六章节热电式传感器

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六章节热电式传感器
热电式传感器是一种将温度变化转换为电参 量变化的装置。例如将温度变化转化为电阻、磁 导或电势等的变化,通过适当的测量电路,就可 由这些电参数的变化来表达所测温度的变化。
在各种热电式传感器中,以把温度量转换为 电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换为 电势大小的热电式传感器叫做热电偶,将温度转 换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。这 两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛 的应用。另外利用半导体PN结与温度的关系所制 成的结型温度传感器在窄温场中也得到了十分广 泛的应用。
6.1.4 热电偶的结构形式
为了适应不同生产对象的测温要求和条件, 热电偶的结构 形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。
1.普通型热电偶
………普通型结构热电偶工业上使用最多, 它一般由热电极、 绝缘套管、保护管和接线盒组成, 其结构如图 6 -5 所示。普通 型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定 法兰连接、 活动法兰连接、 无固定装置等多种形式。
6.1.2 热电偶基本定律
1. 中间导体定律
利用热电偶进行测温, 必须在回路中引入连接导线和仪 表, 接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢?中间 导体定律说明, 在热电偶测温回路内, 接入第三种导体, 只要 其两端温度相同, 则对回路的总热电势没有影响。
接入第三种导体回路如图 6-2 所示。 由于温差电势可忽略 不计, 则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。
• 金属热电阻由电阻体,保护套和接线盒等部件组 成。其结构形式可根据实际使用制作成各种形式。 金属热电阻可以测量-200℃~500℃的温度。
1.常用的种金属热电阻
(1)铂电阻 由于铂电阻物理、化学性能在高温和氧化性介质中
很稳定,铂电阻温度计在-256.34℃~630.74℃温域内, 可作基准温度器用。铂电阻与温度的关系,在0~ 630.74℃以内为
补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度, 但由于rCU 的阻值随环境温度变化而变化, 如果适当选择桥臂电阻和
桥路电流, 就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于参考 端温度变化引起的热电势EAB(t, t0)变化量, 从而达到自动补偿 的目的。
图6-8 补偿电桥
4. 热电偶测温线路
热电偶测温时, 它可以直接与显示仪表(如电子电位差 计、 数字表等)配套使用, 也可与温度变送器配套, 转换成标 准电流信号, 图 6 - 9 为典型的热电偶测温线路。 如用一台显 示仪表显示多点温度时, 可按图 6 - 10连接, 这样可节约显示 仪表和补偿导线。
Rt R0(1At Bt2)
在-190℃~0℃以内为
R t R 0 [1 A B t2 tC (t 1t0 3)0 ]
实际上并非所有材料都能满足上述要求。 目前在国际上被 公认比较好的热电材料只有几种。国际电工委员会(IEC)向 世界各国推荐8种标准化热电偶, 所谓标准化热电偶, 它已列入 工业标准化文件中, 具有统一的分度表。 我国从1988年开始采 用IEC标准生产热电偶。表6-1 为我国采用的几种热电偶的主要 性能和特点。
常用热电偶的补偿导线列于表 6- 6
(2)参考端温度修正法采用补偿导线可使热电偶的参考端 延伸到温度比较稳定的地方, 但只要参考端温度不等于0℃, 需要对热电偶回路的电势值加以修正, 修正值为EAB(t0 , 0)。 经修正后的实际热电势, 可由分度表中查出被测实际温度值
(3)参考端0℃恒温法 在实验室及精密测量中, 通常把参 考端放入装满冰水混合物的容器中, 以便参考端温度保持0℃, 这种方法又称冰浴法。
EAB(T,T0)= EAC(T,T0)- EBC(T,T0)
.
图6-4 标准电极定律
6.1. 3.热电偶类型
理论上讲, 任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶, 但 为了准确可靠地测量温度, 对组成热电偶的材料必须经过严格 的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件: 热电势变 化尽量大, 热电势与温度关系尽量接近线性关系, 物理、 化学性 能稳定, 易加工, 复现性好, 便于成批生产, 有良好的互换性。
两种导体接触时,自由电子由密度大的导体 向密度小的导体扩散, 在接触处失去电子的一侧 带正电, 得到电子的一侧带负电, 形成稳定的接触 电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性 质和接触点的温度。两接点的接触电势EAB(T)和 EAB(T0)可表示为
EAB(T)=
KT e
ln
N AT N BT
图6-6 铠装热电偶
3.薄膜热电偶
薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料, 用真空蒸镀、 化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电 偶, 如图 6 - 7 所示。 薄膜热电偶的热接点可以做得很小 (可薄到0.01~0.1μm), 具有热容量小, 反应速度快等 的特点, 热相应时间达到微秒级, 适用于微小面积上的表 面温度以及快速变化的动态温度测量。
2.中间温度定律 热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势EAB(t, t0)等于 热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势EAB(t, tc)和 EAB(tc, t0)的代数和(见图 6-3 ), 即:
E A ( T B ,T 0 ) E A ( T B ,T C ) E A ( T C B T 0 )
该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。 在实际热 电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为 0℃的热电势进行修正。
• 中间温度定律的实用价值为:
• (1)当热电偶自由端(冷端)温度不为 0℃时,可利用该定律及分度表求得工作端 温度T;
• (2)热电偶长度不够时,可据此定律选用 适当的补偿导线。
特殊情况下, 热电偶可以串联或并联使用, 但只能是同一 分度号的热电偶, 且参考端应在同一温度下。如热电偶正向 串联, 可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测量两点 温差时, 可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联可以测量 平均温度。热电偶串、并联线路如图 6- 11 所示
6.2 热电阻
物质的电阻随温度变化的物理现象称 为热电阻效应。根据热电阻效应制成的传 感器叫热电阻传感器,简称热电阻。热电 阻按电阻——温度特性的不同可分为金属 热电阻(称热电阻)和半导体热电阻(称 热敏电阻)两大类。一般情况下,金属热 电阻的电阻温度系数为正,而热敏电阻的 电阻温度系数为负。
EA(T,T0)K eT T 0N 1 AT d(N dAT tt)d t
EB(T,T0)K eT T 0N 1 BT d(N d BT tt)d t
式中: NAT和NBT分别为A导体和B导体的电子密度, 是温 度的函数。
3.热电势
热电偶回路中产生的总热电势为
EAB(T, T0)=EAB(T)+EB(T, T0)-EAB(T0)-EA(T, T0)
EAB(t, 0)= EAB(t, t0)+ EAB(t0, 0)
由此可见, EAB(t0, 0)是参考端温度t0的函数, 因此需要对 热电偶参考端温度进行处理。
(1)热电偶补偿导线
在实际测温时, 需要把热电偶输出的电势信号传输到远 离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表, 这样参考 端温度t0也比较稳定。热电偶一般做得较短 需要用导线将热 电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线, 它通常由 两种不同性质的廉价金属导线制成, 而且在0~100℃温度范围 内, 要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。
EA
B(T0)
KT0 lnNAT0
e
NBT0
式中: K——波尔兹曼常数;
e——单位电荷电量;
NAT、NBT和NAT0、NBT0 ——分别在温度为T和T0时, 导体A、B的电子密度。
2.温差电势
温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种 热电势。
同一导体的两端温度不同时, 高温端的电子能量要比低 温端的电子能量大, 因而从高温端跑到低温端的电子数比从 低温端跑到高温端的要多, 结果高温端因失去电子而带正电, 低温端因获得多余的电子而带负电, 因此, 在导体两端便形成 接触电势, 其大小由下面公式给出:
图6-7 薄膜热电偶
6.1.5.热电偶的补偿导线及参考端温度补偿方法
从热电偶测温基本公式可以看到, 对某一种热电偶来说热 电偶产生的热电势只与工作端温度t和自由端温度t0有关, 即:
EAB(t, t0)=e AB(t)-eAB(t0)
热电偶的分度表是以t0=0℃作为基准进行分度的, 而在实 际使用过程中, 参考端温度往往不为0℃, 那么工作端温度为t 时, 分度表所对应的热电势EAB(t, 0)与热电偶实际产生的热电 势EAB(t, t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式:
EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0) 当T= T0 时, 有 EBC(T0)+ECA(T0)=-EAB(T0) 得
图6-2 中间导体定律
EABC(T, T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T, T0)
同理, 加入第四、第五种导体后, 只要加入的导体两端温度 相等, 同样不影响回路中的总热电势。
在总热电势中, 温差电势比接触电势小很多, 可忽略不计, 热电偶的热电势可表示为
EAB(T, T0)=EAB(T)-EAB(T0) 对于已选定的热电偶, 当参考端温度T0恒定时,EAB(T0)为 常数, 则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系,
EAB(T, T0)=EAB(T)-c=f(T)
实际应用中, 热电势与温度之间关系是通过热电偶分度 表来确定的。分度表是在参考端温度为0℃时, 通过实验建 立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。用热 电偶测温, 还要掌握热电偶基本定律。下面引述几个常用的 热电偶定律。
6.2.1 金属热电阻
• 金属热电阻是利用导体的电阻随温度变化而变化 的特性制成的,因此作为测量用的金属热电阻材 料必须具备以下特点:
• (1)电阻温度系数要尽可能大;
• (2)电阻率高;
• (3)电阻与温度之间最好成线性,并且在较宽的 测量范围内具有稳定的物理和化学性质。
• 目前应用得较多的金属热电阻材料有铂和铜等。
6-5 普通热电偶结构
2.铠装热电偶
铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、 绝缘 材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体, 如图 6 - 6 所示。它可以做得很细很长, 使用中随需要能任意弯曲。铠装 热电偶的主要优点是测温端热容量小, 动态响应快, 机械强度 高, 挠性好, 可安装在结构复杂的装置上, 因此被广泛用在许多 工业部门中。
3.均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路中, 不论导体的截面和长度如何以及各处的温 度分布如何, 都不能产生热电势。这条定理 说明, 热电偶必须由两种不同性质的均质材 料构成。
图6-3 中间温度定律
4.标准电极定律
热电偶由A,B两种导体制成,若将A,B两种导体 分别与第三种导体C制成如图6-4所示的热电偶,且三个 热电偶的热端和冷端温度相同(T,T0),则A和B热电偶 的热电势EAB(T,T0)等于A和C热电偶热电势EAC(T, T0)与B和C热电偶热电势EBC(T,T0)之差,称标准电 极定律。公式为:
表6-1 标准化热电偶的主要性能特点
表中所列的每一种热电偶中前者为热电偶的正极, 后者为负极。 目前工业上常用的有四种标准化热电 偶, 即铂铑30--铂铑6, 铂铑10-铂, 镍铬-镍硅和镍铬-铜 镍(我国通常称为镍铬-康铜)热电偶, 它的分度表见 表 6 - 2 至表 6 - 5
另外, 目前还生产一些特殊用途的热电偶, 以满足特殊测 温的需要。 如用于测量3800℃超高温的钨镍系列热电偶, 用 于测量2~273K的超低温的镍铬-金铁热电偶等。
(4)参考端温度自动补偿法(补偿电桥法) 补偿电桥法 是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号, 来自动 补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0℃或变化而引起 热电势的变化值。
如图6-8 所示, 不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰 铜丝绕制的电阻r1、 r2 、r3、电阻温度系数较大的铜丝绕制 的电阻rCU 和稳压电源组成。
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