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文档简介

空气供给系统主要元件构造与维修4-温度传感器第一页,共100页。模块二温度传感器第二页,共100页。第二章第4节温度传感器本章内容:温度测量概述热电偶传感器金属热电阻传感器半导体热敏电阻第三页,共100页。温度测量概述温度测量基本概念

温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高,表示物体内部分子热运动越剧烈。第四页,共100页。

温标

温度数值的表示方法称为温标。目前国际上规定的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标(绝对温标)等。第五页,共100页。华氏温标:冰的熔点为32F,水的沸点为212F。符号为,单位F。几种温标的对比摄氏温标:冰的熔点定为0℃,水的沸点100℃。符号为t,单位为℃。第六页,共100页。热力学温标(K)

热力学温标:又称开氏温标,规定分子运动停止时的温度为绝对零度,水的三相点的温度为273.16度。它的符号是T,单位是开尔文(K)。威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像第七页,共100页。测量方法接触式非接触式工作原理膨胀式电阻式热电式辐射式

温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计;按输出方式分,有自发电型、非电测型等。

温度测量分类第八页,共100页。示温涂料装满热水后图案变色第九页,共100页。

CPU散热风扇低温时为蓝色温度升高后变为红色第十页,共100页。不需要电源,耐用但感温部件体积较大气体的体积与热力学温度成正比第十一页,共100页。红外温度计第十二页,共100页。任务一热电偶传感器热电偶测温原理热电偶材料、分类及结构热电偶冷端补偿热电偶应用第十三页,共100页。热电偶传感器特点

1.结构简单、制造使用方便,电极不受大小和形状限制,可按照需要选择;

2.测温范围广,下限可达-260℃,上限可达1800℃以上;

3.热惯性小,准确度高,各温区中误差均符合计量委员会标准。第十四页,共100页。一、热电偶测温原理指南针1821年,德国物理学家赛贝克

指南针偏转说明回路中有电动势产生,并有电流在回路中流动;电流的强弱与两个接点的温差有关。第十五页,共100页。

由两种不同材料的导体组成的闭合回路,由于回路中两个接点温度的不同,使回路中产生了电动势,简称热电势(ThermoelectricForce),这种现象称之为热电效应。热端(热接点)T冷端(冷接点)T0热电势:EAB(T,T0)热电效应第十六页,共100页。接触电动势

两种不同的金属互相接触时,由于不同金属内自由电子的密度不同,在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子从密度大的金属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,从而产生热电势自由电子+ABeAB(

T)T第十七页,共100页。

在单一导体中,热端自由电子的热运动动能大,冷端相对较小,在电子相互扩散中,热端电子较多地通过A扩散到冷端。热端失去电子带正电,冷端得到电子而带负电,从而形成一个静电场,该电场反过来会阻碍电子的继续扩散,直到二者达到动态平衡,此时,在导体的两端必然会形成一个电位差,这个电位差称为温差电势。温差电势AT0TBσ—汤姆逊系数,表示单一导体两端温度差为1℃时所产生的温差电势,其大小取决于材料性质和两端温度第十八页,共100页。温差电势接触电势逆时针方向:热电势的组成AT0TB第十九页,共100页。分度表第二十页,共100页。结论

1、热电偶必须要由两种不同材料才能构成,如果热电偶两极材料相同,即使两端温度不同,但总输出热电动势仍为零;

2、如果热电偶两结点温度相同,则回路总的热电动势必然等于零。两结点温差越大,热电动势越大。

3、热电动势大小只与材料和结点温度有关,而热电偶的内阻与其长短、粗细、形状有关。热电偶越细内阻越大。第二十一页,共100页。回顾思考:1.正常人体温约为37℃,则此时华氏温度约为(),热力学温度约为()。2.什么是热电效应?3.热电偶产生的热电动势由哪几部分组成?大小与什么有关?4.用镍铬-镍硅

热电偶测量某一水池内水的温度,测出的热电动势为2.43mV。再用温度计测出环境温度为30℃(且恒定),求池水的真实温度。

第二十二页,共100页。CTT0T0TT0TNTNAB

热电偶回路总的热电势,不会因为在其电路中的任意部分接入第三种两端温度相同的材料而有所改变。

热电偶基本定理1.中间导体定理第二十三页,共100页。BATNTBAT0TN+=BAT0TTN热电偶基本定理2.中间温度定理第二十四页,共100页。热电偶定理

镍铬—镍硅热电偶,工作时其自由端温度为30℃,测得热电势为30.43mV,求被测介质的实际温度。思考题:第二十五页,共100页。热电偶基本定律3.参考电极定律热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T,)时的热电动势分别为、,在相同温度下,由A、B两种热电极配对后的热电动势可按照下面公式计算:第二十六页,共100页。二、热电偶材料、分类及结构热电偶材料

热电极:组成热电偶的两根热偶丝。要求:

1.制成热电偶的热电动势应较大;热电动势与被测温度之间应尽量成线性关系;

2.化学稳定性好,不易氧化和腐蚀;

3.复现性好,响应速度快。第二十七页,共100页。

国际电工委员会(IEC)认证的性能较好的标准化热电偶有8种,国际上称之为“字母标志热电偶”。第二十八页,共100页。接线盒引出线套管固定螺纹(出厂时用塑料包裹)热电偶工作端(热端)不锈钢保护管热电偶的种类和结构普通热电偶结构普通装配型热电偶的结构放大图第二十九页,共100页。普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰第三十页,共100页。铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管(铠体)

BA绝缘材料铠装型热电偶横截面第三十一页,共100页。铠装型热电偶

制造工艺:把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体,制成各种直径、规格的铠装偶体,再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。

特点:内部的热电偶丝与外界空气隔绝,有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细,能解决微小、狭窄场合的测温问题,且具有抗震、可弯曲、超长等优点。

第三十二页,共100页。隔爆型热电偶

结构特点:接线盒在设计时采用防爆的特殊结构,是经过压铸而成的,有一定的厚度、隔爆空间,机构强度较高;采用螺纹隔爆接合面,并采用密封圈进行密封,因此,当接线盒内一旦放弧时,不会与外界环境的危险气体传爆,能达到预期的防爆、隔爆效果。

使用场合:工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中(由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽,如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸)。第三十三页,共100页。隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线第三十四页,共100页。

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。

其热接点可以做得很小(可薄到0.01~0.1μm),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。薄膜热电偶第三十五页,共100页。小形K型热电偶其他热电偶外形第三十六页,共100页。思考题:1.测CPU散热片的温度应选用()型热电偶。2.测量锅炉烟道中烟气温度应选用()型热电偶。3.测100m深岩石钻孔中温度应选用()型热电偶。第三十七页,共100页。热电偶测量电路1.测量某点温度的基本电路第三十八页,共100页。

将两个同型号的热电偶配用相同的补偿导线,其接线应使两热电势反向串联

ET=E1-E22.测量两点之间的温度差第三十九页,共100页。

用几个同型号的热电偶依次将正负相连,A′、B′是与被测量热电偶热电性质相同的补偿导线。

输出电势大,可感应较小的信号。只要一个热电偶断路,总的热电势消失,或热电偶短路,将会引起仪表值的下降。ET=E1+E2+E3回路总的热电势为:3.测量温度之和第四十页,共100页。

用几个同型号的热电偶(工作在线性段)并联在一起,在每一个热电偶线路中分别串联均衡电阻R,且仪表输入阻抗很大ET=(E1+E2+E3)/34.测量设备中的平均温度

回路中总的热电势等于热电偶输出电势之和的平均值第四十一页,共100页。ABTB’A’TNTNRLT0T0Cu三、热电偶冷端延长冷端延长方法第四十二页,共100页。使用补偿导线的优点:1.将冷端温度波动区延长到温度相对稳定区,是指示仪表示值变得稳定起来。

2.补偿导线比使用相同长度的热电极便宜很多。

3.补偿导线多用铜及合金制作,所以单位长度直流电阻比直接使用很长的热电极小得多,可以减小测量误差。

4.补偿导线通常使用塑料做绝缘层,易弯曲,便于敷设。第四十三页,共100页。补偿导线外形

A’B’屏蔽层保护层第四十四页,共100页。注意问题

1、两根补偿导线与热电偶两个电极接点温度必须相同;

2、各补偿导线只能与相应型号热电偶相配

补偿导线在0-100℃范围内,热电势与配套的热电偶热电势相等,所以不影响测量精度。第四十五页,共100页。3、必须在规定范围内使用。4、极性切勿接反。第四十六页,共100页。

将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中,使冷端的温度保持在0C不变。此法也称冰浴法,它消除了t0不等于0C而引入的误差。

在冰瓶中,冰水混合物的温度能较长时间地保持在0C不变。四、热电偶冷端温度补偿1、冷端恒温法第四十七页,共100页。冰浴法接线图

1—被测流体管道

2—热电偶

3—接线盒

4—补偿导线

5—铜质导线

6—毫伏表

7—冰瓶

8—冰水混合物

9—试管

10—新的冷端

第四十八页,共100页。2.仪表机械零点调整法第四十九页,共100页。T0AB’A’T0R5R2R3RhRpabcdmVB

利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。

3、电桥补偿法第五十页,共100页。XT-WBC热电偶冷端补偿器第五十一页,共100页。燃气热水器防熄火、防缺氧原理五、热电偶应用第五十二页,共100页。回顾思考:1.什么是补偿导线?热电偶测温为什么要采用补偿导线?使用要注意什么问题?2.热电偶温度补偿有几种方法?3.在实验室测量金属的熔点时,冷端温度补偿可用()减小测量温差;而在车间,用带微机的数字式测温仪表测量炉膛的温度时,应采用()较为妥当。第五十三页,共100页。

取一只100W/220V灯泡,用万用表测量其电阻值,可以发现其冷态阻值只有几十欧姆,额定热态电阻值应为多少?第五十四页,共100页。金属热电阻传感器第五十五页,共100页。热电阻效应

随着温度的增高,金属材料的电阻率ρ会随着发生变化,这个电阻率变化的比例我们用一个系数来表示,称为材料的电阻温度系数αt,这种现象我们就称为热电阻效应。

温度升高,金属内部原子晶格的振动加剧,从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大,宏观上表现出电阻率变大,电阻值增加,我们称其为正温度系数,即电阻值与温度的变化趋势相同。一、工作原理第五十六页,共100页。二、热电阻材料特点及性能

1.热电阻材料特点

1)大电阻、温度系数高;

2)大电阻率;

3)小热容量;

4)稳定物理、化学性能,复现性要好;

5)电阻与温度关系必须有线性或接近线性;

6)易于提纯,良好的工艺性。第五十七页,共100页。第五十八页,共100页。2.铂电阻性能稳定、重复性好、精度高工业铂电阻测温范围为:-200℃--850℃铂电阻阻值与温度之间关系为:在-200℃~0℃:在0~850℃:工业用铂热电阻和两种。第五十九页,共100页。铂电阻分度表第六十页,共100页。3.铜电阻测温范围为:-50~150℃铜电阻阻值与温度之间关系近似为:目前国标规定的铜热电阻和两种。第六十一页,共100页。850第六十二页,共100页。三、热电阻传感器的结构第六十三页,共100页。

薄膜型及普通型铂热电阻第六十四页,共100页。小型铂热电阻

第六十五页,共100页。防爆型铂热电阻

第六十六页,共100页。汽车用水温传感器及水温表

铜热电阻第六十七页,共100页。四、热电偶传感器和热电阻传感器的区别工作原理热电阻工作原理基于热阻效应热电偶工作原理基于热电效应测温范围

热电阻测温范围铂:-200~850℃铜:-50~150℃热电偶测温范围广:-260~1800℃特性

相同温度下,热电阻测温输出信号大,容易测量。热电阻感温部件尺寸较大,反映较慢。第六十八页,共100页。回顾思考:1.根据热电阻性质不同,热电阻传感器可分为哪两大类?2.热电阻测量转换电路采用三线制是为了什么?3.Pt25和Pt100分别是什么意思?第六十九页,共100页。五、热电阻测温电路热电阻与仪表式放大器接线有三种方式:

两线制、三线制和四线制热电阻内部导线(引出线)形式:第七十页,共100页。三线制接法第七十一页,共100页。第七十二页,共100页。恒流源四线制第七十三页,共100页。六、热电阻的应用热电阻式流量计电路原理图第七十四页,共100页。半导体热敏电阻第七十五页,共100页。一、热敏电阻分类及结构分类1.按特性分类正温度系数热敏电阻(PTC-PositiveTemperatureCoefficientThermistor)负温度系数热敏电阻(NTC-NogativeTemperatureCoefficicentThermistor)临界温度热敏电阻(CTR-CriticalTemperatureResistor)第七十六页,共100页。2.按工作温度范围低温热敏电阻:工作温度低于-55℃常温热敏电阻:工作温度为-55℃~+315℃高温热敏电阻:工作温度高于+315℃3.按材料

分为陶瓷热敏电阻、单晶热敏电阻、非晶热敏电阻、塑料热敏电阻及金刚石热敏电阻等。第七十七页,共100页。热敏探头、引线和壳体

MF12型TC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻热敏电阻结构形式第七十八页,共100页。其他形式的热敏电阻

MF58型热敏电阻

玻璃封装NTC热敏电阻第七十九页,共100页。带安装孔的热敏电阻第八十页,共100页。贴片式NTC热敏电阻其他形式的热敏电阻

第八十一页,共100页。

MF58型(珠形)高精度负温度系数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻第八十二页,共100页。第八十三页,共100页。第八十四页,共100页。第八十五页,共100页。二、热敏电阻的温度特性12345第八十六页,共100页。结论:热敏电阻温度系数值远大于金属热电阻,所以灵敏度很高;同温度情况下,热敏电阻阻值远远大于金属热电阻。所以连接导线电阻的影响极小,适用于远距离测量;热敏电阻R-T曲线非线性十分严重,所以其测量温度范围远小于金属热电阻。第八十七页,共100页。1)电阻温度系数绝对值大,因而灵敏度高,测量线路简单,甚至不用放大器便可输出几伏的电压;2)体积小、重量轻、热惯性小;3)本身电阻值大,不需要考虑引线长度带来的误差,因而适合远距离测量;4)热敏电阻产品已经系列化生产,便于设计选用;5)工作寿命长,且价格便宜。三、热敏电阻特点

优点:第八十八页,共100页。1)非线性大,在电路上需要进行线性化补偿;2)稳定性稍差,有老化现象;3)同一型号有3%~5%的阻值误差,常数B也有3%左右误差,所以一致性差,要互换时要进行挑选。缺点:第八十九页,共100页。

一般不适合高精度测量,但在测温范围较小时,也可获得较好的精度,非常适合用于家用电器如:空调、复印机、电子体温计(常见的电子体温计基本上都是体积较小的珠粒状热敏电阻)等产品中作为测温元件。CTR:自动控温和报警电路,构成热控制开关,温度低于某一个温度/开,温度高于某一个温度/关,恒温控制箱,中央空调可以用。PTC:恒温控制装置,温度超过某一限定值,实现控制。彩色电视机自动消磁装置;功率型PTC作为发热

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