溫度測量傳感器[文字可編輯]

1、2020/4/1,1,實用傳感器技術教程,第,2,章,溫度測量傳感器,2.5,溫度測量傳感器性能比較,2.4,紅外測溫技術,2.3,集成溫度傳感器,2.2,熱電偶溫度傳感器,2.1,電阻式溫度傳感器,溫標的基本概念,溫標的基本概念,溫度,是表征物體冷熱程度的物理量，它體現了物體內部分,子運動狀態(tài)的特征,溫度是不能直接測量的。只能通過物體隨溫度變化的某些特,性（如體積、長度、電阻等）來間接測量,熱電式傳感器,將,溫度,變化,轉換成,電量,電阻、電勢等,將溫度變化轉換為,電阻,變化的元件主要有,熱電阻,和,熱敏電阻,將溫度變化轉換為,電勢,的傳感器主要有,熱電偶,和,PN,結式傳,感器,將,熱輻射

2、,轉換為電學量的器件有,熱電探測器、紅外探測器,等,熱電式傳感器,接觸式測溫,是基于,熱平衡,原理，即測溫敏感元件必須與被,測介質接觸，是兩者處于平衡狀態(tài)，具有同一溫度。如水銀溫度,計、熱敏電阻、熱電偶等,非接觸式測溫,是利用,熱輻射,原理，測溫的敏感元件不與被,測介質接觸，利用物體的熱輻射隨溫度變化的原理測定物體溫度,故又稱輻射測溫。如輻射溫度計，紅外測溫儀等,按測溫方法不同，熱電式傳感器分為接觸式和非接觸式兩,種,熱電式傳感器分類,測溫方法比較,常用熱電式傳感器,測溫,方式,傳感器類型,測溫范圍,精度,特點,常用熱電式傳感器,2.1,電阻式溫度傳感器,電阻式溫度傳感器是利用導體或半導體的電

3、阻率隨溫度變化而,變化的原理制成的，它將溫度變化轉化為元件電阻的變化，通,過測量電阻間接地測量溫度或者與溫度有關的參數,按照其制造材料來分，電阻式溫度傳感器可分為金屬熱電阻,簡稱熱電阻）及半導體熱電阻,簡稱熱敏電阻,兩種,2.1.1,金屬熱電阻,1,金屬熱電阻材料的特點,作為測量用的熱電阻材料必須具備以下特點,具有高溫度系數和高電阻率，這樣在同樣的測試條件下可提高,測量靈敏度，減小傳感器的體積和重量,在較寬的測量范圍內具有穩(wěn)定的物理和化學性質，保證在規(guī)定,的測量范圍內測量結果準確無誤,具有良好輸出特性，電阻阻值與溫度之間具有線性或近似線性,關系的特性曲線,具有良好的工藝性，以便于批量生產，降低

4、成本,2.1.1,金屬熱電阻,2,常用金屬熱電阻,1,鉑電阻,鉑電阻電阻值與溫度的關系為,在,0,660,范圍內,R,t,R,0,1,At,Bt,2,在,190,0,范圍內,R,t,R,0,1,At,Bt,2,C,t,100,t,3,工業(yè)用的鉑電阻體，一般由直徑,0.03,0.07mm,的純鉑絲繞在平,板形支架上，通常采用雙線電阻絲，引出線用銀導線,它能用作工業(yè)測溫元件和作為溫度標準，按國際溫標,IPTS,68,規(guī)定，在,259.34,630.74,的溫度范圍內，以鉑電阻溫度計,作基準器,2.1.1,金屬熱電阻,2,常用金屬熱電阻,2,銅電阻,在,50,150,范圍內，銅電阻與溫度的關系為,R

5、,t,R,0,1,At,Bt,2,Ct,3,銅容易提純，在,50,150,范圍內銅電阻的物理、化學特,性穩(wěn)定，輸入、輸出關系接近線性，且價格低廉。銅電阻的缺,點是電阻率較低，僅為鉑電阻的,1,6,左右；電阻的體積較大,熱慣性也較大，當溫度高于,100,時易氧化。因此，銅電阻只,能適于在低溫和無侵蝕性的介質中工作,常用的工業(yè)用銅電阻的,R,0,值有,50,100,兩種，其分度號分別,用,Cu50,Cu100,表示,2.1.1,金屬熱電阻,3,熱電阻主要參數,1,熱電阻分度表與分度號。在工業(yè)上，將熱電阻的,R,t,值與溫度,t,的對應關,系列成表格，稱為熱電阻分度表。制成電阻的金屬材料加上標稱電阻

6、值即為,其分度號。例如,Cu50,Pt100,等,2,允許偏差。允許偏差即熱電阻實際的電阻值與溫度關系偏離分度表的,允許范圍,3,熱響應時間。當溫度發(fā)生階躍變化時，熱電阻的電阻值變化至相當于,該階躍變化的某個規(guī)定百分比所需要的時間，稱為熱響應時間，通常以表,示。一般記錄變化,50,或,90,的響應時間分別為,0.5,與,0.9,熱電阻的響應,時間不僅與結構、尺寸及材質有關，還與被測介質的放熱系數、比熱等工作,環(huán)境有關,4,額定電流。額定電流是指在測量電阻值時，允許在元件中連續(xù)通過的,最大電流，一般為,2,5mA,限制額定電流是為了減少熱電阻自熱效應引起的,誤差，對熱電阻元件都規(guī)定了額定電流,2

7、.1.1,金屬熱電阻,3,熱電阻主要參數,名稱,等級,分度號,測溫范圍,允許偏差,鉑熱電阻,A,Pt10,200,850,0.15+0.002,T,Pt100,B,Pt10,0.30+0.005,T,Pt100,名稱,分度號,測溫范圍,允許偏差,0,時電阻值,銅熱電阻,Cu50,50,150,0.30+0.006,T,50.000,0.050,Cu100,100.00,0.10,表,2-1,鉑電阻技術參數,表,2-2,銅電阻技術參數,2.1.1,金屬熱電阻,4,使用注意事項,工業(yè)上廣泛應用金屬熱電阻進行,200,600,范圍的溫度測量。在使用時需,要注意以下問題,1,自熱誤差,在使用金屬熱電阻

8、測量溫度時，電阻要消耗一定的電功率，引起電阻值的變,化，從而帶來測量誤差。所以在使用中應盡量減小由于電阻器通電產生的自,熱而引起的誤差，一般是采取限制電流的辦法，通常允許通過電流應小于,5mA,2,引線誤差,由于熱電阻感溫元件到接線端子、接線端子到調理電路都需要連接引線，引,線本身的電阻及接觸電阻相對于較低阻值的熱電阻，是不可忽略的。一方面,它們影響熱電阻的零位值，另一方面它們隨溫度變化，帶來不確定的測量誤,差。因此，測量電阻的引線通常采用三線式或四線式接法,2.1.2,半導體熱敏電阻,1,熱敏電阻的特點及分類,1,熱敏電阻的特點,靈敏度高。熱敏電阻溫度系數的絕對值比金屬熱電阻大,10,100

9、,倍,電阻值高。它的標稱電阻值有幾,到十幾,M,之間的不同規(guī)格,因此在使用熱敏電阻時，一般不用考慮引線電阻的影響,結構簡單。熱敏電阻可根據使用要求加工成各種形狀，特別是,能夠做到小型化，目前的珠狀熱敏電阻的直徑僅為,0.2mm,體積小，熱慣性小，響應時間短，響應時間通常為,0.5,3s,化學穩(wěn)定性好，機械性能好，價格低廉，使用壽命長,缺點是阻值與溫度呈非線性關系，且互換性差,2.1.2,半導體熱敏電阻,2,熱敏電阻的分類,1,正溫度系數熱敏電阻,PTC,電阻值隨溫度升高而增大的熱敏電阻，稱為正溫度系數熱敏電,阻。它的主要材料是摻雜的,BaTiO,3,半導體陶瓷,2,負溫度系數熱敏電阻,NTC,

10、電阻值隨溫度升高而減小的熱敏電阻，稱為負溫度系數熱敏電,阻。它的主要材料是,Mn,Co,Ni,Fe,等金屬氧化物半導體,3,臨界溫度系數熱敏電阻,CTR,該類電阻的電阻值在某特定溫度范圍內隨溫度升高而降低,3,4,個數量級，即具有很大的溫度系數。其主要材料是,VO,2,并添,加一些金屬氧化物,2.1.2,半導體熱敏電阻,2,熱敏電阻的主要參數,1,標稱電阻,R,25,2,電阻溫度系數,t,3,耗散常數,mW,4,材料常數,B,5,時間常數,2.1.2,半導體熱敏電阻,3,熱敏電阻的主要特性,1,熱敏電阻的電阻,溫度特性,2,熱敏電阻的伏安特性,t,R,T,40,60,120,160,0,10,

11、0,10,1,10,2,10,3,10,4,10,5,10,6,1,2,3,4,0.1,1,10,100,10,7,10,6,10,5,10,4,10,3,0,25,60,V(V,I(mA,圖,2-1,熱敏電阻電阻溫度特性曲線,圖,2-2 NTC,熱敏電阻伏安特性曲線,2.1.2,半導體熱敏電阻,4,熱敏電阻命名方法及常用熱敏電阻,第一部分：主稱,第二部分：類別,第三部分：用途,第四部分：序號,字母,含義,字母,含義,數字,含義,M,敏感電阻,M,PTC,0,本部分由數字表示，不同,企業(yè)之間命名方法有所區(qū),別，通常包括標稱值,B,值、允許偏差及外形等,1,普通,2,限流,3,4,延遲,5,測溫

12、,6,控溫,7,消磁,8,9,恒溫,F,NTC,0,特殊,1,普通,2,穩(wěn)壓,3,微波測量,4,旁熱式,5,測溫,6,控溫,7,抑制浪涌,8,線性,9,表,2-3,熱敏電阻型號命名方法,2.1.2,半導體熱敏電阻,型號,標稱值,R,25,B,值,K,耗散系數,mw,額定功率,mw,時間常數,S,工作溫度,MF11,3.3,33K,2700,4050,6,500,30,55,125,MF12,6.8K,5000K,4250,5050,6,500,30,55,125,MF52,1K,1000K,3100,4500,2,50,15,55,125,MF58,1.5K,1388K,3920,4600,2

13、,50,20,55,200,MF72,0.7,400,6,35,55,200,表,2-4,常用熱敏電阻主要參數,4,熱敏電阻命名方法及常用熱敏電阻,2.1.3,電阻式溫度傳感器的測量電路,1,不平衡直流電橋,當電橋為單臂工作時，如圖,2-3 (b,所示，設初始狀態(tài)時,電橋達到平衡，輸出電壓,U,0,0,此時電橋上的各電阻的阻值分別,為,R,10,R,20,R,30,R,40,并滿足,R,10,R,40,R,20,R,30,即電橋的,平衡條件為,R,20,R,10,R,40,R,30,假設,R,1,為敏感元件，且,R,1,R,10,R,1,其它電阻均保持不變。在這種情,況下，橋路不平衡輸出電壓為

14、,設橋臂比,n =R,20,R,10,由于,R,1,R,1,分母中,R,1,R,1,可忽略，并考慮到,平衡條件，則上式可寫為,R,1,R,2,R,3,R,4,U,U,0,R,2,R,3,R,4,U,U,0,R,1,R,1,a,b,基本直流電橋,單臂工作直流電橋,圖,2-3,不平衡直流電橋,10,1,30,0,10,1,20,30,40,R,R,R,U,U,R,R,R,R,R,1,0,2,1,1,n,R,U,U,R,n,2.1.3,電阻式溫度傳感器的測量電路,2,不平衡電橋電壓靈敏度,如果將電橋電壓靈敏度定義為,從定義式可見,對于相同的敏感元件相對變化量,Ku,越大，電橋的輸出電壓,就越高。由式

15、,2-6,可得,2-7,由式,2-7,可知,1,電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電,橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應變片允許功耗的,限制，所以要作適當選擇,2,電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值,n,的函數，恰當地選擇橋,臂比,n,的值，可保證電橋具有較高的電壓靈敏度,0,1,1,u,U,K,R,R,0,2,1,1,1,u,U,n,K,U,R,n,R,2.1.3,電阻式溫度傳感器的測量電路,3,測量電阻接線方式,由于常用的金屬熱電阻的阻值不高，所以在使用熱電阻測量時,引線電阻和接觸電阻都不可避免地帶來測量誤差。為減小測,量過程中引線帶來的附加誤差，根據測量情況可將電阻引線方,

16、式分為三種,1,兩線制,2,三線制,3,四線制,R,1,R,2,R,3,a,mV,mV,E,R,t,R,t,E,b,圖,2-4,熱電阻的引線方式,2.1.4,工業(yè)熱電阻命名方法,第一部分：主稱,第二部分：類別,第三部分：結構,字母,含義,字母,含義,數字,含義,數字,含義,數字,含義,數字,含義,WZ,熱電阻溫,度儀表,P,鉑電阻,2,雙支偶,絲,1,無固定,裝置,2,防噴式,接線盒,0,保護管,直徑,16,2,固定螺,紋,3,活動法,蘭,4,固定法,蘭,5,活絡管,接頭,C,銅電阻,單支偶,絲,6,固定螺,紋錐式,3,防水式,接線盒,1,保護管,直徑,12,7,直形管,接頭,8,固定螺,紋管

17、接,頭,9,活動螺,紋管接,頭,表,2-5,裝配熱電阻,型號命名方法,2.1.5,電阻式溫度傳感器應用,1,三線橋式測溫電路,該電路測溫元件選擇金屬熱電阻,測量電路采用不平衡電橋,和儀表放大器。不平衡電橋,由高精度電阻,R,1,R,3,與鉑熱,電阻,R,t,組成。熱電阻采用三,線方式連接,R,W1,R,W2,R,W3,是連接導線,等效電阻。電源,U,c,為測量橋路提供工作,電流。從圖,2-5,中可見，由于,R,W1,R,W2,的存在使得電橋橋臂發(fā)生了變化,R,W1,和,R,t,組成一個橋臂,R,W2,和,R3,組成另一,個橋臂。因為電纜線的型號和長度相同,R,W1,和,R,W2,相等，根據式,

18、2-4,可以得出,這個新橋路的輸出電壓表達式為,A,1,A,2,A,3,R,t,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,R,7,R,8,R,9,R,10,U,c,R,w1,R,w2,R,w3,100,10k,10k,10k,10k,10k,10k,10k,10k,100,2k,電纜,U,O,圖,2-5,三線橋式測溫電路,1,3,2,1,2,3,t,c,t,R,R,R,R,U,U,R,R,R,R,2.1.5,電阻式溫度傳感器應用,2,鉑電阻恒流源測溫電,路,圖,2-6,所示為鉑電阻恒,流源測溫電路。圖中,A,1,U,r,R,t,RP,1,等組成,了恒流源電路，為熱電,阻,R,t,提供工作

19、電流,U,r,為,2V,的基準電壓，作,為恒流源的基準,R,t,采,用標稱值為,1k,的鉑熱,電阻,A,1,R,t,R,4,R,5,10k,10k,10k,U,O,A,2,R,1,R,2,R,3,RP,1,RP,2,U,r,e,1,200,1k,24k,5k,圖,2-6,鉑電阻恒流源測溫電路,2.1.5,電阻式溫度傳感器應用,3,鉑電阻線性化電路,溫度,電阻值,0,200,400,600,200,300,100,A,1,R,t,R,4,R,5,10k,10k,U,O,A,2,R,1,R,2,R,3,RP,1,RP,2,U,r,R,6,R,7,RP,3,A,3,10k,2V,e,1,1k,1k,

20、1k,22k,24k,9.5k,5k,圖,2-7,鉑電阻溫度特性,圖,2-8,鉑電阻線性化測溫電路,2.1.5,電阻式溫度傳感器應用,4,鉑電阻溫度控制儀電路,J1,OSC1,OSC2,OSC3,IN,IN,REFL,COM,GND,U,REFH,U,AZ,BUF,INT,CR,CR,1234,A,1,A,2,A,3,A,4,U,R,1,TL431,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,R,7,R,8,R,9,R,10,R,11,R,12,RP,1,RP,2,RP,3,RP,4,R,t,C,1,1000pf,100pf,0.1f,0.1f,0.047f,0.22f,C,2,C,3,C,4,C

21、,5,ICL7107,SA,設定,測量,U,U,U,1k,2.4k,100,82,200,240,2.4k,12 k,4.8 k,62k,10k,5.1k,100k,100k,100k,470k,V,s,V,2,VT,1,圖,2-9,鉑電阻溫度控制儀,2.1.5,電阻式溫度傳感器應用,5,帶有自動監(jiān)視功能的溫度控制器電路,A,1,R,4,R,5,10k,A,2,R,1,R,2,R,3,RP,1,R,6,R,7,A,3,MC4011,MC4011,A,4,R,8,C,1,4.7n,f,51k,B,a,b,c,d,1.2k,L,3,L,4,L,1,L,2,22k,5.1k,R,t,12V,12V,

22、18V,2k,1.2k,1.2k,100k,R,L,VT,1,VT,2,D,5,VD,1,VD,2,VD,3,VD,4,圖,2-10,帶有自動監(jiān)視功能的溫控器電路,2.2,熱電偶溫度傳感器,2.2.1,工作原理及基本定律,1,工作原理,將兩種不同的導體,A,和,B,串接成一個,閉合回路，若導體,A,和,B,的兩接點處,的溫度不同，兩者之間便會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應。由此效應產,生的電動勢，通常稱為熱電動勢。熱電偶就是利用這一效應來工作的,熱電偶的結構如圖,2-11,所示，由導體,A,和,B,組成的熱電偶回路，材料,A,和,B,稱為,熱電極；接點,T,端稱為測量端，或工作端；另一個接點

23、,T0,稱為參考端或冷端,自由端?？梢宰C明，如果材料,A,B,確定，當溫度,T,T0,時，則回路的總,的熱電勢表示為,E,AB,T,T,0,f,T,f,T,0,T,T,0,A,B,圖,2-11,熱電偶原理圖,2.2.1,工作原理及基本定律,1,工作原理,熱電勢的大小只與熱電偶兩端接電的溫度有關，如果,T,0,已知且恒定,則,f,T,0,為常數，總回路熱電勢,E,AB,T,T,0,只是工作端溫度,T,的單,值函數,結論,1,若熱電偶兩電極材料相同，則無論兩接點溫度如何，回路總電勢,為零,2,若熱電偶接點溫度相同，即使,A,和,B,材料不同，回路總電勢仍為零,3,熱電勢的大小只與熱電極的材料和兩端

24、溫度有關，與熱電偶的幾,何尺寸、形狀等無關,4,同樣材料的熱電極，其溫度和電勢的關系是一樣的，因此熱電極,材料相同的熱電偶可以互換,2.2.1,工作原理及基本定律,2,基本定律,1,中間導體定律,在熱電偶電路中接入第三種導體,C,只要導,體,C,兩端溫度相等，則熱電偶回路產生的總,熱電勢就不變。根據該定律可知，當利用熱,電偶進行測溫時，將連接導線視為中間導體,只要保證其兩端溫度相同，則對測量結果沒有影響。中間導體定律如圖,2-12,所,示,2,中間溫度定律,如果熱電偶,AB,兩結點的溫度分別為,T,和,T,0,則所產生的熱電勢等于熱電偶,AB,兩結點溫度為,T,和,T,n,與熱電偶,AB,結點

25、溫度為,T,n,和,T,0,時所產生的熱電勢的,代數和，用公式表示為,E,AB,T,T,0,E,AB,T,T,n,E,AB,T,n,T,0,T,T,0,A,B,T,1,M,C,C,圖,2-12,中間導體定律,2.2.1,工作原理及基本定律,2,基本定律,3,參考電極定律,當熱電偶回路的兩個結點溫度為,T,和,T,0,時，用導體,AB,組成的熱電偶的熱電勢,等于熱電偶,AC,和熱電偶,CB,的熱電勢的代數和，即,E,AB,T,T,0,E,AC,T,T,0,E,CB,T,T,0,導體,C,稱為標準電極，這一規(guī)律稱為參考電極定律,T,T,0,A,B,C,C,E,AC,T,T,0,E,BC,T,T,0

26、,E,AB,T,T,0,圖,2-13,參考電極定律,2.2.1,工作原理及基本定律,3,參考電極定律,例,2.1,S,型熱電偶在工作時自由端溫度,T,0,30,現測得熱,電偶電動勢為,7.5mV,求被測介質實際溫度,解：由題意熱電偶測得的電勢為,E,T,30,即,E,T,30)=7.5mV,其中,T,為被測介質實際溫度,由分度表可查到,E,30,0)=0.173mV,則,E,T,0),E,T,30),E,30,0)=7.5+0.173=7.673 mV,再由分度表中查出與其對應的實際溫度為,830,2.2.2,熱電偶結構,1,普通型熱電偶,普通型結構的熱電偶在工業(yè)中使用最多，主要用于測量氣體、

27、蒸汽和液體等,介質的溫度，可根據測量條件和測量范圍來選用。為了防止有害介質對熱電,極的侵蝕，工業(yè)用的熱電偶一般都有保護套。普通型熱電偶結構見圖,2-14,絕緣套管用來防止電極短路，其材料要根據使用的溫度范圍和絕緣要求確定,常用氧化鋁和耐火陶瓷。不銹鋼套管是為了將電極與被測對象隔離開，以,防止受到化學腐蝕或機械損傷。對保護套管的要求是熱傳導性好、熱容量小,耐腐蝕并且具有一定的機械強度,引線口,不銹鋼套管,接線盒,焊點,瓷絕緣套管,安裝固定件,圖,2-14,普通熱電偶結構,2.2.2,熱電偶結構,2,鎧裝熱電偶,鎧裝熱電偶的結構如圖,2-15,所示，它是將熱電極、絕緣材料和金屬保護管組,合在一起，

28、經拉伸加工成為一個堅實的組合體。它具有很大的可撓性，其最,小彎曲半徑通常是熱電偶直徑的,5,倍。此外它還具有測溫端熱容量較小、動,態(tài)響應較快、強度高、壽命長及適應性強等優(yōu)點，適用于結構復雜的部位的,溫度測量，因此在工業(yè)中得到了廣泛的應用,襯架,測量接點,Fe,膜,Ni,膜,Fe,絲,Ni,絲,接頭夾具,圖,2-15,鎧裝熱電偶結構,2.2.2,熱電偶結構,3,薄膜熱電偶,薄膜熱電偶是一種先進的測量瞬變溫度的傳感器。它是將兩種,薄膜熱電極材料，通過真空蒸鍍、化學涂層等方法蒸鍍到絕緣,基板上面制成的一種特殊熱電偶。它的測溫原理與普通絲式熱,電偶相似，由于薄膜熱電偶的熱接點多為微米級的薄膜（電極,為

29、厚度,0.010.1,m,，與普通熱電偶比較，它具有熱容量小,響應迅速等特點，所以能夠準確地測量瞬態(tài)溫度的變化,2.2.3,熱電偶的冷端補償方法,由熱電偶測溫原理可知，熱電偶的熱電勢的大小不僅,與工作端的溫度有關，而且與冷端溫度有關，是工作,端和冷端溫度的函數差。只有當熱電偶的冷端溫度保,持不變，熱電勢才是被測溫度的單值函數。工程技術,上使用的熱電偶分度表中的熱電勢值是根據冷端溫度,為,0,而制作的。但在實際使用時，由于熱電偶的工作,端與冷端離得很近，冷端又暴露于空氣，容易受到環(huán),境溫度的影響，因而冷端溫度很難保持恒定,2.2.3,熱電偶的冷端補償方法,1,補償導線法,圖,2-16,所示為補償

30、導線法示意圖。在圖中,A,B,為補償導線，它所,產生的熱電勢為,E,A,B,T,0,T,0,回路總電勢為,E,AB,T,T,0,E,A,B,T,0,T,0,根,據補償導線的性質，有,E,A,B,T,0,T,0,E,AB,T,0,T,0,則由熱電偶的中間溫度定律可得回路總電勢,E,E,AB,T,T,0,E,A,B,T,0,T,0,E,AB,T,T,0,因此，補償導線,A,B,可視為熱電偶電極,AB,的延長，使熱電偶的自由端,從,T,0,處移到,T,0,處，熱電偶回路的熱電勢只與,T,和,T,0,有關,T,0,的變化不,再影響總電勢,A,B,T,A,B,T,0,T,0,圖,2-16,補償導線法示意

31、圖,2.2.3,熱電偶的冷端補償方法,1,補償導線法,在使用補償導線時必須注意下列問題,1,補償導線只能在規(guī)定的溫度范圍內（一般為,0,100）與熱電偶的熱電特,性相同或相近,2,不同型號的熱電偶有不同的補償導線,3,熱電偶與補償導線連接的兩個接點要保持相同的溫度,4,補償導線有正負極之分，需要分別與熱電偶的正負極相連,5,補償導線的作用只是延伸熱電偶的自由端，當自由端溫度,T,0,0,時，還需,要進行其它補償與修正,補償導線型號,配用熱電偶型號,補償導線,絕緣層顏色,正極,負極,正極,負極,SC,S,SPC,銅,SNC,銅鎳,紅,綠,KC,K,KPC,銅,KNC,康銅,紅,藍,KX,K,KP

32、X,鎳鉻,KNX,鎳硅,紅,黑,EX,E,EPX,鎳鉻,ENX,銅鎳,紅,棕,JX,J,JPX,鐵,JNX,銅鎳,紅,紫,TX,T,TPX,銅,TNX,銅鎳,紅,白,表,2-6,常用熱電偶補償導線,2.2.3,熱電偶的冷端補償方法,例,2.2,有一個熱電偶測溫系統(tǒng)，如圖,2-17,所示。其熱電偶兩,個熱電極的材料為鎳鉻,鎳硅,A,B,分別為配鎳鉻,鎳硅熱,電偶的補償導線，測量系統(tǒng)配用,K,型熱電偶的溫度顯示儀表來,顯示被測溫度大小。設,T=300,T,0,50,T,0,20,求,測量回路的總電勢以及溫度顯示儀表的讀數。如果補償導線,為普通銅導線，則測量回路的總電勢和溫度顯示值是多少,A,B,T

33、,A,B,T,0,T,0,補償,電橋,顯示儀表,圖,2-17,熱電偶測溫電路,2.2.3,熱電偶的冷端補償方法,解：由題意可知，使用熱電偶的分度號為,K,型，則總的回路電勢為,E,E,K,T,T,0,E,K,補,T,0,T,0,E,補,T,0,0,式中,E,K,T,T,0,為熱電偶產生的熱電勢,E,K,補,T,0,T,0,為配,K,型熱電偶的補償,導線產生的電勢,E,補,T,0,0,為補償電橋提供的電勢。由于補償導線和補償,電橋都是配,K,型熱電偶的，因此，這兩部分產生的電勢可近似為,E,K,T,0,T,0,和,E,K,T,0,0,，所以總電勢可寫成,E,E,K,T,T,0,E,K,T,0,T

34、,0,E,K,T,0,0,E,K,T,0,顯然，儀表的讀數是,300,查,K,型熱電偶的分度表，得,E=12.209mV,當補償導線是普通銅導線時，因為是一種導體銅，所以不產生電動勢，即,等于,0,則回路總電動勢為,E,E,K,T,T,0,E,補,T,0,0,E,K,300,50),E,K,20,0,12.209-2.023,0.798-0,10.984,mV,查,K,型分度表，得顯示溫度值為,270.3,2.2.3,熱電偶的冷端補償方法,2,熱電勢修正法,在實際工況環(huán)境中，當熱電偶冷端溫度不是,0,時，而是,T,n,時，根據熱電偶中,間溫度定律，可得熱電動勢的計算校正公式為,E,T,0),E

35、,T,T,n,E,T,n,0,因此只要知道了熱電偶參比端的溫度,T,n,就可以從分度表中查出對應于,T,n,時的,熱電動勢,E,T,n,0,然后將這個熱電動勢值與顯示儀表所測得讀數值,E,T,T,n,相,加，得出的結果就是熱電偶的參比端溫度為,0,時，對應于測量端的溫度為,T,時的熱電動勢,E,T,0,最后就可以從分度表中查得對應于,E,T,0,的溫度，這個,溫度的數值就是熱電偶測量端的實際溫度,3,0,恒溫法,為了測溫準確，可以把熱電偶的冷端置于冰水混合物的容器里，保證使冷端溫,度為,0,這種辦法測量最為直接，但是在現場測量時，要保證冷端溫度保持,在,0,不變十分困難，所以該方法常用于在實驗

36、室中進行的測量,2.2.3,熱電偶的冷端補償方法,4,冷端溫度自動補償法,1,硬件電路補償法,1,電橋補償法,T,T,0,T,0,E,AB,T,T,0,R,1,R,2,R,3,R,Cu,R,w,E,U,a,b,圖,2-18,電橋補償法示意圖,2.2.3,熱電偶的冷端補償方法,2,集成電路補償法,T,T,0,T,0,E,AB,T,T,0,R,1,R,2,R,3,R,4,A,1,RP,1,RP,2,RP,3,1k,1k,300k,10k,AD592,5V,U,O,U,r,T,T,0,T,0,E,AB,T,T,0,R,1,R,2,R,3,R,4,A,1,RP,2,U,O,TMP35,V,s,GND,

37、V,OUT,3.3V,5.5V,R,5,R,6,R,7,C,1,24.9k,1k,1.24M,5.1k,5.1k,1.21M,50k,0.1,f,圖,2-20,利用,TMP35,補償的熱電偶測溫電路,圖,2-19,利用,AD592,補償的熱電偶測溫電路,2.2.3,熱電偶的冷端補償方法,2,集成電路補償法,圖,2-21,利用,MAX6675,補償的熱電偶測溫電路,T,MAX6675,T,T,SO,SCK,CS,MCU,P1.0,P1.1,P1.2,K,型,熱電偶,2.2.3,熱電偶的冷端補償方法,2,計算修正法,若自由端溫度為,T,0,時，測得物體溫度為,T,則被測物體的真實,溫度近似為,T=

38、T,KT,0,式中,K,為熱電偶的修正系數，如表,2-7,中所示,工作端溫度,熱電偶種類,銅,康銅,鎳鉻,康銅,鐵,康銅,鎳鉻,鎳硅,鉑銠,鉑,0,1.00,1.00,1.00,1.00,1.00,20,1.00,1.00,1.00,1.00,1.00,100,0.86,0.90,1.00,1.00,0.82,200,0.77,0.83,0.99,1.00,0.72,300,0.70,0.81,0.99,0.98,0.69,400,0.68,0.83,0.98,0.98,0.66,500,0.65,0.79,1.02,1.00,0.63,600,0.65,0.78,1.00,0.96,0.62

39、,700,0.80,0.91,1.00,0.66,800,0.80,0.82,1.00,0.59,900,0.84,1.00,0.56,1000,1.07,0.55,1100,1.11,0.53,1200,0.53,1300,0.52,1400,0.52,1500,0.52,2.2.4,熱電偶的測量誤差,1,分度誤差,熱電偶的分度是指將熱電偶置于給定溫度下測定其熱電勢，以確定熱電勢與,溫度的對應關系,E,T,關系）?？梢?，實際的熱電偶特性與標準分度表并,不完全一致，這就帶來了分度誤差,2,儀表誤差及接線誤差,用熱電偶測溫時，必須有與之配套的儀表進行顯示或記錄。它們的誤差必然,會帶入測量結果，這

40、種誤差與所選用儀表的精度和儀表的量程有關,3,干擾和漏電誤差,用熱電偶測溫時，由于周圍電場和磁場的干擾，往往會造成熱電偶回路中的,附加電勢，引起測量誤差，常用冷端接地或屏蔽等方法消除誤差,不少絕緣材料隨溫度升高阻值下降，尤其是在,1500,以上的高溫時，其絕,緣性能顯著下降，可能造成熱電勢分流輸出,4,動態(tài)誤差,當測溫時，指示的溫度值始終跟不上被測介質溫度變化值，這種測量瞬變溫,度時由滯后引起的誤差，稱為動態(tài)測溫誤差,為了適應不同生產對象的測溫要求和條件，熱電偶的結構,形式有,普通型熱電偶,特殊熱電偶,鎧裝型熱電偶,薄膜熱電偶等,熱電偶的結構與種類,普通型熱電偶結構,接,線,盒,熱,電,極,熱

41、,端,絕,緣,管,保,護,管,優(yōu)點,測溫端熱容量小，動態(tài)響應快；機械強度高，撓性,好，可安裝在結構復雜的裝置上,鎧裝型熱電偶,接線盒,固定裝置,B,B,金屬導管,絕緣材料,熱電極,A,放大,A,B,B,薄膜熱電偶,工作端,絕,緣,基,板,熱電極,接頭夾具,引,出,導,線,特點,熱接點可以做得很小,m,，具有熱容量小、反應速,度快,s,等特點，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化,的動態(tài)溫度測量,2.2.5,常用熱電偶及熱電偶命名方法,1,標準化熱電偶,型號,電極材料,測溫范圍,型號,電極材料,測溫范圍,S,鉑銠,10,鉑,50,1768,N,鎳鉻硅,鎳硅,270,1300,R,鉑銠,13,鉑

42、,50,1768,E,鎳鉻,康銅,270,1000,B,鉑銠,30,鉑銠,6,0,1820,J,鐵,康銅,210,1200,K,鎳鉻,鎳硅,270,1372,T,銅,康銅,270,400,表,2-8,標準化熱電偶參數,2.2.5,常用熱電偶及熱電偶命名方法,2,熱電偶命名方法,第一部分：主稱,第二部分：類別,第三部分：結構,字母,含義,字母,含義,數字,含義,數字,含義,數字,含義,數字,含義,WR,熱電偶溫,度儀表,M,鎳鉻,硅,鎳,硅,2,雙支偶,絲,1,無固定裝,置,2,防噴式,接線盒,0,保護管直,徑,16,2,固定螺紋,N,鎳鉻,鎳硅,3,活動法蘭,1,保護管直,徑,20,4,固定法

43、蘭,E,鎳鉻,銅鎳,5,活絡管接,頭,2,保護管直,徑,16,高鋁質,管,單支偶,絲,6,固定螺紋,錐式,3,防水式,接線盒,C,銅,銅,鎳,7,直形管接,頭,3,保護管直,徑,20,高鋁質,管,8,固定螺紋,管接頭,F,鐵,銅,鎳,9,活動螺紋,管接頭,表,2-9,裝配熱電偶型號命名方法,2.2.6,熱電偶應用電路,1,熱電偶的線性校正電路,1,多項式線性校正法,設溫度為,T,各項系數為,a,0,a,1,a,N,則熱電偶電動勢,E,可表示為,E= a,0,a,1,T+ a,2,T,2,a,N,T,N,實現高次冪運算電路，就可構成線性校正電路。冪次越,高，精度越高，電路越復雜，相應速度越慢。實

44、際上只要取到,2,次冪就可以,獲得足夠的精度,K,型熱電偶放大電路輸出,600mV,時的,2,次冪近似校正計算式可表達為,U,OUT,-0.776+24.9952U,IN,0.0347332U,IN,2,mV,2,平方運算專用集成電路,AD538,線性化校正法,線性化電路的關鍵是求平方運算,AD538,不用外接元件就可構成平方運算的,線性校正電路,AD538,精度為,0.5,動態(tài)范圍寬。輸出電壓,UOUT,滿足一,下函數關系,m,Z,OUT,Y,X,V,U,V,V,2.2.6,熱電偶應用電路,3,K,型熱電偶線性校正電路,T,T,0,T,0,E,AB,T,T,0,R,1,R,2,R,3,A,1

45、,1k,300k,10k,U,z,U,y,B,C,U,O,U,x,10V,IY,AD538,IS1538,A,2,RP,1,R,4,R,5,R,6,R,7,R,8,R,9,U,OUT,1.3k,130k,270k,15k,270k,100,K,型熱電偶,15k,圖,2-22,采用,AD538,的熱電偶線性校正電路,2.2.6,熱電偶應用電路,2,用,J,型熱電偶實現范圍為,0,600,的測溫電路,T,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,R,7,R,8,14,1,4,7,8,9,11,12,AD594,A,2,A,1,A,3,A,4,R,9,R,10,R,11,R,12,R,13,R

46、,14,R,15,R,16,R,17,R,18,VT,1,AD538,U,X,U,0,10V,IY,U,Z,U,Y,B,C,VD,1,L,1,20k,1k,2.2k,1k,430,RP,1,RP,2,1k,10k,10k,10k,10k,10k,10k,10k,82k,7.2k,130k,560,9.1k,1k,1.3M,U,OUT1,U,OUT2,J型熱電偶,15V,15V,圖,2-23 J,型熱電偶,0,600,測溫電路,2.3,集成溫度傳感器,2.3.1,集成溫度傳感器分類與特點,1,模擬集成溫度傳感器,目前模擬集成溫度傳感器主要分為兩大類：一類為電壓型集成溫度傳感器,另一類為電流型集成

47、溫度傳感器,電壓型集成溫度傳感器是將溫度傳感器、基準電壓、緩沖放大器集成在同一,芯片上，制成一個兩端器件,電流型集成溫度傳感器是把線性集成電路和薄膜工藝元件集成在一塊芯片上,再通過激光修版微加工技術，制造出性能優(yōu)良的測溫傳感器,2,數字溫度傳感器,智能溫度傳感器內部包含溫度傳感器,A,D,轉換器、信號處理器、存儲器和,接口電路,智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數據及相關的溫度控制量，適配各種微,控制器,2.3.2,集成溫度傳感器應用,1,電壓輸出集成溫度傳感器,LMX35,及應用,LMX35,傳感器引腳排列如圖,2-24,所示,1,性能與特點,它屬于電壓輸出式精密集成溫度傳感器，電壓溫度系數為

48、,10mV,K,輸出電,壓與熱力學溫度成正比,測溫精度高，測溫范圍寬。經過校準后,LM135,在,25,的測溫精度可達,0.3,LM135,的測溫范圍是,55,150,LM235,為,40,125,LM335,為,40,100,動態(tài)阻抗低。當工作電流為,0.4,5mA,時，其動態(tài)阻抗僅為,0.5,0.6,價格低，易校準,圖,2-24 LMX35,引腳排列,2.3.2,集成溫度傳感器應用,1,電壓輸出集成溫度傳感器,LMX35,及應用,2,應用,用,LM335,系列測量溫度的,3,種典型電路如圖,2-25,所示。圖,2-25(a,為基本,U,0,測,溫電路，其特點是電路非常簡單，但由于未加溫度校

49、準電路，因此測溫誤差,較大，在,25,就有,0.5,2的誤差。圖,2-25(b,中,LM335,的調整端,ADJ,接,10k,精密多圈電位器,RP,1,的滑動觸頭，在,25,時調整,RP,1,可使輸出電,壓,U,0,2.982V,經校準后可以提高傳感器的測量精度。圖,2-25(c,是在圖,2,25(b,的基礎上改進而成的,U,0,U,0,U,0,U,U,U,LM335,LM335,LM335,R,1,R,1,RP,1,RP,1,R,set,U,R,a,b,c,LM334,圖,2-25 LM335,典型應用電路,2.3.2,集成溫度傳感器應用,1,電壓輸出集成溫度傳感器,LMX35,及應用,2,

50、應用,圖,2-26,中所示就是輸出電壓與攝氏溫,度成正比的應用電路,LM336,是精密,基準電壓源，它的穩(wěn)壓值為,2.5V,該,基準電壓經過運算放大器,LM308,放大,后輸出電壓值為,2.7315V,LM335,測,溫輸出電壓與該電壓相差之后為該電,路的輸出電壓，就是與攝氏溫度成正,比的電壓,U,0,U,LM335,R,4,U,LM308,R,1,R,2,R,3,RP,1,RP,2,LM336,1k,2k,8.5k,6k,12k,10k,圖,2-26 LMX35,攝氏溫度測量電路,2.3.2,集成溫度傳感器應用,2,電流輸出集成溫度傳感器,AD590,及應,用,1,AD590,性能與特點,它

51、的主要特性如下,流過器件的電流,A,等于器件所處環(huán)境的熱力學,溫度,開爾文,度數。電流變化,1,A,相當于溫度,變化,1K,AD590,的測溫范圍為,55,150,AD590,的電源電壓范圍為,4V,30V,AD590,可以,承受,44V,正向電壓和,20V,反向電壓,輸出電阻大于,10M,精度高,AD590,共有,I,J,K,L,M,五檔，其中,M,檔精度最高，在,55,150,范圍內，非線,性誤差為,0.3,圖,2-27 AD590,引腳排列,2.3.2,集成溫度傳感器應用,2,電流輸出集成溫度傳感器,AD590,及應,用,2,AD590,應用,圖,2-28,是,AD590,的基本連接方式

52、。其中圖,2-28(a,是簡單連接方式，溫度的變化引起電流,I,的變化,通過電阻,R,1,和,R,2,轉換為電壓得到,U,0,1mV/K,圖,2-28(b,中是最低溫度檢測電路，圖中將三個,AD590,串接（也可多于或少于三個），并通過一,只,10k,電阻取電壓，由于是串聯(lián)，所以流過電,阻上的電流是由處于最低溫度的那一只,AD590,決,定。因此從電阻上得到的電壓反映的只是最低溫,度，其靈敏度為,10mV/K,圖,2-28(c,是檢測平均,溫度的基本接法，將幾個,AD590,并聯(lián)，通過一只,電阻取樣，可以得到不同,AD590,處的平均溫度,AD590,AD590,AD590,AD590,R,1

53、,R,2,3XAD590,4,30,V,15V,5V,10k,333.3,950,100,a,b,c,U,0,U,0,U,0,圖,2-28 AD590,的基本連接方式,2.3.2,集成溫度傳感器應用,2,電流輸出集成溫度傳感器,AD590,及應用,2,AD590,應用,圖,2-29,是典型的攝氏溫度檢測電路。其設計思想是利用運算放大器的虛地概念,將,AD590,電流輸出支路與產生,273.15,的常數支路在虛地點疊加，從而將開氏,溫度轉換為攝氏溫度。圖中,MC1403,輸出,2.5V,電壓基準，通過,R,1,和,RP,1,得到,273.15A,電流在運放反相輸入端與,AD590,在,0,時產生

54、的,273.15A,相互抵消,從而得到靈敏度為,100mV,的攝氏溫度輸出,12V,12V,AD590,A,1,MC1403,1,2,3,R,1,R,2,R,3,RP,1,RP,2,8.2k,7.8k,5k,97.6k,2k,U,O,圖,2-29 AD590,攝氏溫度檢測電路,2.3.2,集成溫度傳感器應用,3,基于,1-wire,接口的數字溫度傳感器,DS18B20,及應用,MCU,VDD,GND,DQ,VDD,GND,DQ,VDD,GND,DQ,I/O,3,5.5,V,3,5.5,V,3,5.5,V,DS18B20-1,DS18B20-2,DS18B20-N,圖,2-30 DS18B20,

55、引腳排列,圖,2-31 DS18B20,構成的多點測溫電路,2.3.2,集成溫度傳感器應用,4,基于,SPI,總線接口的智能溫度傳感器,LM74,及應用,A,B,C,D,0,2,1,15,CS,SI/O,SC,CS,SI/O,SC,CS,SI/O,SC,LM74-1,LM74-2,LM74-16,74HC154,I/O,1,I/O,2,I/O,3,I/O,4,I/O,5,I/O,6,MCU,圖,2-32 LM74,引腳排列,圖,2-33 LM74,組成的溫度采集系統(tǒng),開始,初始化,n=1,CS=0,數據通信開始,溫度超限,數據處理,置處理結束,標志,結束否,n=n+1,n16,N,報警,Y,Y

56、,N,Y,N,圖,2-34,溫度采集系統(tǒng)軟件流程圖,2.3.2,集成溫度傳感器應用,5,基于,I,2,C,總線接口的智能溫度傳感器,MAX6626,及應用,MAX6626,主要特性為,內含溫度傳感器和,12,位,A,D,轉換器，測溫范圍是,55,125,分辨力,可達,0.0625,在,40,80,范圍內的測溫誤差小于或等于,3,完成一,次溫度數據轉換大約需要,133ms,帶,I,2,C,串行總線接口。串行時鐘頻率范圍,0,400kHz,利用,I,2,C,總線地址選擇,端,ADD,可選擇,4,片,MAX6626,當被測溫度超過上限,t,H,時，報警輸出端,OT,被激活。芯片既可工作在比較模,式，

57、亦可工作在中斷模式,MAX6626,具有掉電模式，主機通過串行口將配置寄存器的,DO,置成高電平時,芯片就進入此模式，這時除上電重啟動電路和串行接口以外，其余電路均,不工作,利用內部的故障排隊計數器，能防止出現誤報警現象,電源電壓范圍是,3.0,5.5V,靜態(tài)工作電流約為,1mA,在掉電模式下降至,1,A,2.3.2,集成溫度傳感器應用,5,基于,I,2,C,總線接口的智能溫度傳感器,MAX6626,及應用,圖,2-35 MAX6626,引腳排列,1,引腳功能,SDA,I,2,C,總線數據線,SCL,I,2,C,總線時鐘輸入,ADD,I,2,C,地址設置腳，其設置方式,見表,2-5,OT,溫度

58、告警輸出，采用漏極開路,輸出,2.3.2,集成溫度傳感器應用,5,基于,I,2,C,總線接口的智能溫度傳感器,MAX6626,及應用,2,應用,ADD,SDA,SCL,VS,GND,OT,ADD,SDA,SCL,VS,GND,OT,ADD,SDA,SCL,VS,GND,OT,ADD,SDA,SCL,VS,GND,OT,I/O,1,I/O,2,MCU,MAX6626-1,MAX6626-2,MAX6626-3,MAX6626-4,VT,1,VT,2,VT,3,VT,4,5.1k,5.1k,5.1k,5.1k,1k,1k,V,cc,圖,2-36 MAX6626,組成的溫度測量系統(tǒng),2.4,紅外測溫

59、技術,2.4.1,紅外測溫原理,1,紅外線及紅外輻射,紅外輻射的物理本質是熱輻射，自然界中的任何物體，只要它的溫度高于絕,對零度，都會有一部分能量以電磁波形式向外輻射，物體的溫度越高，輻射,出來的紅外線就越多，輻射的能量就越強,紅外線有如下特點,紅外線易于產生，容易接收,紅外發(fā)光二極管，結構簡單，易于小型化，且成本低,紅外線調制簡單，依靠調制信號編碼可實現多路控制,紅外線不能通過遮擋物，不會產生信號串擾等誤動作,功率消耗小，反應速度快,對環(huán)境無污染，對人、物無損害,抗干擾能力強,2.4.1,紅外測溫原理,2,紅外測溫原理,紅外測溫是輻射式測溫的一種，在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體,都會

60、輻射紅外線，描述黑體輻射光譜分布的普朗克公式和黑體全輻射度與溫,度關系的斯蒂芬一玻耳茲曼定律是輻射測溫法的基本理論依據，其關系式為,E,T,4,同時探測器還可測出絕對黑體對應最大光譜輻出量的峰值波長,max,依據維,恩位移定律可知，它與熱力學溫度,T,成反比，即,max,T,b,這說明輻射出較,高能量分子的數量會成正比地增加，即波長越短，能量越高。若已知熱力學,溫度,T,則可判斷其峰值輻射波長,max,若測得一個黑體輻射時的,max,則可,推知該黑體的表面熱力學溫度,T,通過測量物體自身輻射的紅外能量可準確確定物體的表面溫度，即按事先規(guī),定的時間周期把輸入信號轉變?yōu)楣庾V信號，再通過簡單分析定性