温度传感器与液位传感器原理与应用

温度传感器与液位传感器原理与应用第一页，共72页。金属热电阻金属热电阻材料的特点作为测量用的热电阻材料必须具备以下特点：具有高温度系数和高电阻率，这样在同样的测试条件下可提高测量灵敏度，减小传感器的体积和重量；在较宽的测量范围内具有稳定的物理和化学性质，保证在规定的测量范围内测量结果准确无误；具有良好输出特性，电阻阻值与温度之间具有线性或近似线性关系的特性曲线；具有良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。第二页，共72页。金属热电阻常用金属热电阻（1）铂电阻铂电阻电阻值与温度的关系为在0℃～660℃范围内Rt＝R0(1+At+Bt2)在-190℃～0℃范围内Rt＝R0[1+At+Bt2+C(t－100)t3]工业用的铂电阻体，一般由直径0.03～0.07mm的纯铂丝绕在平板形支架上，通常采用双线电阻丝，引出线用银导线。它能用作工业测温元件和作为温度标准，按国际温标IPTS—68规定，在-259.34℃～630.74℃的温度范围内，以铂电阻温度计作基准器。第三页，共72页。金属热电阻常用金属热电阻（2）铜电阻在-50℃～150℃范围内，铜电阻与温度的关系为Rt＝R0(1+At+Bt2+Ct3)铜容易提纯，在-50℃～+150℃范围内铜电阻的物理、化学特性稳定，输入、输出关系接近线性，且价格低廉。铜电阻的缺点是电阻率较低，仅为铂电阻的1／6左右；电阻的体积较大，热惯性也较大，当温度高于100℃时易氧化。因此，铜电阻只能适于在低温和无侵蚀性的介质中工作。常用的工业用铜电阻的R0值有50Ω、100Ω两种，其分度号分别用Cu50、Cu100表示。第四页，共72页。金属热电阻热电阻主要参数（1）热电阻分度表与分度号。在工业上，将热电阻的Rt值与温度t的对应关系列成表格，称为热电阻分度表。制成电阻的金属材料加上标称电阻值即为其分度号。例如，Cu50、Pt100等。（2）允许偏差。允许偏差即热电阻实际的电阻值与温度关系偏离分度表的允许范围。（3）热响应时间。当温度发生阶跃变化时，热电阻的电阻值变化至相当于该阶跃变化的某个规定百分比所需要的时间，称为热响应时间，通常以τ表示。一般记录变化50％或90％的响应时间分别为τ0.5与τ0.9。热电阻的响应时间不仅与结构、尺寸及材质有关，还与被测介质的放热系数、比热等工作环境有关。（4）额定电流。额定电流是指在测量电阻值时，允许在元件中连续通过的最大电流，一般为2～5mA。限制额定电流是为了减少热电阻自热效应引起的误差，对热电阻元件都规定了额定电流。第五页，共72页。金属热电阻热电阻主要参数

铂电阻技术参数

铜电阻技术参数第六页，共72页。金属热电阻使用注意事项工业上广泛应用金属热电阻温度测量。在使用时需要注意以下问题：（1）自热误差在使用金属热电阻测量温度时，电阻要消耗一定的电功率，引起电阻值的变化，从而带来测量误差。所以在使用中应尽量减小由于电阻器通电产生的自热而引起的误差，一般是采取限制电流的办法，通常允许通过电流应小于5mA。（2）引线误差由于热电阻感温元件到接线端子、接线端子到调理电路都需要连接引线，引线本身的电阻及接触电阻相对于较低阻值的热电阻，是不可忽略的。一方面它们影响热电阻的零位值，另一方面它们随温度变化，带来不确定的测量误差。因此，测量电阻的引线通常采用三线式或四线式接法。第七页，共72页。半导体热敏电阻热敏电阻的特点及分类（1）热敏电阻的特点灵敏度高。热敏电阻温度系数的绝对值比金属热电阻大10～100倍。电阻值高。它的标称电阻值有几Ω到十几MΩ之间的不同规格。因此在使用热敏电阻时，一般不用考虑引线电阻的影响。结构简单。热敏电阻可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够做到小型化，目前的珠状热敏电阻的直径仅为0.2mm。体积小，热惯性小，响应时间短，响应时间通常为0.5～3s。化学稳定性好，机械性能好，价格低廉，使用寿命长。缺点是阻值与温度呈非线性关系，且互换性差。第八页，共72页。半导体热敏电阻（2）热敏电阻的分类1）正温度系数热敏电阻（PTC）电阻值随温度升高而增大的热敏电阻，称为正温度系数热敏电阻。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。2）负温度系数热敏电阻（NTC）电阻值随温度升高而减小的热敏电阻，称为负温度系数热敏电阻。它的主要材料是Mn、Co、Ni、Fe等金属氧化物半导体。3）临界温度系数热敏电阻（CTR）该类电阻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，即具有很大的温度系数。其主要材料是VO2，并添加一些金属氧化物。第九页，共72页。半导体热敏电阻热敏电阻的主要参数（1）标称电阻R25（2）电阻温度系数αt（％／℃）（3）耗散常数δ（mW／℃）（4）材料常数B（5）时间常数τ第十页，共72页。工业热电阻命名方法

装配热电阻型号命名方法第十一页，共72页。热电偶的冷端补偿方法由热电偶测温原理可知，热电偶的热电势的大小不仅与工作端的温度有关，而且与冷端温度有关，是工作端和冷端温度的函数差。只有当热电偶的冷端温度保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。工程技术上使用的热电偶分度表中的热电势值是根据冷端温度为0℃而制作的。但在实际使用时，由于热电偶的工作端与冷端离得很近，冷端又暴露于空气，容易受到环境温度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。第十二页，共72页。常用热电偶及热电偶命名方法标准化热电偶

标准化热电偶参数第十三页，共72页。常用热电偶及热电偶命名方法热电偶命名方法

装配热电偶型号命名方法第十四页，共72页。一、热电阻的工作原理

导体或半导体的阻值随温度的升高而变化

PT100电阻值与温度对应举例：100欧姆—0℃119.4欧姆---50℃138.5欧姆—100℃157.31欧姆—150℃每增加1℃，阻值增加0.385Ω。R=100+0.385*T即可估算出现场温度所对应的电阻值，或者也可用T=(R-100）/0.385,根据测得阻值估算出实际温度第十五页，共72页。热电阻结构安装固定件接线盒热电阻体不锈钢套管瓷绝缘套管引线口铠装铂热电阻：是将铂热电阻元件，过渡引线，绝缘粉组装在不锈钢管内再经模具拉实的整体，具有体积小,热响应快,耐振动和冲击性能好,除感温元件外,其它部分可以弯曲适合复杂环境安装.第十六页，共72页。温度测量传感器性能比较

温度测量传感器性能比较第十七页，共72页。热电阻元件测温原理热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，再通过测量电桥转换成电压信号送至显示仪表指示或记录被测温度就可以测量出温度。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：Rt=Rt0[1+α(t-t0)]式中，Rt为温度t时的阻值;Rt0为温度t0(通常t0=0℃)时对应电阻值;α为温度系数。第十八页，共72页。热电阻元件的材料从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这个性质，但并不是都能用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求：尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大（在同样灵敏度下减小传感器的尺寸）、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系（最好呈线性关系）。目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150℃易被氧化。第十九页，共72页。热电阻元件的特点热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。第二十页，共72页。按热电阻元件的材料分类目前应用最多的是铂热电阻和铜热电阻，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。其中最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种，它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000；铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。第二十一页，共72页。按热电阻元件的结构特点分类1）普通型热电阻：通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成，具有测量精度高，性能稳定可靠等优点。实际运用中以Pt100铂热电阻运用最为广泛。2）铠装热电阻：由感温元件、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它有下列优点：体形细长，热响应时间快，抗振动，使用寿命长等优点。3）隔爆型热电阻：隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把接线盒内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引起爆炸。4）端面热电阻：端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝缠绕制成，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量表面温度。第二十二页，共72页。热电阻的结构形式热电阻一般由测温元件（电阻体或电阻丝）、保护管和接线盒三部分组成。第二十三页，共72页。热电阻测温系统的连接方式目前热电阻的引线主要有三种方式1）二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合2）三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。3）四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。第二十四页，共72页。热电阻测温如何减少线路电阻影响热电阻测温系统采用三线制可以减少或消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线(从热电阻到中控室)也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，消除了导线线路电阻带来的测量误差。第二十五页，共72页。常见故障现象、原因及处理方法1、目显示仪表指示值比实际值低或示值不稳故障原因1：热电阻元件插深不够，没有顶到保护套管端部。处理方法：1）查明套管长度，选用合适长度的热电阻元件，安装时保证热电阻元件顶到套管端部。故障原因2：热电阻测量回路短路或接地。处理方法：1）如外回路短路或接地，用万用表检查短路或接地部位并加以消除。2）如热电阻元件内部短路或接地，应更换热电阻。第二十六页，共72页。常见故障现象、原因及处理方法2、显示仪表指示偏大故障原因1：热电阻测量回路断路处理方法：1）如外回路断路，用万用表检查断路部位并加以消除。2）如热电阻元件内部断路，应更换热电阻。故障原因2：热电阻接线端子虚接或接触不良处理方法：1）检查接线端子及导线，去除氧化部分;2）紧固接线端子。第二十七页，共72页。常见故障现象、原因及处理方法3、显示仪表指示负值故障原因：热电阻测量回路有干扰处理方法：1）检查热电阻测量回路应使用屏蔽电缆。2）检查热电阻测量回路，与动力电缆之间最小距离应符合电缆敷设规定。3）检查电缆屏蔽应单端可靠接地，接地线应连接牢固可靠。4）如以上方法仍无法消除干扰，可采取热电阻三相并接电容等抗干扰措施。第二十八页，共72页。液位控制系统主要包括三部分传感器部分：把被测介质的液位转换为电或可视信号。控制部分：根据传感器送来的信号，按照预定模式操作执行机构，达到控制液位目的。（控制电路）执行机构部分：主要传送介质、调节液位的部件。（水泵等）第二十九页，共72页。常用液位传感器分类一、按是否与被测介质接触分：接触式：浮球、压力传感器、液位开关、音叉、光电、电阻电容式非接触式：雷达、超声波第三十页，共72页。二、按变送信号分：开关式：浮球、液位开关、音叉、光电量程式：雷达、超声波、压力传感器、电阻电容电感式第三十一页，共72页。第三十二页，共72页。浮子式：1、电缆浮球：第三十三页，共72页。电缆浮球开关是利用微动开关或水银开关做接点零件，当电缆开关以重锤为原点一定角度时，（通常微动开关上扬角度为28°±2°,水银开关上扬角度为10°±2°)，开关便会有ON或OFF信号输出。第三十四页，共72页。特点：结构简单，性能稳定，同时无毒、耐腐蚀，安装方便，价格低廉。适用介质：清水、污水、油类及中度腐蚀性液体。第三十五页，共72页。内部结构分微动开关和水银开关：第三十六页，共72页。2、连杆浮球：第三十七页，共72页。内部结构：第三十八页，共72页。干簧管原理：第三十九页，共72页。第四十页，共72页。霍尔效应：半导体薄片置于磁场中（磁场方向垂直于薄片），当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。产生的电动势称为霍尔电势。霍尔接近开关：第四十一页，共72页。3、磁浮子：磁性浮子式液位计通过与容器相连的连通器内的浮子随液面（或界面）的上下移动，由浮子内的磁钢利用磁耦合原理驱动磁性翻板指示器，用红白两色（液红气白）明显直观地指示出容器内的液位或界位。第四十二页，共72页。磁翻板：第四十三页，共72页。磁浮球：第四十四页，共72页。4、浮球阀：自来水直供系统第四十五页，共72页。电接点式（液位开关、液位继电器）第四十六页，共72页。自制（漏水报警器）第四十七页，共72页。压力式（压电电阻）

压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。由于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。

对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之间有如下关系：

第四十八页，共72页。法兰式压差变送器：适用于密闭容器第四十九页，共72页。投入式压差变送器：适用于敞开容器第五十页，共72页。压力表（远传式、电节点式）：多用于管道第五十一页，共72页。电学法（电阻、电感、电容）

电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。用电学法测量无摩擦件和可动部件，信号转换、传送方便，便于远传，工作可靠，且输出可转换为统一的电信号，与电动单元组合仪表配合使甩，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。

第五十二页，共72页。电阻：

为用于连续测量的电阻式液位计原理图。图中：

1-电阻棒；2-绝缘套；

3-测量电桥第五十三页，共72页。热敏电阻：(油箱)第五十四页，共72页。可变电阻电阻：(油箱)第五十五页，共72页。电感：

电感式液位控制器的原理图。传感器由不导磁管子、导磁性浮子及线圈组成。管子与被测容器相连通，管子内的导磁性浮子浮在液面上，当液面高度变化时，浮子随着移动。线圈固定在液位上下限控制点，当浮子随液面移动到控制位置时，引起线圈感应电势变化，以此信号控制继电器动作，可实现上、下液位的报警与控制。图中：1、3-上下限线圈；2-浮子第五十六页，共72页。电容：第五十七页，共72页。超声波：（机械波）

在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，发射出的超声波在相界面被反射。并由接收器接收，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。

超声波传播距离为L，波的传播速度为C，传播时间为Δt

，则：L是与液位有关的量，故测出L便可知液位，L的测量一般是用接收到的信号触发门电路对振荡器的脉冲进行计数来实现。第五十八页，共72页。外贴式超声波液位开关：

外贴式超声波液位开关采用超声波检测技术，解决了传统的液位开关的不足，不受液体表面的泡沫、水汽的影响。侧贴式超声波液位开关利用超声波在管壁介质中的余震信号，大幅度提高了稳定性和穿透性，可适用于多种材料的容器，包括：合金钢、不锈钢、塑料、玻璃及各种合成材料。

外贴非接触式超声波液位开关提供了容器尤其是高压、腐蚀、密闭容器物位测量的解决方案，将探头紧贴于容器外侧壁，不需要打孔，即可完成单点物位测量，这种技术不受介质压力、温度、泡沫、气体、反射系数等因素的影响，所以适用于医药，石油，化工，电力，食品等行业的各类液体液位工程控制，对于有毒的、强腐蚀危险品液体的检测，该产品更是理想的选择。第五十九页，共72页。雷达：（电磁波）

雷达液位计的测量原理

雷达液位计采用发射—反射—接收的工作模式。雷达液位计的天线发射出电磁波，这些波经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比，关系式如下：D=CT/2式中D——雷达液位计到液面的距离

C——光速

T——电磁波运行时间。第六十页，共72页。第六十一页，共72页。(a)气介式(b)液介式(c)固介式单探头超声波液位计第六十二页，共72页。光电光电液位开关是一种结构简单、使用方便、安全可靠的液位控制器，它使用红外线探测，可避免阳光或灯光的干扰而引起误动作。其体积小、安装容易，有杂质或带粘性的液体均可使用，外壳材质有PC，所以耐油、耐水、耐酸碱。它在净水/污水处理、造纸、印刷、发电机设备、石油化工、食品、饮料、电工、染料工业、油压机械等方面都得到了广泛的应用。

第六十三页，共72页。工作原理：

利用光线的折射及反射原理，光线在两种不同介质的分界面将产生反射或折射现象。当被测液体处于高位时则被测液体与光电开关形成一种分界面，当被测液体处于低位时，则空气与光电开关形成另一种分界面，这两种分界面使光电开关内部光接收晶体所接收的的反射光强度不同，即对应两种不同的开关状态。（如下图）第六十四页，共72页。音叉：（振动棒、射频电容式）叉体由晶体激励产生振动，当叉体被液体浸没时振动频率发生变化，这个频率变化由电子线路检测出来并输出一个开关量，达到液位报警和控制的目的。

“音叉式液位限位开关”又被称作“电气浮子”，凡使用浮球限位开关和由于结构、湍流、搅动、气泡、振动等原因不能使用浮球液位开关的场合均可使用“音叉式液位限位开关”。其结构及原理特性使其能够取代任何一种激励的液位开关第六十五页，共72页。振动棒振动棒式物位限位开关运用音叉的“共振”原理，振动管和内置的振动棒在压电元件的驱动下产生振动。当探头被测物料埋没时，振动幅度急剧减小，由此转化为电子信号，使继电器动作，输出一个开关量达到控制或报警的目的。

主要特点：适应性强——与音叉物位开关相比单棒式探头能有效防止夹料和粘料，在较多挂料时，仍能稳