项目五电热式传感器应用

项目五电热式传感器应用

任务二温度报警—热敏电阻应用

任务一温度检测—热电偶应用

自动化控制元件及应用高等教育出版社



【知识要点】

【任务引入】

【任务目标】

【任务分析】

【任务实施】

【相关知识】

【任务拓展】

【任务测评】

【任务评价】


【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。


【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。


【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／℃。


【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



【任务实施】

1.AD595引脚说明

4. 实验结果

3. 连接传感器

2. 电路制作

5.K型热电偶分度


1. AD595 管脚说明

图 5-1-3 AD595 管脚功能图

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


2 ．电路制作

图 5-1-4 AD595 测温电路


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。


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。

温度（℃） AD595 输出电压（ mV ）

0

10

20

30

40

50

60

100

表 5-1-1 温度与输出电压之间关系


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 )℃

温度℃0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

热电动势mV

0 0.000 0.397 0.798 1.203 1.611 2.022 2.436 2.850 3.266 3.681

100 4.095 4.508 4.919 5.327 5.733 6.137 6.539 6.939 7.338 7.737

200 8.137 8.537 8.938 9.341 9.745 10.151 10.560 10.969 11.381 11.793

300 12.207 12.623 13.039 13.456 13.874 14.292 14.712 15.132 15.552 15.974

400 16.395 16.818 17.241 17.664 18.088 18.513 18.938 19.363 19.788 20.214

500 20.640 21.066 21.493 21.919 22.346 22.772 23.198 23.624 24.050 24.476

600 24.902 25.327 25.751 26.176 26.599 27.022 27.445 27.867 28.288 28.709

700 29.128 29.547 29.965 30.383 30.799 31.214 31.214 32.042 32.455 32.866

800 33.277 33.686 34.095 34.502 34.909 35.314 35.718 36.121 36.524 36.925

900 37.325 37.724 38.122 38.915 38.915 39.310 39.703 40.096 40.488 40.879

1000 41.269 41.657 42.045 42.432 42.817 43.202 43.585 43.968 44.349 44.729

1100 45.108 45.486 45.863 46.238 46.612 46.985 47.356 47.726 48.095 48.462

1200 48.828 49.192 49.555 49.916 50.276 50.633 50.990 51.344 51.697 52.049

1300 52.398 52.747 53.093 53.439 53.782 54.125 54.466 54.807 — —


【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 　　


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；　　

【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。

【相关知识】


【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


【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


【相关知识】综上，得到如下结论：1.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。2.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。3.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。4.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。


【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 0C 不变。此法也称冰浴法

图 5-1-9 冰浴法


（ 2 ）计算法当热电偶的冷端温度 t0 0C 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0C 时所测得的热电势 EAB（ t ， 0C ）不等。若冷端温度高于0C ，则 EAB（ t ， t0） <EAB（ t ， 0C ）。可以利用下式计算并修正测量误差：

EAB（ t ， 0C ） = EAB（ t ， t0） + EAB（ t0， 0C ）（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。

【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

【相关知识】


【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。

AD595传感器电路

ADC0809A/D转换

AT89S52单片机

LCD液晶显示器1602

图 5-1-11 数字温度计系统硬件


【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。


【任务评价】

任务要求分值评分标准学生

自评

小组互评

教师评价

任务总评

了解 K 型热电偶的主要参数 10 能识读 K型热电偶的分

度表

能分辨 K 型热电偶的正负极 20 热电偶与 AD595连接正

确连接电路 30 独立连接好整个电路

能准确记录和处理实验数据 20

能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

安全操作 10 工具使用、仪表安全

现场管理 10 出勤情况、现场纪律、协作精神


【知识要点】

【任务引入】

【任务目标】

【任务分析】

【任务实施】

【相关知识】

【任务拓展】

【任务测评】

【任务评价】

任务二温度报警


任务二温度报警

【知识要点】

1.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。

【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。



【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。

【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。



【任务实施】

1.电路制作

3.电路调试

2.电路组成

4.元器件选择

图 5-2-1 双限温度报警器电路图

1. 电路制作



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。

图 5-2-2 NTC 温度传感器 MF58

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。



4 ．元器件选择

编号名称型号R1 、 R2 电阻 10KΩ

R3 电阻 300ΩR4 电阻 2MΩR5 电阻 50KΩ

RP1 、 RP2 微调电位器 10KΩRT NTC温度传感器探头 MF58

C1 、 C2 涤纶电容器 0.01uFVD1 、 VD2 发光二极管 VD1为红色， VD2为绿色VD3 、 VD4 硅二极管 lN4148

VT1 硅 PNP晶体管 3CG2I 或 S9012VT2 硅 NPN晶体管 3DG6 或 S9013IC 六非门集成电路 CD4069

HTD 压电式蜂鸣器 HTD-27A 或 HTD-35A


【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。


【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。

RT

1 2

3

（ a）结构（ b）图形符号1— 探头 2— 引线 3—壳体

图 5-2-3 热敏电阻


【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


【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。


【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。


【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。


【任务测评】

1.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？


【任务评价】

任务要求分值评分标准学生自评

小组互评

教师评价

任务总评

元器件识别 10根据任务要求，选择合适的电子器件；能掌握元器件的检测方法。

连接电路 20 元件布局合理；焊点锡量合适，焊接牢固美观。

调试电路 30能正确使用仪器仪表；能采集和处理相关数据；能懂得电路排错方法。

调节限温范围 20能调节限温范围，使电路在温度超出 22℃~28℃ 范围以外报警

安全操作 10 工具使用、仪表安全

现场管理 10 出勤情况、现场纪律、协作精神

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