传感器技术第4讲温度传感器.ppt

第四讲 温度传感器及应用 4.1 热电偶温度传感器 4.2 热敏电阻温度传感器 4.3 IC温度传感器 4.4 其他温度传感器,表示温度大小的尺度是温度的标尺，简称温标。热力学温标、国际实用温标、摄氏温标、华氏温标 为解决国际上温度标准的同意及实用问题，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用温标International Practical Temperature Scale of 1968(简称IPTS-68)，又称国际温标。1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16 K，这是建立温标的惟一基准点。注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔1K=1。T0是在标准大气压下冰的融化温度， T0 = 273.15 K。水的三相点温度比冰点高出0.01 K。,四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器 低温铂电阻温度计（13.81K273.15K）； 铂电阻温度计（273.15K903.89K）； 铂铑-铂热电偶温度计（903.89K1337.58K）； 光测温度计（1337.58K以上）。 国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号T68和t68来区别（一般简写为T与t）。 摄氏温标 是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。 摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下： t=T-273.15 T=t+273.15 K 华氏温标 目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用，它和摄氏温度的关系如下： m=1.8n+32 n= 5/9 (m-32) ,温度传感器分类(1),温度传感器分类(2),温度传感器分类(3),此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。,4.1 热电偶温度传感器 温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。 一、热电偶的工作原理 两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。,1. 接触电势,eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ； NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,A,eA(T,To),To,T,eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的 =2V/。,2. 温差电势,温差电势原理图,由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,3. 回路总电势,NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； A 、 B导体A和B的汤姆逊系数。,在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：,EAB(T, T0)= EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T)-EAB(0)-EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T，0)-EAB(T0，0),热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度以及T0和零度的热电势之差。 结论：1、热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。2、只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。3、只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。4、导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。,对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2 、 、Tn ，冷端温度为零度的热电势。其热电势为 E= EAB（T1）+ EBC（T2）+ENA（Tn）,二、热电偶回路的性质 1. 均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。 2. 中间导体定律 一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则 E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0,两点结论： l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即 同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：,EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2）,EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）,E,T0,T0,T,E,T0,T1,T1,T,电位计接入 热电偶回路,根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。,EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）,2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：,3. 中间温度定律,如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则,EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）,EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3）,A,B,T1,T2,T2,A,B,T0,T0,热电偶补偿导线接线图,E,对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0时，则：,只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。,EAB=EAB(T1)EAB(T0),说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为,三、热电偶的常用材料与结构热电偶材料应满足： 物理性能稳定，热电特性不随时间改变； 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀； 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； 便于制造； 复现性好，便于成批生产。,（一）热电偶常用材料 1铂铂铑热电偶(S型) 分度号LB3 工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。 正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。 负极：铂丝。测量温度：长期：1300、短期：1600。 特点：材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶 或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管。材料属贵金属，成本较高。热电势较弱。,2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 分度号EU2 工业用热电偶丝： 1.22.5mm，实验室用可细些。 正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。 负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。 测量温度：长期1000，短期1300。 特点：价格比较便宜，在工业上广泛应用。高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2， H2S等气体中易被侵蚀。复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。,3镍铬考铜热电偶(E型) 分度号为EA2 工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。 正极：镍铬合金 负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。 测量温度：长期600，短期800。 特点：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。,4铂铑30铂铑6热电偶(B型) 分度号为LL