学习单元三工程机械用温度传感器

学习单元三.工程机械用温度传感器3.1温度测量概述3.2热电阻式传感器3.3热电偶传感器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广泛、发展最快的传感器之一。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。3.1.1温度测量接触式温度传感器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。3.1温度测量概述金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。金属热电阻的主要材料是铂和铜。热电阻广泛用来测量-220～+850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K（-272℃），高温可测量至1000℃。3.2热电阻式传感器3.2.1常用热电阻取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。1.铂热电阻的电阻—温度特性铂电阻的特点是测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂电阻的应用范围为-200～+850℃。铂电阻的电阻—温度特性方程，在0～+850℃的温度范围内为：Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]在-200～0℃的温度范围内为：Rt=R0(1+At+Bt2)薄膜型及普通型铂热电阻薄膜铂电阻是使用最新的薄膜技术而制造的温度传感器。与其他类型的热电阻比较，此产品具有适于大批量生产，一致性好，成本低及尺寸小等特点。小型铂热电阻防爆型铂热电阻隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，能把内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引起爆炸。工程机械用水温传感器及水温表铜热电阻3.2.2热电阻传感器的测量电路热电阻测温电桥原理热电阻三线制电桥电路热电阻传感器的测量电路一般使用电桥电路，如左图所示。由于工业用热电阻安装在生产现场，离控制室较远，因此热电阻的引线对测量结果有较大影响。为此，工业上常采用三线制接法，如右图所示。3.2.3热敏电阻半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。热敏电阻可分为三种类型，即：正温度系数（PTC）热敏电阻负温度系数（NTC）热敏电阻在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。热敏电阻的外形、结构及符号a）圆片型热敏电阻b）柱型热敏电阻c）珠型热敏电阻d）铠装型e）厚膜型f）图形符号1—热敏电阻2—玻璃外壳3—引出线4—紫铜外壳5—传热安装孔热敏电阻的（Rt—t）特性1-负指数型NTC；2-突变型NTC；3-突变型PTC；4-线性型PTC各种热敏电阻的特性曲线热敏电阻外形MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻NTC热敏电阻主要用于温度测量和补偿。PTC突变型热敏电阻主要用作温度开关，PTC缓变型热敏电阻主要用于在较宽的温度范围内进行温度补偿或温度测量。CTR热敏电阻主要用作温度开关。3.2.4热敏电阻的应用热敏电阻的优点：电阻温度系数大、灵敏度高、响应迅速、结构简单、体积小、寿命长以及价格便宜。由于热敏电阻本身阻值大，可以不考虑导线带来的误差，故适合远距离的静态和动态的测量与控制。缺点：非线性严重，在电路上要进行线性补偿，互换性差。1．温度测量用于测量温度的热敏电阻一般结构较简单，价格较低廉。没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方；密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以用在较恶劣的环境下。由于热敏电阻的阻值较大，故其连接导线的电阻和接触电阻可以忽略，使用时采用二线制即可。测温范围为-50℃~750℃。2．温度补偿热敏电阻可在一定的温度范围内对某些元件进行温度补偿。例如，动圈式仪表表头中的动圈由铜线绕成，温度升高，其电阻值增大，引起测量误差，为此可在动圈回路中串入由负温度系数热敏电阻组成的电阻网络，从而抵消由于温度引起的误差。实际应用时，将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联，如图2-19所示。3．温度控制广泛用于空调、冰箱、热水器、节能灯等家用电器的测温、控温及国防、科技等领域。1）继电保护热继电器原理图热敏电阻用于电热水器的温度控制2）温度上下限报警温度上下限报警电路图中Rt为NTC热敏电阻，采用运算放大器构成迟滞电压比较器，当温度T等于设定值时，Uab=0，VT1，VT2都截止。当T升高时，Rt减小。Uab＞0，VTl导通，LED1发光报警；当T下降时，Rt增加。Uab＜0，VT2导通，LED2发光报警。3）电子节能灯及电子镇流器预热启动如果节能灯灯丝未经预热突加高压启动，则将导致灯丝材料严重溅射，使灯管提前发黑报废，使用PTC热敏电阻，在启动时先预热灯丝ls左右，然后再加高压点亮灯管，能有效地防止灯管两端发黑，同时能防止三极管等灯具线路元件受启动瞬间大电流及高反压冲击，使灯具寿命延长10倍以上。3.3热电偶传感器热电偶在温度的测量中应用十分广泛。它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定性。3.3.1热电偶测温原理1.热电效应两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。看一个实验——热电偶工作原理演示结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A自由端（参考端、冷端）测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt的函数：EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）热电势大致与两个结点的温差Δt成正比【例3.1】用镍铬—镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度＝30℃，在直流电位计上测得的热电势＝30.839mV，求炉温。解：查镍铬—镍硅热电偶分度表（30℃，0℃）=1.203mVEAB(T,0℃)=E(T,30℃)+EAB(30℃,0℃)=30.839+1.203=32.042(mV)再查分度表得T=770℃。3.3.2热电偶的结构形式与热电偶材料1．热电偶的种类（1）普通型热电偶普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰普通装配型热电偶的结构放大图接线盒引出线套管固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管（2）铠装热电偶（缆式热电偶）铠装热电偶是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起，外表再套不锈钢管等构成。这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用。铠装型热电偶铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。铠装型热电偶1-热电极；2-绝缘材料；3-金属套管；4-接线盒；5-固定装置铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面（3）薄膜热电偶用真空镀膜技术或真空溅射等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶称为薄膜热电偶。测温范围为-200~500℃。测量端既小又薄，热容量小，响应速度快。适用于测量微小面积上的瞬变温度。薄膜热电偶（4）表面热电偶主要用于现场流动的测量，广泛用于纺织、印染、造纸、塑料及橡胶工业；探头有各种形状(弓形、薄片形等)，以适应于不同物体表面测温用。在其把手上装有动圈式仪表，读数方便。测量温度范围有0~250℃和0~600℃两种。（5）防爆热电偶在石油、化工、制药工业中，生产现场有各种易然、易爆等化学气体，这时需要采用防爆热电偶。它采用防爆型接线盒，有足够的内部空间、壁厚及机械强度，其橡胶密封圈的热稳定性符合国家的防爆标准。因此，即使接线盒内部爆炸性混合气体发生爆炸时，其压力也不会破坏接线盒，其产生的热能不能向外扩散传爆，可达到可靠的防爆效果。隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线3.3.3热电偶测温基本电路如下页图所示图（a）表示了测量某点温度连接示意图。图（b）表示两个热电偶并联测量两点平均温度。图（c）为两热电偶正向串联测两点温度之和。图（d）为两热电偶反向串联测量两点温差。常用的热电偶测温电路示意图