第6章 温度传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 温度传感器,第一节 概 论,第二节 热电偶温度传感器,第三节 热敏电阻温度传感器,第四节,IC,温度传感器,第五节 其他温度传感器,通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势；掌握热电偶三定律及相关计算；掌握热敏电阻不同类型的特点及应用场合；掌握集成温度传感器使用方法；了解其他温度传感器工作原理。,第一节 概 论,温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用,最广泛,、发展,最快,的传感器之一。,温度是与人类生活息息相关的物理量。,在,2000,多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。,人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。,工业生产自动化流程,温度测量点要占全部测量点的一半左右。,温度是反映物体冷热状态的物理参数。,因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。,一、温度的基本概念,热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。,分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。,能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。,表示温度大小的尺度是温度的标尺，简称温标。,热力学温标,国际实用温标,摄氏温标,华氏温标,如果在式中再规定一个条件,就可以通过卡诺循环中的传热量来完全地确定温标。,1954,年，国际计量会议选定,水的三相点为,273.16,，并以它的,1/273.16,定为一度,，这样热力学温标就完全确定了，即,T,=273.16(Q,1,/Q,2,),。,1848,年威廉,汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标。因是开尔文总结出来的，故又称开尔文温标，用符号,K,表示。它是国际基本单位制之一。,根据热力学中的卡诺定理，如果在温度,T,1,的热源与温度为,T,2,的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式,1,热力学温标,Q,1,热源给予热机的传热量,Q,2,热机传给冷源的传热量,为解决国际上温度标准的同意及实用问题，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用温标,International Practical Temperature Scale of 1968(,简称,IPTS-68),，,又称国际温标。,2,国际实用温标,注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔,1K=1,。,T,0,是在标准大气压下冰的融化温度，,T,0,=273.15 K,。,水的三相点温度比冰点高出,0.01 K,。,1968,年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用,t,表示，其单位是开尔文，符号为,K,。,1K,定义为水三相点热力学温度的,1/273.16,，,水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度,，热力学温标规定三相点温度为,273.16 K,，,这是建立温标的惟一基准点。,氢,氧,三相点,沸点,54.361,90.188,-218.798,-182.962,水,三相点,沸点,273.16,373.15,0.01,100.0,锌,凝固点,692.73,419.58,银,凝固点,1235.08,961.93,金,凝固点,1337.58,1064.43,物质,三相点,平衡状态,温 度,T68/K,T68/,13.81,7.042,20.8,27.102,-259.31,-256.108,-252.87,-246.048,沸点,25/76atm,沸点,沸点,国际实用温标（,IPTS-68,）,的固定点,四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器,低温铂电阻温度计（,13.81K273.15K,）；,铂电阻温度计（,273.15K903.89K,）；,铂铑,-,铂热电偶温度计（,903.89K1337.58K,）；,光测温度计（,1337.58K,以上）。,国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号,T68,和,t68,来区别（一般简写为,T,与,t,）。,3,摄氏温标,是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压,(,即,101325Pa),下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度,(,摄氏度，,),，一般用小写字母,t,表示。与热力学温标单位开尔文并用。,摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：,4,华氏温标,目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为,32,华氏度，水的沸点为,212,华氏度，中间等分为,180,份，每一等份称为华氏一度，符号用,，它和摄氏温度的关系如下：,T=t,+273.15,K,t=T,-273.15,m,=1.8,n,+32 ,n,=5/9(,m,-32),二、温度传感器的特点与分类,随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；,蒸气压的温度变化；,电极的温度变化,热电偶产生的电动势；,光电效应,热电效应,介电常数、导磁率的温度变化；,物质的变色、融解；,强性振动温度变化；,热放射；,热噪声。,1,温度传感器的物理原理,(11),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；,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；,无危险性，无公害等。,2.,温度传感器应满足的条件,3.,温度传感器的种类及特点,接触式温度传感器,非接触式温度传感器,接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，,测量精度较低,。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。,非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。,物理现象,体积热膨胀,电阻变化,温差电现象,导磁率变化,电容变化,压电效应,超声波传播速度变化,物质 颜色,PN,结电动势,晶体管特性变化,可控硅动作特性变化,热、光辐射,种类,铂测温电阻、热敏电阻,热电偶,BaSrTiO,3,陶瓷,石英晶体振动器,超声波温度计,示温涂料 液晶,半导体二极管,晶体管半导体集成电路温度传感器,可控硅,辐射温度传感器 光学高温计,1.,气体温度计,2.,玻璃制水银温度计,3.,玻璃制有机液体温度计,4.,双金属温度计,5.,液体压力温度计,6.,气体压力温度计,1,热铁氧体,2,Fe-Ni-Cu,合金,热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅,分 类,特 征,传 感 器 名 称,超高温用传感器,1500,以上,光学高温计、辐射传感器,高温用,传感器,10001500,光学高温计、辐射传感器、热电偶,中高温用传感器,5001000,光学高温计、辐射传感器、热电偶,中温用,传感器,0500,低温用,传感器,-2500,极低温用传感器,-270-250,BaSrTiO,3,陶瓷,晶体管、热敏电阻、,压力式玻璃温度计,见表下内容,测 温 范 围,温度传感器分类,(1),分 类,特 征,传 感 器 名 称,测温范围宽、,输出小,测温电阻器、晶体管、热电偶,半导体集成电路传感器、,可控硅、石英晶体振动器、,压力式温度计、玻璃制温度计,线性型,测温范围窄、,输出大,热敏电阻,指数型,函数,开关型,特性,特定温度、输出大,感温铁氧体、双金属温度计,测 温 特 性,温度传感器分类,(2),分 类,特 征,传 感 器 名 称,测定精度,0.1,0.5,铂测温电阻、石英晶体振动,器、玻璃制温度计、气体温,度计、光学高温计,温度,标准用,测定精度,0.5,5,热电偶、测温电阻器、热敏电阻、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅,绝对值,测定用,管理温度测定用,相对值,1,5,测 定 精 度,温度传感器分类,(3),此外，还有,微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器,等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。,公元,1600,年，伽里略研制出气体温度计。一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。随着现代工业技术发展的需要，相继研制出金属丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。,1950,年以后，相继研制成半导体热敏电阻器。最近，随着原材料、加工技术的飞速发展、又陆续研制出各种类型的温度传感器。,三、温度传感器的发展概况,接触式温度传感器,非接触式温度传感器,1,常用热电阻,范围：,-,260,850,；精度：,0.001,。改进后可连续工作,2000h,，,失效率小于,1,，使用期为,10,年。,2,管缆热电阻,测温范围为,-20,500,，最高上限为,1000,，精度为,0.5,级。,（）接触式温度传感器,3,陶瓷热电阻,测量范围为,200,+500,，精度为,0.3,、,0.15,级。,4,超低温热电阻,两种碳电阻，可分别测量,268.8,253,-,272.9,272.99,的温度。,5,热敏电阻器,适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。,l,辐射高温计,用来测量,1000,以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。,2,光谱高温计,前苏联研制的,YCII,型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为,400,6000,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。,（二）非接触式温度传感器,3,超声波温度传感器,特点是响应快,(,约为,10ms,左右,),，方向性强。目前国外有可测到,5000,的产品。,4,激光温度传感器,适用于远程和特殊环境下的温度测量。如,NBS,公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为,1,。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达,8000,，专门用于核聚变研究。瑞士,Browa,Borer,研究中心用激光温度传感器可测几千开,(K),的高温。,1,超高温与超低温传感器，如,+3000,以上和,250,以下的温度传感器。,2,提高温度传感器的精度和可靠性。,3,研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。,4,发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏,CA,型热电偶以及各类非接触式温度传感器。,5,发展适应特殊测温要求的温度传感器。,6,发展数字化、集成化和自动化的温度传感器,。,（三）温度传感器的主要发展方向,温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有,结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号,便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。,第二节 热电偶温度传感器,热电偶的工作原理,热电偶回路的性质,热电偶的常用材料与结构,冷端处理及补偿,热电偶的选择、安装使用和校验,两种不同的导体或半导体,A,和,B,组合成,如图所示,闭合回路，若导体,A,和,B,的连接处温度不同（设,T,T,0,），,则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做,热电效应,。这种现象早在,1821,年首先由西拜克（,See-back,）,发现,所以又称西拜克效应。,热电偶原理图,T,T,0,A,B,一、热电偶的工作原理,回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即,温差电势和接触电势,。,热端,冷端,1.,接触电势,接触电势原理图,+,A,B,T,e,AB,(,T,),-,e,AB,(,T,),导体,A,、,B,结点在温度,T,时形成的接触电动势；,e,单位电荷，,e,=1.610,-19,C,；,k,波尔兹曼常数，,k,=1.3810,-23,J/K,；,N,A,、,N,B,导体,A,、,B,在温度为,T,时的电子密度。,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,A,e,A,(,T,T,o,),T,o,T,e,A,(,T,，,T,0,),导体,A,两端温度为,T,、,T,0,时形成的温差电动势；,T,，,T,0,高低端的绝对温度；,A,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，例如在,0,时，铜的,=2V/,。,2.,温差电势,温差电势原理图,由导体材料,A,、,B,组成的闭合回路，其接点温度分别为,T,、,T,0,如果,T,T,0,，,则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,T,0,T,e,AB,(,T,),e,AB,(,T,0,),e,A,(,T,T,0,),e,B,(,T,T,0,),A,B,3.,回路总电势,N,AT,、,N,AT0,导体,A,在结点温度为,T,和,T,0,时的电子密度；,N,BT,、,N,BT0,导体,B,在结点温度为,T,和,T,0,时的电子密度；,A,、,B,导体,A,和,B,的汤姆逊系数。,根据电磁场理论得,结论,(4,点,),：,E,AB,(,T,T,0,)=,E,AB,(,T,)-,E,AB,(,T,0,)=,f,(,T,)-C=,g,(,T,),由于,N,A,、,N,B,是温度的单值函数,在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：,E,AB,(,T,T,0,)=,E,AB,(,T,),-,E,AB,(,T,0,),=,E,AB,(,T,),-,E,AB,(0,),-,E,AB,(,T,0,),-,E,AB,(,0,),=,E,AB,(,T,，,0),-,E,AB,(,T,0,，,0),热电偶的热电势，等于两端温度分别为,T,和零度以及,T,0,和零度的热电势之差。,导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使,E,AB,(,T,0,)=,常数，则回路热电势,E,AB,(,T,，,T,0,),就只与温度,T,有关，而且是,T,的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。,只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。,热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。,只有用不同性质的导体,(,或半导体,),才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当,A,、,B,两种导体是同一种材料时，,ln(N,A,/N,B,)=0,，,也即,E,AB,(,T,，,T,0,)=0,。,对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为,T,1,、,T,2,、,、,T,n,，,冷端温度为零度的热电势。其热电势为,E,=,E,AB,（,T,1,）,+,E,BC,（,T,2,）,+,E,NA,（,T,n,）,由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流,(,即不产生电动势,),；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。,二、热电偶回路的性质,1.,均质导体定律,E,总,=,E,AB,（,T,）+,E,BC,（,T,）+,E,CA,（,T,）=0,三种不同导体组成的热电偶回路,T,A,B,C,T,T,2.,中间导体定律,一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。,如图，由,A,、,B,、,C,三种材料组成的闭合回路，则,两点结论：,l,）,将第三种材料,C,接入由,A,、,B,组成的热电偶回路，如图，则图,a,中的,A,、,C,接点,2,与,C,、,A,的接点,3,，均处于相同温度,T,0,之中，此回路的总电势不变，即,同理，图,b,中,C,、,A,接点,2,与,C,、,B,的接点,3,，同处于温度,T,0,之中，此回路的电势也为：,T,2,T,1,A,a,B,C,2,3,E,AB,a,A,T,0,2,3,A,B,E,AB,T,1,T,2,C,T,0,E,AB,（,T,1,T,2,）=,E,AB,（,T,1,）,-,E,AB,（,T,2,）,(a),(b),T,0,T,0,E,AB,(,T,1,T,2,)=,E,AB,(,T,1,),-,E,AB,（,T,2,）,第三种材料接入热电偶回路图,E,T,0,T,0,T,E,T,0,T,1,T,1,T,电位计接入 热电偶回路,根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计,E,，,只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。,E,AB,（,T,T,0,）=,E,AC,（,T,T,0,）+,E,CB,（,T,T,0,）,T,0,T,E,BA,(,T,T,0,),B,A,T,0,T,E,AC,(,T,T,0,),A,C,T,0,T,E,CB,(,T,T,0,),C,B,2,）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：,3.,中间温度定律,如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为,T,1,、,T,2,(,如图所示,),时,则其热电势为,E,AB,(,T,1,T,2,),；,当接点温度为,T,2,、,T,3,时，其热电势为,E,AB,(,T,2,T,3,),；,当接点温度为,T,1,、,T,3,时，其热电势为,E,AB,(,T,1,T,3,),，则,B,B,A,T,2,T,1,T,3,A,A,B,E,AB,（,T,1,T,3,）=,E,AB,（,T,1,T,2,）+,E,AB,（,T,2,T,3,）,E,AB,（,T,1,T,3,）,=,E,AB,（,T,1,0,）,+,E,A B,（,0,T,3,）,=,E,AB,（,T,1,0,）,-,E,AB,（,T,3,0,）,=,E,AB,（,T,1,）,-,E,AB,（,T,3,）,A,B,T,1,T,2,T,2,A,B,T,0,T,0,热电偶补偿导线接线图,E,为对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当,T,2,=0,时，则：,只要,T,1,、,T,0,不变，接入,AB,后不管接点温度,T,2,如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。,E,AB,=,E,AB,(,T,1,),E,AB,(,T,0,),说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料,A,、,B,同样热电特性的材料,A,、,B(,如图,),即引入所谓补偿导线时，当,E,AA,(,T,2,)=,E,BB,(,T,2,),，,则回路总电动势为,热电偶材料应满足：,物理性能稳定，热电特性不随时间改变；,化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；,热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；,便于制造；,复现性好，便于成批生产。,三、热电偶的常用材料与结构,1,铂,铂铑热电偶,(S,型,),分度号,LB3,工业用热电偶丝：,0.5mm,，,实验室用可更细些。,正极：铂铑合金丝,用,90,铂和,10,铑,(,重量比,),冶炼而成。,负极：铂丝。,测量温度：长期：,1300,、短期：,1600,。,特点：,材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶,或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。,测量温度较高，一般用来测量,1000,以上高温。,在高温还原性气体中（如气体中含,Co,、,H,2,等）易被侵,蚀，需要用保护套管。,材料属贵金属，成本较高。,热电势较弱。,（一）热电偶常用材料,2,镍铬,镍硅,(,镍铝,),热电偶,(K,型,),分度号,EU2,工业用热电偶丝：,1.22,.,5mm,，,实验室用可细些。,正极：镍铬合金,(,用,88.4,89.7,镍、,9,10,铬，,0.6,硅，,0.3,锰，,0.4,0.7,钴冶炼而成,),。,负极：镍硅合金,(,用,95.7,97,镍,2,3,硅,0.4,0.7,钴冶炼而成,),。,测量温度：长期,1000,，短期,1300,。,特点：,价格比较便宜，在工业上广泛应用。,高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有,SO,2,，,H,2,S,等气体中易被侵蚀。,复现性好，热电势大，但精度不如,WRLB,。,3,镍铬,考铜热电偶,(E,型,),分度号为,EA2,工业用热电偶丝,:1.2,2mm,，,实验室用可更细些。,正极：镍铬合金,负极：考铜合金（用,56,铜，,44,镍冶炼而成）。,测量温度：长期,600,，短期,800,。,特点：,价格比较便宜，工业上广泛应用。,在常用热电偶中它产生的热电势最大。,气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变,质，适于在还原性或中性介质中使用。,4,铂铑,30,铂铑,6,热电偶,(B,型,),分度号为,LL2,正极：铂铑合金（用,70,铂，,30,铑冶炼而成）。,负极：铂铑合金（用,94,铂，,6,铑冶炼而成）。,测量温度：长期可到,1600,，短期可达,1800,。,特点：,材料性能稳定，测量精度高。,还原性气体中易被侵蚀。,低温热电势极小，冷端温度在,50,以下可不加补偿。,成本高。,几种持殊用途的热电偶,（,1,）铱和铱合金热电偶,如铱,50,铑,铱,10,钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达,2100,的高温。,（,2,）钨铼热电偶,是,60,年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼,-,钨铼,20,热电偶使用温度范围,300,2000,分度精度为,1,。,（,3,）金铁,镍铬热电偶,主要用在低温测量，可在,2,273K,范围内使用，灵敏度约为,10V,。,（,4,）钯,铂铱,15,热电偶,是一种高输出性能的热电偶，在,1398,时的热电势为,47.255mV,，,比铂,铂铑,10,热电偶在同样温度下的热电势高出,3,倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。,（,6,）铜,康铜热电偶，分度号,MK,热电偶的热电势略高于镍铬,-,镍硅热电偶，约为,43V/,。,复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于,20K,473K,的低温实验室测量中。,（,5,）铁,康铜热电偶，分度号,TK,灵敏度高，约为,53V/,，,线性度好，价格便宜，可在,800,以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。,（二）常用热电偶的结构类型,1,工业用热电偶,下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,工业热电偶结构示意图,1,接线盒；,2,保险套管,3,绝缘套管,4,热电偶丝,1,2,3,4,(a),(b),(c),(d),1,3,2,2,铠装式热电偶（又称套管式热电偶）,优点是小型化（直径从,12mm,到,0.25mm,）、,寿命、热惯性小，使用方便。,测温范围在,1100,以下的有：镍铬,镍硅、镍铬,考铜铠装式热电偶,。,断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。,图,3.2-12,铠装式热电偶断面结构示意图,1,金属套管,;2,绝缘材料,;3,热电极,(a),碰底型,;(b),不碰底型,;(c),露头型,;(d),帽型,3,快速反应薄膜热电偶,用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄,(0.01,0.lm),4,1,2,3,快速反应薄膜热电偶,1,热电极,;2,热接点,;,3,绝缘基板,;4,引出线,因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁,镍、铁,康铜和铜,康铜三种,尺寸为,6060.2mm;,绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在,300,以下；反应时间仅为几,ms,。,4,快速消耗微型热电偶,下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为,0.05,0.lmm,的铂铑,10,一铂铑,30,热电偶装在,U,型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达土,5,7,。,1,4,2,3,5,6,7,8,9,11,10,快速消耗微型,1,刚帽；,2,石英；,3,纸环；,4,绝热泥；,5,冷端；,6,棉花；,7,绝缘纸管；,8,补偿导线；,9,套管；,10,塑料插座；,11,簧片与引出线,方法,冰点槽法,计算修正法,补正系数法,零点迁移法,冷端补偿器法,软件处理法,四、冷端处理及补偿,原因,热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；,热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度,0,为依据，否则会产生误差。,1.,冰点槽法,把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使,T,0,=0,。,这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点,分,别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。,mV,A,B,A,B,T,C,C,仪表,铜导线,试管,补偿导线,热电偶,冰点槽,冰水溶液,四、冷端处理及补偿,T,0,2.,计算修正法,用普通室温计算出参比端实际温度,T,H,，,利用公式计算,例 用铜,-,康铜热电偶测某一温度,T,，,参比端在室温环境,T,H,中，测得热电动势,E,AB,(,T,，,T,H,),=,1.999mV,，,又用室温计测出,T,H,=21,查此种热电偶的分度表可知，,E,AB,(21,0)=0.832mV,，,故得,E,AB,(,T,，,0),=E,AB,(,T,，,21),+E,AB,(21,，,T,0,),=,1.999+0.832,=,2.831(mV),再次查分度表，与,2.831mV,对应的热端温度,T,=68,。,注意,:,既不能只按,1.999mV,查表，认为,T,=49,，,也不能把,49,加上,21,，认为,T,=70,。,E,AB,(,T,T,0,),=E,AB,(,T,T,H,),+E,AB,(,T,H,T,0,),3.,补正系数法,把参比端实际温度,T,H,乘上系数,k,，,加到由,E,AB,(,T,，,T,H,),查分度表所得的温度上，成为被测温度,T,。,用公式表达即,式中：,T,为未知的被测温度；,T,为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；,T,H,室温；,k,为补正系数，其它参数见下表。,例 用铂铑,10,铂热电偶测温，已知冷端温度,T,H,=35,，,这时热电动势为,11.348mV,查,S,型热电偶的分度表，得出与此相应的温度,T,=1150,。,再从下表中查出，对应于,1150,的补正系数,k,=0.53,。,于是，被测温度,T,=1150+0.5335=1168.3,（）,用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于,0.14,。,T,T,k T,H,温度,T,/,补正系数,k,铂铑,10,-,铂,(S),镍铬,-,镍硅（,K,）,100,0.82,1.00,200,0.72,1.00,300,0.69,0.98,400,0.66,0.98,500,0.63,1.00,600,0.62,0.96,700,0.60,1.00,800,0.59,1.00,900,0.56,1.00,1000,0.55,1.07,1100,0.53,1.11,1200,0.53,1300,0.52,1400,0.52,1500,0.53,1600,0.53,热电偶补正系数,例 用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温,T,H,的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是,0,而是,T,H,。,而热电偶的冷端温度已是,T,H,则只有当热端温度,T,=,T,H,时，才能使,E,AB,(,T,T,H,)=0,，,这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在,T,H,不变，指示值就永远正确。,4.,零点迁移法,应用领域：如果冷端不是,0,，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。,实质：,在测量结果中人为地加一个恒定值,，因为冷端温度稳定不变，电动势,E,AB,(,T,H,0),是常数，利用指示仪表上,调整零点,的办法，加大某个适当的值而实现补偿。,5.,冷端补偿器法,利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由,R,1,、,R,2,、,R,3,(,锰铜丝绕制,),、,R,Cu,(,铜丝绕制,),四个桥臂和桥路电源组成。,设计时，在,0,下使电桥平衡,(,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,Cu,),，,此时,U,ab,=0,，,电桥对仪表读数无影响。,冷端补偿器的作用,注意：桥臂,R,Cu,必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。,mV,E,AB,(,T,T,0,),T,0,T,0,T,A,B,+,+,-,a,b,U,U,ab,R,Cu,R,1,R,2,R,3,R,T,0,U,a,U,ab,E,AB,(,T,T,0,),供电,4V,直流，在,0,40,或,-,20,20,的范围起补偿作用。,注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻,R,不一样，互换时必须重新调整。,6.,软件处理法,对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为,0,的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。,对于,T,0,经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把,T,0,信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正,T,0,的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。,1.,热电偶的选择、安装使用,热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择,热电偶和保护套管,。其,安装地点要有代表性,，安装方法要正确，图,3.2-17,是安装在管道上常用的两种方法。在工业生产中，热电偶常与毫伏计连用（,XCZ,型动圈式仪表）或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。另外也可,图,3.2-17,热电偶安装图,通过与温度变送器经放大后再接指示仪表，或作为控制用的信号。,五、热电偶的选择、安装使用和校验,热电偶,分度号,校验温度,/,热电偶允许偏差,/,温度,偏差,温度,偏 差,LB3,600,，,800,，,1000,，,1200,0600,2.4,600,占所测热电势,的,0.4%,EU2,400,，,600,，,800,，,100,0400,4,400,占所测热电势,的,0.75%,EA2,300,，,400,，,600,0300,4,300,占所测热电势,的,1%,2.,热电偶的定期校验,校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比,，误差超过规定允许值为不合格。图为热电偶校验装置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的允许偏差，见下表。,工业热电偶允许偏差,MAX6675,7,8,5,6,4,3,2,1,稳压电源,220V,热电偶校验图,1-,调压变压器；,2-,管式电炉；,3,标准热电偶；,4-,被校热电偶；,5-,冰瓶；,6-,切换开关；,7-,测试仪表；,8-,试管,热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的,。,在温度传感器中应用最多的有,热电偶,、,热电阻,（如铂、铜电阻温度计等）和,热敏电阻,。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（,-,40,350,）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。,主要讲述热敏电阻的特点、分类，基本参数，主要特性和应用等。,第三节 热敏电阻温度传感器,（一）热敏电阻的特点,1,电阻温度系数的范围甚宽,有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件,。电阻温度系数的绝对值比金属大,10,100,倍左右。,2,材料加工容易、性能好,可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为,0.2mm,。,3,阻值在,1,10M,之间可供自由选择,使用时，一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故不需采取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。,一、热敏电阻的特点与分类,4,稳定性好,商品化产品已有,30,多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在,0.01,的小温度范围内，其稳定性可达,0.0002,的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。,5,原料资源丰富，价格低廉,烧结表面均已经玻璃封装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。,热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为：,1,正温度系数热敏电阻器（,PTC,）,电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称,PTC,热敏阻器。它的主要材料是掺杂的,BaTiO,3,半导体陶瓷。,2,负温度系数热敏电阻器（,NTC,）,电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称,NTC,热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。,3,突变型负温度系数热敏电阻器（,CTR,该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低,3,4,个数量级，即具有很大,负温度系数,。其主要材料是,VO,2,并添加一些金属氧化物。,（二）热敏电阻的分类,热敏电阻材料的分类,（,1,）,大分类,小分类,代表例子,NTC,单晶,金刚石、,Ge,、,Si,金刚石热敏电阻,多晶,迁移金属氧化物复合烧结体、无缺陷形金属氧化烧结体多结晶单体、固溶体形多结晶氧化物,SiC,系,Mn,、,Co,、,Ni,、,Cu,、,Al,氧化物烧结体、,ZrY,氧化物烧结体、还原性,TiO3,、,Ge,、,Si,Ba,、,Co,、,Ni,氧化物,溅射,SiC,薄膜,玻璃,Ge,、,Fe,、,V,等氧化物,硫硒碲化合物,玻璃,V,、,P,、,Ba,氧化物、,Fe,、,Ba,、,Cu,氧化物、,Ge,、,Na,、,K,氧化物、（,As,2,Se,3,）,0.8,、（,Sb,2,SeI,）,0.2,有机物,芳香族化合物,聚酰亚釉,表面活性添加剂,液体,电解质溶液,熔融硫硒碲化合物,水玻璃,As,、,Se,、,Ge,系,热敏电阻材料的分类（,2,）,PTC,无机物,BaTiO,3,系,Zn,、,Ti,、,Ni,氧化物系,Si,系、硫硒碲化合物,（,Ba,、,Sr,、,Pb,）,TiO,3,烧结体,有机物,石墨系,有机物,石墨、塑料,石腊、聚乙烯、石墨,液体,三乙烯醇混合物,三乙烯醇、水、,NaCl,CTR,V,、,Ti,氧化物系、,Ag,2,S,、（,AgCu,）、（,ZnCdHg,）,BaTiO,3,单晶,V,、,P,、（,BaSr,）,氧化物,Ag,2,S,CuS,大分类,小分类,代表例子,1.,标称电阻,R,25,（,冷阻）,标称电阻值是热敏电阻在,250.2,时的阻值。,二、热敏电阻的基本参数,2.,材料常数,B,N,是表征负温度系数,(NTC),热敏电阻器材料的物理特性常数。,B,N,值决定于材料的激活能,E,具有,B,N,=,E,2,k,的函数关系，式中,k,为波尔兹曼常数。一般,B,N,值,越大，则电