1、传感器与检测技术项目6 温度测量传感器与检测技术【知识目标知识目标】学习热电偶和热电阻的的工作原理，熟悉常用热电极材料学习热电偶和热电阻的的工作原理，熟悉常用热电极材料的类型、性能特点。的类型、性能特点。【能力目标能力目标】学会识别一般温度检测元件和测温仪表，能够使用热电偶学会识别一般温度检测元件和测温仪表，能够使用热电偶和热电阻，利用手册查阅测温元件的技术参数，解决简单和热电阻，利用手册查阅测温元件的技术参数，解决简单的温度检测问题。的温度检测问题。传感器与检测技术传感器与检测技术任务导入任务导入 在轧钢过程中，钢坯的轧制温度是关键的工艺参数，在轧钢过程中，钢坯的轧制温度是关键的工艺参数，钢
2、坯温度控制的好坏，将直接影响产品的质量，加热炉的钢坯温度控制的好坏，将直接影响产品的质量，加热炉的炉温在炉温在95095012001200之间，它要跟随轧机轧制节奏的变化来之间，它要跟随轧机轧制节奏的变化来随时调节，所以能否有效地控制加热炉的温度，直接影响随时调节，所以能否有效地控制加热炉的温度，直接影响钢坯的质量和成本，而对温度进行精确地测量是控制的前钢坯的质量和成本，而对温度进行精确地测量是控制的前提。本任务就是针对轧钢工艺钢坯温度的控制，来选择一提。本任务就是针对轧钢工艺钢坯温度的控制，来选择一种温度传感器来进行温度测量。种温度传感器来进行温度测量。传感器与检测技术基本知识与技能基本知识
3、与技能热电偶热电偶的认识的认识 热电偶是工程上常用的一种的温度检测传感器，它是一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，直接将被测温度转换成电势输出。热电偶在温度测量中应用具有结构简单、使用方便、测量精度高、测量范围宽等优点。常用的热电偶测量范围为-501600。如果配用特殊材料，测量范围会更广，某些特殊热电偶最低可测到-270（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨铼）。传感器与检测技术6.1.1 6.1.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 1.热电效应 当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，回路中将产生一个电动势，形成电流，这种现象称为“
4、热电效应”。如图所示，两种导体所组成的闭合回路称为热电偶，回路中的电势称为热电势；两个导体A和B称为热电极。测量温度时，两个热电极的一个接点1置于被测温度场（T）中，称该点为测量端，也叫工作端或热端；另一个接点2置于某个恒定温度（T0）的地方，称参考端或自由端、冷端。热电偶测温原理图热电偶测温原理图传感器与检测技术6.1.1 6.1.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 2.热电势的组成 热电偶回路内产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成，下面以导体为例说明热电势的产生。（1）接触电势 由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子
5、的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势，如图所示。接触电势传感器与检测技术6.1.1 6.1.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 2.热电势的组成 （2）温差电势 同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势，即产生单一导体的温差电动势，这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低温端由于
6、获得电子而带负电，在高低温端之间形成一个电位差。温差电动势的大小与导体的性质和两端的温差有关。传感器与检测技术6.1.1 6.1.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理结论：1）热电偶的两个热电极必须是两种不同材料的均质导体，否则热电偶回路的总电势零。2）热电偶两接点温度必须不等，否则，热电偶回路总热电势也为零。3）当热电偶材料均匀时，热电偶的热电势只与两个接点温度有关，而与中间温度无关，与热电偶的材料有关，而与热电偶的尺寸、形状无关。传感器与检测技术6.1.2 6.1.2 热电偶的材料及结构热电偶的材料及结构 1.热电偶的材料 根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都可以作为热电极组成
7、热电偶，但是在实际应用中，用作热电极的材料应具备如下几方面的条件：（1）热电势应足够大；（2）热电性能稳定，热电势与温度有单值关系或简单的函数关系；（3）电阻温度系数和电阻率要小；（4）易于复制，工艺性与互换性好，便于制定统一的分度表，材料要有一定的韧性，焊接性能好，以利于制作。常用的热电偶材料有铂铑、镍铬、镍硅、康铜、镍铜、纯铂丝等。传感器与检测技术6.1.2 6.1.2 热电偶的材料及结构热电偶的材料及结构 （1）普通型热电偶。该类型的热电偶外形如图所示，主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度，热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成。它的热电极是一端焊在一起的两根
8、金属丝，两热电极之间用绝缘管绝缘。1热电极 2绝缘套管 3保护套管 4接线盒普通热电偶结构普通热电偶结构传感器与检测技术6.1.2 6.1.2 热电偶的材料及结构热电偶的材料及结构 （2）铠装热电偶（缆式）。它是将热电极、绝缘材料和金属保护套管组合在一起，经拉伸加工而成。根据测量端的形式不同，可分为碰底型、不碰底型、露头型、帽型等。铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，适用于位置狭小、结构复杂的测量对象，其实物外形如图所示。铠装热电偶铠装热电偶传感器与检测技术6.1.2 6.1.2 热电偶的材料及结构热电偶的材料及结构 （3）薄膜热电偶 用真空蒸镀（或真空溅射）、化学
9、涂层等工艺，将热电极材料沉积在绝缘基板上形成的一层金属薄膜。热电偶测量端既小又薄（厚度可达0.010.1m），因而热惯性小，反应快，可用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。薄膜热电偶分为片状、针状等。（4）表面热电偶。表面热电偶是用来测量各种状态的固体表面温度，如测量轧辊、金属块、炉壁、橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。（5）浸入式热电偶。浸入式热电偶主要用来测量液态金属温度，它可直接插入液态金属中，常用于钢水、铁水、铜水、铝水和熔融合金温度的测量。传感器与检测技术6.1.3 6.1.3 热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿 从热电效应的原理可知，热电偶产生的热电势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒
10、定，热电势才是热端温度的单值函数。由于热电偶分度表是以冷端温度为0时作出的，因此在使用时要正确反映热端温度，最好设法使冷端温度恒为0。但实际应用中，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，必须采取一些相应的措施进行补偿或修正，常用的方法有以下几种：1.0恒温法 将热电偶的参考端置于0的恒温容器中，从而保证参考端的温度恒为0。这种方法只适用于实验室或精密的温度测量。传感器与检测技术6.1.3 6.1.3 热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿 2.参考端恒温法 在实际测量中，要把参考端恒定在0常常会遇到困难，因此可以设法使参考端恒定在某一常温Tn下。通常采用
11、恒温器盛装热电偶的参考端，或将参考端置于温度变化缓慢的大油槽中。3.电桥补偿法。若实现参考端恒温也有困难，可采用电桥补偿法。电桥补偿原理图电桥补偿原理图传感器与检测技术6.1.3 6.1.3 热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿 4.补偿导线法。补偿导线法又称参考端延长法，在实际工作中，热电偶常置于所测的温度场中，指示仪表与温度场往往相距很远。热电偶的材料通常为贵重金属，从经济的角度考虑，常用廉价的补偿导线来完成这种远距离的连接，所用的连接线称为参考端补偿导线或延长线。所谓补偿导线，实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0150温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。如图所示是
12、补偿导线法示意图。该方法中热电极加长的部分是另外两根不同金属的长导线P和Q，称参考端补偿导线。参考端延长法示意图参考端延长法示意图传感器与检测技术任务实施：任务实施：据轧钢炉的测温范围及使用要求，结合热电偶的相关知识，选用性价比最优的镍铬镍硅（K）热电偶作为测温传感器。如图所示，将热电偶的热端插入炉内检测炉温T，冷端通过补偿导线与测量仪表的输入铜导线相连，并插入冰瓶，保证T00，此时通过测量仪表测得的热电势即可确定炉内的实际温度。测量炉温示意图测量炉温示意图传感器与检测技术传感器与检测技术任务导入任务导入 在炼油、化工行业常用到气化炉，炉内正常温度在1300左右，甚至高达1500以上。炉内所衬
13、炉砖在高温时会熔蚀，受热气体和融渣的冲刷，耐火砖不断变薄。炉内耐火砖的减薄甚至脱落，使炽热气体通过砖缝侵入到气化炉炉壁，使其表面温度升高，气化炉金属外壳强度降低，造成设备不安全。本课题的任务就是要检测气化炉表面温度并给予报警，以便及时确定更换耐火砖的时间。气化炉的耐压压力为6.5MPa(G)，炉表面温度在400 450之间，正常值为425左右。根据传感器温度测量范围，可以选择热电阻温度传感器为测温元件，组成温度报警系统。热电阻温度传感器是如何测量温度？其结构、特点如何？传感器与检测技术基本知识与技能基本知识与技能电阻式温度传感器电阻式温度传感器的认识的认识 电阻式温度传感器就是将温度变化转化为
14、温度敏感元件的电阻变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出。它是利用导体或半导体材料的电阻值随温度变化而变化的原理进行温度测量，即材料的电阻率随温度的变化而变化，这种现象称为热电阻效应，一般把金属导体制成的测温元件称为金属热电阻，简称热电阻；把由半导体材料制成的测温元件称为半导体热电阻，简称热敏电阻。传感器与检测技术6.2.1 6.2.1 热电阻热电阻 1.热电阻基本工作原理 热电阻通常是用纯金属制成的，它是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻是中低温区（200650）最常用的一种测温敏感元件。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。常用的金属热电阻主要有：铂电阻
15、和铜电阻。传感器与检测技术6.2.1 6.2.1 热电阻热电阻 2.常用热电偶（1）铂电阻 铂电阻是目前公认的制造热电阻的最好材料，它性能稳定，重复性好，测量精度高，其电阻值与温度之间有很近似的线性关系。缺点是电阻温度系数小，价格较高。铂电阻主要用于制成标准电阻温度计，其测量范围一般为-200+650。按照ITS-1990标准，国内统一设计的最常用的工业用铂电阻为Pt100和Pt1000，即在0时铂电阻阻值R0值为100和1000。传感器与检测技术6.2.1 6.2.1 热电阻热电阻 2.常用热电偶 （2）铜电阻 铜材料容易提纯，具有较大的电阻温度系数，铜电阻的阻值与温度之间接近线性关系，铜的
16、价格比较便宜。铜电阻的缺点是电阻率较小，所以体积较大，稳定性也较差，容易氧化。在一些测量精度要求不高，测温范围较小(-50 150)的情况下，普遍采用铜电阻。我国常用的铜电阻为Cu50和Cu100，即在0时其阻值R0值为50和100，铜电阻值与温度之间的关系可以查热电阻分度表Cu50或Cu100。（3）其他热电阻 镍和铁的电阻温度系数大，电阻率高，可用于制成体积大、灵敏度高的热电阻。但由于容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，重复性和线性度差，目前应用还不多。传感器与检测技术6.2.1 6.2.1 热电阻热电阻 3.热电阻的结构 在测量环境良好、无腐蚀性的气体或固体表面温度时，可直接使用电阻式温度
17、敏感元件。但在测量液体或测量环境比较恶劣时无法直接使用电阻式温度敏感元件，需要在其外表加防护罩进行保护。在工业测量过程中，为了防腐蚀，抗冲击，延长使用寿命，便于安装、接线，常用以下四种标准结构。（1）普通型热电阻温度传感器 （2）铠装热电阻温度传感器 （3）端面热电阻温度传感器 （4）隔爆型热电阻温度传感器传感器与检测技术6.2.1 6.2.1 热电阻热电阻 4.热电阻的测量电路 最常用的热电阻测温电路是电桥电路，如图所示。图中R1、R2、R3和Rt（或Rq、RM）组成电桥的四个桥臂，其中Rt是热电阻，Rq和RM分别是调零和调满刻度的调整电阻（电位器）。测量时先将切换S扳到“1”位置，调节Rq
18、使仪表指示为零，然后将S扳到“3”位置，调节RM使仪表指示到满刻度，作这种调整后再将S扳到“2”位置，则可进行正常测量。热电阻测温电路热电阻测温电路传感器与检测技术6.2.1 6.2.1 热电阻热电阻 在实际应用中，热电阻敏感元件安装在测量现场，感受被测介质的温度变化，而测量电路、显示仪表安装在远离现场的控制室内，热电阻的引线电阻将对测量结果有较大影响，造成测量误差。为了克服环境温度的影响常采用三线单臂电桥电路。下图为热电阻的三线连接法。热电阻测量电桥的三线连接热电阻测量电桥的三线连接传感器与检测技术6.2.2 6.2.2 热敏电阻热敏电阻 1.热敏电阻的特性 热敏电阻是一种新型的半导体测温元
19、件，它是用电阻值随温度而显著变化的半导体电阻制成的。通常采用重金属氧化物锰、钛、钴等材料，在高温下烧结混合而成。用半导体材料制成的热敏电阻，与金属热电阻相比，有如下特点：电阻温度系数大，灵敏度高，比金属电阻大倍；结构简单，体积小；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；阻值与温度变化呈非线性关系；稳定性和互换性相对较差。热敏电阻的常见结构和表示符号如图所示。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 热敏电阻的结构与符号热敏电阻的结构与符号传感器与检测技术6.2.2 6.2.2 热敏电
20、阻热敏电阻 2.热敏电阻的分类 热敏电阻按其温度特性通常分为两大类：负温度系数热敏电阻NTC、正温度系数热敏电阻PTC。NTC和PTC热敏电阻都可以细分为指数变化型和突变型(又称临界温度型，英文缩写CTR)。它们的电阻和温度特性的变化关系曲线如图所示。热敏电阻温度特性图热敏电阻温度特性图传感器与检测技术任务实施：任务实施：电阻式温度传感器的结构安装形式和种类较多，分析气化炉的使用及安装要求和温度测量范围，确定热电阻温度传感器的结构。方案一：选择端面热电阻温度传感器为测温元件。这种传感器的热电阻感温元件紧贴在温度计端面，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于炉体表面温度的测量。在炉体表面安装一固定支架，再将传感器安装在支架上，使传感器端面紧贴炉体表面，即可测得炉体表面温度。选择该种传感器测量精度高，使用寿命长，但价格偏高。
