫度變送器配套,轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號,圖10-13為典型的熱電偶測溫線路。如用一臺顯示儀表顯示多點(diǎn)溫度時(shí),可按圖10-14連接,這樣可節(jié)約顯示儀表和補(bǔ)償導(dǎo)線。特殊情況下,熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用,但只能是同一分度號的熱電偶,且參考端應(yīng)在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián),可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度。在測量兩點(diǎn)溫差時(shí),可采用熱電偶反向串聯(lián)。利用熱電偶并聯(lián)可以測量平均溫度。熱電偶串、并聯(lián)線路如圖10-15所示第10章 熱電勢傳感器10.3 熱電阻傳感器熱電阻傳感器熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測溫的。熱電阻

21、傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類,一般把金屬熱電阻稱為熱電阻,而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。熱電阻廣泛用來測量-200+850范圍內(nèi)的溫度,少數(shù)情況下,低溫可測量至1K,高溫達(dá)1000。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高,并作為復(fù)現(xiàn)國際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。熱電阻傳感器由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表組成,如下圖10-16所示。熱電阻也可與溫度變送器連接,轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。第10章 熱電勢傳感器圖圖 10-16第10章 熱電勢傳感器（一）常用熱電阻常用熱電阻用于制造熱電阻的材料應(yīng)具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率,R-t關(guān)系最好成線性,物理化學(xué)性能穩(wěn)定,復(fù)現(xiàn)性好等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電

22、阻和銅熱電阻。1.鉑熱電阻鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠,所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標(biāo)準(zhǔn),鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200+850。在-2000的溫度范圍內(nèi):Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100)(10-15)第10章 熱電勢傳感器在0850的溫度范圍內(nèi):Rt=R0(1+At+Bt2)式中：Rt和R0分別為t和0時(shí)鉑電阻值;A、B和C為常數(shù)。在ITS-90中,這些常數(shù)規(guī)定為:A=3.908310-13/B=-5.77510-7/2C=-4.18310-12/4第10章 熱電勢傳感器從上式看出,熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與R0有關(guān)。目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有

23、R0=10和R0=100兩種,它們的分度號分別為Pt10和Pt100,其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應(yīng)分度表,即Rt-t的關(guān)系表,這樣在實(shí)際測量中,只要測得熱電阻的阻值Rt,便可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。Pt100的分度表見下表10-7。鉑熱電阻中的鉑絲純度用電阻比W100表示,它是鉑熱電阻在100時(shí)電阻值R100與0時(shí)電阻值R0之比。即W100=R100/R0(W100越大，其純度越高）按IEC標(biāo)準(zhǔn),工業(yè)使用的鉑熱電阻的W1001.3850。第10章 熱電勢傳感器表表 10-7第10章 熱電勢傳感器2.銅熱電阻由于鉑是貴重金屬。因此,在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合

24、,可采用銅熱電阻進(jìn)行測溫,它的測量范圍為-50+150。其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的,可近似地表示為:Rt=R0（1+t）（10-17）式中：=4.2810-3/為銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)。銅熱電組的兩種分度號為Cu50(R0=50)和Cu100（R100=100）。銅熱電阻線性好,價(jià)格便宜,但它易氧化,不適宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。第10章 熱電勢傳感器（二）（二）熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻的結(jié)構(gòu)工業(yè)用熱電阻的結(jié)構(gòu)如圖10-17所示。它由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒等部分組成。電阻體由電阻絲和電阻支架組成。電阻絲采用雙線無感繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上,支架起支撐

25、和絕緣作用,引出線通常采用直徑1mm的銀絲或鍍銀銅絲,它與接線盒柱相接,以便與外接線路相連而測量顯示溫度。第10章 熱電勢傳感器用熱電阻傳感器進(jìn)行測溫時(shí),測量電路經(jīng)常采用電橋電路。而熱電阻與檢測儀表可能相隔一大段距離,因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有較大的影響。為了減少影響，熱電阻的引線方式通常有兩線制、三線制和四線制三種。具體測量電路見圖10-22其中，二線制中引線電阻對測量影響大,用于測溫精度不高場合。三線制可以減小熱電阻與測量儀表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響,用于高精度溫度檢測。第10章 熱電勢傳感器（三）（三）熱敏電阻熱敏電阻通常

26、熱敏電阻是由某些金屬氧化物和其他化合物按不同比例混合后精制而成。1.熱敏電阻的特點(diǎn)（1）熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大。且溫度系數(shù)由正負(fù)之分。具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻稱作PTC，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻稱作NTC，臨界溫度系數(shù)的熱敏電阻稱作CTR。（2）熱敏電阻是非線性元件，即電阻值與溫度之間成非線性關(guān)系，或電壓電流特性是非線性。典型熱敏電阻非線性特性如圖所示。（3）結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械性能好。可根據(jù)不同要求制成各種形狀。第10章 熱電勢傳感器2.熱敏電阻的分類與符號熱敏電阻的分類與符號熱敏電阻分為直熱式和旁熱式兩種，一般直熱式為兩端器件，而旁熱式為四端器件，它除了半導(dǎo)體外還有金屬絲繞制的加熱器，。其符號如

27、下圖所示直熱式熱敏電阻旁熱式熱敏電阻第10章 熱電勢傳感器3.熱敏電阻型號和主要參數(shù)熱敏電阻型號和主要參數(shù)第10章 熱電勢傳感器10.4 集成溫度傳感器集成溫度傳感器集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流電壓特性與溫度的關(guān)系,把感溫PN結(jié)及有關(guān)電子線路集成在一個(gè)小硅片上,構(gòu)成一個(gè)小型化、一體化的專用集成電路片。集成溫度傳感器具有體積小、反應(yīng)快、線性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),由于PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制,它只能用來測150以下的溫度。1基本工作原理基本工作原理目前在集成溫度傳感器中,都采用一對非常匹配的差分對管作為溫度敏感元件。下圖是集成溫度傳感器基本原理圖。第10章 熱電勢傳感器圖10-18集

28、成溫度傳感器基本原理其中V1和V2是互相匹配的晶體管，I1和I2分別是V1和V2管的集電極電流,由恒流源提供。第10章 熱電勢傳感器V1和V2管的兩個(gè)發(fā)射極和基極電壓之差Ube可用下式表示,即:式中：K是波爾茲曼常數(shù);q是電子電荷量;T是絕對溫度;是V1和V2管發(fā)射結(jié)的面積之比。從式中看出,如果保證I1/I2恒定,則Ube就與溫度T成單值線性函數(shù)關(guān)系。這就是集成溫度傳感器的基本工作原理,在此基礎(chǔ)上，可設(shè)計(jì)出各種不同電路以及不同輸出類型的集成溫度傳感器。第10章 熱電勢傳感器1 集成溫度傳感器的信號輸出方式集成溫度傳感器的信號輸出方式(1)電壓輸出型電壓輸出型集成溫度傳感器電路圖如下圖10-19

29、所示。當(dāng)電流I1恒定時(shí),通過改變R1的阻值,可實(shí)現(xiàn)I1=I2,當(dāng)晶體管的1時(shí),電路的輸出電壓可由下式確定,即:若取R1=940,R2=30K,=37,則電路輸出的溫度系數(shù)為:（10-19）第10章 熱電勢傳感器10-19當(dāng)電流I1恒定時(shí)，通過改變R1的阻值，可實(shí)現(xiàn)I1=I2，當(dāng)1時(shí)第10章 熱電勢傳感器（2）電流輸出型圖10-20為電流輸出型集成溫度傳感器的原理電路圖。V1和V2是結(jié)構(gòu)對稱的兩個(gè)晶體管,作為恒流源負(fù)載,V3和V4管是測溫用的晶體管,其中V3管的發(fā)射結(jié)面積是V4管的8倍,即=8。流過電路的總電流IT為:式中當(dāng)R和一定時(shí),電路的輸出電流與溫度有良好的線性關(guān)系。若取R為358,則電路

30、輸出的溫度系數(shù)為:（10-20）第10章 熱電勢傳感器電流輸出型典型的集成溫度傳感器有美國AD公司生產(chǎn)的AD590,我國產(chǎn)的SG590也屬于同類型產(chǎn)品?；倦娐放c圖10-20一樣,只是增加了一些啟動(dòng)電路,防止電源反接以及使左右兩支路對稱的附加電路,以進(jìn)一步地提高性能。AD590的電源電壓430V,可測溫度范圍-50+150。*2AD590集成溫度傳感器應(yīng)用實(shí)例集成溫度傳感器應(yīng)用實(shí)例AD590是應(yīng)用廣泛的一種集成溫度傳感器,由于它內(nèi)部有放大電路,再配上相應(yīng)外電路,方便地構(gòu)成各種應(yīng)用電路。下面介紹AD590幾種簡單的應(yīng)用線路。第10章 熱電勢傳感器(1)溫度測量電路圖 10-21 是 一 個(gè) 簡

31、單 的 測 溫 電 路，AD590在25（298.2K）時(shí),理想輸出電流為298.2A,但實(shí)際上存在一定誤差,可以在外電路中進(jìn)行修正。將AD590串聯(lián)一個(gè)可調(diào)電阻,在已知溫度下調(diào)整電阻值,使輸出電壓UT滿足1mV/k的關(guān)系（如25時(shí),UT應(yīng)為298.2mV）。調(diào)整好以后,固定可調(diào)電阻,即可由輸出電壓VT讀出AD590所處的熱力學(xué)溫度。(2)控溫電路簡單的控溫電路如圖10-22所示。AD311為比較器,它的輸出控制加熱器電流,調(diào)節(jié)R1可改變比較電壓,從而改變了控制溫度。AD581是穩(wěn)壓器,為AD590提供一個(gè)合理的穩(wěn)定電壓。第10章 熱電勢傳感器(3)熱電偶參考端補(bǔ)償電路該種補(bǔ)償電路如下圖10-

32、23所示。AD590應(yīng)與熱電偶參考端處于同一溫度下。AD580是一個(gè)三端穩(wěn)壓器,其輸出電壓VOUT=2.5V。電路工作時(shí),調(diào)整電阻R2使得:I1=t010-3mA這樣在電阻R1上產(chǎn)生一個(gè)隨參考端溫度t0變化的補(bǔ)償電壓U1=I1R1。當(dāng)熱電偶參考端溫度為t0,其熱電勢EAB(t0,0)St0,S為塞貝克系數(shù)（v/）。補(bǔ)償時(shí)應(yīng)使U1與EAB(t0,0)近似相等,即R1與塞貝克系數(shù)相等,不同分度號的熱電偶,R1的阻值亦不同。第10章 熱電勢傳感器10第10章 熱電勢傳感器這種補(bǔ)償電路靈敏、準(zhǔn)確、可靠、調(diào)整方便,溫度變化在1535范圍內(nèi),可獲得5的補(bǔ)償精度。作業(yè)：P25415-1;15-7;15-8第

33、10章 熱電勢傳感器課間休息第10章 熱電勢傳感器第10章 熱電勢傳感器10-17第10章 熱電勢傳感器10I1=I2V3,V4測溫第10章 熱電勢傳感器10第10章 熱電勢傳感器10第10章 熱電勢傳感器圖圖 10-13第10章 熱電勢傳感器圖圖 10-14第10章 熱電勢傳感器圖圖 10-15第10章 熱電勢傳感器10第10章 熱電勢傳感器TT0ABCCT0圖108具有三種導(dǎo)體的熱電路回路第10章 熱電勢傳感器第10章 熱電勢傳感器第10章 熱電勢傳感器第10章 熱電勢傳感器第10章 熱電勢傳感器第10章 熱電勢傳感器假設(shè)NANB，T T0，則熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢為EAB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)EAB(T0)EA(T,T0)由于溫差電勢比接觸電勢小很多,可忽略,從而得EAB(T,T0)=EAB(T)EAB(T0)