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热电传感器

7热电式传感器

热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。

其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。

这两种热电式传感器在工业生产和科学研究工作中已得到广泛使用，并有相应的定型仪表可供选用，以实现温度检测的显示和记录。

本章主要介绍这两种传感器的工作原理、特性，产生误差的原因和补偿方法，以及应用

实例。

7．1热电阻传感器

热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。

7．1．1热电阻

1．热电阻材料的特点

作为测量温度用的热电阻材料，必须具有以下特点：

（1）高温度系数、高电阻率。

这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。

（2）化学、物理性能稳定。

以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性，（3）良好的输出特性。

即必须有线性的或者接近线性的输出。

（4）良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。

适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍、铁等。

2．铂、铜热电阻的特性

铂、铜为应用最广的热电阻材料。

虽然铁、镍的温度系数和电阻率均比铂、铜要高，但由于存在着不易提纯和非线性严重的缺点，因而用得不多。

铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学。

物理性能稳定，制成的铭电阻输出一输人特性接近线性，测量精度高。

铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：

在0～660℃温度范围内

（7－1）

在－190～0℃温度范围内

（7－2）

式中R0、Rt——分别为0℃和t℃的电阻值；

A——常数（3.96847×10－3/℃）；

B——常数（－5.847×10－7/℃4）；

C——常数（－4.22X×10－12/℃4）。

铂电阻制成的温度计，除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。

由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采用钢电阻。

铜容易提纯，在－50～150℃范围内钢电阻化学、物理性能稳定，输出一输人特性接近线性，价格低廉。

铜电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：

（7－3）

式中A——常量（4.28899×10－3/℃）；

B——常量（－2.133×10－7/℃2）；

C——常量（1.233×10－9/℃3）。

由于钢电阻的电阻率仅为铂电阻的1／6左右，当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。

3．其他热电阻

铂、铜热电阻不适宜作低温和超低温的测量。

近年来一些新颖的热电阻材料相继被采用。

钢电阻适宜在－269～－258℃温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但是复现性差。

锰电阻适宜在－271～－210℃温度范围内使用，灵敏度高，但是质脆易损坏。

碳电阻适宜在－273～－268.5℃温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。

常用热电阻材料特性见表7－1。

7．1．2热敏电阻

1．热敏电阻的特点

热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。

按物理特性，可分为三类：

（1）负温度系数热敏电阻（NTC）；

（2）正温度系数热敏电组（PTC）；（3）临界温度系数热敏电阻（CTC）。

由于负温度系数热敏电阻应用较为普遍，本书只介绍这种热敏电阻。

负温度系数热敏电阻是一种氧化物的复合烧结体，通常用它测量－100～＋300℃范围内的温度，与热电阻相比，其特点是；

（1）电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10倍。

（2）结构简单，体积小，可以测量点温度。

（3）电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。

（4）易于维护和进行远距离控制。

（5）制造简单，使用寿命长。

不足之处为互换性差，非线性严重。

2．负温度系数热敏电阻的特性

图7－l为负温度系数热敏电阻的电阻－温度特性曲线，可以用如下经验公式描述：

（7－4）

式中RT——温度为T（K）时的电阻值；

A——与热敏电阻的材料和几何尺寸有关的常数；

B——热敏电阻常数。

若已知T1和T2时的电阻为RT1和RT2，则可通过公式求

取A、B值，即

图7－2示出热敏电阻的伏安特性曲线。

由图可见，当流过热敏电阻的电流较小时，曲

线呈直线状，服从欧姆定律。

当电流增加时，热敏电阻自身温度明显增加，由于负温度系数的关系，阻值下降，于是电压上升速度减慢，出现了非线性。

当电流继续增加时，热敏电阻自身温度上升更快，阻值大幅度下降，其减小速度超过电流增加速度，于是出现电压随电流增加而降低的现象。

热敏电阻特性的严重非线性，是扩大测温范围和提高精度必须解决的关键问题。

解决办法是，利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或并联，使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。

图7－3介绍一种金属电阻与热敏电阻串联以实现非线性校正的方法。

只要金属电阻Rx选得合适，在一定温度范围内可得到近似双曲线特性〔图（b）Rs〕，即温度与电阻的倒数成线性关系，从而使温度与电流成线性关系〔图（C）〕。

近年来已出现利用微机实现较宽温度范围内线性化校正的方案。

图7－4为往形热敏电阻的结构组成。

热敏电阻除柱形外，还有珠状、探头式、片状等，见图7－5。

热敏电阻的主要用途见表7－2。

3．近代热敏电阻的特性

（二）近年来研制的玻璃封装热敏电阻具有较好的耐热性、可靠性、频响特性。

图7－6为玻璃封装热敏电阻的结构示意图。

它适用于作高性能温度传感器的热敏器件。

当测量温度由125℃上升到时，响应时间由305加快到6S，工作稳定性由上5％改善为上（3～1）

（2）氧化物热敏电阻的灵敏度都比较高，但只能在低于300℃时工作。

近期用硼卤化物与氢还原研制成的硼热敏电阻，在700℃高温时仍能满足灵敏度、互换性、稳定性的要求。

可用于测量液体流速。

压力、成分等

（3）负温度系数热敏电阻的特性曲线非线性严重。

近期研制的CdO-Sb2O3-WO3和CdO-SnO3-WO3两种热敏电阻，在－100～＋300℃温度范围内，特性曲线呈线性关系，解决了负温度系数热敏电阻存在的非线性问题。

（4）近年来发现四氰醌二甲烷新型有机半导体材料，具有电阻率随温度迅速变化的特性，如图7－7所示。

当温度自低温上升至几时，因电阻率迅速下降，使电阻值相应减小，直至温度等于或高于TH时，电阻值变为R0。

当温度自高温下降至TH附近直至几时，电阻率变化较小，电阻值变化不大。

当温度继续下降至TH时，凡由于电阻率迅速增加，电阻值达到RP值。

利用上述特性可制成定时器，通过保持材料的温度在TH与TL之间，即可使定时时间限制在R0至RP的持续时间里。

这种有机热敏材料不仅可以制成厚膜，还可以制成薄膜或压成杆形。

用它制成的电子定时元件，具有定时时间宽（从数秒～数十小时）、体积小、造价低的优点。

7．2热电偶传感器

热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，具有结构简单、制造方便。

测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。

7．2．l热电效应及其工作定律

1．热电效应

将两种不同性质的导体A、B组成闭合回路，如图7－8所示。

若节点

（1）、

（2）处于不同的温度（T≠To）时，两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大小的电流，这种现象称

为热电效应。

分析表明。

热电效应产生的热电势由接触电势（拍尔帖电势）和温差电势（汤姆逊电势）两部分组成。

当两种金属接触在一起时，由于不同导体的自由电子密度不同，在结点处就会发生电子迁移扩散。

失去自由电子的金属呈正电位，得到自由电子的金属呈负电位。

当扩散达到平衡时，在两种金属的接触处形成电势，称为接触电势。

其大小除与两种金属的性质有关外，

还与结点温度有关，可表示为

（7－7）

式中EAB（T）——A、B两种金属在温度T时的接触电势；

k——波尔兹曼常数，k＝1.38×10－23（J／K）；

e——电子电荷，e＝1.6×10－19（C）；

NA、NB——金属A、B的自由电子密度；

T——结点处的绝对温度。

对于单一金属，如果两端的温度不同，则温度高端的自由电子向低端迁移，使单一金属两端产生不同的电位，形成电势，称为温差电势。

其大小与金属材料的性质和两端的温差有关，可表示为

（7－8）

式中EA（T、T0）——金属A两端温度分别为T与T0时的温差电势；

σA——温差系数；

T、T0——高、低温端的绝对温度。

对于图7－8所示A、B两种导体构成的闭合回路，总的温差电势为

（7－9）

于是，回路的总热电势为

（7－10）

由此可以得出如下结论：

（1）如果热电偶两电极的材料相同，即NA—NB，。

A一印，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍用零。

因此，热电偶必须用两种不同材料作热电极。

（2）如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即T—T0，闭合回路中也不产生热电势。

2．工作功率

（1）中间导体定律设在图7－8的T0处断开，接入第三种导体C，如图7－9所示。

若三个结点温度均为T0，则回路中的总热电势为

（7－11）

若A、B结点温度为T，其余结点温度为T0，而且T＞T0，则回路中的总热电势为

（7－12）

由式（7－11）可得

（7－13）

将式（7－13）代人式（7－12）可得

（7－14）

由此得出结论：

导体A、B组成的热电偶，当引人第三导体时，只要保持其两端温度相同，则对回路总热电势无影响，这就是中间导体定律。

利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表，只要保证两个接点温度一致，就可以完成热电势的自7－10热电偶连接导线示意国测量而不影响热电偶的输出。

（2）连接导体定律与中间温度定律在热电偶回路中，若导体A、B分别与连接导线A’、B’相接，接点温度分别为T、Tn、T0，如图7－10所示，则回路的总热电势为

（7－17）

将式（7－16）和式（7－17）代人式（7－15）可得

（7－18）

式（7－18）为连接导体定律的数学表达式，即回路的总热电势等于热电偶电势EAB（T，Tn）与连接导线电势EA’B’（Tn，T0）的代数和。

连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。

当导体A与A’、B与B’材料分别相同时，则式（7－18）可写为

（7－19）

式（7－19）为中间温度定律的数学表达式，即回路的总热电势等于EAB（T，Tn）与EAB（Tn，T0）的代数和。

Tn称为中间温度。

中间温度定律为制订分度表奠定了理论基础，只要求得参考端温度为0℃时的“热电势－温度”关系，就可以根据式（7－19）求出参考温度不等于0℃时的热电势。

（3）参考电极定律图7－11为参考电极定律示意图。

图中C为参考电极，接在热电偶A上之间，形成三个热电偶组成的回路。

因为

（7－20）

（7－21）

于是

式中

因此

式（7－23）为参考电极定律的数学表达式。

表明参考电极C与各种电极配对时的总热电势为两电极A、B配对后的电势之差。

利用该定律可大大简化热电偶选配工作，只要已知有关电极与标准电极配对的热电势，即可求出任何两种热电极配对的热电势而不需要测定。

例已知EAC（1084.5，0）＝13.967（mV）

EBC（1084.5，0）＝8.354（mV）

则EAB（1084.5，0）＝13.967－8.354＝5.613（mV）

7．2．2热电偶

1．热电偶材料

（1）标准化热电偶指已经国家定型批生产的热电偶。

常用材料及特性列于表7－4。

（2）非标准化热电偶指特殊用途试生产的热电偶。

如钨铼系、铱铑系、镍铬－金铁、镍钴－镍铝和双铂钼等热电偶。

2．热电偶的结构

（1）普通热电偶工业上常用的普通热电偶的结构由热电极绝缘套管2、保护套管3、接线盒4及接线盒盖5组成，如图7－12所示

普通热电偶主要用于测量气体、蒸气和

液体等介质的温度。

这类热电偶已做成标准型式，可根据测温范围和环境条件来选择合适的热电极材料和保护套管。

（2）销装热电偶图7－13为销装热电偶的结构示意图，根据测量端的型式，可分为碰底型（a）、不碰底型（b）、露头型（c）、帽型（d）等。

铠装（又称缆式）热电偶的主要特点是：

动态响应快，测量端热容量小，＠砚阶挠性好，强度高，种类多（可制成双芯、单芯和四芯等）。

（3）薄膜热电偶薄膜热电偶的结构可分为片状、针状等，图7－14为片状薄膜热电偶结构示意图。

薄膜热电偶的主要特点是：

热容量小，动态响应快，适宜测量微小面积和瞬时变化的温度。

（4）表面热电偶表面热电偶有永久性安装和非永久性安装两种。

这种热电偶主要用来测量金属块、炉壁、橡胶筒、涡轮叶片、轧辊等固体的表面温度。

（5）浸入式热电偶浸入式热电偶主要用来测量钢水、铜水、铝水以及熔融合金的温度。

浸入式热电偶的主要特点是可以直接插入液态金属中进行测量。

3．热电偶的温度补偿

热电偶输出的电热是两结点温度差的函数。

为了使输出的电势是被测温度的单一函数，一般将T作为被测温度端，T0作为固定冷端（参考温度端）。

通常要求T0保持为但是在实际使用中要做到这一点比较困难，因而产生了热电偶冷端温度补偿问题。

（1）0℃恒温法即在标准大气压下，将清洁的水和冰屑混合后放在保温容器内、可使T0保持0℃。

近年来已研制出一种能使温度恒定在0℃的半导体致冷器件。

（2）补正系数修正法利用中间温度定律可以求出T0≠0时的电热。

该法较精确，但繁琐。

因此，工程上常用补正系数修正法实现补偿。

设冷端温度为tn，此时测得温度为t1，其实际温度应为

（7－24）

式中k——补正系数，列于表7－5。

例如用镍铬－考铜热电偶测得介质温度为600℃，此时参考端温度为30℃，则通过表7－5查得k值为0.78，故介质的实际温度为

（3）延伸热电极法（又称补偿导线法）热电偶长度一般只有一米左右，在实际测量时，需要将热电偶输出的电势传。

输到数十米以外的显示仪表或控制仪表，根据连接导体定律即可实现上述要求。

一般选用直径粗、导电系数大的材料制作延伸导线，以减小热电偶回路的电阻，节省电极材料。

图7－15为延伸热电极法示意图。

具体使用时可从表6－6中查到配用热电偶材料所对应的延伸导线的型号。

（4）补偿电桥法该法利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度变化引起的电势变化。

图7－16为补偿电侨法示意图，电桥四个桥臂与冷端处于同一温度，其中R1＝R2＝R3为锰铜线绕制的电阻R4为铜导线绕制的补偿电阻，E是电桥的电源，R为限流电阻，阻值取决于热电偶材料。

使用时选择R4的阻值使电桥保持平衡，电桥输出Uab＝0。

当冷端温度升高时，R4阻值随之增大，电桥失去平衡，Uab相应增大，此时热电偶电势Ex由于冷端温度升高而减小。

若Uab的增量等于热电偶电势Ex的减小量，回路总的电势UAB的值就不会随热电偶冷端温度变化而变化，即

（7－25）

4．热电偶的使用误差

（1）分度误差热电偶的分度是指将热电偶置于给定温度下测定其热电势，以确定热电势与温度的对应关系。

方法有标准分度表分度和单独分度两种。

工业上常用的标准热电偶采用标准分度表分度，而对于一些特殊用途的非标准热电偶，则采用单独分度。

这两种分度方法均有自己的分度误差。

在使用时应注意热电偶的种类，以免弓！

起不应有的误差。

标准分度表对同一型号热电偶的电势起统一作用，这对工业用标准热电偶和与其相配套的显示、记录仪表的生产和使用，都具有重要意义。

以前我国工业上用铂锗10－铂热电偶的分度表，1968年实行国际实用温标后，我国工业用标准热电偶均采用新的分度表，在使用不同时期生产的标准热电偶时，应注意其分度号，以免混淆。

（2）仪表误差工业上使用的标准热电偶，一般均与自动平衡式电子电位差计、动圈式仪表配套使用，仪表引人误差δ为

（7－26）

式中Tmax、Tmin——仪表量程上、下限；

K——仪表的精度等级。

由式（7－26）求得的为仪表的基础误差，当其工作条件超出额定范围时还存在附加误差。

为了减小仪表引人误差，应选用精度恰当的显示、记录仪表。

（3）延伸导线误差这类误差有两种：

一种是由延伸导线的热特性与配用的热电偶不一致引起的；另一种是由延伸导线与热电偶参考端的两点温度不一致引起的。

这种误差应尽量避免。

（4）动态误差由于测温元件的质量和热惯性，用接触法测量快速变化的温度时，会产生一定的滞后，即指示的温度值始终跟不上被测介质温度的变化值，两者之间会产生一定的差值。

这种测量瞬变温度时由于滞后而引起的误差称为动态误差。

动态误差的大小与热电偶的时间常数有关。

减小热电偶直径可以改善动态响应、减小动态误差，但会带来制造困难、机械强度低、使用寿命短、安装工艺复杂等问题。

较为实用的办法是：

在热电偶测量系统中引人与热电偶传递函数倒数近似的RC或RL网络，实现动态误差实时修正。

（5）漏电误差不少无机绝缘材料的绝缘电阻会随着温度升高而减小（例如AI2O3％SiO265％材料在常温下电阻率为1.37×106Ω·m，当温度上升到1000℃和1500℃时电阻率下降到1.08×102Ω·m）。

因而随着温度升高（特别在高温）时，绝缘效果明显变坏，使热电势输出分流，造成漏电误差。

一般均采用绝缘性能较好的材料来减少漏电误差。

7．3热电式传感器的应用

热电式传感器最直接的应用是测量温度。

本节介绍其他几种典型应用。

7．3．1测量管通流量

应用热敏电阻测量管道流量的工作原理如图7－17所示。

Rt1和Rt2为热敏电阻，Rt1放人被测流量管道中；Rt2放入不受流体流速影响的容器内，R1和R2为一般电阻，四个电阻组成桥路。

当流体静止时，电桥处于平衡状态，电流计A上没有指示。

当流体流动时，Rt1上的热量被带走。

Rt1因温度变化起阻值变化，电桥失去平衡，电流计出现指示，其值与流体流速v成正比。

7．3．2热电式继电器

图7－18是一种应用热敏电阻组成的电机过热保护线路。

三只特性相同的负温度系数热敏电阻串联在一起，固定在电机三相绕组附近。

当电机正常运行时绕组温度较低，热敏电阻阻值较高，三极管不导通，继电器J不吸合。

当电机过载或其中一相与地短路时，电机绕组温度剧增，热敏电阻阻值相应减小，三极管导通，继电器J吸合，电机电路被断开，起到过热保护作用。

7．3．3气体成分分析仪

气体成分分析室结构如图7－19所示。

它是一个圆柱形装置，轴心上装有一根通有恒电流的电阻丝。

在分析室的结构形式、几何尺寸、材料均、定的前提下，电阻丝最后达到的

平衡温度取决于分析室内气体的导热系数。

气体的导热系数与气体成分的浓度有关，对于相互不发生化学反应的混合气体，其导热系数为各气体导热系数的平均值，即

（7－27）

式中λC——混合气体的导热系数；

λi、ni——第i种气体的导热系数与百分数含量。

设导热系数为λ1和λ2的两种气体混合,λ1气体的百分数含量为a，则由式（7－27）可得

（7－28）

由式（7－28）可知，若λ1、λ2已知，只要测出λC，就可获得两种气体的百分数含量。

大量实验和理论计算表明，电阻丝阻值与被分析气体含量之间，在一定范围内呈线性关系。

通过测量电阻丝阻值，就可间接求取被分析气体的百分数含量。

要实现这一点，应使其他形式的热耗散尽量减少或固定不变。

图7－20为气体成分分析仪示意图。

它主要由四个外壳用相同材料制成的分析室组成。

分析室RK1和RK2为参考室，室内充人洁净的空气，另外两个分析室内充人被分析的混合气体，四个分析室组成桥路。

工作时先将洁净空气通人分析室，使电桥达到平衡，而后使被测混合气体进人分析室，电桥失去平衡，其不平衡输出是混合气体成分的函数。

7．3．4金属材质鉴别仪

热电式金属材质鉴别仪是一种利用热电效应设计的无损检测装置。

由式（7－9）可知，温差电势与导体材料和两端温度有关，因为该电势很小，可以认为温差系数仅与导体材料性质有关，因而式（7－9）可改写为

（7－29）

式（7－10）可简化为

（7－30）

图7－21为热电式金属材质鉴别仪结构示意图。

它的两个电极由相同材料制成，其中一个电极被均匀加热。

当被测金属与两电极接触时形成两组热电回路：

一组由被测金属与铜电极组成的热电回路；另一组由康铜与铜线组成的热电回路。

由于电极均匀加热，绝缘物又具有良好的导热性，因而两组热电回路具有相同的接点温度（T，T0），其相应电势为

（7－31）

（7－32）

式中σA——铜的温差系数；

NA——铜的自由电子密度；

σK、σX——康铜与被测金属的温差系数；

NK、NX——康铜与被测金属的自由电子密度。

设两组热电回路电势的比值为Y，则得

（7－33）

可见，Y值只随被测金属σX值和NX值变化，温度变化对Y值基本没有影响。

热电式金属材料鉴别仪的优点是结构简单；不受被测金属形状大小的限制。

不足之处为被测金属表面镀层会影响鉴别结果。