傳感器及檢測技術(shù)課件-第2章

第2章溫度傳感器及檢測

2.1溫度檢測的概述2.2熱電阻測溫傳感器2.3熱電偶溫度傳感器2.4集成溫度傳感器2.5溫度傳感器的工程設(shè)計實例 2.1溫度檢測的概述

2.1.1溫度

從熱平衡的觀點來看,溫度是表征物體冷熱程度的物理量,它代表了系統(tǒng)內(nèi)部分子無規(guī)則運動的劇烈程度。溫度高的物體分子平均動能大;溫度低的物體分子平均動能小。

溫度的高低,人可以感知,但這種感覺不可靠,也不準(zhǔn)確。例如,我們在室溫32℃環(huán)境會覺得悶熱,但長時間在野外太陽直射下工作的人突然進入此屋,則會頓感涼爽。因此,簡單地用人的感覺來判斷溫度是不科學(xué)的。同時,溫度還是一個特殊的“內(nèi)涵量”,也就是說,溫度是不可以像長度一樣來疊加的。例如,兩杯開水都是100℃,倒在一起溫度仍是100℃,絕不會是200℃。

為了判斷溫度的高低,只能借助于某種特殊物質(zhì)的性能參量隨溫度的變化的一些規(guī)律來進行。比較理想的有:液體、氣體的體積或壓力;金屬、半導(dǎo)體的電阻;熱電偶的熱電動勢和物體的熱輻射等,利用這些性能就可以制成相應(yīng)的溫度傳感器。2.1.2溫標(biāo)

衡量溫度高低的標(biāo)尺就是溫標(biāo)。這是溫度傳遞的標(biāo)準(zhǔn),是溫度計與溫度儀表進行分度的依據(jù)。常用的溫標(biāo)有經(jīng)驗溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國際溫標(biāo)。

1.經(jīng)驗溫標(biāo)

經(jīng)驗溫標(biāo)是以實驗方法或經(jīng)驗公式為依據(jù)確定的,是最早使用的溫標(biāo)。它的產(chǎn)生和發(fā)展經(jīng)歷了漫長的歷史進程,為科學(xué)技術(shù)的進步和現(xiàn)代化溫標(biāo)的形成起了先導(dǎo)作用。

1)最早的測溫裝置

最早的測溫裝置是由伽利略在1592～1603年發(fā)明的(如圖2－1所示)。它由一個玻璃泡和一個長的玻璃管組成。測溫時,將玻璃管插入到帶色的液體中。若預(yù)先加熱泡內(nèi)的氣體,則在其后的冷卻中,液體會進入到管內(nèi)。根據(jù)液體進入管內(nèi)的程度,就可以判斷大氣溫度的高低。圖2－1伽利略的溫度計2)華氏溫標(biāo)

在1714年,德國人華倫海脫(DavielFahrenheit)以水銀為測溫體,利用其體積隨溫度變化的特性制作了水銀溫度計,并提出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的溫度標(biāo)定值:

(1)冰水融體為32。

(2)水的沸點為212。

(3)中間等分為180份,每份為1度,以表示。

這種溫標(biāo)目前在歐美等國家還在使用。

3)攝氏溫標(biāo)

攝氏溫標(biāo)是在1742年,由瑞典攝爾休(AndersCelsius)提出。他將溫度標(biāo)定值設(shè)定為

(1)冰水融體為0℃。

(2)水的沸點為100℃。

(3)中間等分為100份,每份為1攝氏度,以℃表示。

我國目前仍廣泛使用這種溫標(biāo)。

2.熱力學(xué)溫標(biāo)

熱力學(xué)溫標(biāo)是在19世紀(jì)中葉,由英國人開爾文(Kelvin)根據(jù)卡諾循環(huán)理論推出:

(1)冰水融體為273.15K。

(2)水的沸點為375.15K。

(3)中間等分為100份,每份為1開爾文,以K表示。

(4)絕對零度相當(dāng)于－273.15℃。

3.國際溫標(biāo)

國際溫標(biāo)(ITS－90)于1990年發(fā)布,記為“T90”,其單位仍為K。它與攝氏溫度t90的關(guān)系記為t90/℃=T90/K－273.15兩者在描述溫度差時,無論用℃或K,其數(shù)值一樣。2.1.3溫度的標(biāo)定

溫度的標(biāo)定以標(biāo)準(zhǔn)的測溫儀器為基準(zhǔn)。

國際上一般將整個溫標(biāo)分為4個溫區(qū),其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)儀器為

(1)0.65～5.0K,3He和3He蒸汽壓溫度計。

(2)3.0～24.5561K,3He和4He定容氣體溫度計。

(3)13.8033K～961.78℃,鉑電阻溫度計。

(4)961.78℃以上,光學(xué)或光電高溫計。而溫度的標(biāo)定又是按等級來進行的:按溫度計的準(zhǔn)確度分為基準(zhǔn)、工作基準(zhǔn)、一等標(biāo)準(zhǔn)、二等標(biāo)準(zhǔn)及工業(yè)用等級別;按標(biāo)準(zhǔn)儀器的計量管理部門垂直分布為國際計量局、中國計量局、省市技術(shù)監(jiān)督局等等級。最高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)儀器在國際計量局,定期下屬計量部門要和上一基準(zhǔn)比對,以確保溫度量值的統(tǒng)一性。2.1.4溫度的檢測方法

溫度檢測方法很多,從輸出量有無電信號可以劃分為非電測量和電測量兩大類;從使用方式可以劃分為接觸類和非接觸類,這種測溫方式的特點如表2－1所示。表2－1接觸法與非接觸法測溫特性2.1.5溫度傳感器的分類及合理選用

1.溫度傳感器的分類

溫度傳感器根據(jù)其工作原理、測溫范圍等可以分為許多種。

表2－2從物理效應(yīng)方面予以概況;表2－3、2－4從性能及測溫范圍方面予以總結(jié)。表2－2溫度傳感器概況

表2－3常用溫度計的種類及特性

表2－4各種溫度計的測溫范圍

2.測溫計的合理選擇

準(zhǔn)確測量溫度的關(guān)鍵是做到感溫部分與被測物體的溫度一致。其次,還應(yīng)詳細(xì)了解測量目的、測量對象(參考表2－5),并在掌握溫度傳感器性質(zhì)、安裝情況的基礎(chǔ)上,利用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟx擇最適合的。表2－5溫度測量注意事項

通常,在溫度傳感器的選擇中應(yīng)主要考慮以下因素:

(1)溫度范圍(見表2－3、2－4):具體的使用溫度范圍、準(zhǔn)確度及測量誤差是否能達(dá)要求。

(2)使用場合:根據(jù)實際工作環(huán)境來選擇也是重要條件,經(jīng)常要考慮尺寸、保護套材料、結(jié)構(gòu)、安裝條件、耐墊、耐蝕、耐震,防暴等級等方面的問題。

(3)溫度響應(yīng):響應(yīng)速度主要由傳感器的質(zhì)量、材質(zhì)和體積決定,接觸式傳感器時間常數(shù)愈小,溫度響應(yīng)速度就愈快。

(4)傳輸方式:溫度信號輸出模式;讀取、顯示、記錄、控制,報警等操作方式的選擇。

2.2熱電阻測溫傳感器

2.2.1金屬熱電阻

金屬熱電阻一般具有如下特性:

(1)準(zhǔn)確度高。在所有的常用溫度計中,它的準(zhǔn)確度最高,可達(dá)1mK。

(2)輸出信號大,靈敏度高。如用Pt100鉑電阻測溫,靈敏度為0.4Ω/℃,如果通過2mA電流,則可實現(xiàn)800μV的電壓輸出。

(3)穩(wěn)定性好。在適宜條件下可長時間保持0.1℃以下的穩(wěn)定性。

(4)無需參考點。溫度值可由測得的電阻值直接求得。

(5)輸出線性好。只用簡單的輔助回路就能得到線性輸出。

(6)機械加工性能好。

1.敏感材料及測溫原理

金屬電阻的阻值大小與導(dǎo)體的長度成正比,與導(dǎo)體的橫截面積成反比,即式中:R——導(dǎo)體的電阻；

ρ——導(dǎo)體的電阻率；

l——導(dǎo)體的長度；

S——導(dǎo)體的截面積。改變溫度t，金屬導(dǎo)體的電阻率ρ與之大致成正比，即：ρ=ρ0（1+αt）式中，ρ0為0℃時導(dǎo)體的電阻率，α為電阻溫度系數(shù)。這是因為隨著溫度的升高,金屬內(nèi)部原子的無規(guī)則振動加劇,對定向運動的電子阻礙加強，導(dǎo)致電阻率變大，電阻隨溫度升高而增加。不同的金屬,其電阻隨溫度的變化是不一樣的(如圖2－2所示)。金屬的電阻溫度系數(shù)α與金屬的純度有關(guān),一般是純度越高,電阻溫度系數(shù)越大；反之,金屬的純度越低,電阻溫度系數(shù)越小,而且越不穩(wěn)定。所以,純金屬的電阻溫度系數(shù)比合金的要大且穩(wěn)定。圖2－2各種金屬在20℃時的電阻溫度系數(shù)制作電阻的金屬和合金,應(yīng)具備以下條件:

(1)較大的電阻率。

(2)溫度系數(shù)較高。

(3)電阻與溫度關(guān)系線性良好。

(4)物理與化學(xué)性能穩(wěn)定。

(5)機械加工性能好。表2－6常用熱電阻材料特性

鉑絲純度高,化學(xué)與物理性能穩(wěn)定,電阻與溫度線性關(guān)系良好,電阻率高,復(fù)制與加工性能好,長時間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達(dá)0.0001K。另外，它的測溫范圍廣,可低至-270℃,高到850℃,是最好的熱電阻材料,但價格也是最貴的。它應(yīng)用廣,是最重要的熱電阻溫度計。國際實用溫標(biāo)中規(guī)定,在13K～960℃溫度范圍內(nèi),用鉑熱電阻溫度計作為內(nèi)插儀器,以它作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)。

鉑熱電阻一般有標(biāo)準(zhǔn)型和工業(yè)型兩大類。標(biāo)準(zhǔn)型鉑熱電阻是高精度熱電阻,主要用作溫標(biāo)傳遞的計量儀器或用作精密溫度測量儀器,它們都是在實驗室條件下使用的,由純度極高的鉑絲制成的。工業(yè)型鉑熱電阻用于現(xiàn)場溫度測量,其所用的鉑絲為工業(yè)純度,純度低于標(biāo)準(zhǔn)型鉑熱電阻。應(yīng)用中通常有Pt10、Pt100、Pt1000等分度號,即0℃時的標(biāo)稱電阻R0分別為10Ω、100Ω、1000Ω。

銅電阻的測溫范圍通常為-50℃～150℃,其電阻-溫度關(guān)系可近似為線性,銅電阻的α值較大,高純銅絲易得,且價廉,互換性不錯,但其電阻率低,體積較大,熱貫性大,高溫易氧化,不耐腐蝕,因此其工作環(huán)境要求高。通常用作溫度補償。

銅電阻的分度號一般有Cu50,Cu100。

2.金屬熱電阻的一般結(jié)構(gòu)

金屬熱電阻的結(jié)構(gòu)如圖2－3所示。它主要由四部分組成:金屬熱電阻絲、絕緣骨架、引出線和保護套管。圖2－3金屬熱電阻的一般結(jié)構(gòu)絕緣骨架用來纏繞、支承或固定熱電阻絲的支架,當(dāng)熱電阻與之固定時會引起應(yīng)力變化,因此它的質(zhì)量將直接影響熱電阻性能,通常用的材料有云母、玻璃、陶瓷等。云母骨架的優(yōu)點是機械抗振性好,響應(yīng)快,但由于為天然物質(zhì),因而質(zhì)量不穩(wěn)定,使用溫度宜在500℃以下;玻璃骨架的特點是體積小,響應(yīng)快,抗振性強,最高安全溫度為400℃,但4K的低溫仍可使用;陶瓷骨架的特點是體積小,響應(yīng)快,絕緣性好,溫度上限可達(dá)960℃。

保護套管需要選擇化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱好、易加工的材料,便于提高熱電阻的使用壽命及響應(yīng)速度,適于生產(chǎn),通常由金屬、陶瓷等材料制成。

3.測溫引線方式及電路

用于測量熱電阻值的儀器種類繁多,它們的準(zhǔn)確度、測量速度、連接線路各不相同?？梢罁?jù)測量對象的要求,選擇適宜的儀器與線路。對于精密測量,常選用電橋或電位差計;對于工程測溫,多用自動平衡電橋或數(shù)字儀表或不平衡電橋。從熱電阻引線的方式可將之分為三種，分別為兩線制、三線制和四線制，如圖2－4所示。圖2－4感溫元件的引線方式(a)兩線制;(b)三線制；(c)四線制

1)兩線制

在熱電阻感溫元件的兩端各連一根導(dǎo)線,稱為兩線制。其特點是配線簡單,費用低,但由于引進了引線電阻的附加誤差,嚴(yán)重影響精度,因此,通常不適用于測量。

2)三線制

在熱電阻感溫元件的一端連接兩根引線,另一端連接一根引線,稱為三線制。它可以消除內(nèi)引線電阻的影響,測量精度高,應(yīng)用最廣。三線制熱電阻的測量線路如圖2－5所示。當(dāng)電橋平衡時，有 R3(R1+RA)=R2(RT+RB)因為R2=R3

所以Rl+RA=RT+RB若RA=RB則RT=R1如果RA≠RB,則RT≠R1,將引入測量誤差。因此,RA=RB是三線制熱電阻消內(nèi)引線及連接導(dǎo)線阻影響的前提條件。圖2－5三線制測量電路

3)四線制

在熱電阻感溫元件的兩端各連兩根引線,其中兩根接恒流源，另兩根接電子電位差計，稱為四線制。在高精度測量時,要利用四線制,這種方式不僅可消除內(nèi)引線電阻影響,還可消除連接導(dǎo)線電阻的影響。2.2.2熱敏電阻

熱敏電阻是一種電阻值隨其溫度變化呈指數(shù)變化的半導(dǎo)體熱敏感元件。它于1940年研制成功,最初用于通信儀器的溫度補償及自動放大調(diào)節(jié)裝置。之后，由于材料性能的改進及老化機理的闡明,使其穩(wěn)定性進一步提高。進入20世紀(jì)60年代,它成為工業(yè)用溫度傳感器。跨進20世紀(jì)70年代,大量應(yīng)用于家電及汽車用溫度傳感器,目前已深入到各種領(lǐng)域,發(fā)展極為迅速。在各種溫度計中,它僅次于熱電偶、熱電阻,占第三位,但銷售量極大,每年幾千萬支。在許多場合下(-40～350℃),它已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的溫度傳感器。熱敏電阻具有如下優(yōu)點:

(1)靈敏度高。它的電阻溫度系數(shù)α值較金屬的大10～100倍,因此,可采用精度較低的顯示儀表。

(2)電阻值高。其電阻值較鉑熱電阻高1～4個數(shù)量級,適于遠(yuǎn)距離檢測與控制。

(3)體積小,結(jié)構(gòu)簡單。根據(jù)需要可制成各種形狀,目前最小的珠狀熱敏電阻尺寸可小至￠0.2mm。

(4)熱慣性小、響應(yīng)時間短。

(5)功耗小,不需要參考端補償。

(6)成本低。

(7)化學(xué)穩(wěn)定性好,適于惡劣場合。熱敏電阻的主要缺點有:

(1)非線性。

(2)互換性及重復(fù)性差。

(3)測溫范圍窄,一般不易超過150℃。

1.熱敏電阻的材料及特性

熱敏電阻主要是由兩種以上的過渡族金屬MEhCo、Ni、Fe等復(fù)合氧化物構(gòu)成的燒結(jié)體,根據(jù)其組成的不同,可以調(diào)整它的常溫電阻及溫度特性。典型的熱敏電阻的溫度特性如圖2－6所示。圖2－6熱敏電阻的溫度特性熱敏電阻按其溫度特性可分為如下三類:

(1)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC(negativetemperaturecoefficientthermistor),通常將NTC稱為熱敏電阻。它的特點是,電阻隨溫度的升高而降低,具有負(fù)的電阻溫度系數(shù),故稱為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。它的電阻-溫度特性表現(xiàn)為指數(shù)規(guī)律,呈現(xiàn)非線性特性。

(2)正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC(positivetemperaturecoefficientthermistor)。它的特點與NTC相反,電阻隨溫度的升高而增加,并且在達(dá)到某一溫度時,阻值突然變得很大,故稱為正溫度系數(shù)熱敏電阻。

(3)臨界溫度熱敏電阻CTR(criticaltemperaturecoefficientthermistor)。它的特點是,在某一溫度下電阻急驟降低,故稱為臨界溫度熱敏電阻。

2.熱敏電阻的結(jié)構(gòu)

熱敏電阻是由熱敏電阻感溫元件、引線及殼體等構(gòu)成的(見圖2－7)。通常將熱敏電阻作成二端器件,但也有作成三端或四端器件的。二端或三端器件為直熱式,即熱敏電阻直接由連接的電路中獲得功率,而四端器件則為旁熱式。圖2－7熱敏電阻的結(jié)構(gòu)圖2－8熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式

(a)圓片形;(b)薄膜形;(c)桿形;(d)管形;(e)平板形;

(f)珠形;(g)扁圓形;(h)墊圈形;(i)桿形表2-7熱敏電阻結(jié)構(gòu)特征表2－7熱敏電阻結(jié)構(gòu)特征

3.熱敏電阻的應(yīng)用及注意事項

1)應(yīng)用

PTC在家用電器中作為定溫發(fā)熱體的用途越來越廣泛。NTC作為檢測元件,測溫范圍通常為-20～40℃,也常用于電冰箱的溫度控制,并廣泛用作儀表及電路的溫度補償元件,也可用來測量表面溫度。熱敏電阻的特性及應(yīng)用概括于表2－8中。表2-8熱敏電阻溫度傳感器特性及應(yīng)用表2－8熱敏電阻的特性及應(yīng)用

2)使用注意事項

熱敏電阻的使用注意事項如下：

(1)施加過電流時要注意,過電流將破壞熱敏電阻。

(2)應(yīng)在經(jīng)過時間常數(shù)的5～7倍以后再開始測量。

(3)當(dāng)熱敏電阻采用金屬保護管時,為減少由熱傳導(dǎo)引起的誤差,要保證有足夠的插入深度。當(dāng)介質(zhì)為水和氣體時,其插入深度應(yīng)分別為管徑的15倍與25倍以上。

(4)如果引線間或者絕緣體表面上附著有水滴或塵埃時,將使測量結(jié)果不穩(wěn)定,并產(chǎn)生誤差,因此,要注意使熱敏電阻具有防水、耐濕、耐寒等性能。

(5)要注意由自身加熱引起的誤差。熱敏電阻元件體積很小,電阻值卻很高,由自身電流加熱很容易產(chǎn)生誤差。為減少此誤差,將測量電流變小是很必要的。如上所述,熱敏電阻的阻值隨溫度變化非常大,即使微小電流也將輸出很大信號,故應(yīng)控制通過熱敏電阻的電流所產(chǎn)生的能量,使之為耗散常數(shù)δ的1/10～1/1000。

(6)要注意防范電磁感應(yīng)的影響。因熱敏電阻的阻值很大,故易受電磁感應(yīng)的影響。自身電阻值越高,受影響越大。為應(yīng)對電磁感應(yīng)的影響,采用屏蔽線或?qū)筛€絞繞成一根是必要的。

(7)要注意熱敏電阻的互換性。由于熱敏電阻的材質(zhì),制作工藝及元件的結(jié)構(gòu)都會使阻值波動,導(dǎo)致其互換性差,因此應(yīng)盡量選擇同一批號及品質(zhì)好的產(chǎn)品。2.2.3熱電阻的合理選擇及命名

1.選擇原則

為了測量某物體或流體的溫度,必須綜合考慮的問題有:測溫目的、測溫范圍、測溫精度、測溫環(huán)境及成本。

如果在上述基本要求尚不清楚的情況下,盲目選擇溫度計,則可能會得出錯誤結(jié)果。

2.測量精度的選擇

應(yīng)明確測量要求的精度,不要盲目追求高精度。因為精度越高,價格就越貴,而且,還會給測量增加一些限制條件和不必要的麻煩。最好選擇滿足測量要求,精度適宜的熱電阻。具體選擇標(biāo)準(zhǔn)如下：3.使用注意事項

4.產(chǎn)品型號的命名方式

根據(jù)機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T9236-1999《工業(yè)自動化儀表產(chǎn)品型號編制原則》,產(chǎn)品型號應(yīng)表示產(chǎn)品的主要特性,作為產(chǎn)品名稱的簡化代號,供生產(chǎn)、訂貨及施工等使用。型號并不能完全表達(dá)產(chǎn)品的全部細(xì)節(jié)。但是,相同型號的產(chǎn)品一般是可以互換的。

產(chǎn)品型號的組成一般如下:第一節(jié)的第一位表示該產(chǎn)品所屬的大類。第一節(jié)的第二位表示該產(chǎn)品所屬的小類,以后的各位則根據(jù)產(chǎn)品不同情況表示該產(chǎn)品的原理、功能、用途等。第一節(jié)的大寫拼音字母代號及其所表示的意義見表2－9。表2－9產(chǎn)品型號第一節(jié)代號及意義第二節(jié)各位根據(jù)產(chǎn)品不同情況,系列產(chǎn)品可以分別代表產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征、規(guī)格、材料等;非系列產(chǎn)品則可以是產(chǎn)品序號,均由產(chǎn)品型號管理單位根據(jù)產(chǎn)品具體情況規(guī)定所用的代號及其表示的意義。例如：

2.2.4熱電阻的應(yīng)用實例

1.液位報警器

圖2－9所示為具有音樂報警功能的液位報警器,適用于電池電壓為6V的摩托車。圖中,G為KD930型音樂信號集成塊;A為TWH8778型功率放大集成塊,在本電路中用作脈沖放大器;Rt1和Rt2構(gòu)成旁熱式熱敏電阻液位傳感器。當(dāng)傳感器處于汽油中時,G的2端觸發(fā)電壓低于2V,電路截止,揚聲器BL不發(fā)聲。當(dāng)傳感器露出液面后,Rt2的阻值劇增,G觸發(fā)導(dǎo)通,輸出音樂信號,并經(jīng)A放大后推動BL發(fā)出足夠的音樂報警聲,為駕駛員提供加油信息。圖2－9帶音樂報警功能的液位報器電路

2.啤酒殺菌機溫度自控裝置

本例是一種由鎧裝鉑熱電阻STB－138S型智能調(diào)節(jié)器和氣動薄膜調(diào)節(jié)閥組成的啤酒殺菌機自控裝置。本殺菌機溫控系統(tǒng)由檢測、調(diào)節(jié)、執(zhí)行機構(gòu)三大部分組成,分6個回路對殺菌機的8個溫區(qū)的噴淋水溫度進行定值控制。

如圖2－10所示,用蒸汽作為調(diào)節(jié)介質(zhì)的回路采用氣開式的調(diào)節(jié)法,調(diào)節(jié)形式為反作用。當(dāng)噴淋水溫度高于(或低于)給定值時,調(diào)節(jié)器根據(jù)給定值與測量值的偏差情況,輸出相應(yīng)的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號,電/氣轉(zhuǎn)換器把4～20mA電流信號轉(zhuǎn)換成0.02～0.lMPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號,推動氣動薄膜調(diào)節(jié)閥,使蒸汽閥門關(guān)小(或開大),以達(dá)到把噴淋水溫度控制在給定值的目的。圖2－10啤酒殺菌機溫度自控裝置系統(tǒng)的組成及其特點如下:

(1)檢測部分采用鎧裝鉑熱電阻測溫。鎧裝鉑熱電阻測量精度高,穩(wěn)定性能好,密封性好。信號傳送采用三線制接線方法,以補償遠(yuǎn)距離傳送誤差,提高測量精度。

(2)調(diào)節(jié)部分采用DDZ－S系列中的STB－138S型智能調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器是智能控制儀表,它采用8031A－P單片機作為控制主機,輸入端隔離,交直流開關(guān)電源供電,最大限度地減小接插件,受擾后有完善的自動復(fù)位電路,無死機現(xiàn)象,有效地增強了該儀表的抗干擾性和可靠性。

(3)執(zhí)行機構(gòu)可選用國產(chǎn)各種型號的4～20mA電/氣轉(zhuǎn)換器(注意其各項參數(shù)要與整個系統(tǒng)要求相符),選用0.02～0.1MPa氣動薄膜調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行機構(gòu)。薄膜閥為ZMAP－16K型直線式,最好用雙座閥,這是因為其泄漏量低,控制平穩(wěn)。氣動閥具有結(jié)構(gòu)簡單、動作安全可靠、性能穩(wěn)定、價格低廉、維修方便等優(yōu)點。選用氣開式閥的好處是:當(dāng)壓縮空氣壓力不足或停機時,閥門會自動關(guān)閉,阻止蒸汽繼續(xù)進入加熱器。

(4)本系統(tǒng)設(shè)有溫度記錄功能,用于對殺菌區(qū)噴淋水溫度進行實時記錄。

3.用于繼電保護

將突變型熱敏電阻埋設(shè)在被測物中,并與繼電器串聯(lián),給電路加上恒定電壓。當(dāng)周圍介質(zhì)溫度升到某一定數(shù)值時,電路中的電流可以由十分之幾毫安突變?yōu)閹资涟?因此,繼電器動作,從而實現(xiàn)溫度控制或過熱保護。圖2－11所示為用熱敏電阻作為對電動機過熱保護的熱繼電器。把三只特性相同的熱敏電阻放在電動機繞組中,緊靠繞組處每相各放一只,滴上萬能膠固定。經(jīng)測試,在20℃時其電阻為10kΩ,在100℃時其電阻為1kΩ,在110℃時其電阻為0.6kΩ。當(dāng)電動機正常運行時溫度較低,三極管VT截止,繼電器J不動作。當(dāng)電動機過負(fù)荷或斷相或一相接地時,電動機溫度急劇升高,使熱敏電阻阻值急劇減小,到一定值后,VT導(dǎo)通,繼電器J吸合,使電動機工作回路斷開,實現(xiàn)保護作用。可根據(jù)電動機各種絕緣等級的允許升溫值來調(diào)節(jié)偏流電阻R2的值,從而確定三極管VT的動作點。圖2－11熱繼電器原理圖

4.電動機保護器

電動機往往會由于超負(fù)荷、缺相及機械傳動部分發(fā)生故障等原因造成繞組發(fā)熱,當(dāng)溫度升高到超過電動機允許的最高溫度時,將會使電動機燒壞。利用PTC熱敏電阻具有正溫度系數(shù)這一特性可實現(xiàn)電動機的過熱保護。圖2－12所示是電動機保護器電路。圖中Rt1、Rt2、Rt3為三只特性相同的PTC開關(guān)型熱敏電阻。為了保護可靠性,熱敏電阻應(yīng)埋設(shè)在電動機繞組的端部。三個熱敏電阻分別和R1、R2、R3組成分壓器,并通過VD1、VD2、VD3和單結(jié)晶體管VT1相連接。當(dāng)某一繞組過熱時,繞組端部的熱敏電阻的阻值將會急劇增大,使分壓點的電壓達(dá)到單結(jié)半導(dǎo)體的峰值電壓時,VT1導(dǎo)通,產(chǎn)生的脈沖觸發(fā)晶閘管VT2導(dǎo)通,繼電器K工作,常閉觸點K1斷開,切斷接觸器,則電動機得到保護。圖2－12電動機保護器電路圖 2.3熱電偶溫度傳感器

熱電偶測溫的優(yōu)點如下:

(1)檢測直接,轉(zhuǎn)換方便。

(2)結(jié)構(gòu)簡單,制造容易,價格便宜。

(3)惰性小,準(zhǔn)確度高,測溫范圍廣。

(4)適于遠(yuǎn)距離測量與自動控制。

(5)能適應(yīng)各種測量對象的要求(特定部位或狹小場所)。缺點如下:

(1)測量準(zhǔn)確度難以超過0.2℃。

(2)必須有參考端,并且溫度要保持恒定。

(3)在高溫或長期使用時,易受被測介質(zhì)影響或環(huán)境腐蝕作用而發(fā)生劣化。2.3.1熱電偶測溫原理

1.熱電效應(yīng)及熱電勢

1)熱電效應(yīng)

熱電偶的測溫原理基于1821年塞貝克(Seebeck)發(fā)現(xiàn)的熱電現(xiàn)象。著名的塞貝克實驗如圖2－13所示。圖中,A,B稱為熱電極;接點1通常稱為測量端(測量時將它置于測溫場所感受被測溫度)或熱端(T);接點2通常稱為參考端(測量時要求溫度恒定,它置于儀表現(xiàn)場)或冷端(T0)。圖2－13熱電效應(yīng)示意圖熱電效應(yīng)產(chǎn)生的條件為:

(1)兩種不同導(dǎo)體(如圖中A和B)。

(2)組成閉合回路。

(3)兩接點有溫差(如圖中T≠T0)。

此時,在回路中就會產(chǎn)生熱電動勢,也就是著名的塞貝克溫差電動勢,簡稱熱電勢,記為EAB(T,T0)。

熱電偶就是通過測量熱電動勢來實現(xiàn)測溫的,即熱電偶測溫是基于熱電轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的。如果進一步分析,則可發(fā)現(xiàn)熱電偶是一種換能器,它將熱能轉(zhuǎn)化為電能,用所產(chǎn)生的熱電動勢測量溫度。該電動勢實際上是由接觸電勢與溫差電勢所組成的。

2)接觸電勢

導(dǎo)體內(nèi)部的電子密度是不同的,當(dāng)兩種電子密度不同的導(dǎo)體A與B相互接觸時,就會發(fā)生自由電子擴散現(xiàn)象,自由電子從電子密度高的導(dǎo)體流向電子密度低的導(dǎo)體。電子擴散的速率與自由電子的密度及所處的溫度成正比。假如導(dǎo)體A與B的電子密度分別為NA、NB,并且NA>NB,則在單位時間內(nèi),由導(dǎo)體A擴散到導(dǎo)體B的電子數(shù)比從B擴散到A的電子數(shù)多,導(dǎo)體A因失去電子而帶正電,B因獲得電子而帶負(fù)電。因此,在A和B間形成了電位差。一旦電位差建立起來,將阻止電子繼續(xù)由A向B擴散。在某一溫度下,經(jīng)過一定的時間,電子擴散能力與上述電場阻力平衡,即在A與B接觸處的自由電子擴散達(dá)到了動態(tài)平衡,此時,在其接觸處形成的電動勢稱為接觸電勢,兩個接點機理一樣,分別用符號EAB(T)、EAB(T0)表示。顯然,如果A、B兩種導(dǎo)體材質(zhì)相同,即NA=NB,則EAB(T)-EAB(T0)=0如果A、B的材質(zhì)不同,但兩端溫度相同,即EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T0)-EAB(T0)=0

3）溫差電勢

由于導(dǎo)體兩端溫度不同而產(chǎn)生的電勢稱溫差電勢。由于溫度梯度的存在改變了電子的能量分布,高溫(T)端電子將向低溫端(T0)擴散,致使高溫端因失電子帶正電,低溫端恰好相反,因獲電子帶負(fù)電。因而,在同一導(dǎo)體兩端也產(chǎn)生電位差,并阻止電子從高溫端向低溫端擴散,最后使電子擴散建立一個動平衡,此時所建立的電位差稱溫差電勢，兩種材質(zhì)分別用符號EA(T，T0)、EB(T，T0)表示。同樣，如果A,B兩種導(dǎo)體材質(zhì)相同,但兩端溫度不同即NA=NB,則EA(T，T0)-EB(T，T0)=EB(T，T0)-EB(T，T0)=0如果兩端溫度相同，但A,B的材質(zhì)不同即T=T0,則EA(T，T0)-EB(T，T0)=EA(T0，T0)-EB(T0，T0)=0

4）熱電偶閉合回路的總熱電動勢

接觸電動勢是由于兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體接觸時產(chǎn)生的電勢,而溫差電勢則是對同一導(dǎo)體其兩端溫度不同時產(chǎn)生的電勢。在圖2-14所示的閉合回路中,兩個接點處有兩個接觸電勢EAB(T)、EAB(T0),在導(dǎo)體A與B中還各有一個溫差電勢EA(T，T0)、EB(T，T0)。因此,閉合回路中：總熱電勢=接觸電勢+溫差電勢圖2－14熱電勢（接觸電勢和溫差電勢）原理示意圖在總熱電勢中,接觸電勢較溫差電勢大得多,因此,熱電偶總的熱電勢即為兩個接點的分熱電勢之差。它僅與熱電偶的電極材料和兩接點溫度有關(guān),即EAB(T，T0)=EAB(T)-C=f(T０)(2－1)對于已選定的熱電偶,當(dāng)參考端溫度恒定時,EAB(T0)為常數(shù)C,則總的熱電勢就變成測量端溫度T的單值函數(shù),即EAB(T，T0)=EAB(T)-C=f(T)(2－2)在熱電偶分度表(表2－12)中,參考端溫度均為0℃。因此,用測量熱電勢的辦法能夠測溫,這就是熱電偶測溫的基本原理。2.3.2熱電回路的基本定律

1.中間導(dǎo)體定律

在熱電偶測溫回路內(nèi),串接第三種導(dǎo)體,只要其兩端溫度相同,則熱電偶回路總熱電勢與串聯(lián)的中間導(dǎo)體無關(guān)。

將中間導(dǎo)體C接入熱電偶回路,如圖2－15所示,則回路中的熱電勢等于各接點的分熱電勢的代數(shù)和,即EABC(T，T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)(2－3)

如果回路各點溫度相同(T0),則回路電勢一定為零,即EAB(T0)+EBC(T0)+ECA(T)=0則EBC(T0)+ECA(T0)=-EAB(T0)(2－4)代入式(2－3)有EABC(T，T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T，T0)顯然,回路電勢與中間導(dǎo)體C無關(guān)。實踐意義:在穩(wěn)定的冷端環(huán)境中,接入檢測儀表不會帶來測量誤差。圖2－15中間導(dǎo)體定律示意圖

2.中間溫度定律

如圖2－16所示,在熱電偶測溫回路中,A、B為不同材質(zhì),當(dāng)其兩端溫度為T1、T2時,其熱電勢記為E=E1+E2若設(shè)T3=0℃,T2=T0(參考端),T1=T(工作端),則有EAB(T，0℃)=EAB(T，T0)+EAB(T0，0℃)其中，EAB(T，0℃)和EAB(T0，0℃)均可在以0℃為參考端的分度表中查到對應(yīng)數(shù)據(jù)。實踐意義：任意冷端溫度都可以用分度表加以修正。圖2－16中間濕度定律示意圖

3.參考電極定律

如圖2－17所示，設(shè)任何兩個導(dǎo)體A和B與第三種導(dǎo)體C構(gòu)成的熱電偶的熱電勢分別為EAC、EBC,則A和B導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶的熱電勢為EAB=EAC-EBC由于金屬鉑的物理化學(xué)穩(wěn)定性很好,通常將其選為參考電極。實踐意義:選定鉑為參考電極,大大簡化了熱電偶的選配工作。圖2－17參考電極定律的示意圖2.3.3熱電偶材料及結(jié)構(gòu)

1.熱電偶的材料

構(gòu)成熱電偶的材料稱為熱電極。熱電極主要是用金屬材料制成的,有時也用非金屬材料及半導(dǎo)體材料制作。對熱電極材料的要求是:化學(xué)穩(wěn)定性高、物理性能穩(wěn)定、熱電勢大、靈敏度高、線性度較好、材料復(fù)制性能優(yōu)良、價格便宜、電阻溫度系數(shù)低、機械性能好、便于拉絲與焊接等。顯然,同時滿足這些要求的材料是沒有的,但可以根據(jù)需要,如所測溫度高低、被測介質(zhì)環(huán)境等實際情況,找到一些適合具體測溫條件的材料。理論上,兩種不同的導(dǎo)體都可以構(gòu)成熱電偶,但在實踐應(yīng)用中,卻有著其標(biāo)準(zhǔn)化的搭配。在國際標(biāo)準(zhǔn)中，熱電偶是指生產(chǎn)工藝成熟、能成批生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛、具有統(tǒng)一分度表、并已列入國際專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的熱電偶。目前,國際標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶共有8種,分別用8個不同的字母表示:S、R、B、K、N、E、J、T,常用的有S(鉑銠10－鉑)、K(鎳鉻－鎳硅)型,具體材料及特性如表2－10所示。表2－10常用熱電偶材料特性

2.補償導(dǎo)線

1)補償導(dǎo)線作用

在一定溫度范圍內(nèi)(包括常溫),具有與所匹配的熱電偶熱電勢標(biāo)稱值相同的、帶有絕緣層的導(dǎo)線稱為補償導(dǎo)線。其作用是將熱電偶的參考端延長到遠(yuǎn)離熱源或環(huán)境溫度較恒定的地方,以補償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產(chǎn)生的誤差。補償導(dǎo)線的優(yōu)點如下:

(1)改善熱電偶測溫線路的力學(xué)與物理性能。采用多股或小直徑補償導(dǎo)線可提高線刷撓性,使接線方便,也可以遮蔽外界干擾。

(2)降低測量線路的成本。當(dāng)熱電偶與儀表的距離很遠(yuǎn)時,可用補償導(dǎo)線代替貴金屬熱電偶。

(3)補償導(dǎo)線質(zhì)量的優(yōu)劣,將直接影響溫度測量與控制的準(zhǔn)確度。

2)原理

由熱電偶測溫原理可知,圖2－18(a)所示回路的總熱電勢為

圖2－18(b)所示回路的總熱電勢為EABBA(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)EABB'A'(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA'B'(Tn,T0)如果A′與B′能起到補償熱電勢的作用,即EABBA(T,Tn,T0)=EABB'A'(T,Tn,T0)則EAB(T,T0)=EA'B'(T,T0)因此,能滿足式(2－5)的連接導(dǎo)線,就能起到補償導(dǎo)線的作用。圖2－18補償導(dǎo)線的原理

3)補償導(dǎo)線的型號

補償導(dǎo)線的型號通常分為SC、RC、NC、KAC、KCB、KX、EX、JX、TX、NX其中,型號第一個字母與所配用熱電偶的分度號相對應(yīng)。后面的字母“X”表示為延長型補償導(dǎo)線;字母“C”表示為補償型補償導(dǎo)線。

3.熱電偶的結(jié)構(gòu)

熱電偶的結(jié)構(gòu)通常分為普通型和鎧裝型。

工業(yè)用普通型熱電偶的結(jié)構(gòu)類似金屬熱電阻的結(jié)構(gòu)(見圖2－3),通常將兩種材料的熱電極的一端焊接或扭結(jié),分別套上單芯或雙芯絕緣瓷管,裝在外保護套內(nèi),并配一個接線端子盒。

鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣體及外保護管組合成一體的細(xì)長套管式熱電偶。熱電極作為保護管的芯體,周圍填以絕緣材料,并經(jīng)滾壓制成,其外徑為1～3mm,壁厚為0.1～0.6mm,長度可達(dá)百米,見圖2－19。圖2－19鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)鎧裝熱電偶的熱電極、絕緣體及外保護管是整體結(jié)構(gòu),纖細(xì)小巧,對被測體溫度場影響較小。其更為突出的優(yōu)點是撓性好、彎曲自如,彎曲半徑為套管的直徑的兩倍,可以安裝在難以安裝常規(guī)熱電偶的地方,如密封的熱處理罩內(nèi)或工件箱內(nèi)。鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)堅實、抗沖擊、抗震性能良好,既使隨熱處理工件一起落入淬火油內(nèi),也經(jīng)得起沖擊,在高壓及震動場合也能安全使用。鎧裝熱電偶可長可短,可以直接與顯示儀表連接,無需延伸導(dǎo)線。它規(guī)格多,品種齊全,適合于各種測量場合,在-200～1600℃溫度范圍內(nèi)均能使用。

鎧裝熱電偶是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的測溫元件,由于它有許多優(yōu)點而受到用戶歡迎。2.3.4熱電偶參考端溫度補償

1.熱電偶參考端溫度的影響

由熱電偶測溫原理可知:EAB(T,To)=EAB(T)-EAB(T0)即熱電偶因溫度變化產(chǎn)生的熱電勢,是測量端溫度與參考端溫度的函數(shù)差,而不是溫度差的函數(shù)。如果參考端溫度保持恒定,那么,熱電勢就變成測量端溫度的單值函數(shù)。我們經(jīng)常使用的分度表及顯示儀表,都是以熱電偶參考端為0℃作先決條件的。因此,在使用時必須保證這一條件,否則就不能直接應(yīng)用分度表。如果參考端溫度是變化的,則引入的測量誤差也是變量。由此可見,參考端溫度的變化將直接影響溫度測量的準(zhǔn)確度。但在實際測溫時,因熱電偶長度受到一定限制,參考端溫度直接受到被測介質(zhì)與環(huán)境溫度的影響,不僅難以保持0℃,而且往往是波動的,無法進行參考端溫度修正。因此,要想辦法把變化很大的參考端溫度恒定下來。通常采用補償導(dǎo)線法及參考端自溫度恒定法來達(dá)到這一目的。

2.參考端的形式

表2－11熱電偶參考端形式

1)冰點式參考端

常用的冰點瓶是在保溫瓶內(nèi)盛滿冰水混合物而制成的,該裝置如圖2－20所示。為了保持參考端溫度為0℃,插入的試管要有足夠的深度。并且,保溫瓶內(nèi)要有足夠數(shù)量的冰塊,才能保證參考端為0℃。值得注意的是,冰水混合物并不一定就是0℃,只有在冰水兩相界面處才是0℃。若用冰屑代替冰塊,并加少許的水,其效果更好。為了防止短路,兩根電極絲要分別插入各自的試管中。長時間使用時,接點周圍的冰將融化,如果水多了,冰將浮在上面,接點將處于水中,因而就不是冰點了;相反,如果冰多水少,在冰中將有空穴,此時,有空氣包圍在接點周圍,這也不是冰點。因此,要經(jīng)常檢查,并補充適量的冰。圖2－20冰點裝置2)電子式參考端

電子式是利用半導(dǎo)體制冷的原理冷卻密閉的水槽,從而把參考端溫度保持在0℃的。電子式冰點裝置的優(yōu)點是體積小、操作簡單,槽內(nèi)溫度的穩(wěn)定性取決于控溫系統(tǒng),一般在±0.05℃以內(nèi)。

3)恒溫槽式參考端

恒溫槽式是利用溫度調(diào)節(jié)器將參考端溫度保持恒定。采用恒溫槽式參考端時,如果它的溫度不為0℃,則要用其他溫度計測出其溫度并進行修正。

4)補償式參考端

當(dāng)熱電偶的兩接點溫度分別為t、tn時,熱電勢為EAB(t,tn)=EAB(t,t0)-EAB(tn,t0)如果在線路中串一電勢u=EAB(tn,t0),則顯示儀表總的輸入電勢為EAB(t,tn)+u=EAB(t,t0)

這樣就可以得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。所謂補償式參考端,實質(zhì)就是一個可產(chǎn)生直流信號EAB(tn,t0)的毫伏發(fā)生器,也稱參考端(冷端)溫度補償器。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常是一個不平衡電橋,因此,也稱補償電橋法。把它串接在熱電偶測溫回路中,就可以自動補償熱電偶參考端溫度變化的影響,十分方便,廣泛用于工業(yè)儀表。

3.參考端溫度計算修正法

以上介紹的是當(dāng)參考端不為0℃時,如何使之恒定的方法。當(dāng)參考端溫度恒定不變或變化很小而又不為0℃時,可采用計算法(或稱熱電勢修正法)進行修正。由熱電偶測溫原理可知,熱電偶實際的熱電勢應(yīng)為測量值與修正值之和:EAB(t,t0)=EAB(t,tl)+EAB(t1,t0)式中EAB(t,t1)——當(dāng)參考端溫度為t1時,顯示儀表的數(shù)值;EAB(t1,t0)——參考端溫度為t1時熱電動勢值的修正值。因為t1恒定,所以可由相應(yīng)的分度表查得EAB(t1,t0)的值,用上式求得修正后的讀數(shù),即可由相應(yīng)的分度表查得熱電偶所測的真實溫度。

例如用鎳鉻－鎳硅(K型)熱電偶測爐溫時,冷端溫度t0=30℃,在直流毫伏表上測得電勢為38.505mV,試求爐溫。

查K型熱電偶分度表,得到EK(30℃,0℃)=1.203mV,從而EＫ（Ｔ,o℃）=EＫ（Ｔ,３０℃）+EＫ（３０℃，０℃）

=(38.505+1.203)mV=39.708mV由如表2－12所示的Ｋ型熱電偶分度表得到t=960℃。表2-12K型熱偶分度表（參考端為0℃）

4.儀表機械零點調(diào)整法

當(dāng)熱電偶與動圈式儀表配套使用時,若熱電偶的冷端溫度比較恒定,對測量準(zhǔn)確度要求不高時,可將動圈儀表的機械零點調(diào)整至熱電偶冷端所處的t0處,這相當(dāng)于在輸入熱電偶的熱電勢前就給儀表輸入一個熱電勢E(ｔ0,0℃)。這樣,儀表在使用時所指示的值為E(ｔ,ｔ０)＋E(ｔ０,0℃)。

進行儀表機械零點調(diào)整時,首先必須將儀表的電源及輸入信號切斷,然后用螺釘旋具調(diào)節(jié)儀表面板上的螺釘,使指針指到ｔ０的刻度上。當(dāng)氣溫變化時,應(yīng)及時修正指針的位置。儀表機械零點調(diào)整法雖有一定的誤差,但非常簡便,在工業(yè)上經(jīng)常采用。

5.補償電橋法

補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓,來補償熱電偶因自由端溫度變化而引起的熱電勢的變化值,線路如圖2－21所示。補償電橋中的3個橋臂電阻R1、R2、R3為錳銅精密電阻,另一橋臂電阻RCu由銅絲制成,為一正溫度變化的熱電阻。一般用補償導(dǎo)線將熱電偶的自由端延伸至補償電橋處,使補償電橋與熱電偶自由端具有相同溫度。電橋通常在20℃時平衡(R1=R2=R3=RCu20),此時Uab=0,電橋?qū)x表的讀數(shù)無影響。當(dāng)周圍環(huán)境溫度大于20℃時,熱電偶的自由端溫度升高,熱電勢減少,電橋由于RCu阻值的增加而使b點電位高于a點電位。在b、a對角線間有一不平衡電壓Uba>0輸出,它與熱電偶的熱電勢疊加送入測量儀表。若選擇的橋臂電阻和電流的數(shù)值適當(dāng),可使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uba正好補償由于自由端溫度變化而引起的熱電勢的變化值,使儀表指示出正確的溫度。圖2－21具有補償電橋的熱電偶測溫電路

6.利用半導(dǎo)體集成溫度傳感器測量冷端溫度的方法

在計算修正法中,首先必須測出冷端溫度,才有可能進行計算修正。使用玻璃溫度計是不適應(yīng)計算機自動檢測要求的。若使用銅熱電阻測量,則需要較精密的橋路激勵電源,而且溫度與輸出電壓的標(biāo)定也較復(fù)雜?，F(xiàn)在普遍使用半導(dǎo)體集成溫度傳感器來測量室溫,它具有體積小、集成度高、準(zhǔn)確度高、線性好、輸出信號大、無需冷端補償、不需要進行標(biāo)定、熱容量小、外圍電路簡單等優(yōu)點。只要將它置于熱電偶冷端附近,將該傳感器的輸出電壓作簡單的換算,就能得到熱電偶的冷端溫度,從而用計算修正法進行冷端溫度補償。2.3.5熱電偶的應(yīng)用及測溫線路

1.測溫線路的連接形式

熱電偶測溫線路由熱電偶組件、顯示儀表及中間連接部分(熱電轉(zhuǎn)換器、補償導(dǎo)線等)組成。根據(jù)不同的要求,其連接方式有A、B、C、D、E及F六種。圖2－22所示為熱電偶、測量儀表、熱/電轉(zhuǎn)換器(將熱電偶的熱電勢轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一信號的裝置)、補償接點和參考端的關(guān)系。在連接時,除了同種導(dǎo)線的接點外,還必須注意參考端和補償接點的兩個端子應(yīng)分別保持在同一溫度下,否則將引起誤差。圖2－22測量線路的連接圖

2.測溫線路

測溫線路在實際應(yīng)用中要根據(jù)要求選擇不同方式。

串聯(lián)線路(如圖2－23所示)的總熱電勢大(為各單只熱電勢之和),測溫精度大于單只熱電偶,利用它做成熱電堆,可感受微弱信號。圖2－23熱電偶串聯(lián)線路圖并聯(lián)線路(如圖2－24所示)的總熱電勢小(為各單只熱電勢之和的平均值),但當(dāng)某只熱電偶斷掉時,測溫系統(tǒng)依舊工作。圖2－24熱電偶并聯(lián)線路圖3.測溫儀表

表2－13

4.熱電偶的應(yīng)用

(1)管道溫度的測量:為了使管道的氣流充分與熱電偶產(chǎn)生熱交換,普通裝配式熱電偶應(yīng)盡可能垂直向下插入管道中。

(2)金屬表面溫度的測量:在機械、冶金、能源、國防等部門,經(jīng)常涉及金屬表面溫度的測量。例如,熱處理工作中鍛件、鑄件以及各種余熱利用的熱交換器表面、氣體蒸汽管道、爐壁面等表面溫度的測量。根據(jù)對象特點,測溫范圍從攝氏幾百度到一千度,而測量方法通常采用直接接觸測溫法。直接接觸測溫法是指采用各種型號及規(guī)格的熱電偶用粘接劑或焊接的方法,將熱電偶與被測金屬表面(或去掉表面后的淺槽)直接接觸,然后把熱電偶接到顯示儀表上組成測溫系統(tǒng)。 2.4集成溫度傳感器

1.集成溫度傳感器的測溫原理

將溫度敏感元件及放大、運算和補償?shù)入娐凡捎梦㈦娮蛹夹g(shù)和集成工藝集成在一片芯片上,從而可構(gòu)成集測量、放大、電源供電回路于一體的高性能集成溫度傳感器。集成溫度傳感器的測溫基礎(chǔ)是PN結(jié)的溫度特性。硅二極管或晶體管的PN結(jié)在結(jié)電流ID一定時,正向電壓ＵＤ以-2mV／℃變化。在激勵電流為零點幾毫安、環(huán)境溫度為20℃時,其UD值約600mV。當(dāng)環(huán)境溫度變化100℃時,例如從20℃增加到120℃時,其正向電壓降UD約降低了200mV。二極管正向電壓與溫度之間的關(guān)系如圖2－25所示。電路的測溫范圍取決于二極管許可的工作溫度范圍,大多數(shù)二極管可以在－50～150℃之間工作。由圖中的恒電流負(fù)載線(圖中的0.5mA水平線)與不同溫度下的正向電壓曲線交點的間隔可以看出,半導(dǎo)體硅材料的PN結(jié)正向?qū)妷号c溫度變化呈線性關(guān)系,所以可將感受到溫度變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化量。圖2－25二極管正向電壓與溫度之間的關(guān)系

2.集成溫度傳感器內(nèi)部的測溫簡化電路分析

集成溫度傳感器內(nèi)部多將一個三極管的集電極與基極短接,構(gòu)成溫度特性更好的PN結(jié),如圖2－26中的VT1所示。集成溫度傳感器內(nèi)部除了PN結(jié)之外,還有恒流源(如圖中的VT3、VT4)、放大器、輸出級等電路。圖2－26簡化的集成溫度傳感器測溫原理電路在集成溫度傳感器內(nèi)部,兩只測溫晶體管(VT1、VT2)的B－E結(jié)壓降的不飽和值UBE之差ΔＵＢＥ(即R上的壓降)與熱力學(xué)溫度Ｔ成正比:式中:R——玻爾茲曼常數(shù);

q——電子電荷絕對值;

JC1、JC2——兩只晶體管的集電極電流密度,由制造工藝決定,為固定值。后續(xù)放大電路將R上的電壓降放大、處理,就可以得到與溫度成正比的電壓或電流輸出,有時還可輸出串行或并行數(shù)字脈沖信號。

3.集成溫度傳感器的類型

集成溫度傳感器可分為模擬型集成溫度傳感器和數(shù)字型集成溫度傳感器。模擬型集成溫度傳感器的輸出信號形式有電壓型和電流型兩種。電壓型的靈敏度多為10mV/℃(以攝氏溫度0℃作為電壓的零點);電流型的靈敏度多為1μA/K(以熱力學(xué)溫度０K作為電流的零點)。數(shù)字型集成溫度傳感器又可以分為開關(guān)輸出型、并行輸出型、串行輸出型等幾種不同的形式。

1)AD590電流輸出型溫度傳感器

AD590是電流輸出型溫度傳感器的典型產(chǎn)品,近年來,還開發(fā)出一系列改進型,如AD592等。圖2－27(a)為AD590的封裝示意圖(第三腳為空腳)。AD590的基本應(yīng)用電路如圖2－27(b)所示。AD590的溫度系數(shù)是1μA/℃,在25℃時的額定輸出電流為298μA。它的測溫范圍為-55～＋150℃,在整個測溫范圍內(nèi)的誤差小于0.5℃(AD592為±0.3℃)。圖2－27

AD590的測量電路

（a)AD592外形;(b)基本測溫線路;(c)攝氏溫度轉(zhuǎn)換電路

2)數(shù)字輸出型集成溫度傳感器

基于數(shù)字總線的單片集成溫度傳感器內(nèi)部包含高達(dá)上萬個晶體管,能將測溫PN結(jié)傳感器、高精度放大器、多位A/D轉(zhuǎn)換器、邏輯控制電路、總線接口等做在一塊芯片中,可通過總線接口,將溫度數(shù)據(jù)傳送給諸如單片機、PC、PLC等上位機。由于采用數(shù)字信號傳輸,因而不會產(chǎn)生模擬信號傳輸時因電壓衰減造成的誤差,抗電磁干擾能力也比模擬傳輸強得多。目前在集成溫度傳感器中常用的總線有:I－Wire總線、I2C總線、USB總線、SPI線、SLBUS總線等。

3)專用熱電偶冷端溫度補償芯片

集成溫度傳感器除了用于測溫、控溫外,還可用于熱電偶的冷端溫度補償。MAX6675是美國美信公司生產(chǎn)的、基于寫PI總線、專門用于對工業(yè)中最常用的鎳鉻－鎳硅K型熱電偶進行溫度補償?shù)男酒Ｋ軐⒀a償后的熱電勢轉(zhuǎn)換為代表溫度的數(shù)字脈沖,從SPI串行接口輸出。MAX6675工作時必須與熱電偶冷端或補償導(dǎo)線末端處于相同溫度場中。冷端溫度必須高于0℃,低于125℃。在此范圍內(nèi),它將產(chǎn)生41.6μV/℃的補償電壓,超出此范圍,將引起較大的誤差。MAX6675構(gòu)成的熱電偶冷端補償及測量顯示電路框圖如圖2－28所示。MAX6675的SPI總線串行信號時序圖如圖2－29所示。當(dāng)單片機給MAX6675發(fā)送的CS為低電平時,MAX6675的SO端輸出一串12位的、與時鐘信號(SCK)同步的二進制碼,由單片機的RXT腳讀取串行信號,傳輸速率(波特率)由單片機的DXT腳給出。單片機接到SO數(shù)據(jù)信號后,必須查片內(nèi)存儲器中的K型熱電偶分度表,進行非線性修正。當(dāng)熱電偶開路時,T+、T-端無法構(gòu)成回路,SO端將輸出報警標(biāo)志位信號,由單片機驅(qū)動聲光報器。圖2－28

MAX6675構(gòu)成的熱電偶冷端補償及測量顯示電路框圖圖2－29

MAX6675的SPI總線串行信號時序圖 2.5溫度傳感器的工程設(shè)計實例

1.課題要求和主要性能指標(biāo)

某電子公司生產(chǎn)小型電源變壓器,重要的工藝之一為真空浸漆并利用紅外線烘干。烘干箱的原配測溫器件為水銀溫度計,現(xiàn)希望改為隔爆型溫度傳感器,并自動測量和控制烘干箱的溫度。

具體技術(shù)指標(biāo)及要求為：烘箱電源為三相380V,額定功率為10kW;數(shù)字溫度表置于烘箱控制柜右側(cè),顯示溫度范圍為0～199.9℃;準(zhǔn)確度優(yōu)于1%,分辨力為小數(shù)點后1位;溫度傳感器的信號作A/D轉(zhuǎn)換后,送單片機作運算處理,單片機根據(jù)用戶設(shè)定的溫度上限值控制烘箱的溫度,溫度控制誤差為±3℃。

2.設(shè)計方案及步驟

1)傳感器的選擇

水銀溫度計不能直接輸出電信號,選擇鉑熱電阻作為測溫傳感器。鉑熱電阻的型號和結(jié)構(gòu)繁多,有鎧裝式、裝配式、隔爆式等。在化工廠和其他生產(chǎn)現(xiàn)場,常伴隨有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體、蒸汽等。在本項目中,絕緣漆蒸汽屬于可燃性氣體,如果使用普通的裝配型熱電阻,不夠安全,有可能引發(fā)爆炸,因此,在這些場合必須使用隔爆熱電阻。隔爆式熱電阻與裝配式熱電阻的測溫原理相同,區(qū)別是隔爆式產(chǎn)品的接線盒(外殼)在設(shè)計上采用防爆特殊結(jié)構(gòu),用高強度鋁合金壓鑄而成,并具有足夠的內(nèi)部空間、壁厚和機械強度,橡膠密封圈的熱穩(wěn)定性等均符合國家防爆標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)接線盒內(nèi)部的爆炸性混合氣體發(fā)生爆炸時,其內(nèi)壓不會破壞接線盒,由此產(chǎn)生的熱能也不能向外擴散(傳爆)。典型的隔爆式熱電阻的防爆標(biāo)志表示方法如圖2－30所示。圖2－30隔爆型熱電阻的防爆標(biāo)志表示

2)測量橋路設(shè)計方案的選擇

熱電阻的測量轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計可以有以下三種方案。

方案一:二線制電橋測量電路。

電路如圖2－31(a)所示。R1為鉑熱電阻,R2、R3、R4為錳銅精密電阻,它們的電阻溫度系數(shù)十分小,因此可以認(rèn)為是固定電阻。當(dāng)加上橋路電源后,電橋即有相應(yīng)的輸出。電橋的調(diào)零可在0℃的情況下進行。熱電阻Rt(圖中的R1)被安裝在測溫點上,然后用連接導(dǎo)線連接到電橋的接線端子上。由于金屬熱電阻本身的