温度传感器应用电路

3.冷端温度电桥补偿法
用电桥在温度变化时的不平衡电压（补偿电压）去消除冷端温度变化对热电偶热 电势的影响，这种装置称为冷端温度补偿器。 如图8.4.1所示，R1 、R2 、R3 和RW为锰铜电阻，阻值几乎不随温度变化， Rcu 为铜电阻（热电阻），其电阻值随温度升高而增大，与冷端靠近。设使电桥在冷端 温度为T0时处于平衡，Uab=0，电桥对仪表的读数无影响。当温度不等于T0时，电桥 不平衡，产生一个不平衡电压Uab加入热电势回路。当冷端温度升高时，Rcu也随之 增大，Uab也增大，但是热电偶的热电势却随冷端温度的升高而减小，若Uab的增加 量等于EAB的减小量时，则输出U保持不变。改变R的值可改变桥臂电流，可以适合不 同类型的热电偶配合使用。不同型号的冷端温度补偿器应与所用的热电偶配套。使 用时注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。
2.冷端温度修正法
对于冷端温度不等于0℃，但能保持恒定不变（恒温器）或能用普通方法测出（如室温） 的情况，可采用修正法。常采用热电势修正法。 计算公式：E(t,t0)=E(t,t0＇)+E(t0＇, t0) 式中：E(t,t0)—热电偶测量端温度为ｔ，参考端温度为t0=０℃时的热电势值； E(t,t0＇)—热电偶实际测量温度ｔ，参考端温度为t0＇不等于０℃时的热电势 值； E(t0＇,t0)—热电偶测量端温度为t0＇，参考端温度为t0=０℃时的热电势值。
图8.2.3 热敏电阻测量真空原理图
3.PTC热敏电阻组成的0～100℃的测温电路
电压跟随器
直流电桥
稳压管DZ1提供稳定电压，由R3、R4、R5分压，调节R5使电压跟随器A1输出2.5 V的 稳定电桥工作电压，并使热敏电阻工作电流小于1mA，避免发热影响测量精度。PTC 热敏电阻RT 25 ℃时阻值为1k，R8也选择1k，室温时（25 ℃）电桥调平，温度偏 离室温时，电桥失衡，输出电压接差放A2放大后输出。 图8.2.4 热敏电阻测量单点温度原理图
3位半数字电压表模块MC14433
通过PN结温度传感器的工作电流不能过大，以免二极管自身的温升影响测量 精度。一般工作电流为 100—300mA。采用恒流源作为传感器的工作电流较为 复杂，一般采用恒压源供电，但必须有较好的稳压精度。
图8.5.7 PN结温度传感器的数字式温度计
4. 温敏三极管的温差检测电路
6. 热敏电阻热保护
保护电路
热敏电阻 继电器 电动机
电机绕组过热，热敏电阻阻值增大，达到保护程 度，保护电路动作，驱动继电器动作切断电源。
7. 热 敏 电 阻 液 位 传 感 器
总电流
常温电阻
液面高低 影响 输出电流
冷 电 阻
2.分度表
热电偶冷端温度为0℃时，热电偶热端温度与输出热电势之间的对应关系的 表格，因为多数热电偶的输出都是非线性的，国际计量委员会已对这些热电偶的 每一度的热电势做了非常精密的测试，并向全世界公布了他们的分度表。可以通 过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得到相应的温度值。每10℃分档 ，中 间值按内插法计算。如分度号为S的分度表。
电压跟随器
差动放大器
电压跟随器
该电路的输出反映了两个待测点的 温差，常常用于工业过程监视和控 制场合。电路中使用了两只性能相 同的温敏三极管MTS102作测温探头 ，分别置于待测温场中，两个不同 温度所对应的 Ube 分别经过运算放 大器 A1 、 A2 缓冲后，加到运算放 大器A3 的输入端进行差分放大。 具体调整时，将两只温敏三极管置 于同一温度中，调节电位器 W ，使 A3 输出Uo 为0 。这样就可以保证 输出电压 Uo 正比于两点温差，灵 敏度由Rf 和R 决定。
例1：用一支分度号为Ｋ(镍铬-镍硅)热电偶测量温度源的温度，工作时的参考端温 度(室温)t0＇=20℃，而测得热电偶输出的热电势(经过放大器放大的信号，假设放大 器的增益ｋ=10)32.7mv，则E(t,t0＇)=32.7mV/10=3.27mV，那么热电偶测得温度源的 温度是多少呢? 解：由附录Ｋ热电偶分度表查得： E(t0＇,t0)=E(20,0)=0.798mV 已测得 E(t,t0＇)=32.7mV/10=3.27mV 故 E(t,t0)=E(t,t0＇)+E(t0＇, t0)= 3.27mV+0.798mV=4.068mV 热电偶测量温度源的温度可以从分度表中查出，与4.068mV所对应的温度是100℃。 例2：用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30℃，测得热电势eAB （t，t0）为33.29mV, 求加热炉温度。 解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。 可得 eAB（t，0）= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV 由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8℃
图8.5.2 PN结温度传感器
图8.5.3 PN结温度电压曲线
8.5.3 应用
1.火灾报警专用S700二极度管温度传感器
火灾报警用的温度传感器，主要以热敏电阻器为主，然而由于热敏电阻器的电 阻——温度特性呈非线性，长期稳定性差，互换性不好，价格高，给使用带来了 许多问题。国产S700系列火灾报警专用二极度管温度传感器。良好的线性关系， 互换性好，性能长期稳定，体积小，响应快。技术规范如表1所示。 图8.5.4给出了S700的工作电路，它通常采用恒压电源工作电路，这种电路非常简 单，将S700串联一个限流电阻后接入恒压源即可。在这种电路中，通过传感器的 工作电流是一个随温度升高呈近似线性增加的电流，而这种工作电流，使得S700 的正向电压------温度特性几乎呈完全的线性关系。图8.5.5给出了S700在不同工 作电路下的VF---t特性，由此可见VF与t之间是一个线性关系。
图8.4.4 AD592做冷端补偿的应用原理图
8.5 PN结温度传感器
8.5.1 外形
PN结温度传感器的外形繁杂，图8.5.1是国产S700系列PN结温度传感器的外形尺寸图， 其中（a）为耐温玻璃封装，（b）为金属外壳封装。
图8.5.1 S700传感器外形尺寸图
8.5.2 工作原理
PN结温度传感器是利用半导体PN结的结电压随温度变化而变化的原理工作的， 例如，晶体二极管或三极管的 PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN结的 结电压在温度每升高 1℃时，下降约2mV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管 （如玻璃封装的开关二极管1N4148）或采用硅三极管（一般将NPN晶体管的bc结短接， 利用be结作为感温器件）接成二极管来做PN结温度传感器如图8.5.2所示。这种传感 器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为0.2—2秒，灵敏度高。测温范围为-50～ +150℃。典型的温度曲线如图8.5.3所示。同型号的二极管或三极管特性不完全相同， 因此它们的互换性差。
VF(mv) 1000 800 R S700 VF 600 400 200
V=3.6V R=300K V=5V R=43K
--50 0 50 100 150
t (℃)
图8.5.4 S700工作电路
图8.5.5 不同工作电压下的V F ---t特性
2.温敏二极管恒温器
图8.5.6 温敏二极管恒温器测量电路
温敏元件
4.单相异步电 机启动
工作绕组
启动绕组
电动机刚起动时，PTC 热敏电阻尚未发热 ，阻值很小，起动绕组处于通路状态，对 启动电流几乎没影响，启动后，热敏电阻 自身发热，温度迅速上升，阻值增大；当 阻值远大于启动线圈 L2 阻抗时，就认为 切断了启动线圈，只由工作线圈 L1 正常 工作。此时电动机已起动完毕，进入单相 运行状态。 图8-5 单相异步电机启动用热敏电阻原理图
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图8.3.3
热电阻的三线制接法原理图
2. 线性测量电路
VCC
稳压电源
测量桥 差动放大电路
R8 5.1K
1
U16 8 LM431A
6
VR1 R1 502 2K
R2 2K
R5 100K VCC
4
C1104
R3 1K
3 2
U1A 1
R7 1K
P_T
R4 1K PT100 VR2 502
11
LM324
C2 IN4733 103
8.2.5 应用
1.NTC热敏电阻实现单点温度控制电路
单点温度控制是常见的温度控制形式，如图8.2.2所示。
调整b点电位Ub，即预设温度Tb，初始 时继电器不通电，常闭触点K闭合，加 热器通电加热。
直流电桥
比较器
2.热敏电阻测量真空度
真空度测量的方法比较多，利用热敏电阻实现真空度的测量电路原理如图8.2.3所示。
5. 气敏电阻检漏报警器
预热 开关
气敏 电阻
检出可燃气体时，气敏 电阻减小，电压增大，V1触 发V2，报警灯亮，音频振荡 电路也自激振荡声音报警。
工作 开关
气敏输出电压
6. 矿灯瓦斯报警器
检出瓦斯气体时，气敏电阻减小，V1、 V2导通，V3、V4振荡，报警灯闪烁。
矿 灯 控 制 支 路
加 热 支 路 测量支路
R6 100K
3. Pt100三线法性测量电路
仪用放大器
图8.3.6
热电阻的三线测温原理图
4. Pt100四线法性测量电路
图8.3.7
热电阻的四线测温原理图
其他应用请读者参考教材。
5. 工业流量计
当液体不流动时，两个 铂电阻等温，电桥平衡
不流动环境
3
铂电阻 流动环境 铂电阻 4
当液体流动时，铂电阻4温度随流速变化，铂电阻3温 度不随流速变化，流体速度将引起电桥的不平衡输出。
R2 Es R3 r r Rt
R1
A
r
桥臂
图中Rt 为热电阻；r为引线电阻； R1 ，R2为固定电阻； R3为调零精 密可变电阻。调使Rt0= R3 ，（ Rt0：热电阻在0 ℃时的电阻值） ，在0 ℃时，（R3+r）* R1=（ Rt0+r）* R2电桥平衡。测量时， Rt阻值变化时，从电流表中即可有 电流流过。
3.PN结温度传感器的数字式温度计
电压跟随器 测量桥 差放
将 PN 结传感器插入冰水混合液中，等温度平衡，调 整W1，使DVM显示为0V，将PN结传感器插入沸水中（ 设沸水为 100℃），调整 W2 ，使 DVM 实现为 100.0V ， 再将传感器插入0℃环境中，等平衡后看显示是否仍 为 0V ，必要时再调整 W1 使之为 0V ，然后再插入沸水 ，经过几次反复调整即可。 W2 通过电压跟随器 A2 可调节放大器 A1 的 增益。放大后的灵敏度10mV/℃ 。
7. 一氧化碳报警器
+10V以上
检出CO气体时，气敏电阻RQ减小，V5、 V6、V7导通，振荡电路振荡，声音报警。
5V
加 热 支 路
备用电源
-
+
铂热电阻Pt100分度表
8.3.4 应用
1.热电阻的连接法
由于热电阻的阻值较小，所以导线电阻值不可忽视（尤其是导线较长时），故在 实际使用时，金属热电阻的连接方法不同，其测量精度也不同，最常用的测量电路 是电桥电路，可采用三线或四线电桥连接法。三线法如图8-12所示。
热敏电阻
气体
热敏电阻用的恒定电流加热，一方面使自身温度升高，另一方面也向周围介质散热，在单位时间 内从电流获得的能量与向周围介质散发的热量相等，达到热平衡时，才能有相应的平衡温度，对 应固定的电阻值。当被测介质的真空度升高时，玻璃管内的气体变得稀少，气体分子间碰撞进行 热传递的能力降低，热敏电阻的温度就会上升，电阻值随即增大，其大小反映了被测介质真空度 的高低。
Uab
R1
A T EAB(T,T0)
R2
+
T0
a
-
R
+
b
RCu
T0
R3
B
B
U
mV
图8.4.1 热电偶桥式冷端温度补偿器原理图
8.4.9 应用
1.AD594集成式单片热电偶冷端温度补偿器 AD594、AD595、AD597等是美国ADI公司生产的单片热电偶冷端补偿器，内部 还集成了仪用放大器，所以能实现对不同的热电偶进行冷端补偿之外，还可作为 线性放大器。其引脚功能是：U+、U-为电源正负端，IN+、IN-为信号输入端， ALM+、ALM-为热电偶开路故障报警信号输出端，T+、T-为冷端补偿正负电压输出 端，FB为反馈端，做温度补偿时UO端与FB端短接，详细资料见其使用说明。图 8.4.3为AK594的应用电路图。热电偶的信号经过AD594的冷端补偿和放大后，再用 OP07放大后输出。 2.用AD592做冷端补偿的热电偶应用电路