3模块三教案、温度检测

传感器与检测技术项目教程（ISBN978-7-111-48817-0）授课教案PAGEPAGE1模块三、温度检测授课教案课程名称：检测技术班级：性质：考试课授课人：课题：模块三、温度检测课时安排：3课次编号：3、4教材分析难点铂热电阻直流电桥、热电偶冷端温度补偿重点热敏电阻的应用、热电偶的计算和查表教学目的和要求1.了解温标的概念；2.了解热电阻的工作原理；3.掌握热电阻电桥的接线方法；4.掌握热敏电阻的分类、特性及应用；5.了解热电偶传感器的工作原理；6.掌握热电偶的选用；7.掌握分度表的应用；8.了解热电偶冷端温度补偿的方法。采用教学方法和实施步骤讲授、课堂讨论、分析、实训教具：各种热电阻、热敏电阻、热电偶各教学环节和内容一、温度提问：温度的微观概念是什么？（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）二、测温传感器表3-1温度传感器的种类及特点传感器类型测温范围/℃所利用的物理现象特点气体温度计液体压力式温度计玻璃水银温度计双金属片式温度计-250~1000-200~350-50~350-50~300热膨胀体积变化不需要电源，寿命长；感温部件体积较大钨铼热电偶铂铑热电偶其他热电偶1000~2100200~1800-200~1200接触热电动势自发电型，标准化程度高，品种多，可根据需要选择；须进行冷端温度补偿铂热电阻热敏电阻-200~850-50~300电阻的变化标准化程度高；需要桥路电源才能得到电压输出硅半导体集成温度传感器-50~150PN结的结电压体积小，线性好；测温范围小示温涂料液晶-50~13000~100温度-颜色面积大，可得到温度图象；易衰老，准确度低热成像仪红外辐射温度计光学高温温度计热释电式温度传感器光子探测器-50~500-50~1500500~30000~10000~3500光辐射热辐射非接触式测量，反应快；易受环境及被测体表面状态影响，标定困难三、温标提问：1.什么是温标？（温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度读数的起点，即零点，以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定）2.国际上规定的温标有哪些？（摄氏温标、华氏温标、热力学温标等）t/℃=T/K－273.15（3-2）或T/K=t/℃+273.15（3-3）例：100℃时的热力学温度T=(100+273.15)K=373.15项目一铂热电阻【项目教学目标】☞知识目标1）掌握铂热电阻的测温原理与方法。2）熟悉热电阻的型号。☞技能目标1．熟悉铂热电阻的组桥方法及与显示仪表的连接方法。2．学会查铂热电阻分度表。任务一认识铂热电阻图3-1部分铂热电阻a）铂热电阻（法兰盘固定）b）铂热电阻温度变送器（螺栓固定）c）小型铂热电阻提问：1.图3-1a中，被测容器的开孔大概有何要求？如何固定法兰盘？2.图3-1b中，对被测容器的开孔和螺纹有何要求？如何固定螺栓？3.如何防止被测容器中的高压气体泄漏出来？表3-2两种热电阻的主要技术指标材料特性铂热电阻（WZP）铜热电阻（WZC）使用温度范围/℃-200～+850①-50～+150电阻率/(Ωm10-6)0.098～0.1060.0170～100℃温度系数α(平均值)/℃-10.003850.00428化学稳定性在氧化性介质中较稳定，不能在还原性介质中使用，尤其在高温情况下超过100℃特性温度与电阻值有确定关系、性能稳定、准确度高线性较好、价格低廉、体积大应用适于较高温度的测量，可作标准测温装置适于测量较低温度、无水分、无腐蚀性介质的温度①在工业中，测温上限由热电阻的保护套管的最高承受温度决定。提问：1.表3-1a中，铂热电阻与铜热电阻比较，哪个电阻率大？Pt50与Cu50，哪个体积大？为什么？2.哪一种热电阻的准确度高？【查Pt100分度表训练】温度/℃-100-500150电阻值/Ω39.72119.40375.70任务二铂热电阻组桥热电阻单臂电桥的输出电压可近似用下式表示（3-5）图3-6热电阻两线制电桥测量电路提问：1.通常在多少摄氏度时电桥平衡？调零过程是怎样的？2.如果发现输出电压为上负下正（极性相反了），要怎样办？图3-7铂热电阻的三线制电桥测量电路1－连接电缆2－屏蔽层RP1－调零电位器RP2－调满度电位器提问：1.图3-7中，设定在100℃时，希望铂热电阻电桥的输出电压为10mV，如果测得实际输出为12mV，要怎样办？2.如果引线的长度增加一倍，则r1、r4也增加一倍，电桥在0℃时还是平衡的吗？3.图3-7中，Cf是什么用途？C3、C4是什么用途？图3-9SBWZ2系列三线制热电阻温度变送器的接线图提问：1.3-9图中，电源、变送器及测控电路三者之间是怎样连接的？2.3-9图中，接线柱2、3是否可以合并？为什么？项目二热敏电阻测温【项目教学目标】☞知识目标1）掌握热敏电阻传感器的测温原理。2）熟悉热敏电阻的类型及特性。3）熟悉热敏电阻的基本应用电路。☞技能目标1）掌握热敏电阻的选型方法。2）熟悉各种热敏电阻的应用。任务一认识热敏电阻一、热敏电阻的类型及特性1．NTC热敏电阻（3-6）式中RT——NTC热敏电阻在热力学温度为T时的电阻值；R0——NTC热敏电阻在热力学温度为T0时的电阻值，T0设定为298K（25℃）B——NTC热敏电阻的温度常数。例：某系列NTC热敏电阻在25℃时的标称阻值为10.0kΩ，在-30℃时阻值可能高达130kΩ；而在100℃时，可能只有提问：上述温度差情况下，电阻值相差几个数量级？可用于多少℃范围内作测温元件？图3-11各种热敏电阻的特性曲线示意图1－负突变型NTC热敏电阻2－负指数型NTC热敏电阻3－线性型PTC热敏电阻4－正突变型PTC热敏电阻TK－突变型PTC热敏电阻的转折温度提问：1.电阻值能够准确地与被测温度一一对应的是哪一种热敏电阻？2.当温度达到一定数值时，电阻值忽然增大，与这种特性对应的热敏电阻是哪一种？2．PTC热敏电阻提问：什么是自恢复熔断器？三、热敏电阻的主要参数（1）标称阻值R0；（2）B值；（3）居里温度TK；（4）电阻温度系数α；（5）时间常数τ；（6）最大工作电流IM；（7）额定功率PM。提问：1.电阻温度系数α是否就是指温漂的系数？在使用中，要不要尽量避免温漂？2.标称阻值R0是指在多少摄氏度时的阻值？3.居里温度TK是什么意思？4.时间常数τ是什么意思？5.如果流过热敏电阻的电流超过最大工作电流IM，会产生什么问题？任务二热敏电阻的选型与应用图3-14热敏电阻体温表原理a）桥式电路b）调频式电路c）数字式体温表1－热敏电阻2－指针式温度显示器3－调零电位器4－调满度电位器提问：1.图3-14所示电路如何调零（32℃）？2.图3-14所示电路如何调满度（45℃）？3.如果毫伏表的读数偏大，RP2应向左调还是向右调？图3-17PTC热敏电阻用于电动机过载保护控制电路a）电动机过热保护电路b）三相绕组中的热敏电阻连接方式c）三相电动机保护PTC热敏电阻外形提问：1.三只热敏电阻为什么需要串联？并联有什么问题？2.被测温度上升时，热敏电阻的阻值是上升还是下降？3.被测温度上升时，流过热敏电阻的电流是上升还是下降？此时KA是何状态？图3-18突变型NTC热敏电阻用于汽车油位报警提问：1.被测油位低于热敏电阻时，热敏电阻的温度是上升还是下降？热敏电阻的阻值是上升还是下降？2.此时KA是何状态？3.如果R1只有100Ω，流过热敏电阻的电流是多少毫安？会产生什么问题？4.从防爆角度出发，上述电流还会产生什么问题？项目三热电偶【项目教学目标】☞知识目标1）掌握热敏电阻传感器的测温原理。2）熟悉热敏电阻的类型及特性。3）熟悉热敏电阻的基本应用电路。☞技能目标1）掌握热敏电阻的选型方法。2）熟悉各种热敏电阻的应用。演示：做以下的实验：将两根不同材质的金属（例如镍铬-镍硅）的端部绞在一起。用打火机烧该端部。用数字毫伏表测量另两端的输出热电动势。可以看到，毫伏表的读数随铰接的端部的颜色变红，而上升。从以上演示，引入第一节的热电偶传感器的工作原理。一、热电偶的基本工作原理热电偶测量温度的基本原理是基于热电效应。1．热电效应图3-21热电偶原理图a）热电效应示意图b）结点产生热电动势的微观原理c）热电偶的图形符号1－工作端T2－热电极A3－热电极B4－指南针5－参考端T0①当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应。②两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”；③组成热电偶的导体称为“热电极”，热电偶所产生的电动势称为热电动势（以下简称热电势）；④热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度为T0的另一结点称之为参考端，又称自由端或冷端。（3-8）提问：由式（3-8）可以得出哪些几个结论？1）如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同（t≠t0），但总输出热电势仍为零。因此必须由两种不同材料才能构成热电偶。2）如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电势必然等于零。两结点温差越大，热电势越大。3）式（9-5）中未包含与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以热电势的大小只与材料和结点温度有关。也可以以摄氏温度为单位，写成EAB（t，t0）提问：以摄氏温度为单位的EAB（t，t0）电动势的数值是否与以热力学温度为单位的EAB（T，T0）相同？二、热电偶的种类与结构1．热电偶的种类

表3-48种国际通用热电偶的的主要技术指标及特点名称分度号测温范围/℃100℃时的热电动势/mV1000℃时的热电动势/mV允许误差/℃特点铂铑30①-铂铑6②B501820③0.0334.834±4熔点高，测温上限高，性能稳定，100℃以下热电动势极小，可不必考虑冷端温度补偿；价昂，热电动势小，只适用于高温域的测量铂铑13-铂R-5017680.64710.506±1.5使用上限较高，性能稳定，复现性好；但热电动势较小，不能在金属蒸气和还原性气氛中使用，价昂；多用于温度的精密测量铂铑10-铂S-5017680.6469.587±1.5优点同R，但性能略差于R；长期以来曾经作为国际温标的法定标准热电偶镍铬-镍硅K-27013704.09641.276±2.5热电动势大，线性好，稳定性好，价廉；但材质较硬，在1000℃以上长期使用会引起热电动势漂移；适用于1000℃以下的温度镍铬硅-镍硅N-27013002.74436.256±2.5是一种新型热电偶，各项性能均比K热电偶好，适用于1000℃以下的温度镍铬-铜镍（锰白铜）E-2708006.319—±2.5热电动势比K热电偶大，线性好，价廉；但不能用于还原性气氛；适用于工业测量铁-铜镍（锰白铜）J-2107605.269—±2.5价廉，在还原性气体中较稳定；但纯铁易被腐蚀和氧化；适用于500℃以下的温度测量铜-铜镍（锰白铜）T-2704004.279—±1价廉，易加工，离散性小，性能稳定，线性好，准确度高；铜在高温时易被氧化，测温上限低；多用于低温域测量，可作-2000℃温域的计量标准①根据热电偶行业习惯，涉及热电偶成分的型号表示中，有关数字不采用下标方法，以下同；②铂铑30表示该合金含70%的铂及30%的铑，以下类推；③在工业中，测温上限由热电偶的保护管最高承受温度决定，以下同。提问：1.哪种热电偶的测温上限最高？哪种最低？2.哪几种最昂贵？为什么？【查K热电偶分度表（自由端为0℃）训练】温度/℃-100-500780热电动势/mV-6.45824.90552.410图3-24常用热电偶的热电动势与温度的关系提问：1.从图3-24可以看出，哪种热电偶的灵敏度最高？哪种最低？2.哪几种热电偶可以用于0℃以下的温度测量？为什么？（B、R、S及WRe5-WRe26（钨铼5-钨铼26）等热电偶在100℃时的热电势几乎为零，只适合于高温测量3.为什么所有的热电偶的特性曲线都经过零点？（在0℃时它们的热电势均为零，这是因为绘制热电势-温度曲线或制定分度表时，总是将冷端置于0℃4.从图3-24中可以出：多数热电偶的输出是线性的？还是非线性的？依据是什么？2．热电偶的结构形式（1）装配式热电偶；（2）铠装式热电偶；（3）薄膜式热电偶。图3-25装配式热电偶结构及外形a）法兰安装式b）螺栓安装式1－热电偶工作端2－绝缘套3－下保护套管4－绝缘珠管5－固定法兰6－上保护套管7－接线盒底座8－接线绝缘座9－引出线套管10－接线盒固定螺钉11－接线盒外罩12－接线柱提问：图3-25a、b的固定方法有什么不同？图3-26WR系列装配式热电偶型号的含义提问：怎样选用装配式热电偶的长度？图3-27铠装式热电偶的结构及外形a）结构b）径向剖面图c）外形1－内电极2－绝缘材料3－薄壁金属保护套管4－屏蔽层5－接线卡t－测量端t0－冷端提问：1.怎样防止A、B两根热电极短路？2.怎样选择铠装式热电偶的长度？图3-28薄膜式热电偶1－工作端2－薄膜热电极3－绝缘基板4－引脚接头5－引出线（相同材料的热电极）提问：1.薄膜式热电偶最大特点是什么？适用于怎样的场合？2.薄膜式热电偶的基板可以用塑料制作吗？任务二热电偶的冷端延长图3-29利用补偿导线延长热电偶的冷端a）补偿导线结构b）接线图c）补偿导线的外形1－测量端2－热电极3－接线盒1（中间温度）4－补偿导线5－接线盒2（新的冷端）6－铜引线（中间导体）7－毫伏表使用补偿导线的好处、使用补偿导线必须注意的问题。提问：1.直接将热电偶加长到控制室部件很简单么？（从价格、柔软程度、屏蔽、绝缘等角度来分析）。2.如果补偿导线的屏蔽层不接地会产生什么问题？3.图3-29中，新的冷端在哪个位置？表3-5常用热电偶补偿导线的主要技术指标型号配用热电偶正-负补偿导线正-负导线外皮颜色正负100℃热电动势/mV20℃/（Ωm）正负SC铂铑10-铂铜-铜镍①红绿0.6460.0230.0510-6KC镍铬-镍硅铜-锰白铜红蓝4.0960.0630.5210-6WC5/26钨铼5-钨铼26铜-铜镍②红橙1.4510.0510.1010-6①99.4%Cu，0.6%Ni；②98.2%~98.3%Cu，1.7%~1.8%Ni。提问：1.对照表3-4和表3-4所示的100℃热电动势，可以得出什么结论？2.如果补偿导线的品种（型号）用错了，会产生什么问题？3.如果补偿导线的颜色接反了，会产生什么问题？任务三热电偶的冷端温度补偿1．冷端恒温法图3-30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－绝缘试管10－新的冷端11－保温材料提问：1.能否使用“补偿导线”来实现热电偶的冷端补偿？2.在图3-30中，使用补偿导线后，新的冷端在哪儿？3.“冰瓶”的温度恒定在0℃的条件是什么？4.为什么要使用试管将补偿导线与铜线的接点保护起来？5.如果没有玻璃试管，可以用什么代替？2．计算修正法EAB(t,0℃)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0℃）（3-提问：修正时，需要先测出哪儿的温度？然后要怎样计算和查表？例3-1用镍铬-镍硅（K）热电偶测量炉温，其冷端温度t0=30℃，在直流毫伏表上测得热电动势EAB(t,30℃)=解查镍铬-镍硅热电偶K分度表，得到EAB(30℃,0℃)=1.203mV。根据式（3-10EAB(t,0℃)=EAB(t,30℃)+EAB(30℃,0℃)=查K分度表，求得炉温t=960℃3．动圈仪表机械零点调整法提问：动圈仪表机械零点调整法的本质是什么？要根据什么来调整动圈仪表机械零点？任务四热电偶的安装与应用一、热电偶的安装图3-31装配式热电偶在管道上的安装方法a）在肘管（弯管）上的安装b）在扩展管上的安装1－管道2－绝热层3－热电偶4－安装螺栓5－垫片6－接线盒7－补偿导线8－焊台9－扩大管提问：1.在图3-31a中，装配式热电偶为什么要迎着气流方向插入？2.在图3-31b中，装配式热电偶在管道中需要插入多长呢？目的和依据是什么？三、与热电偶配套仪表的接线1．与热电偶配套的二次仪表XMT系列仪表具有以下功能：（1）双屏显示；（2）输入分度号切换；（3）量程设定；（4）控制设定；（5）继电器功能设定；（6）断线保护输出；（7）全数字操作；（8）冷端补偿范围；（9）接口。提问：1.XCZ-101及XCT-101为什么不太用了？2.“断线保护”的意思是什么？您估计内中的原理是怎样的？图3-35与热电偶配套的XCZ及XMT仪表外部接线图a）XCZ型仪表背面接线b）XMT型仪表背面接线c）XMT仪表面板d）STT两线制智能温度变送器接线提问：1.图3-35b中，接线端子“总”是什么意思？温度未达到设定值时，接线端子“总”与哪个端子是接通的？2.图3-35b中，接线端子“NC”是什么意思？3.图3-35d中，24V电源、XMT仪表及负载电阻三者之间是怎样连接的？项目四集成温度传感器【项目教学目标】☞知识目标1）熟悉集成温度传感器的工作原理。2）了解常用集成温度传感器的特性。☞技能目标1）能根据不同的应用场合选择集成温度传感器。2）掌握集成温度传感器的接线方法。任务一认识集成温度传感器1．PN结的温度特性图3-36硅二极管正向电压与温度、正向电流之间的关系提问：1.讨论硅二极管正向电压与温度的关系时，为什么需要使用恒流源？2.温度升高，二极管的正向电压怎样变化？大约为每摄氏度多少毫伏？任务二电流输出型温度IC的应用I=T×1μA/K（3-13）提问：AD590的输出电流是以什么温度的零度为基准的？环境温度每增加1℃，输出电流增加多少μA图3-38AD590的I-t特性曲线图3-40AD590测温电路a）输出电压与热力学温度成正比的电路b）输出电压与摄氏温度成正比的电路提问：1.当被测温度为100℃时，图3-40a的RL上可以得到多少毫伏的电压？2.当被测温度为100℃时，AD590的电流为多少微安？图3-40b的输出电压为多少伏？任务三电压输出型温度IC的应用LM35的输出的电压Uo与摄氏温度t成正比：Uo=t×10mV/℃（3-16）（3-17）图3-43LM35构成的正摄氏温度（2~150℃）测量提问：当LM35电压输出型温度IC的环境温度为100℃时，输出电压为多少毫伏？任务四数字输出型温度IC的应用DS18B20、MAX6675等。图3-46DS18B20的内部结构图3-47DS18B20的单端口多点测温原理框图提问：DS18B20温度IC的单端口多点测温应用时，三根引线的名称分别是什么？图3-48DS18B20的多端口多点测温原理框图提问：DS18B20的多端口8点测温时，需要多少根数据线？项目五防爆技术与安全栅【项目教学目标】☞知识目标1）了解防爆技术。2）了解安全栅的作用及工作原理。☞技能目标1）掌握齐纳式安全栅的接线方法。2）熟悉隔离式安全栅的应用。任务一认识防爆技术3．防爆仪表提问：1.防爆电气设备可分为那两大类？2.隔爆型的标志是什么？本安型的标志是什么？3.隔爆型仪表特点有哪些？4．本安型仪表提问：本安型仪表是指什么？本安型仪表的防爆功能主要由哪些措施来实现？（1）低电流；（2）安全栅；（3）减小电感。图3-51防爆等级的表示方法提问：EXiaⅡAT3是指什么？表3-8防爆等级表示方法的说明符号说明Ex符合国家标准的防爆标志类别（隔爆/本安）或本质级别d隔爆型电气设备ia本质安全型a级标志ib本质安全型b级标志类别（用途）Ⅰ矿井用电气设备ⅡA工厂用电气设备A级ⅡB工厂用电气设备B级ⅡC工厂用电气设备C级温度组别T1电气设备表面最高温度450T2电气设备表面最高温度300T3电气设备表