監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)原理8課件

1、第四章 礦井環(huán)境狀態(tài)參數(shù)檢測礦井環(huán)境狀態(tài)參數(shù)檢測，主要有溫度、風速、壓力、濕度、一氧化碳、二氧化碳、氧氣等。 第一節(jié)第一節(jié) 溫度檢測技術(shù)溫度檢測技術(shù) 溫度測量的基本概念溫度測量的基本概念 溫度標志著物溫度標志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運動的劇烈程規(guī)則運動的劇烈程度。溫度越高，表度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。運動越劇烈。 模擬圖：模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！子在高溫時的運動速度比低溫時快！低溫低溫高溫高溫第一節(jié)第一節(jié) 溫度檢測技術(shù)溫度檢測技術(shù) 一、熱電偶一、熱電偶 熱電偶傳感器是一種能將溫

2、度信號轉(zhuǎn)換成熱電偶傳感器是一種能將溫度信號轉(zhuǎn)換成電動勢的傳感器。目前在工業(yè)生產(chǎn)和科學電動勢的傳感器。目前在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中已得到廣泛的應(yīng)用，并且已經(jīng)可以研究中已得到廣泛的應(yīng)用，并且已經(jīng)可以選用標準的顯示儀表和記錄儀表來進行顯選用標準的顯示儀表和記錄儀表來進行顯示和記錄。示和記錄。使用熱電偶傳感器的好處使用熱電偶傳感器的好處 結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，使用方便，熱電偶的電極不受大小和外形的限制，可按照需要進行配制。因為它屬于自發(fā)電型傳感器，因 此測量時，可以不要外加電源； 測溫范圍廣，高溫熱電偶可達1800以上, 低溫用熱電偶可達- 269； 測量精確度較高； 便于遠距離測量、自動記錄及多點測量。

3、 （二）測溫原理 兩種不同的金屬A和B構(gòu)成閉合回路，當兩個接觸端t t0時，回路中會產(chǎn)生熱電勢 ，A、B組件稱為熱電偶，導體A或B稱作熱電極。溫度較高的一端為工作端（也稱為測量端），溫度較低的一端為自由端（冷端也稱為補償端），自由端通常處于某個恒定的溫度下，與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。 在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表， 測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。熱電偶工作原理演示實驗熱電偶工作原理演示實驗 熱電極熱電極A A右

4、端稱為：右端稱為：參考端、參考端、冷端冷端 左端稱為：左端稱為：工作端、工作端、熱端熱端熱電極熱電極B BAB熱電偶熱電偶 按按材料材料不同分為不同分為貴金屬熱電偶貴金屬熱電偶鉑銠一鉑，鉑銠一鉑，廉金屬熱電偶廉金屬熱電偶銅一康銅，銅一康銅，非金屬熱電偶非金屬熱電偶石墨一碳化硅；石墨一碳化硅； 按按測溫測溫范圍分為范圍分為高溫熱電偶高溫熱電偶鉑銠一鉑，鉑銠一鉑，中溫熱電偶中溫熱電偶鎳鉻一鎳，鎳鉻一鎳，低溫熱電偶低溫熱電偶銅一康銅。銅一康銅。熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢是由接觸電動勢（圖41b）和溫差電動勢（圖41c）兩部分組成。 接觸電動勢（珀爾帖電動勢）：將兩種不同的金屬互相接觸，如圖41b所示。由于

5、不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸處會發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，直至在接點處建立起充分強大的電場，能夠阻止電子的擴散，從而達到動態(tài)平衡。這種在兩種不同金屬的接點處產(chǎn)生的電動勢稱為珀爾帖電動勢，又稱接觸電動勢。它的數(shù)值取決于兩種導體的自由電子密度和接觸點的溫度， 而與導體的形狀及尺寸無關(guān)。 根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系, 制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。 把熱電偶的冷端放在裝滿冰水混合物的保溫容器中，使冷端保持恒定的0 ，即tl 0 。也可利

6、用不平衡電橋產(chǎn)生的電動勢來補償熱電偶因冷端溫度變化所引起的熱電勢的變化值。K熱電偶的熱電偶的分度表分度表 直接從熱電直接從熱電偶的分度表偶的分度表查溫度與熱查溫度與熱電勢的關(guān)系電勢的關(guān)系時的約束條時的約束條件是：件是：冷端冷端溫度必須為溫度必須為0 C。二、熱電阻溫度計二、熱電阻溫度計 熱電阻是利用金屬等材料的電阻率隨溫度升高而變化的原理進行測溫的。采用金屬材料作溫度敏感元件稱熱電阻，利用半導體材料制成的溫度敏感元件稱為熱敏電阻。（一）熱電阻（一）熱電阻 1、鉑電阻 鉑電阻由鉑絲繞制而成，通常是把純鉑細絲繞在云母或陶瓷架上，防止鉑絲在冷卻收縮時產(chǎn)生過度的應(yīng)變。鉑電阻因其物理、化學性質(zhì)穩(wěn)定被作為

7、復現(xiàn)溫標的基準器。國標實用溫標規(guī)定，在-259.34 630.74 溫度范圍內(nèi)以鉑電阻作為標準儀器。 鉑電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系，在0650 范圍內(nèi)用下式表示： 在190 650 范圍內(nèi)， 即鉑電阻的電阻與溫度之間的關(guān)系近似于線性。2012(1)tRRtt01(1)tRRt防爆型鉑熱電阻（一）熱電阻（一）熱電阻 2、銅電阻 鉑是貴金屬，鉑電阻常常用在對測溫準確度較高的設(shè)備上，例如作為控溫采樣電阻。在測量精度要求不高，溫度范圍在-50150 范圍內(nèi)，普遍采用銅電阻，銅電阻價格便宜，電阻與溫度特性線性好，但其穩(wěn)定性、復現(xiàn)性等不如鉑電阻。銅電阻的溫度特性： 在-50150 范圍內(nèi)， 即銅電阻的電阻

8、與溫度之間的關(guān)系近似于線性。01(1)tRRt銅熱電阻銅熱電阻（二）半導體熱敏電阻（二）半導體熱敏電阻 熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻由半導體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起電阻變化。半導體熱敏元件，電阻溫度系數(shù)比較大，其絕對值比熱電阻大10100 倍，主要原因是半導體中載流子的數(shù)目是原子的幾千分之一到幾萬分之一。相鄰自由電子間距是原子間距的幾十倍，使得自由電子運動像氣體分子熱運動一樣。 一般半導體熱敏電阻具有負的溫度系數(shù)，也就是溫度升高，電阻值是減小的，如圖42所示。半導體熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系： 1、PTC熱敏電阻 是指在某一溫度下電阻急劇增加、

9、具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象或材料，可專門用作恒定溫度傳感器 2、NTC熱敏電阻 是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象和材料該材料是利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進行充分混合、成型、燒結(jié)等工藝而成的半導體陶瓷 3、CTR熱敏電阻 臨界溫度熱敏電阻具有負電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增加激劇減小，具有很大的負溫度系數(shù)三、三、PN結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器 利用晶體管特性和外接電路條件能獲得較好的線性關(guān)系。將晶體管電路與恒流源電路、放大電路等組合在一起集成于芯片上，就成為集成電路溫度傳感器，如AD590 、AN67OI 測溫元件等

10、。 半導體PN 結(jié)溫度傳感器具有體積小，響應(yīng)時間快，在一定范圍內(nèi)線性度較好，功耗低，抗干擾能力強等優(yōu)點。因而在煤礦井下比較惡劣的環(huán)境下，得到了較好的推廣應(yīng)用。KG3004 系列溫度傳感器的溫度與電信號轉(zhuǎn)換是靠PN 結(jié)實現(xiàn)的，當測量時硅PN 結(jié)感溫，輸出一個與溫度相對應(yīng)的電信號，經(jīng)各級電路進行處理，最后由數(shù)碼管顯示被測溫度值，同時輸出模擬信號，可實現(xiàn)遠距離檢測。整機電路由穩(wěn)壓、恒流、測量放大、信號轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、驅(qū)動及顯示等單元組成。整機電路框圖如圖46所示，整機電路采用中、大規(guī)模集成電路，外接元件少，穩(wěn)定可靠。三、三、PN結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器四、紅外測溫原理四、紅外測溫原理 （一）什么

11、是紅外輻射？（一）什么是紅外輻射？ 紅外線是占據(jù)在可見光之間電磁波譜的一部分。電磁波譜是一組不同類型的輻射。它包括伽馬射線、X射線、紫外線、可見紅外輻射、微波、和無線電波。紅外線的波長大于可見光的波長。因此紅外線是一種不可見光?！凹t外”的意思就是“在紅線以下”，表明這種光只有在電磁波譜的紅光以下才能被看到。 （二）溫度測量原理（二）溫度測量原理 任何物體只要溫度高于絕對零度，就會不斷產(chǎn)生紅外輻射，溫度越高，輻射功率越大。只要知道物體的溫度T 和比輻射率 ，就能計算出它所發(fā)射的輻射功率P；若知道物體所發(fā)射的輻射功率則可求出它的溫度。即 4PT （三）接觸和無接觸溫度測量（三）接觸和無接觸溫度測量

12、 紅外測溫用檢測元件有熱敏電阻和光敏電阻兩種，它是一種非接觸式測溫儀表， 紅外測溫具有測量靈敏度高、反應(yīng)速度快、測溫范圍廣、屬于非接觸式測溫、不影響被測介質(zhì)的溫度場分布的優(yōu)點，是發(fā)展測量技術(shù)、遙感技術(shù)及空間科學的重要手段，在礦井火災(zāi)監(jiān)測與預(yù)報、設(shè)備溫升測量等方面，具有很好的應(yīng)用前景。如ST80IS 本安型紅外測溫儀、KGWZ 型溫度傳感器等。 （四）熱噪聲測溫和光纖測溫原理。（四）熱噪聲測溫和光纖測溫原理。 電阻體所產(chǎn)生的約翰遜噪聲與該電阻體的熱力學溫度密切相關(guān)，熱噪聲功率與溫度呈線性關(guān)系。由于與溫度相關(guān)的噪聲電壓很小，故檢測比較困難。日本和英國已有用于煤礦井下的該類產(chǎn)品，主要用于火災(zāi)溫度的監(jiān)測。 接觸式光纖溫度傳感器是基于各種不同的光學現(xiàn)象或光學性質(zhì)實現(xiàn)溫度測量