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2 热电式传感器 ;2.1 热电势式测温传感器——热电偶
热电偶的测温原理——热电效应;
热电偶测温的基本定律:均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律;
热电偶冷端温度补偿的方法:冰点槽法、冷端恒温法、冷端补偿器法、补偿导线法、计算修正法、使用无须冷端补偿的热电偶(300℃以下使用镍钴—镍铝,50℃以下使用镍铁—镍铜或铂铑30—铂铑6)及工业上常采用的补正系数修正法等。
补正系数修正法:t=t1+ktn,其中:tn为冷端温度,t1为工作端测得温度,k为补正系数,t被测实际温度。
例:使用铂铑—铂热电偶测得某温度场温度为1400℃,此时,冷端温度为40℃,计算温度场的实际温度。(补正系数见表2.1)t=1400+40?0.52=1420.8℃
热电偶的类型:普通工业用热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶。;;2.1.6 热电偶测量电路
这里以线性最好的K型热电偶(0~600℃的测量范围)为例,介绍热电偶的测量电路。
K型热电偶的温度—电势对照如下:0℃—0mV,100℃—4.095mV,
200℃—8.137mV,300℃—12.207mV,400℃—16.395mV,500℃—20.640mV,600℃—24.902mV。
由放大器放大240.94倍,可得600℃对应输出6000mV。
由数据不难发现:对于1℃的温度变化,热电偶的输出变化仅为40微伏左右;且电势—温度间存在非线性(最大非线性=(12.207*240.94-3000)/6000=-1%)。因而,须考虑信号放大和非线性校正。信号放大借助于放大器,非线性校正可利用高次多项式线性校正电路实现。将热电偶的电势—温度关系作切比雪夫展开,并保留2阶以下项(一般可以满足精度要求)得:; 600℃时,温差电势Ui=E=24.902,代入上式得输出为600 mV,期望6V的输出,故上式增大10倍。;; 其中:C1:滤波电容,电解电容;RW1:多圈金属陶瓷电位器,反馈电阻用于放大器的增益调整,使Ua=249.952 Ui;RW2:多圈金属陶瓷电位器,实现放大器的零位调整;A1、A2:运算放大器;IC1:AD538AD (内部结构如图)集成模拟乘法器Uo=UY(UZ/UX)m,用于求取电压平方时,2、10脚接输入Ua,3、12脚短接,4脚为10V基准电压,此时m=1,UY=UZ=Ua,UX=10V,则Uo= Ua2/10000。;2.2 热电阻式温度传感器——热电阻、热敏电阻
2.2.1 热电阻的温度系数:(0.3~0.6)%/℃
常用热电阻:铂、铜、镍。
使用注意事项:防止产生自热误差,通电电流 =6mA。避免导线电阻变化的影响,采用三线制连接方法。
2.2.2半导体热敏电阻
类型:NTC:负温度系数;PTC:正温度系数;CTR:临界温度电阻。
注意事项:非线性校正,稳定性及老化问题。
实例:电动机过热保护装置
;2.3 PN结型测温传感器
2.3.1 温敏二极管及应用
1.?? 工作原理
在一定的电流模式下,理想二极管正向电压和温度间的关系表现出良好的线性。下式给出了理想二极管正向电流IF与正向电压UF和温度T间的关系:;2.??? 基本特性
1)电压——温度特性:恒流下,硅二极管在-50~+150℃范围内,电压与温度间具有良好的线性关系(温度上升,UF线性下降)。
2)灵敏度特性 对前式求温度T的偏导数,即得温敏二极管的电压——温度灵敏度。当维持电流恒定不变时,灵敏度的表达式为: ;3.典型应用:锗二极管VT用于气流式恒温器的温度控制;2.3.2 温敏晶体管及其应用
1.测量原理
在恒定集电极电流条件下,晶体管发射结上正向电压随温度上升而近似线性下降。NPN型晶体管的基极—发射极电压与温度T和Ic间的关系: ;2 典型应用——温差传感器(范围:0~150℃,精度±0.5℃);2.4 集成温度传感器
集成温度传感器是将温敏晶体管及其外围电路集成在同一单片上的温度传感器。
集成温度传感器的典型测量范围是:-50~150℃(223~423K)。
按输出量的形式,将集成温度传感器分为电压输出型、电流输出型和频率输出型三大类。电压输出型的优点是直接输出电压,输出阻抗低,易于和读出或控制电路接口。电流输出型的优点是输出阻抗极高,便于进行遥测、遥控,抗干扰能力强。频率输出型的优点在于抗干扰能力强,便于信号远传和数字化。
;2.4.1 基本原理及PTAT核心电路; 若能保证Ic1/Ic2为常数,则R1上的电压
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