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项目五 电热式传感器应用

高等教育出版社. 自动化控制元件及应用. 项目五 电热式传感器应用. 任务一 温度检测 —热电偶应用. 任务二 温度报警 —热敏电阻应用. 高等教育出版社. 自动化控制元件及应用. 任务一 温度检测 — 热电偶应用. 【 相关知识 】. 【 知识要点 】. 【 任务拓展 】. 【 任务引入 】. 【 任务测评 】. 【 任务目标 】. 【 任务评价 】. 【 任务分析 】. 【 任务实施 】. 高等教育出版社. 自动化控制元件及应用. 任务一 温度检测 — 热电偶应用. 【 知识要点 】.

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项目五 电热式传感器应用

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  1. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 项目五 电热式传感器应用 任务一 温度检测—热电偶应用 任务二 温度报警—热敏电阻应用

  2. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 任务一 温度检测—热电偶应用 【相关知识】 【知识要点】 【任务拓展】 【任务引入】 【任务测评】 【任务目标】 【任务评价】 【任务分析】 【任务实施】

  3. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 任务一 温度检测—热电偶应用 【知识要点】 1.了解温度测量与国际温标(ITS-90) 的基础知识。 2.认识温度传感器分类。 3.理解热电偶温度传感器的工作原理 ，掌握热电偶 冷端温度补偿的方法。 4.掌握热电偶温度传感器应用电路的分析方法。

  4. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【任务引入】 在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。

  5. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【任务目标】 利用热电偶放大集成电路AD595制作简单的热电偶温度检测，使输出与温度对应的电压变化，变化系数为10 mV／℃。

  6. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【任务分析】 AD595图5-1-2是AD公司针对上述问题设计的专用芯片，内部具有放大、冷端补偿、冰点基准、温差电偶故障报警等电路。AD595的增益在工厂进行过调整，与+25°C时和K型热电偶的传递特性匹配，在+25°C提供250 mV输出，被测温度与AD595输出电压的关系是10mV/℃。为了与AD595芯片匹配，热电偶选用K型(镍铬-镍硅)热电偶（图5-1-1）。 图5-1-1 K型热电偶 图5-1-2 AD595芯片实物图

  7. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【任务实施】 AD595引脚说明 2.电路制作 3.连接传感器 4.实验结果 5.K型热电偶分度

  8. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 AD595管脚说明 管脚说明： 1.+IN 输入正 2. +C温补 3.+T温调 4.COM 公共端 5.-T温调 6.-C温补 7.V- 负电压 8.FB反馈 9.Vo 输出 10.COMP 补偿 11.V+正电压 12.+ALM报警 13.- ALM报警 14.-IN 输入负 图5-1-3 AD595管脚功能图

  9. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 2．电路制作 图5-1-4 AD595测温电路

  10. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 3．连接传感器 K型(镍铬-镍硅)热电偶的正极连接到AD595的1脚并接地，负极连接到AD595的14脚。

  11. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 4．实验结果 （1）对照原理图连接好实验线路图，Vo端接数字毫伏表。 （2）把传感器和水银温度计放入盛水容器中，接通电路电源。 （3）加热，测出温度与输出电压之间关系，绘出输出电压与温 度关系特性曲线。 表5-1-1温度与输出电压之间关系

  12. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 5．K型热电偶分度（表5-1-2） 表5-1-2 K型热电偶分度(参考端温度为0℃)

  13. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【相关知识】 1．温标 温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。国际上规定的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。 2．摄氏温标（℃） 摄氏温标把在标准大气压下以冰的熔点为零度(标以0℃)，以水的沸点为100度(标以100℃)。在0度和100度之间均分成100等份，每一份也就是每一个单位叫1摄氏度。符号为t。 3．热力学温标（K） 热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文根据热力学定律提出来的，因此又称为开氏温标，它的符号是T，其单位是开尔文（K）。 K氏和摄氏的换算 t/℃=T/K-273.15 （式5-1-1） 或： T/K= t/℃+273.15 （式5-1-2） 例如，100℃时的热力学温度T=（100+273.15）K=373.15K

  14. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【相关知识】 4.1990国际温标（ITS-90） ITS一90基本内容： 1、重申国际实用温标单位仍为K，1 K等于水的三相点时温度值的1/273.16； 2、把水的三相点时温度值定义为0.01℃（摄氏度），同时相应把绝对零度修订为-273.15℃；国际摄氏温度和国际实用温度关系为： （式5-1-3） 3、把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器如下： ①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽温度计； ②3.0—24.5561K，用3He和4He定容气体温度计； ③13.803K—961.78℃，用铂电阻温度计； ④961.78℃以上，用光学或光电高温计；

  15. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【相关知识】 5．温度传感器的分类及相关知识 ㈠热电偶温度传感器 热电效应：有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路（图5-1-5），其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，，另一端温度为T0 ，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”。产生的电动势则称为“热电动势” 图5-1-5 热电效应 热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的接触电动势，另一部分是单一导体的温差电动势。

  16. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【相关知识】 接触电动势：两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生的热电势（如图5-1-6）。 　图5-1-6 接触电动势的产生

  17. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【相关知识】 温差电动势：对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自由电子就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差（如图5-1-7），称为温差电动势。 　图5-1-7 温差电动势的产生

  18. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【相关知识】 综上，得到如下结论： 热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料及两端温度有关，与热电偶的长度、精细无关。 只有用不同性质的导体（或半导体）才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体材料是同一材料时，EAB（T，T0）=0。 只有当热电偶两端温度不同、热电偶的两个导体材料不同时才能有热电势产生。 导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶的两端的温度有关。

  19. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【相关知识】 ㈡热电偶冷端温度补偿： （1）冰浴法 将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温 度保持在0C不变。此法也称冰浴法 图5-1-9 冰浴法

  20. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【相关知识】 （2）计算法 当热电偶的冷端温度t0 0C时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0C时所测得的热电势EAB（t，0C）不等。若冷端温度高于0C，则EAB（t，t0）<EAB（t，0C）。可以利用下式计算并修正测量误差： EAB（t，0C）= EAB（t，t0）+ EAB（t0，0C）（式5-1-5） （3）补偿导线法 补偿导线就是用热电性质与热电偶相近的材料制成导线。采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。

  21. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【相关知识】 （4）补偿电桥法 电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。 图5-1-10 补偿电桥法

  22. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 ADC0809 A/D转换 AT89S52单片机 AD595传感器电路 LCD液晶显示器1602 【任务拓展】 既然AD595的Vo端输出电压与摄氏温度成正比，我们可以对AD595输送过来的传感器信号进行A/D转换成数字信号，接着送到单片机芯片进行数据处理后给显示芯片显示，完成一个数字温度计的设计。数字温度计系统硬件框图如图5-1-11所示。 图5-1-11 数字温度计系统硬件

  23. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【任务测评】 1. 热电偶的热电特性与哪些因素有关? 2. 用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿? 其冷端温度补偿的方法有哪几种? 3. 用镍铬--镍硅(K)热电偶测量温度，已知冷端温 度为40℃，用高精度毫伏表测得这时的热电动 势为29.188mV，求被测点的温度。

  24. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【任务评价】

  25. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 任务二 温度报警 【相关知识】 【知识要点】 【任务拓展】 【任务引入】 【任务测评】 【任务目标】 【任务评价】 【任务分析】 【任务实施】

  26. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 任务二 温度报警 【知识要点】 • 热电阻温度传感器的工作原理 ，掌握热电阻按电 • 极材料分类和按结构分类。 • 2. 掌握热敏电阻温度传感器应用电路的分析方法。 • 3. 学会热电偶温、热电阻温度传感器的选用方法。

  27. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【任务引入】 温度是一个十分重要的物理量，对它的测量与控制有十分重要的意义。随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检测与控制温度。日常生活中也可以见到，如电冰箱的自动制冷，空调器的自动控制等等。温度控制电路在工农业生产中有着广泛的应用，在有些农业生产中需要监控温度，使温度保持在一定的范围内，例如农作物温床育苗约20-30℃，家禽孵化约37-41℃，菌种培育约在23-28℃等。

  28. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【任务目标】 本任务要求利用热敏电阻做为温度传感器来制作双限温度报警器，能在被监控处温度超过设定温度的上限值或低于设定温度的下限值时能自动发出报警信号。

  29. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【任务分析】 测温传感器采用热敏电阻器，因为它具有电阻温度系数大、灵敏度高、体积小等优点。当由金属探头所接触的温度通过传感器到开关，如果温度超过预定值，此时的电子开关即开启，连接报警器发出报警声，此时的发声的报警装置可以通过改变控制音频振荡器的振荡而发出报警声音。

  30. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【任务实施】 电路制作 2.电路组成 3.电路调试 4.元器件选择

  31. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 1.电路制作 图5-2-1 双限温度报警器电路图

  32. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 图5-2-2 NTC温度传感器MF58 2．电路组成 温度检测/指示电路由热敏电阻器RT、电位器RP1、RP2、电阻器R1-R4、晶体管VT1、VT2、发光二极管VD1、VD2和非门集成电路CD4069（D0-D6）组成。 报警电路由IC内部的D3-D6、电阻器R4、R5、电容器C1、C2、二极管VD3、VD4和蜂鸣器HTD组成。其中，IC内部的非门D3、D4和R4、C1组成1Hz超低频振荡器，IC内部的非门D5、D6和R5、C2组成1kHz音频振荡器。 RP1用来设定温度的上限值，RP2用来设定温度的下限值。

  33. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 3．电路调试 使用前，应根据所需的控温点，设定温度的上限值和下限值。例如，当需要控制的温度范围为22-28℃之间时，应先将RP1的中点旋至最下端，将RP2的中点旋至最上端，使D1输出高电平，D2输出低电平，VD1和VD2均不发光，HTD不发声。 将一容器盛上温水，插入温度计，调节水温至48℃，然后将已做过绝缘处理的热敏电阻RT放人水中，预热半分钟后，调节RP1的阻值，使VD1刚好点亮，HTD发出报警声为止;再将水温降至22℃，调节RP2的阻值，使VD2点亮，HTD发出报警声即可。

  34. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 4．元器件选择

  35. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【相关知识】 根据热电阻效应制成的传感器叫热电阻传感器。热电阻传感器按电阻—温度特性的不同可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。 1．热敏电阻传感器 热敏电路传感器简称热敏电阻。 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，相对于一般热电阻而言，它主要具备如下特点． ①电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10～100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阻值与温度变化呈非线性关系． ⑤稳定性和互换性较差。

  36. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 1 2 RT 3 （b）图形符号 （a）结构 1—探头 2—引线 3—壳体 【相关知识】 2）热敏电阻器的分类 按照温度特性半导体热敏电阻可分为：正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）、临界温度系数（CTR）热敏电阻3种类型。 3）热敏电阻的结构和材料 热敏电阻器主要由热敏探头、引线和壳体构成，如图5-2-23（a）所示，其图形符号如图5-2-3（b）所示。 图5-2-3 热敏电阻

  37. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【相关知识】 • a)圆片形 （b）薄膜形 （c）柱形 (d)管形 (e)平板 (d)珠形 图5-2-4 常见热敏电阻的结构形式

  38. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【相关知识】 2.金属热电阻（热电阻） 热电阻式温度传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参数进行检测的装置。实践证明大多数金属在温度升高1℃时，其电阻值将增加0.4％～0.6％。热电阻式温度传感器的主要优点是： ①测量精度高。 ②有较大的测量范围，尤其在低温方面。 ③易于使用在自动测量和远距离测量中。

  39. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【相关知识】 我国已对金属热电阻标准化、系列化。铂热电阻型号统一用WZP所表示。根据其零度时的阻值R0有100Ω、50Ω、10Ω，分别称它们为Pt100、Pt50、Pt10。铜热电阻型号统一用WZC表示，根据其零度时的电阻值R0分有100Ω、50Ω两种，分别称为Cu100和Cu50。其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。

  40. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【任务拓展】 对电路进行修改，可根据声响的不同单调来区分高温报警还是低温报警，即高温报警或低温温报警时，报警器应发出不同的声音。

  41. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【任务测评】 • 热电阻传感器主要分为几种类型？它们应 • 用在什么不同场合？ • 2.热敏电阻有几种类型，它们的性能有何区别？ • 3.简述热敏电阻主要的优缺点？

  42. 高等教育出版社 自动化控制元件及应用 【任务评价】

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