項目二溫度檢測傳感器及儀表

1、12n 在檢測與控制過程中，檢測與控制的對象常常是溫度、壓力、物位、流量等各種非電量。這些非電量往往要先利用傳感器轉(zhuǎn)換成電量，以便檢測與控制。n 為了實現(xiàn)檢測與控制系統(tǒng)中傳感器與其他裝置的兼容性和互換性，轉(zhuǎn)換成的電量有必要采用統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。l973年4月國際電工委員會(IEC)第65次技術(shù)委員會通過了這一標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了傳感器輸出電量信號的規(guī)格，即過程控制系統(tǒng)的模擬直流電流信號為010mADC或4mA20mA DC，模擬直流電壓信號為lV5V DC。變送器是一種將非標(biāo)準(zhǔn)電量信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電量信號的裝置。有些變送器將信號檢測與變送構(gòu)成了一體，因此，變送器是輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器。項目二項目二

2、溫度檢測傳感器及儀表溫度檢測傳感器及儀表32.1 溫度測量的基本概念溫度測量的基本概念n 溫度傳感器是檢測溫度的器件，其種類最多，應(yīng)用最廣，發(fā)展最快。日常使用的材料及電子元件大部分都有隨著溫度而變化的特征，但作為實用傳感器必須滿足如下一些條件：n (1)在使用溫度范圍內(nèi)溫度特性曲線要求達到的精度能符合要求。為了在較寬的溫度范圍內(nèi)進行檢測，溫度系數(shù)不宜過大，過大了就難以使用，但對于狹窄的溫度范圍或僅僅定點的檢測，其溫度系數(shù)越大，檢測電路也能越簡單。n (2)為了將它用于電子電路的檢測裝置，要具有檢測便捷和易于處理的特性及一定的量。隨著半導(dǎo)體器件和信號處理技術(shù)的進步，對溫度傳感器所要求的輸出特性應(yīng)

3、能滿足要求。n (3)特性的偏移和蠕變越小越好，互換性要好。n (4)對于溫度以外的物理量不敏感。n (5)體積要小，安裝要方便。為了能正確地測量溫度，傳感器的溫度必須與被測物體的溫度相等。傳感器體積越小，這個條件越能滿足。n (6)要有較好的機械、化學(xué)及熱性能。這對于使用在振動和有害氣體的環(huán)境中特別重要。n (7)無毒、安全以及價廉，維修、更換方便等。n 溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式是指傳感器直接與被測物體接觸，從而進行溫度測量，這是溫度測量的基本形式。這種方式的特點是通過接觸方式把被測物體的熱量傳遞給傳感器，從而降低了被測物體的溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度

4、較低。因此，采用這種方式要測得物體的真實溫度，前提條件是被測物體的熱容量要足夠大且大于溫度傳感器。而非接觸式方式是測量物體熱輻射發(fā)出的紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測，這是接觸式所做不到的。42 21 11 1 溫度傳感器的分類與選型溫度傳感器的分類與選型n 溫度傳感器分類方法很多，可按工作方式、測溫范圍、性能特點等多方面來分類。根據(jù)傳感器與被測介質(zhì)是否接觸可分為接觸式和非接觸式；根據(jù)測量的工作原理可分為膨脹式、壓力式、熱電阻、熱電偶、輻射式等。常用溫度傳感器的分類見表2-1。n 下面介紹幾種常用溫度傳感器的分類與選型。 51熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器 n 熱電偶是目前應(yīng)用最廣泛的

5、溫度傳感器。熱電偶的特點是結(jié)構(gòu)簡單，僅由兩根不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料焊接或絞接而成：測溫的精確度和靈敏度足夠高；穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好；動態(tài)響應(yīng)快；測溫范圍廣：電動勢信號便于傳送。n 最簡單的熱電偶測溫系統(tǒng)如圖2-1所示。熱電偶是由兩種不同材料的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)A、B焊接而成。焊接的一端為工作端(或熱端)，與導(dǎo)線連接的一端為自由端(或冷端)，導(dǎo)體A、B稱為熱電極，總稱熱電偶。測量時將其工作端與被測介質(zhì)相接觸，測量儀表常為動圈儀表或電位差計，用來測出熱電偶的熱電勢，連接導(dǎo)線為補償導(dǎo)線及銅導(dǎo)線。61 1熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器n(1)熱電偶的工作原理 n 在圖2-2(a)中兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)

6、體)A、B組成閉合回路，兩接點溫度分別為t和 (t )，則在回路中產(chǎn)生一個電動勢。這個物理現(xiàn)象就是塞貝克效應(yīng)，此電勢稱為熱電勢。n 熱電勢的產(chǎn)生由接觸電勢與溫差電勢兩部分組成。n 接觸電勢是兩種不同的導(dǎo)體因自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢，又稱帕爾帖電勢。此電勢與材質(zhì)、溫度有關(guān)，表示為eAB(t)、eAB()，A為正極，B為負(fù)極。n 溫差電勢是同一材質(zhì)導(dǎo)體因兩端溫度不同而產(chǎn)生的電動勢，又稱湯姆遜電勢。此電勢與材質(zhì)、溫度有關(guān)，表示為 (to)、 (t1 )。0t0t0t0tAEBE7n圖2-1 最簡單的熱電偶測溫系統(tǒng) 圖2-2熱電偶電路的構(gòu)成n可用下式進行計算:n ( t， )= ( t，

7、0) ( ，0) (2-1)n式中， (t，0)和 ( ，0)分別相當(dāng)于該熱電偶的工作端溫度為t和而自由端溫度為0時的熱電勢。ABEABEABE0t0tABEABE0t8n (2)常用熱電偶的種類。根據(jù)熱電偶測溫的基本原理，理論上任意兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體均可作為熱電極組成熱電偶，但實際上為保證可靠地進行具有足夠精度的溫度測量，對熱電極材料必須進行嚴(yán)格選擇。一般有以下要求：在測溫范圍內(nèi)，物理、化學(xué)穩(wěn)定性要高；電阻溫度系數(shù)??；導(dǎo)電率高；組成熱電偶后產(chǎn)生的熱電勢要大；熱電勢與溫度要有線性關(guān)系或簡單的函數(shù)關(guān)系；復(fù)現(xiàn)性好；便于加工成絲等。9n(3)熱電偶的結(jié)構(gòu)。n 熱電偶通常由熱電極、絕緣子、保護

8、管、接線盒四部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。 圖2-3熱電偶的結(jié)構(gòu) 圖2-4冰浴法10n (4)補償導(dǎo)線的選用。n 利用熱電偶測溫，必須保證自由端溫度恒定。但在實際工作中，由于熱電偶的自由端靠近設(shè)備或管道，使得自由端溫度會受到環(huán)境溫度及設(shè)備或管道中介質(zhì)溫度的影響。因此，自由端溫度難于保持恒定。為了準(zhǔn)確測量溫度，必須設(shè)法使自由端延伸到遠離被測對象且溫度又比較穩(wěn)定的地方。如果把熱電偶做得很長，則安裝使用不方便，因熱電極多為貴金屬，所以成本高。人們從實踐中發(fā)現(xiàn)，某些便宜金屬組成的熱電偶在0100。C范圍內(nèi)的熱電特性與已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶的熱電特性非常接近。因此，可以用這些導(dǎo)線來代替原有熱電極，將熱電偶

9、的自由端延伸出來，這種方法稱為補償導(dǎo)線法。不同的熱電偶要求配用不同的補償導(dǎo)線，使用補償導(dǎo)線時，補償導(dǎo)線的正、負(fù)極必須與熱電偶的正、負(fù)極同名端對應(yīng)相接。正、負(fù)兩極的接點溫度t0應(yīng)保持相同，延伸后的自由端溫度應(yīng)當(dāng)恒定，這樣應(yīng)用補償導(dǎo)線才有意義。11n自由端溫度校正法(公式修正法)。n 若自由端溫度不為0，而是某一恒定溫度t0，則測得的熱電勢為取 (t，to)，由公式求得實際溫度所對應(yīng)的熱電勢為n (t，0)= (t，t0)+ (t0，0) (2-2)n0恒溫法(冰浴法)。n 如圖2-4所示，將熱電偶的自由端放入盛有絕緣油的試管中，該試管則置于裝有冰水混合物的恒溫器內(nèi)，使自由端溫度保持O，然后用銅導(dǎo)

10、線引出。此法多用于實驗室中。ABEABEABEABE12n 校正儀表零點法。n 一般儀表工作時，指針指在零位上(機械零點)。在自由端溫度比較穩(wěn)定的情況下，可預(yù)先將儀表的機械零點調(diào)整到相當(dāng)于自由端溫度(一般是室溫)的數(shù)值上來補償測量時儀表指示值的偏低。由于室溫是變的，因此這種方法有一定的誤差，但由于方法簡單，故工業(yè)上常用。n 補償電橋(自由端溫度補償器)法 n n 圖2-5具有補償電橋的熱電偶測溫電路132熱電阻溫度傳感器熱電阻溫度傳感器n 如果應(yīng)用熱電偶測500以下的中、低溫，則會存在以下兩個問題：n 第一，熱電偶輸出的熱電勢很小，這時對電子電位差計的放大器和抗干擾措施要求都很高，儀表維修也困

11、難；n 第二，由于自由端溫度變化而引起的相對誤差突出，不易得到全補償。因此，工業(yè)上廣泛應(yīng)用熱電阻溫度計來測量一200+500范圍的溫度。14n (1)熱電阻的測溫原理。n 利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來測量溫度的感溫元件叫熱電阻。大多數(shù)金屬在溫度每升高l時，其電阻值要增加04-06。電阻溫度計就是利用熱電阻這一感溫元件將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，通過測量橋路轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后送至顯示儀表指示或記錄被測溫度。n 熱電阻溫度計具有輸出信號大、線性好、測量準(zhǔn)確、可遠傳、自動記錄和實現(xiàn)多點測量等優(yōu)點。n(2)熱電阻的結(jié)構(gòu)。n 熱電阻通常由電阻體、絕緣子、保護套管和接線盒四個部分

12、組成，其中絕緣子、保護套管及接線盒部分的結(jié)構(gòu)和形狀與熱電偶的相應(yīng)部分相同。15n (3)鉑熱電阻和銅熱電阻的性能及適用范圍。n鉑熱電阻(WZP型號)。n 鉑是比較理想的熱電阻材料，易于提純，在氧化性介質(zhì)中，甚至在高溫下，其物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定，且在較寬的溫度范圍內(nèi)可保持良好的特性。但在還原性介質(zhì)中，特別是在高溫下易被沾污，使鉑絲變脆，并改變其電阻與溫度間的關(guān)系。n 目前我國常用的鉑電阻有兩種：n一種是Ro=10，其對應(yīng)的分度號為Ptl0；n另一種是Ro=100，其對應(yīng)的分度號為Ptl00。n 銅熱電阻(WZC型號)。n 銅的電阻溫度系數(shù)大，易加工提純，其電阻值與溫度呈線性關(guān)系，價格便宜，在一

13、50l50內(nèi)有很好的穩(wěn)定性。但溫度超過150后易被氧化，而失去線性特性，因此，它的工作溫度一般不超過150。C。銅的電阻率小，要具有一定的電阻值，銅電阻絲必須較細(xì)且長，則熱電阻體積較大，機械強度低。n 工業(yè)上用的銅電阻有兩種：n一種是Ro=50，其對應(yīng)的分度號為Cu50：n另一種是Ro=100，其對應(yīng)的分度號為Cul00。 16n（4）連接方式 ：n 工業(yè)熱電阻多采用三線制接法，如圖2-6所示。即從熱電阻引出三根導(dǎo)線，這三根導(dǎo)線粗細(xì)相同，長度相等，阻值都是一樣。當(dāng)熱電阻與電橋配合時，其中一根串聯(lián)在電橋的電源上，另外兩根分別串聯(lián)在電橋的相鄰兩臂中。使相鄰兩臂的阻值都變化同樣大的阻值，這樣把連接導(dǎo)

14、線隨溫度變化的電阻值加在相鄰的兩個橋臂上，則其變化對測量的影響就可相互抵消。 圖2-6熱電阻的三線制接法 圖2-7半導(dǎo)體熱敏電阻特性17n(5)PTC熱敏電阻。n PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇摻合稀土元素?zé)Y(jié)而成的半導(dǎo)體陶瓷元件，具有正溫度系數(shù)。其特性曲線隨溫度升高而阻值增大，且有斜率最大的區(qū)段。通過成分配比和添加劑的改變，可使其斜率最大的區(qū)段處于不同的溫度范圍內(nèi)。n PTC型和CTR型熱敏電阻最適合于制造位式作用的溫度傳感器，只有NTC型熱敏電阻才適合制造連續(xù)作用的溫度傳感器。大多數(shù)熱敏電阻用于-l00300之間。但是要特別注意的是，并非每個熱敏電阻都能在這整個范圍里工作。從圖2-7可以看出，P

15、TC和CTR型的特性曲線只有不大的區(qū)段是陡峭的，NTC型也只有低溫段斜率比較大。所以，熱敏電阻不宜在寬闊溫度范圍里工作，但可以由多個適用于不同溫度區(qū)間的熱敏電阻分段切換，以達到-l00300的范圍。18 4集成溫度傳感器集成溫度傳感器 n 所謂的敏感集成傳感器，就是在一塊極小的半導(dǎo)體芯片上集成了包括敏感器件、信號放大電路、溫度補償電路、基準(zhǔn)電源電路等在內(nèi)的各個單元，它使傳感器和集成電路融為一體，提高了傳感器的性能，是實現(xiàn)傳感器智能化、微型化、多功能化，提高檢測靈敏度，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的重要保證。n 集成溫度傳感器具有測溫精度高、重復(fù)性好，線性優(yōu)良，體積小，熱容量小，穩(wěn)定性好，輸出電信號大的特點。

16、與其他類型溫度傳感器相比，其工作溫度范圍較窄(一55+150之間)。 圖2-8 AD590外形和電路符號 195溫度變送器溫度變送器n 溫度變送器有三個品種：n 直流毫伏變送器、熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器。它們分別將輸入的直流毫伏信號及被測溫度信號轉(zhuǎn)換為4mA20mADC和1V5VDC輸出的統(tǒng)一信號。這三種變送器在線路結(jié)構(gòu)上都分為量程單元和放大單元兩個部分，其中放大單元是通用的，量程單元隨品種、測量范圍而變。變送器總體結(jié)構(gòu)如圖2-10、圖2-11、圖2-12所示。圖中，一表示信號回路，雙線表示供電回路。20 圖2-10直流毫伏信號變送器結(jié)構(gòu)框圖21 圖2-11 配熱電阻的溫度變送器結(jié)構(gòu)

17、框圖n 22 圖2-12 配熱電偶的溫度變送器結(jié)構(gòu)框圖23 6一體化溫度變送器一體化溫度變送器n 一體化溫度變送器是溫度傳感元件與變送電路的緊密結(jié)合體。它是一種小型固態(tài)化溫度變送器，與熱電偶或熱電阻安裝在一起，不需要補償導(dǎo)線或延長線，由直流24V供電，用兩線制方式連接，輸出4mA20mADC標(biāo)準(zhǔn)信號。其原理框圖如圖2-13所示。 圖2-13 一體化溫度變送器原理框圖24n 一體化溫度變送器的特點是變送器直接從現(xiàn)場輸出4mA20mA DC標(biāo)準(zhǔn)信號，大大提高了長距離傳送過程中的抗干擾能力，免去了補償導(dǎo)線，節(jié)省了投資。變送器一般采用硅橡膠密封，不需要調(diào)整維護，耐震、耐濕、可靠，適用于多種惡劣環(huán)境。n

18、 從以上分析可知，測溫裝置多種多樣，在選擇中要根據(jù)實際要求，分析被測對象的特點和狀態(tài)，結(jié)合現(xiàn)有裝置的特點及技術(shù)指標(biāo)進行比較。主要應(yīng)考慮以下幾個方面：n (1)傳感器精度等級應(yīng)符合工藝參數(shù)的誤差要求。n (2)傳感器選型應(yīng)力求操作方便、運行可靠、經(jīng)濟，并在同一工程中盡量減少傳感器的品種和規(guī)格。n (3)傳感器的測溫范圍(即測溫的上、下限)應(yīng)大于工藝要求的實際測溫范圍。一般取實測最高溫度為傳感器上限值的90，而30以下的刻度最好不用。n (4)熱電偶的性能優(yōu)良，造價低廉且易于與計算機相配接，所以是首選的測溫元件。只有在測溫上限低于l50時才選用熱電阻。另外，還應(yīng)注意熱電偶的補償導(dǎo)線應(yīng)與熱電偶以及顯

19、示儀表的分度號相一致。n (5)測溫元件的保護管耐壓等級應(yīng)不低于所在管線或設(shè)備的耐壓等級，材料應(yīng)根據(jù)最高使用溫度及被測介質(zhì)的特性來選擇。一體化溫度變送器一體化溫度變送器25212典型應(yīng)用典型應(yīng)用n1 1金屬表面溫度的測量金屬表面溫度的測量n 表面溫度測量是溫度測量的一個主要方面。對于機械、冶金、能源、國防等部門，金屬表面溫度的測量是非常普遍的。例如，熱處理中的鍛件、鑄件、氣體水蒸氣管道及爐壁面等表面溫度的測量，溫度從幾百攝氏度到一千攝氏度，測量方法通常采用直接接觸測溫法。n 直接接觸測溫法是采用各種熱電偶，用黏接劑或焊接的方法，將熱電偶與被測金屬表面直接接觸，然后把熱電偶接到顯示儀表上組成測溫系統(tǒng)，指示出金屬表面的溫度。26n2熱電偶爐溫控制系統(tǒng)熱電偶爐溫控制系統(tǒng)n 常用爐溫測量系統(tǒng)如圖2-15所示。毫伏定值器給出給定溫度的相應(yīng)毫伏值，熱電偶的熱電勢與定值器的毫伏值相比較，若有偏差則表示爐溫偏離給定值，此偏差經(jīng)放大器送入調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過晶閘管觸發(fā)器推動晶閘管執(zhí)行器，來調(diào)整爐絲的加熱功率，直到偏差被消