监测监控系统原理8课件

1、第四章 矿井环境状态参数检测矿井环境状态参数检测，主要有温度、风速、压力、湿度、一氧化碳、二氧化碳、氧气等。 第一节第一节 温度检测技术温度检测技术 温度测量的基本概念温度测量的基本概念 温度标志着物温度标志着物质内部大量分子无质内部大量分子无规则运动的剧烈程规则运动的剧烈程度。温度越高，表度。温度越高，表示物体内部分子热示物体内部分子热运动越剧烈。运动越剧烈。 模拟图：模拟图：在一个密闭的空间里，气体分在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！子在高温时的运动速度比低温时快！低温低温高温高温第一节第一节 温度检测技术温度检测技术 一、热电偶一、热电偶 热电偶传感器是一种能将温

2、度信号转换成热电偶传感器是一种能将温度信号转换成电动势的传感器。目前在工业生产和科学电动势的传感器。目前在工业生产和科学研究中已得到广泛的应用，并且已经可以研究中已得到广泛的应用，并且已经可以选用标准的显示仪表和记录仪表来进行显选用标准的显示仪表和记录仪表来进行显示和记录。示和记录。使用热电偶传感器的好处使用热电偶传感器的好处 结构简单，制造容易，使用方便，热电偶的电极不受大小和外形的限制，可按照需要进行配制。因为它属于自发电型传感器，因 此测量时，可以不要外加电源； 测温范围广，高温热电偶可达1800以上, 低温用热电偶可达- 269； 测量精确度较高； 便于远距离测量、自动记录及多点测量。

3、 （二）测温原理 两种不同的金属A和B构成闭合回路，当两个接触端t t0时，回路中会产生热电势 ，A、B组件称为热电偶，导体A或B称作热电极。温度较高的一端为工作端（也称为测量端），温度较低的一端为自由端（冷端也称为补偿端），自由端通常处于某个恒定的温度下，与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。 在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表， 测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。热电偶工作原理演示实验热电偶工作原理演示实验 热电极热电极A A右

4、端称为：右端称为：参考端、参考端、冷端冷端 左端称为：左端称为：工作端、工作端、热端热端热电极热电极B BAB热电偶热电偶 按按材料材料不同分为不同分为贵金属热电偶贵金属热电偶铂铑一铂，铂铑一铂，廉金属热电偶廉金属热电偶铜一康铜，铜一康铜，非金属热电偶非金属热电偶石墨一碳化硅；石墨一碳化硅； 按按测温测温范围分为范围分为高温热电偶高温热电偶铂铑一铂，铂铑一铂，中温热电偶中温热电偶镍铬一镍，镍铬一镍，低温热电偶低温热电偶铜一康铜。铜一康铜。热电偶产生的热电动势是由接触电动势（图41b）和温差电动势（图41c）两部分组成。 接触电动势（珀尔帖电动势）：将两种不同的金属互相接触，如图41b所示。由于

5、不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，直至在接点处建立起充分强大的电场，能够阻止电子的扩散，从而达到动态平衡。这种在两种不同金属的接点处产生的电动势称为珀尔帖电动势，又称接触电动势。它的数值取决于两种导体的自由电子密度和接触点的温度， 而与导体的形状及尺寸无关。 根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。 把热电偶的冷端放在装满冰水混合物的保温容器中，使冷端保持恒定的0 ，即tl 0 。也可利

6、用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度变化所引起的热电势的变化值。K热电偶的热电偶的分度表分度表 直接从热电直接从热电偶的分度表偶的分度表查温度与热查温度与热电势的关系电势的关系时的约束条时的约束条件是：件是：冷端冷端温度必须为温度必须为0 C。二、热电阻温度计二、热电阻温度计 热电阻是利用金属等材料的电阻率随温度升高而变化的原理进行测温的。采用金属材料作温度敏感元件称热电阻，利用半导体材料制成的温度敏感元件称为热敏电阻。（一）热电阻（一）热电阻 1、铂电阻 铂电阻由铂丝绕制而成，通常是把纯铂细丝绕在云母或陶瓷架上，防止铂丝在冷却收缩时产生过度的应变。铂电阻因其物理、化学性质稳定被作为

7、复现温标的基准器。国标实用温标规定，在-259.34 630.74 温度范围内以铂电阻作为标准仪器。 铂电阻的阻值与温度之间的关系，在0650 范围内用下式表示： 在190 650 范围内， 即铂电阻的电阻与温度之间的关系近似于线性。2012(1)tRRtt01(1)tRRt防爆型铂热电阻（一）热电阻（一）热电阻 2、铜电阻 铂是贵金属，铂电阻常常用在对测温准确度较高的设备上，例如作为控温采样电阻。在测量精度要求不高，温度范围在-50150 范围内，普遍采用铜电阻，铜电阻价格便宜，电阻与温度特性线性好，但其稳定性、复现性等不如铂电阻。铜电阻的温度特性： 在-50150 范围内， 即铜电阻的电阻

8、与温度之间的关系近似于线性。01(1)tRRt铜热电阻铜热电阻（二）半导体热敏电阻（二）半导体热敏电阻 热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件。热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化。半导体热敏元件，电阻温度系数比较大，其绝对值比热电阻大10100 倍，主要原因是半导体中载流子的数目是原子的几千分之一到几万分之一。相邻自由电子间距是原子间距的几十倍，使得自由电子运动像气体分子热运动一样。 一般半导体热敏电阻具有负的温度系数，也就是温度升高，电阻值是减小的，如图42所示。半导体热敏电阻的阻值与温度的关系为指数关系： 1、PTC热敏电阻 是指在某一温度下电阻急剧增加、

9、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作恒定温度传感器 2、NTC热敏电阻 是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷 3、CTR热敏电阻 临界温度热敏电阻具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数三、三、PN结型温度传感器结型温度传感器 利用晶体管特性和外接电路条件能获得较好的线性关系。将晶体管电路与恒流源电路、放大电路等组合在一起集成于芯片上，就成为集成电路温度传感器，如AD590 、AN67OI 测温元件等

10、。 半导体PN 结温度传感器具有体积小，响应时间快，在一定范围内线性度较好，功耗低，抗干扰能力强等优点。因而在煤矿井下比较恶劣的环境下，得到了较好的推广应用。KG3004 系列温度传感器的温度与电信号转换是靠PN 结实现的，当测量时硅PN 结感温，输出一个与温度相对应的电信号，经各级电路进行处理，最后由数码管显示被测温度值，同时输出模拟信号，可实现远距离检测。整机电路由稳压、恒流、测量放大、信号转换、模数转换、驱动及显示等单元组成。整机电路框图如图46所示，整机电路采用中、大规模集成电路，外接元件少，稳定可靠。三、三、PN结型温度传感器结型温度传感器四、红外测温原理四、红外测温原理 （一）什么

11、是红外辐射？（一）什么是红外辐射？ 红外线是占据在可见光之间电磁波谱的一部分。电磁波谱是一组不同类型的辐射。它包括伽马射线、X射线、紫外线、可见红外辐射、微波、和无线电波。红外线的波长大于可见光的波长。因此红外线是一种不可见光。“红外”的意思就是“在红线以下”，表明这种光只有在电磁波谱的红光以下才能被看到。 （二）温度测量原理（二）温度测量原理 任何物体只要温度高于绝对零度，就会不断产生红外辐射，温度越高，辐射功率越大。只要知道物体的温度T 和比辐射率 ，就能计算出它所发射的辐射功率P；若知道物体所发射的辐射功率则可求出它的温度。即 4PT （三）接触和无接触温度测量（三）接触和无接触温度测量

12、 红外测温用检测元件有热敏电阻和光敏电阻两种，它是一种非接触式测温仪表， 红外测温具有测量灵敏度高、反应速度快、测温范围广、属于非接触式测温、不影响被测介质的温度场分布的优点，是发展测量技术、遥感技术及空间科学的重要手段，在矿井火灾监测与预报、设备温升测量等方面，具有很好的应用前景。如ST80IS 本安型红外测温仪、KGWZ 型温度传感器等。 （四）热噪声测温和光纤测温原理。（四）热噪声测温和光纤测温原理。 电阻体所产生的约翰逊噪声与该电阻体的热力学温度密切相关，热噪声功率与温度呈线性关系。由于与温度相关的噪声电压很小，故检测比较困难。日本和英国已有用于煤矿井下的该类产品，主要用于火灾温度的监测。 接触式光纤温度传感器是基于各种不同的光学现象或光学性质实现温度测量