第6章温度传感器.pptx
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1、第一节第一节 概概 论论 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中,温度传感器是应用最最广广泛泛、发展最最快快的传感器之一。l温度是与人类生活息息相关的物理量。l在2000多年前,就开始为检测温度进行了各种努力,并开始使用温度传感器检测温度。l人类社会中,工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。l工业生产自动化流程,温度测量点要占全部测量点的一半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度是反映物体冷热状态的物理参数。因此,人类离不开温度,当然也离不开温度传感器。因此,人类离不开温度,当然也离不开温度传感器。一、温度的基本概念一、温度的基本概
2、念热平衡:温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。分子物理学:温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。能量:温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。表示温度大小的尺度是温度的标尺,简称温标。u热力学温标热力学温标u国际实用温标国际实用温标u摄氏温标摄氏温标u华氏温标华氏温标如果在式中再规定一个条件,就可以通过卡诺循环中的传热量来完全地确定温标。1954年,国际计量会议选定水的三相点为273.16,并以它的1/273.16定为一度,这样热力学温标就完全确定了,即T=273.16(Q1/Q2)。1848年威廉汤姆首先提出以热力学第二定律为基础,建立温度仅与热量有关,而与物质无关的热力学温
3、标。因是开尔文总结出来的,故又称开尔文温标,用符号K表示。它是国际基本单位制之一。根根据据热热力力学学中中的的卡卡诺诺定定理理,如如果果在在温温度度T1的的热热源源与与温温度度为为T2的冷源之间实现了卡诺循环,则存在下列关系式的冷源之间实现了卡诺循环,则存在下列关系式1 1热力学温标热力学温标Q1热源给予热机的传热量Q2热机传给冷源的传热量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InternationalPracticalTemperatureScaleof1968(简称IPTS-68)
4、,又称国际温标。2 2国际实用温标国际实用温标注意: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=273.15K。水的三相点温度比冰点高出0.01K。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273.16K,这是建立温标的惟一基准点。氢氧三相点沸点54.36190.188-218.798-182.962水三相点沸点273.1
5、6373.150.01100.0锌凝固点692.73419.58银凝固点1235.08961.93金凝固点1337.581064.43物质三相点平衡状态温度T68/KT68/13.817.04220.827.102-259.31-256.108-252.87-246.048沸点25/76atm沸点沸点国际实用温标(IPTS-68)的固定点四个温度段: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
6、度分别用符号T68和t68来区别(一般简写为T与t)。3 3摄氏温标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:4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:T=t+273.15 Kt=T-273.15 m=1.8n+32n=5/9(m-32)二、温度传感器的特点与分类u随物体的热
7、膨胀相对变化而引起的体积变化;随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化;u蒸气压的温度变化;蒸气压的温度变化;u电极的温度变化电极的温度变化u热电偶产生的电动势;热电偶产生的电动势;u光电效应光电效应u热电效应热电效应u介电常数、导磁率的温度变化;介电常数、导磁率的温度变化;u物质的变色、融解;物质的变色、融解;u强性振动温度变化;强性振动温度变化;u热放射;热放射;u热噪声。热噪声。1 温度传感器的物理原理(11)l特性与温度之间的关系要适中,并容易检测和处理,且随温度呈线性变化;l除温度以外,特性对其它物理量的灵敏度要低;l特性随时间变化要小;l重复性好,没有滞后和老化;l灵敏度高,坚固耐用
8、,体积小,对检测对象的影响要小;l机械性能好,耐化学腐蚀,耐热性能好;l能大批量生产,价格便宜;l无危险性,无公害等。2.2.温度传感器应满足的条件温度传感器应满足的条件3.3.温度传感器的种类及特点温度传感器的种类及特点l接触式温度传感器l 非接触式温度传感器接触式温度传感器的特点:传感器直接与被测物体接触进行温度测量,由于被测物体的热量传递给传感器,降低了被测物体温度,特别是被测物体热容量较小时,测测量精度较低量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线,从而测量物体的温度,可进行遥测。其制造成
9、本较高,测量精度却较低。优点是:不从被测物体上吸收热量;不会干扰被测对象的温度场;连续测量不会产生消耗;反应快等。物物理理现现象象体积热膨胀体积热膨胀电阻变化电阻变化温差电现象温差电现象导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压电效应压电效应超声波传播速度变化超声波传播速度变化物质物质颜色颜色PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化可控硅动作特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计示温涂料示温涂料液晶液晶半导体二极管半导体二极管晶体管半导体集成电路温
10、度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅可控硅辐射温度传感器辐射温度传感器光学高温计光学高温计1.气体温度计气体温度计2.玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计6.气体压力温度计气体压力温度计1热铁氧体热铁氧体2Fe-Ni-Cu合金合金热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分类特征传感器名称超高温用传感器1500以上光学高温计、辐射传感器高温用传感器10001500光学高温计、
11、辐射传感器、热电偶中高温用传感器5001000光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用中温用传感器传感器0500低温用传感器-2500极低温用传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计见表下内容见表下内容测温范围温度传感器分类(1)分类特征传感器名称测温范围宽、输出小测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计线性型测温范围窄、输出大热敏电阻指数型函数开关型特性特定温度、输出大感温铁氧体、双金属温度计测温特性温度传感器分类(2)分类特征传感器名称测定精度0.10.5铂测温电阻、石英晶体振动器、玻璃制温度计、气体
12、温度计、光学高温计温度标准用测定精度0.55热电偶、测温电阻器、热敏电阻、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅绝对值测定用管理温度测定用相对值15测定精度温度传感器分类(3)此外,还有微波测温温度传感器、噪声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、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、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、光纤温度传感计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器器等。这些温
13、度传感器有的已获得应用,有的尚在研制中。公元1600年,伽里略研制出气体温度计。一百年后,研制成酒精温度计和水银温度计。随着现代工业技术发展的需要,相继研制出金属丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。1950年以后,相继研制成半导体热敏电阻器。最近,随着原材料、加工技术的飞速发展、又陆续研制出各种类型的温度传感器。三、温度传感器的发展概况接触式温度传感器接触式温度传感器非接触式温度传感器非接触式温度传感器1常用热电阻范围:-260850;精度:0.001。改进后可连续工作2000h,失效率小于1,使用期为10年。2管缆热电阻测温范围为-20500,最高上限为1000,精度为0.5级。()
14、接触式温度传感器()接触式温度传感器3陶瓷热电阻测量范围为200+500,精度为0.3、0.15级。4超低温热电阻两种碳电阻,可分别测量268.8253-272.9272.99的温度。5热敏电阻器适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。l l辐辐射射高高温温计计用来测量1000以上高温。分四种:光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2 2光光谱谱高高温温计计前苏联研制的YCII型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为4006000,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。(二)非接触式温度传感器3 3超超声声波波温温度度传传感感器器特点是响应快(
15、约为10ms左右),方向性强。目前国外有可测到5000的产品。4 4激激光光温温度度传传感感器器适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度,精度为1。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计,最高温度可达8000,专门用于核聚变研究。瑞士BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。1超高温与超低温传感器,如+3000以上和250以下的温度传感器。2提高温度传感器的精度和可靠性。3研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。4发展新型产品,扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻;发展薄膜热电偶;研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热
16、电阻;研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。5发展适应特殊测温要求的温度传感器。6发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。(三)温度传感器的主要发展方向(三)温度传感器的主要发展方向温差热电偶(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。第二节第二节 热电偶温度传感器热电偶温度传感器热电偶的工作原理热电偶的工作原理热电偶回路的性质热电偶回路的性质热电偶的常用材料与结
17、构热电偶的常用材料与结构冷端处理及补偿冷端处理及补偿热电偶的选择、安装使用和校验热电偶的选择、安装使用和校验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,这种现象叫做热热电电效效应应。这种现象早在1821年首先由西拜克(See-back)发现,所以又称西拜克效应。热电偶原理图TT0AB 一、热电偶的工作原理一、热电偶的工作原理回路中所产生的电动势,叫热电势。热电势由两部分组成,即温温差差电电势势和和接触电势接触电势。热端冷端1.1.接触电势接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-eAB
18、(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=1.3810-23J/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。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。AeA(T,To)ToTeA(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
19、和两个温差电势,回路总电势:T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路总电势回路总电势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。根据电磁场理论得结论(4点):EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T)由于NA、NB是温度的单值函数在工程应用中,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(T0)-EAB(0)=EAB(T,0
20、)-EAB(T0,0)热电偶的热电势,等于两端温度分别为热电偶的热电势,等于两端温度分别为T 和和零度以及零度以及T0和零度的热电势之差。和零度的热电势之差。导导体体材材料料确确定定后后,热热电电势势的的大大小小只只与与热热电电偶偶两两端端的的温温度度有有关关。如如果果使使E EABAB(T T0 0)=)=常常数数,则则回回路路热热电电势势E EABAB(T T,T T0 0)就就只只与与温温度度T T有有关关,而而且且是是T T的的单单值值函数,这就是利用热电偶测温的原理。函数,这就是利用热电偶测温的原理。只有当热电偶两端温度不同只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材热电偶的两导体材料
21、不同时才能有热电势产生。料不同时才能有热电势产生。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。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。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)由由一一种种均均质质导导体体组组成成的的闭闭合合回回路路,不不论论其其导导体体是是否否存存在在温温度度梯梯度度,回回路路中中没没有有电电流流(即不产生电动势
22、);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。二、热电偶回路的性质二、热电偶回路的性质1.1.均质导体定律均质导体定律E总=EAB(T)+EBC(T)+ECA(T)=0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT2.2.中间导体定律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。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,则两点结论:l)将第三种材料C接入由A、B组成的热电
23、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:T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2 CT0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB(T2)(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB(T2)第三种材料接入热电偶回路图ET0T0TET0T1T1T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
24、)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0)T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2)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:3.3.中间温度定律中间温度定律 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BBA T2 T1 T3 AABEAB(T1,T3)=EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)
25、EAB(T1,T3)=EAB(T1,0)+EAB(0,T3)=EAB(T1,0)-EAB(T3,0)=EAB(T1)-EAB(T3)ABT1T2T2ABT0T0热电偶补偿导线接线图E为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),则回路总电动势为热电偶材料应满足:l物理性能稳定,热电特性不随时间
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