智能传感与检测技术 课件 第5章热电式传感器

机械工业出版社CHINAMACHINEPRESS热电式传感器第5章智能传感与检测技术徐小华主编

ISBN978-7-111-76072-6热电式传感器5智能传感与检测技术热电偶传感器5.1热电阻传感器5.2热敏电阻传感器5.3热电式传感器5

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。如冶金、机械、热处理、食品、化工以及玻璃、陶瓷和耐火材料等各类工业生产过程中广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。图5-1为热电式传感器工作原理示意图。智能传感与检测技术热电式传感器5热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点1和2的温度不同时，如T＞T0，在回路中就会产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，此种现象称为热电效应。该电动势就是著名的“塞贝克温差电动势”，简称“热电动势”，记为EAB，导体A，B称为热电极。接点1通常是焊接在一起的，测量时将它置于测温场所感受被测温度，故称为测量端（或工作端，热端）。接点2要求温度恒定，称为参考端（或冷端）。由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶传感器。智能传感与检测技术5.1热电偶传感器5.1.1热电偶的测温原理热电式传感器51.均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积，长度以及温度分布如何均不产生热电动势。如果热电偶的两根热电极由两种均质导体组成，那么，热电偶的热电动势仅与两接点的温度有关，与热电偶的温度分布无关；如果热电极为非均质电极，并处于具有温度梯度的温场时，将产生附加电势，如果仅从热电偶的热电动势大小来判断温度的高低就会引起误差。2.中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。根据这一定则，可以将热电偶的一个接点断开接入第三种导体，也可以将热电偶的一种导体断开接入第三种导体，只要每一种导体的两端温度相同，均不影响回路的总热电动势。在实际测温电路中，必须有连接导线和显示仪器，若把连接导线和显示仪器看成第三种导体，只要他们的两端温度相同，则不影响总热电动势。3.标准电极定律两种导体A,B分别与参考电极C(或称标准电极)组成热电偶，只要知道两种导体分别与参考电极组成热电偶时的热电动势，就可以依据参考电极定则计算出两导体组成热电偶时的热电动势，从而简化了热电偶的选配工作。由于铂的物理化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以人们多采用高纯铂作为参考电极。智能传感与检测技术5.1热电偶传感器5.1.2热电偶基本定律热电式传感器51.均质导体定律2.中间导体定律智能传感与检测技术5.1热电偶传感器5.1.2热电偶基本定律

在热电偶A、B回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中的热电势不变。热电式传感器53.标准电极定律智能传感与检测技术5.1热电偶传感器5.1.2热电偶基本定律

如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶的热电动势已知，则由A、B两种导体组成的热电偶热电动势也就已知。如图所示。热电式传感器54.中间温度定律智能传感与检测技术5.1热电偶传感器5.1.2热电偶基本定律

热电偶回路中，两接点温度分别为t、t0时的热电势，等于接点温度为t、tn和tn、t0的两支同性质热电偶的热电势的代数和热电式传感器5智能传感与检测技术5.1热电偶传感器5.1.3热电偶的材料、结构及性能1.热电偶的材料名

称分度号测温范围/

C特

点铂铑30

-铂铑6B50

1820熔点高，测温上限高，性能稳定，精度高，100

C以下热电势极小，所以可不必考虑冷端温度补偿；价昂，热电势小，线形差；只适用于高温域的测量铂铑13-铂R-50

1768使用上限较高，精度高，性能稳定，复现性好；但热电势较小，不能在金属蒸气和还原性气氛中使用，在高温下连续使用时特性会逐渐变坏，价昂；多用于精密测量铂铑10-铂S-50

1768优点同上；但性能不如R热电偶；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-270

1370热电势大，线性好，稳定性好，价廉；但材质较硬，在1000

C以上长期使用会引起热电势漂移；多用于工业测量镍铬硅—镍硅N-270

1300是一种新型热电偶，各项性能均比K热电偶好，适宜于工业测量镍铬—铜镍（康铜）E-270

800热电势比K热电偶大50%左右，线性好，耐高湿度，价廉；但不能用于还原性气氛；多用于工业测量铁—铜镍（康铜）J-210

760价格低廉，在还原性气体中较稳定；但纯铁易被腐蚀和氧化；多用于工业测量铜—铜镍（康铜）T-270

400价廉，加工性能好，离散性小，性能稳定，线性好，精度高；铜在高温时易被氧化，测温上限低；多用于低温域测量。可作（-200

0）

C温域的计量标准热电式传感器5智能传感与检测技术5.1热电偶传感器5.1.3热电偶的材料、结构及性能5.1热电偶传感器5.1.3热电偶的材料、结构及性能1.热电偶的结构和性能普通热电偶结构和外形铠装型热电偶薄膜热电偶热电式传感器51．补偿导线法工程中可采用一种补偿导线对冷端温度进行补偿，如图5-3所示。在0～100℃温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的熱电特性。可将热电偶电极做得很长，将冷端移到恒温或变化平缓的环境中。采用该方法时，一方面是安装使用不便，另一方面是需要耗费许多贵重的金属材。智能传感与检测技术5.1热电偶传感器5.1.4

热电偶的冷端温度补偿方法热电式传感器52．冷端0℃恒温法在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0℃恒温器或装满冰水混合物的容器中，以使冷端温度保持0℃。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。3．电桥补偿法电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度不在0℃时引起的热电势变化值，如图5-4所示，在热电偶与测温仪表之间串接一个直流不平衡电桥，电桥中的R1、R2、R3用电阻温度系数很小的锰铜丝制作，另一桥臂的RT用温度系数较大的铜线绕制。智能传感与检测技术5.1热电偶传感器5.1.4

热电偶的冷端温度补偿方法热电式传感器54．计算修正法当冷端温度恒定但不为零时，需要根据中间温度定律进行计算修正，消除冷端温度不为零产生的误差。该方法适用于热电偶冷端温度恒定的情况。在智能化仪表中，查表及运算过程均可由计算机完成。5.

显示仪表机械零位调整法智能传感与检测技术5.1热电偶传感器5.1.3热电偶的冷端温度补偿方法热电式传感器51.测量单点温度智能传感与检测技术5.1热电偶传感器5.1.5热电偶测温电路

（a）（b）热电式传感器52.测量多点温度和智能传感与检测技术5.1热电偶传感器5.1.5热电偶测温电路热电式传感器52.测量多点平均温度智能传感与检测技术5.1热电偶传感器5.1.5热电偶测温电路热电式传感器54.测量两点温度差智能传感与检测技术5.1热电偶传感器5.1.5热电偶测温电路热电式传感器5

热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度的变化来测量温度的元件，它由热电阻体（感温元件），连接导线和显示或纪录仪表构成。。(1)铂热电阻铂的物理化学性能极为稳定，并有良好的工艺性。以铂作为感温元件具有示值稳定，测量准确度高等优点，其使用范围是-200～850℃。除作为温度标准外，还广泛用于高精度的工业测量。

(2)铜热电阻铜热电阻的使用范围是-50～150℃，具有电阻温度系数大，价格便宜，互换性好等优点，但它固有电阻太小，另外铜在250℃以上易氧化。铜热电阻在工业中的应有逐渐减少。

智能传感与检测技术5.2热电阻传感器5.2.1热电阻工作原理热电式传感器5智能传感与检测技术5.2热电阻传感器5.2.2热电阻的结构（a）外型结构（b）结构图铜热电阻的结构示意图（a）外型结构（b）结构图铂热电阻的结构图热电式传感器5智能传感与检测技术5.2热电阻传感器5.2.2热电阻的结构热电式传感器5智能传感与检测技术5.2热电阻传感器5.2.3热电阻的测量电路选择二线制热电式传感器5智能传感与检测技术5.2热电阻传感器5.2.3热电阻的测量电路选择三线制热电式传感器5智能传感与检测技术5.2热电阻传感器5.2.3热电阻的测量电路选择四线制热电式传感器5

热敏电阻是一种电阻值随其温度成指数变化的半导体热敏元件。广泛应用于家电、汽车、测量仪器等领域。优点如下：(1)电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10～100倍；(2)结构简单，体积小，可以测量“点”温度；(3)电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；(4)功耗小，不需要参考