传感器原理与检测技术项目一温度检测与信号调理

项目一温度检测与信号调理完成本项目的学习后，能够：1、了解温度传感器的分类。2、了解热电偶工作原理。3、了解集成温度传感器的特点。4、了解热电阻的工作原理。5、了解红外辐射的基本知识。[学习目标][项目描述]任务1：轧钢加热炉温度检测[任务背景]在轧钢过程中，需要对温度进行精确地测量。根据轧钢加热炉的温度范围，可选择热电偶。[相关知识]热电偶传感器是一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，直接将被测量转换成电势输出。一、热电偶的外形、特性及种类（一）、常用热电偶的外形和特性（二）、热电偶的种类标准型热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶。我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。二、热电偶的工作原理（一）、热电效应a）热电效应b）结点产生热电动势示意c）图形符号1－工作端2－热电极3－指南针4－参考端（二）、热电动势图1-3热电偶热电动势示意图),(),()()(),(0000ttBttAtABtABttABeeeeE三、热电偶的基本定律（一）、中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两端温度相同，则回路总的热电动势不变。这种性质在实际应用中有着重要的意义，它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的仪表，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊接在金属表面进行温度测量。（二）、中间温度定律在热电偶测量回路中，测量端温度为t，自由端温度为t0，中间温度为t0′，则t、t0的热电势等于t、t0′与t0′、t0的热电势的代数和，这就是中间温度定律。图1-4中间温度定律示意图t+0t0t=tABABt0′AB),(),(),(0'0'00ttEttEttEABABAB该定律表明，选用与A、B热电偶特性相近的廉价热电偶的代替t0′、t0热电偶A、B，便可使测量距离增长，测温成本降低，而且不受原热电偶自由端温度t0′的影响。这就是在实际测量中，对冷端温度进行修正，运用补偿导线延长测温距离，消除热电偶自由端温度变化影响的道理。（三）、标准电极定律如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由A、B导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知，这个定律就称为标准电极定律。CACBt0t参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对时的电动势均可利用该定律计算，而不需要逐个进行测定。),(),(),(000ttEttEttECBACAB),(),(),(000ttEttEttEBCACAB四、热电偶冷端补偿方法为使热电动势与被测温度间呈单值函数关系，需要把热电偶冷端的温度保持恒定。由于热电偶的分度表是在其冷端温度t0=0℃条件下测得的，所以只有在满足t0=0℃的条件下，才能直接应用分度表。但在实际中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定不变的。为此必须采用一些措施进行补偿或者修正，常用的方法有以下几种。（一）、0℃恒温法1－被测流体管道2－热电偶3－接线盒4－补偿导线5－铜质导线6－毫伏表7－冰瓶8－冰水混合物9－试管10－新的冷端将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温器内，使冷端温度保持0℃不变，此法也称冰浴法。（二）、补偿导线法实际测温时，由于热电偶长度有限，自由端温度将直接受到被测物温度和周围环境温度的影响。工业中一般是采用补偿导线来延长热电偶的冷端，使之远离被测物。a）补偿导线结构b）接线图c）补偿导线的外形1－测量端2－热电极3－接线盒14－补偿导线5－接线盒2(新的冷端)6－铜引线7－毫伏表（三）、计算修正法当冷端温度t0保持恒定，但不等于0℃时，可采用计算修正法，对热电偶回路的测量热电动势EAB(t，t0)加以修正。[例1.2]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，求加热炉的温度？解：先由镍铬-镍硅热电偶分度表查得EAB（30，0）＝1.203mV。根据中间温度定律可得：EAB（t，0）=EAB(t，t0)+EAB(t0，0)=33.29+1.203=34.493mV再查镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8℃，即为实际炉温。（四）、电桥补偿法电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度无法恒定而引起的热电势变化值。补偿电桥现已标准化。（五）、仪表机械零点调整法对于具有零位调整的显示仪表而言，如果热电偶冷端温度t0较为恒定时，可采用测温系统未工作前，预先将显示仪表的机械零点调整到已知的冷端温度值上。这相当于把热电势修正值E（t0，0）预先加到了显示仪表上，当此测量系统投入工作后，显示仪表的示值就是实际的被测温度值。使用时要注意：当气温变化时，由于t0变化了，应及时调整指针的位置。（六）、利用半导体集成温度传感器补偿法五.热电偶的使用及配套仪表热电偶安装时注意：1、为了使热电偶的测量端与被测介质之间有充分的热交换，应合理选择测量点位置，尽量避免在阀门，弯头及管道和设备的死角附近装设热电偶。2、带有保护套管的热电偶有传热和散热损失，为了减少测量误差，热电偶应该有足够的插入深度：(1)对于测量管道中心流体温度的热电偶，一般都应将其测量端插入到管道中心处(垂直安装或倾斜安装)；(2)对于高温高压和高速流体的温度测量(如主蒸汽温度)，为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂，可采取保护管浅插方式或采用热套式热电偶。浅插式的热电偶保护套管，其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm；热套式热电偶的标准插入深度为100mm；(3)假如需要测量是烟道内烟气的温度，尽管烟道直径为4m，热电偶或热电阻插入深度1m即可；(4)当测量原件插入深度超过1m时，应尽可能垂直安装，或加装支撑架和保护套管。[拓展知识]基于冷端补偿和非线性校正的热电偶信号调理电路任务2：管道温度检测[任务背景]管道输送的气体、石油、水等介质的温度高低与输送压力一样，也直接影响到介质输送的安全。[相关知识]在中、低温区，一般是使用热电阻来进行温度测量。一、热电阻的外形及种类常用热电阻的外形、种类与热电偶相似。二、热电阻的工作原理热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。三、正确使用热电阻测温热电阻的测量方法有恒压法和恒流法两种。恒压法就是保持热电阻两端的电压恒定，测量电流变化的方法。恒流法就是保持流经热电阻的电流恒定，测量其两端电压的方法。（一）、二线式铂热电阻温度测量电路实例（二）、三线式铂热电阻温度测量电路实例（三）、四线式铂热电阻温度测量电路实例[拓展知识]热电阻用于管道流量检测任务3：数字电冰箱温度检测[任务背景]带温度控制的家用电器因温度可调、温度控制精确和节能等各种高性能，让越来越多的家庭接受。如电冰箱、饮水机、电饭锅、热水器、电热毯、电熨斗等，都需要对温度进行检测。[相关知识]热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化较显著的特点制成的一种热敏元件。一、热敏电阻的外形二、热敏电阻的分类与工作原理按温度系数的不同，热敏电阻可分为负温度系数的热敏电阻（NTC）和正温度系数的热敏电阻（PTC）两大类。三、正确使用热敏电阻传感器（一）、热敏电阻的选择热敏电阻器的种类和型号较多，选哪一种热敏电阻器，应根据电路的具体要求而定。（二）、热敏电阻的电冰箱温控器电路[拓展知识]汽车空调温度控制器电路任务4：非接触式体温检测[任务背景]非接触测温在高温测量方面主要应用在冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。在民用、医疗等低温测量方面也得到广泛应用。[相关知识]非接触式温度仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体，而不必与物体接触，因此可以测量运动物体的温度并不会破坏物体的温度场。此外，由于感温元件只接收辐射能，不必达到被测物体的实际温度，从理论上讲，它没有上限，可以测量高温。一、红外辐射电磁波谱电磁波谱二、红外传感器的分类与工作原理红外传感器根据探测机理可分成为：红外光电探测器（基于光电效应）和红外热敏探测器（基于热效应）。（一）、红外热敏探测器红外热敏探测器是利用红外辐射的热效应制成的，探测器的敏感元件为热敏元件，它吸收辐射后引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定探测器所吸收的红外辐射。热敏探测器主要有热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型等四种。其中热释电型探测器应用最广。（二）、红外光电探测器红外光电探测器可直接把红外光转换成电能。如，红外光敏电阻和红外PN结型光生伏特器件，主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。三、正确使用红外测温传感器[拓展知识]一、热释电红外测温的应用二、热释电红外探测的应用——自动旋转门控制