温度传感器及工程应用

第3章温度传感器及工程应用3.1温度测量概述3.2热电阻传感器3.3热敏电阻传感器3.4热电偶传感器3.5集成温度传感器3.6辐射式温度传感器3.7温度传感器工程应用案例第3章温度传感器及工程应用返回主目录第3章温度传感器及工程应用温度是工农业生产和科学实验中一个非常重要的参数，许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的。比如，人们为了在炎热的夏天工作环境舒适，就要用空调。空调的作用就是实时不断地检测房间里的温度，当房间温度高于设定温度（比如26℃）时，就启动制冷系统使房间温度下降，当降到设定温度以下时，制冷系统停止工作，等待温度上升，当温度又上升到设定温度以上时，制冷系统又开始工作；这样周而复始的不断工作，就把房间里的温度控制在设定温度附近。在这个空调系统中，温度传感器起着重要的作用。下面就温度传感器及其工程应用作一介绍。第3章温度传感器及工程应用3.1温度测量概述3.1.1温度与温标温度是表征物体冷热程度的物理量。为了定量地描述温度的高低，就建立了温标，温标就是温度的标尺。它有多种，比如摄氏温标，华氏温标，热力学温标等。当前世界通用的是1990年制定的国际标准(即国际协议ITS-90)。该协议中规定了两种温标，一种是开尔文温标，用符号T90表示，单位是开尔文(K)。另一种是摄氏温标，用符号t90表示，单位是摄氏度(℃)。T90和t90之间的关系为在实际应用中，一般直接用T和t代替T90和t90。16.273//9090KTCt(3-1)第3章温度传感器及工程应用3.1.2温度测量方法和分类1.温度测量方法温度测量通常是利用冷热不同的物体之间热交换原理以及某些物体特性随着冷热程度不同而变化的特点来进行的。测量温度的器件称作温度测量仪表，工程上用的通常分为现场温度传感器和控制室显示仪表两部分（见图3-1）。且现场用的温度传感器称作一次仪表，而控制室用的显示仪表称作二次仪表。现场部分控制室部分温度传感器显示仪表t图3-1温度测量仪表的组成第3章温度传感器及工程应用可分为接触式测量与非接触式测量两大类。1）接触式测量接触式测量是使感温元件和被测介质相接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，感温元件与被测介质的温度相等。这类温度传感器具有结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低廉等优点，是目前被广泛应用。2）非接触式测量非接触式测量是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理进行的。若选择合适的接收检测装置，便可测得被测对象发出的热辐射能量，实现温度的测量。它可测高温、腐蚀、有毒、运动等物体表面的温度，不干扰被测温度场，但精度较低，使用不太方便。2.温度测量方法的分类第3章温度传感器及工程应用3.2热电阻传感器热电阻传感器是中、低温区（850℃以下）最常用的一种温度检测器。3.2.1热电阻的测温原理导体或半导体材料的电阻率随温度变化而明显变化的现象称作热敏效应。利用金属导体的热敏效应制成的测温元件称作热电阻。利用半导体材料的热敏效应制成的测温元件称作热敏电阻。热电阻的测温原理就是基于金属材料的热敏效应。热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。常见的热电阻材料是金属铂和铜。第3章温度传感器及工程应用1.铂热电阻铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度测量中得到了广泛应用。按IEC标准，纯铂热电阻的测温范围是-200~+850℃。在-200~0℃的温度范围内，铂热电阻的特性方程为R(t)=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］在0~850℃的温度范围内为R(t)=R0(1+At+Bt2)式中：R(t)和R0分别为t℃和0℃时铂电阻值；A、B和C是与铂金纯度有关的常数。(3-3)(3-2)第3章温度传感器及工程应用由此可知，铂热电阻的阻值与铂金的纯度有关，为描述铂热电阻的纯度常用电阻比W(100)来表示，即W(100)=R100/R0式中，R100为铂热电阻在100℃时的电阻值；R0为铂热电阻在0℃时的电阻值。电阻比W(100)越大，代表铂金纯度越高，按IEC标准,工业上使用的铂热电阻应满足W(100)1.3850。使用测温范围是-200~650℃。目前技术水平可达到W(100)=1.3930，其对应铂金纯度为99.9995%。(3-4)第3章温度传感器及工程应用从式(3-2)和式(3-3)看出，铂热电阻的阻值与温度t呈非线性关系。其阻值大小与R0和t有关。为方便用户使用，通常把这种关系做成表格——称作分度表。目前我国生产的工业用热电阻型号是WZX，其中W表示温度仪表，Z表示热电阻，X表示感温材料。例如WZP就表示铂热电阻，它有R0=10Ω、100Ω和1000Ω等多种,它们的分度号分别为Pt10、Pt100和Pt1000,其中以Pt100最为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，对于W(100)=1.3850的铂热电阻，它的常数A=3.9083×10-3/℃，B=–5.775×10-7/℃2，C=–4.183×10-12/℃4。其Pt100的分度表见表3-2。第3章温度传感器及工程应用表3-2铂热电阻Pt100的分度表分度号：Pt100(R0=100Ω)第3章温度传感器及工程应用2.铜热电阻由于铂是贵重金属。因此,在一些测量精度要求不高且温度较低的场合,可采用铜热电阻进行测温,它的测量范围为-50~+150℃。其电阻值与温度的关系几乎是线性的,可近似地表示为：R(t)=R0（1+αt）式中：α=4.28×10-3/℃为铜热电阻的电阻温度系数。目前我国生产的工业用铜热电阻型号是WZC，其分度号也有两种，分别为Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R100=100Ω）。铜热电阻线性度好,价格便宜,但它易氧化,不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。(3-5)第3章温度传感器及工程应用3.2.3常用热电阻传感器的结构热电阻传感器的结构随用途不同而异。其主要部件是电阻体。而电阻体是由电阻丝和电阻支架组成。电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上,支架起支撑和绝缘作用,引出线通常采用直径1mm的银丝或镀银铜丝，它们的内部结构示意图如图3-2所示。铜引出线铜热电阻丝线圈骨架铜铆钉云母支架银引出线铂热电阻丝补偿线组(a)铂热电阻结构(b)铜热电阻结构图3-2热电阻体结构示意图第3章温度传感器及工程应用目前，我国工业用热电阻传感器有普通热电阻、铠装热电阻、端面热电阻和防暴热电阻等多种封装形式，普通热电阻传感器的封装结构如下图3-3所示。它由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等部分组成。图3-3工业用普通热电阻传感器封装结构示意图电阻体瓷绝缘套管不锈钢保护套管固定件接线盒引线口芯柱电阻丝保护膜引线电阻体放大图第3章温度传感器及工程应用3.2.4热电阻传感器测温电路1.直流电桥测温转换电路用热电阻传感器测温时,测量电路经常采用直流电桥(见图3-4)。显然有当Uab=0时，称作电桥平衡，则有即URRRRRRU))((233144AB4231RRRR3421RRRR图3-4直流电桥测量转换电路式（3-7）称作电桥的平衡条件。VR3U+-R2R1R4ABCD(3-7)第3章温度传感器及工程应用用电桥测温时，将R4换成热电阻传感器R(t)，R2和R3取固定电阻，R1取可变电阻器Rp，用于调电桥平衡的。若取Rp=R2=R3=R0（R0为热电阻在0℃时的电阻值），则在0℃时电桥平衡，在温度t时，直流电桥输出电压UAB为UtRRRtRU))((2)(00AB式（3-8）说明，当恒压源电压U一定时，则UAB是热电阻R(t)的函数。若读出电压UAB的值，便可求出R(t)的值，根据热电阻的温度特性表达式或分度表就可计算出被测温度t的值。(3-8)第3章温度传感器及工程应用当热电阻与测量电桥相隔距离较远时，连接导线电阻R’不能忽略。设连接导线的电阻为R’1和R’2。则实际的电桥测温转换电路如图3-5(a)所示。假设R’1=R‘2=R’。若仍选取Rp=R2=R3=R0，则电桥在0℃时就不平衡了，且在温度t℃时，直流电桥的不平衡输出电压UAB为UtRRRRRtRU))(2(22)(00AB(3-9)图3-5(a)两线制接法这种接法适合于R(t)与直流电桥较近或测温精度不高的场合。第3章温度传感器及工程应用为了削弱连接导线电阻R’1、R’2对转换结果的影响，热电阻引线可采用三线制，接入电桥的连线方式如图3-5(b)所示。这时电桥的不平衡输出电压UAB为图3-5(b)三线制接法将式(3-9)和上式比较可知，三线制接法大大减少了连接导线电阻对测量结果的影响。因此工业上多数采用三线制接法。UtRRRRtRU))(2(2)(00AB第3章温度传感器及工程应用2.集成运放测温转换电路在电桥转换电路中，不管是采用两线制还是三线制接法，电桥的不平衡输出电压不但与引线电阻有关，而且还与热电阻R(t)不呈线性关系。这给计算带来了麻烦。为了解决这个问题，可用集成放大测温转换电路。其电路结构如图3-6所示。-++R1UUoR2∞-++R1UUoR2∞R(t)1234++++---R(t)12电位差计(a)两线制接法(b)四线制接法R'R'R'R'R'R'图3-6集成运算放大器测温转换电路第3章温度传感器及工程应用图3-6(a)为两线制接法。考虑到两连接导线电阻R'1=R'2=R'，由集成运放电路知识可知，该电路的输出电压Uo为式中，R1为固定电阻；U为直流输入电压。图3-6(b)是四线制接法的集成运放测温转换电路。图中R'1、R'2、R'3和R'4分别是热电阻R(t)四根引线的等效电阻。由于R'3和R'4中无电流，所以开路电压Uo为)](2[1otRRRUU(3-11))(1otRRUU(3-12)由式(3-12)可以看出，开路电压Uo不但与R(t)呈线性关系，而且与引线电阻大小没有任何关系。第3章温度传感器及工程应用3.3热敏电阻3.3.1热敏电阻的测温原理它是基于半导体材料的热敏效应，即利用半导体材料的电阻率随温度变化而明显变化的原理。它具有以下特点。(1)灵敏度高，温度系数比热电阻大10~100倍以上；(2)电阻率大，体积小，元件尺寸可做到直径0.2mm；(3)热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度；(4)结构简单、机械性能好。可根据不同要求，制成各种形状。(5)电阻是非线性，只在某一较窄温度范围内有较好的线性度，由于是半导体材料，其复现性和互换性较差。第3章温度传感器及工程应用3.3.2热敏电阻的分类及特性04080120160200CTRPTCNTC温度/℃R/Ω107106105104103102101图3-7热敏电阻的温度特性由图3-7可知，NTC热敏电阻的温度特性变化单一，在实际的测温中被广泛采用。下面重点介绍NTC热敏电阻的主要特性。按照阻值随温度变化的特性分类，热敏电阻可分为正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）和临界温度系数（CTR）3种类型，其特性如图3-7所示。第3章温度传感器及工程应用1.NTC热敏电阻的温度特性由材料学可知，NTC热敏电阻值随温度变化的特性近似符合指数规律，其表达式为)exp()(TBAAeTRTB(3-13)式中，T为热力学温度（K）；R(T)为热敏电阻在温度T时的电阻值（Ω）；A为温度T趋于无穷时的电阻值（Ω）；B为热敏电阻的材料常数（K）。A、B的数值可通过实验方法获得。比如，若测得电阻R(T1)和R(T2)，则)()(ln211221TRTRTTTTB)exp()(11TBTRA第3章温度传感器及工程应用将上述公式计算出来的A、B值代入(3-13)式，就得出热敏电阻的温度特性如图3-8所示。电阻R/Ω温度T/KA0图3-8NTC热敏电阻的温度特性通常把电阻在温度T时，单位温度变化引起电阻值的相对变化量称作电阻温度系数，则NTC热敏电阻的温度系数α(T)为2)(1)(TBdTTdRR(T)T显然，它随温度T变化而变化。且173~573K范围内比金属丝的电阻温度系数高很多倍，所