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不同传感器的应用原理

上海锋铨 / 2013-09-09

、热电偶测温的应用原理
      热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是:
            ①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响。
            ②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量,某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬),最高可达+2800℃(如钨-铼)。
            ③构造简单,使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。
      1.热电偶测温基本原理
           将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。
      2.热电偶的种类及结构形成
         (1)热电偶的种类
                常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶
我国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
          (2)热电偶的结构形式 为了保证热电偶可靠、稳定地工作,对它的结构要求如下:
              ① 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;
              ② 两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路;
              ③ 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;
              ④ 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
      3.热电偶冷端的温度补偿
           由于热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵 金属时),而测温点到仪表的距离都很远,为了节省热电偶材料,降低成本,通常采用补偿导线把热电偶的冷 端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内,连接到仪表端子上。必须指出,热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极,使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。因此,还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。
在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配,极性不能接错,补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。

二、热电阻的应用原理
      热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高,性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的,它不仅广泛应用于工业测温,而且被制成标准的基准仪。
     1.热电阻测温原理及材料
          热电阻测温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。热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,此外,现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。
     2.热电阻的结构
         (1)精通型热电阻
         从热电阻的测温原理可知,被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的,因此,热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制
         (2)铠装热电阻
         铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体它的外径一般为φ2~φ8mm,最小可达φmm。与普通型热电阻相比,它有下列优点:
         ①体积小,内部无空气隙,热惯性上,测量滞后小;
         ②机械性能好、耐振,抗冲击;
         ③能弯曲,便于安装
         ④使用寿命长。
         (3)端面热电阻
         端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制,紧贴在温度计端面,其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向热电阻相比,能更正确和快速地反映被测端面的实际温度,适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。
         (4)隔爆型热电阻
         隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒,把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内,生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。
      3.热电阻测温系统的组成
         热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点:
          ①热电阻和显示仪表的分度号必须一致
          ②为了消除连接导线电阻变化的影响,必须采用三线制接法
三、各种温度传感器的测量范围和优缺点
S 型热电偶:
铂铑10-铂热电偶
温度范围 0~1600℃
旧分度号 LB-3
优点
1.耐热性、安定性、再现性良好及较优越的精确度。
2.在还元性气体环境较脆弱。(特别是氢、金属蒸气)
3.耐氧化、耐腐浊性良好
3.可以做为标准使用。
缺点
1.热电动势值小。
2.在还元性气体环境较脆弱。(特别是氢、金属蒸气
3.补偿导线误差大
4.价格高昂。
 型热电偶
铂铑13-铂 热电偶
温度范围 0~1600℃ 
优点
1.耐热性、安定性、再现性良好及较优越的精确度。
2.耐氧化、耐腐浊性良好
3.可以做为标准使用。
缺点
1.热电动势值小。
2.在还元性气体环境较脆弱。(特别是氢、金属蒸气)
3.补偿导线误差大。
4.价格高昂
B 型热电偶:
铂铑30-铂铑6 热电偶
温度范围 600~1800℃ 
旧分度号 LL-2
自由端在0~50℃内可以不用补偿导线
优点1.适用1000℃以上至1800℃。
2.在常温环境下热电动势非常小,不需补偿导线
3.耐氧化、耐腐浊性良好。
4.耐热性与机械强度较R型优良。
缺点
1.在中低温域之热电动势极小,600℃以下测定温度不准确。
2.热电动势值小。
3.热电动势之直线性不佳。
4.价格高昂。
K 型热电偶:
镍铬-镍硅 热电偶
镍铬-镍铝 热电偶<
温度范围 -200~1300℃ <
优点<
1.热电动势之直线性良好
2.1000℃以下耐氧化性良好。
3.在金属热电偶中安定性属良好。
缺点
1.不适用于还元性气体环境,特别是一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体。
2.热电动势与贵金属热电偶相比较经时变化较大。
3.受短范围排序之影响会产生误差。
 型热电偶
镍铬硅--镍硅 热电偶<
温度范
1.热电动势之直线性良好。
2.1200℃以下耐氧化性良好。
3.为K型之改良型,受Green Rot之影响较小,耐热温度较K型高。
缺点1.不适用于还元性气体环境
2.热电动势与贵金属热电偶相比较经时变化较大。
E 型热电偶:
镍铬硅--康铜 热电偶
温度范围 -270~1000℃ 
优点
1.现有热电偶中感度最佳者
2.与J热电偶相比耐热性良好。
3.两脚不具磁性。
4.适于氧化性气体环境。
5.价格低廉
缺点
1.不适用于还元性气体环境
2.稍具履历现象。
型热电偶:
铁--康铜 热电偶
度范围 -210~1200℃ <
优点<
1.可使用于还元性气体环境<
2.热电动势较K热电偶大20%。
3.价格较便宜,适用于中温区域。
缺点
1.(+)脚易生锈。
2.再现性不佳
T 型热电偶:
铜--康铜 热电偶
温度范围 -270~400℃ 
优点
1.热电动势之直线性良好。
2.低温之特性良好3.再现性良好、高精度。
4.可使用于还元性气体环境。
缺点
1.使用温度限度低。
2.(+)脚之铜易氧化。
3. 热传导误差大。
★☆★注意★☆★热电偶自由端温度为0℃
     由热电偶测温原理知道,只今当热电偶冷端温度保持不变时,热电动势才是被测温度的单位函数。在实际应用时,由于热电偶的冷端离热端很近,冷瑞又暴露在空间,容易受到周围环境温度变化的影响,因而冲端温度难以保持恒定。为此必须进行冷端温度补偿处理。
PT100 型热电阻
铂电阻

温度范围 -200~850℃ 
金属铂材料的优点是化学稳定性好、能耐高温,容易制得纯铂,又因其电阻率p(Ω?mm2/m)大,可用较少材料制成电阻,此外其测温范围大。它的缺点是:在还原介质中,特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所沾污,使铂丝变脆,并改变电阻与温度之间的关系。
CU50 型热电阻:
铜电阻
温度范围 -50~150℃ 
铜热电阻的价格便宜,线件度好,工业上在-50--+150℃范围内使用较多。铜热电阻怕潮湿,易被腐蚀,熔点亦低。

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