任务五 电热水器温度控制器的设计与制作

任务一电热水器温度控制器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与制作 一、任务描述 利用热敏电阻制作电热水器温度控制器，当电热水器内水温低于设定 值时，接通电源加热，加热指示灯点亮。当电热水器内水温高于设定值时，断开电源停止加热。热敏电阻如图2-1所示。 二、任务目标 (1)掌握热敏电阻传感器的特点和工作原理。 (2)掌握热敏电阻传感器的测量电路。 (3)了解热电偶的工作原理及其温度补偿。 (4)能够选用合适的温度传感器进行电路的设计。下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 三、知识链接 1.热敏电阻传感器 热敏电阻是由金属氧化物陶瓷半导体材料，经成型、高温烧结等上艺制成的测温元件，还有一部分热敏电阻由碳化硅材料制成。 其优点是电阻温度系数大、电阻率大、体积小、热惯性小，适宜测量点温、表温度及快速变化的温度;其结构简单、力学性能好。 缺点是线性度较差，复现性和互换性较差。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 (1)热敏电阻的结构和工作原理 热敏电阻的基本工作原理是利用半导体材料的电阻率随温度变化而显著变化的特点，当温度发生变化时，热敏电阻的电阻值也发生变化。 利用测量电路对电阻值的变化进行测量，并将电阻值的变化转换为电流或电压变化，从而使电压或电流的变化与温度的变化成一定的关系，完成温度的测量。任务一电热水器温度控制器的设计与制作 热敏电阻是由一些金属氧化物，如钻(Co),锰(Mn),镍(Ni)等的氧化物采用不同比例配方混合，研磨后加入勃合剂，埋入适当引线(铂丝)，挤压成型再经高温烧结而成。 热敏电阻根据使用要求不同，可制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状，如图2-2所示。 工业测量主要用珠型热敏电阻，其外形如所示。将珠型热敏电阻烧结在两根铂丝上，外面涂覆玻璃层，并用杜美丝与铂丝相接引出，外面再用玻璃管作保护套管，保护套管外径为3~5mm，若把热敏电阻配上不平衡电桥和指示仪表，则成为半导体点温度计。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 2)热敏电阻的热电特性 根据热敏电阻的阻值和温度之间的关系，可以把热敏电阻分成-,种类型，分别是负温度系数热敏电阻NTC、正温度系数热敏电阻PTC和突变型热敏电阻CTR， 其电阻和温度之间的特性曲线如图2-4所示，不同类型的热敏电阻材料如表2-1所示。 (1)负温度系数热敏电阻NTC NTC热敏电阻的阻值随着温度的升高而减小，是最常见的热敏电阻，它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷，如锰、钻、铁、镍、铜等多种氧化物混合烧结而成，多用于温度的测量。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 (2)正温度系数热敏电阻PTC。 PTC热敏电阻的阻值随温度的升高而增大，典型的PTC热敏电阻是在钦酸钡中掺入其他金属离子，以改变其温度系数和临界温度点。它在电子线路中多起限流作用。 (3)突变型热敏电阻CTR CTR热敏电阻当温度升高到某临界值时，其电阻值随温度升高而降低3~4个数量级，即具有很大负温度系数。在某个温度范围内阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡峭，灵敏度极高。此特性可用于自动控温和报警电路中。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 3)热敏电阻的基本参数 (1)标称阻值RH(冷阻)。 环境温度为(25±0.2)℃时，热敏电阻的阻值，单位为Ω。 (2)电阻温度系数αT(%/℃)。 温度每变化1℃，热敏电阻阻值的相对变化率，单位为%/℃。如不作特别说明，是指20℃时的温度系数，即 式中RT—温度为T时的阻值。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 (3)散热系数H。 温度变化1℃，热敏电阻所耗散的功率变化量，单位为W/℃或mW/℃。在土作范围内，当环境温度变化时，H值随之变化，其大小与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及状态有关。 (4)转变温度TC。 热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电阻温度系数热敏电阻((PTC)和临界温度热敏电阻(CTR)。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 4)热敏电阻的应用 热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、灵敏度高等优点，因此它在许多领域得到广泛的应用，可用于温度测量、温度控制、温度补偿、稳压稳幅、自动增益调节、气体和液体分析、火灾报警、过热保护等方面。下面介绍几种主要用法。任务一电热水器温度控制器的设计与制作 (1)温度测量。 图2-5所示为热敏电阻体温表的测量原理，利用其原理还可以制作其他测温、控温电路。 调试时，必须先调零再调温度，最后再验证刻度盘中其他各点的误差是否在允许范围之内，上述过程称为标定。具体做法如下:将绝缘的热敏电阻放入犯℃的温水中待热量平衡后，调节RP1，使指针指在32上，再加热水，用更高一级的温度计监测水温，使其上升到5℃，待热量平衡后，调节RP2，使指针指在45上，再加冷水，逐步降温检查32℃~45℃内刻度的准确程度。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 (2)温度补偿。 热敏电阻可以在一定范围内对某些元件进行温度补偿。图2-6所示为三极管温度补偿电路。当环境温度升高时，三极管的放大倍数刀随温度的升高将增大，温度每上升1℃，刀值增大0.5%~1%，其结果是在相同的IB情况下，集电极电流IC随温度上升而增大，使得输出USC增大，若要使USC维持不变，则需要提高基极电位，减小三极管基极电流。为此选用负温度系数热敏电阻进行温度补偿。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 (3)液位测量。 给NTC型热敏电阻施加一定的加热电流，它的表面温度将高于周围空气的温度，此时它的阻值相对较小。当液面高于其安装高度时，液体将带走它的热量，使之温度下降，阻值升高。根据它的阻值变化，就可以知道液面是否低于设定值。汽车车厢中的油位报警传感器就是利用以上原理制作的。任务一电热水器温度控制器的设计与制作 (4)过载保护。 如图2-7所示，Rt1,Rt2,Rt3是热电特性相同的3个热敏电阻，安装在三相绕组附近。电机正常运行时，电机温度低，热敏电阻高，三极管不导通，继电器不吸合，使电机正常运行。当电机过载时，电机温度升高，热敏电阻的阻值减小，使三极管导通，继电器吸合，则电机停止 转动，从而实现保护作用。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 2.热电阻传感器 在测量200W/220V普通灯泡冷态阻值时，可发现仅有数十欧，但按R=U2/P计算其热态阻值为28252,，冷热阻值相差近10倍，由此可知，钨丝在不同温度场中阻值是不同的。 在金属中，载流子为自由电子，当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变(当温度变化范围不是很大时)，但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子做定向运动，就会遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温度的升高而增加。热电阻就是利用电阻随温度升高而增大这一特性来测量温度的。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 1)常用热电阻 热电阻是利用电阻与温度成一定函数关系的特性，由金属材料制成的感温元件。当被测温度变化时，导体的电阻随温度变化而变化，通过测量电阻值变化的大小而得出温度变化的情况及数值大小。热电阻是中、低温区最常用的一种温度检测器。 作为测温用的热电阻材料，希望其具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加上容易等特点。目前较为广泛应用的热电阻材料为铜、铂、铁和镍等。其中，铂的性能最好，它的适用温度范围为-200℃~960℃，其电阻值和温度之间有近似的线性关系。铜热电阻价廉且线性较好，但高温下容易氧化，故只适用于测量-50℃~150℃。表2-2给出了热电阻的主要性能指标。任务一电热水器温度控制器的设计与制作 (1)铂热电阻。 铂材料的优点为:物理、化学性能极为稳定，尤其是耐氧化能力很强，并且在很宽的温度范围内((1200℃以下)均可保持上述特性;易于提纯，复制性好，有良好的上艺性，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔;电阻率较高。 缺点是:电阻温度系数较小;在还原介质中工作时易被沾污变脆;价格较高。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，其特性方程为 当-200℃≤t≤0℃时，有 当0℃≤t≤960℃时，有 式中，Rt—温度为t℃时铂热电阻的阻值，Ω。 R0—温度为0℃时铂热电阻的阻值，Ω。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 (2)铜热电阻。 铂金属贵重，因此在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，普遍地采用铜热电阻来测量-50℃~+150℃的温度。在此温度范围内，阻值与温度的关系几乎呈线性关系，即可近似表示为 铜热电阻温度系数比铂高，而电阻率比铂低，容易提纯，加上性能好，可拉成细丝，价格便宜。缺点是易氧化，不宜在腐蚀性介质或高温下工作。鉴于上述特点，在介质温度不高、腐蚀性不强、测温元件体积不受限制的条件下大都采用铜热电阻。任务一电热水器温度控制器的设计与制作 2)热电阻的结构和类型 金属热电阻按其结构类型来分:普通型、 铠装型 薄膜型 普通型热电阻由感温元件(金属电阻丝)、骨架、引线、保护套管及接线盒等基本部分组成。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 (1)感温元件(金属电阻丝)。 由于铂的电阻率较大，而且相对机械强度较大，通常铂丝的直径为(0.03~0.07)mm±0.005mm。可单层绕制，若铂丝太细，电阻体可做得小些，但强度低;若铂丝粗，虽强度大，但电阻体积大了，热惰性也大，成本高。由于铜的机械强度较低，电阻丝的直径需较大。一般为0.1mm±0.005mm的漆包铜线或丝包线分层绕在骨架上，并涂上绝缘漆而成。 由于铜电阻的温度低，故可以重叠多层绕制，一般多用双绕法，即两根丝平行绕制，在末端把两个头焊接起来，这样工作电流从一根热电阻丝进入，从另一根热电阻丝反向出来，形成两个电流方向相反的线圈，其磁场方向相反，产生的电感就互相抵消，故又称无感绕法。这种双绕法也有利于引线的引出。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 (2)骨架。 热电阻是绕制在骨架上的，骨架是用来支持和固定电阻丝的。骨架应使用电绝缘性能好，高温下机械强度高，体膨胀系数小，物理、化学性能稳定，对热电阻丝无污染的材料制造，常用的是云母、石英、陶瓷、玻璃及塑料等。 (3)引线。 引线的直径应当比热电阻丝大几倍，尽量减少引线的电阻，以增加引线的机械强度和连接的可靠性，对于工业用的铂热电阻，一般采用1mm的银丝作为引线。对于标准的铂热电阻则可采用0.3mm的铂丝作为引线。对于铜热电阻则常用0.5mm的铜线。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 在骨架上绕制好热电阻丝，并焊好引线之后，在其外面加上云母片进行保护，再装入外保护套管，并和接线盒或外部导线相连接，即得到热电阻传感器。 铂、铜热电阻外形如图2-8所示，结构如图2-9,图2-10所示。 目前，还研制生产了薄膜型热电阻，它是利用真空蒸镀法使铂金属薄膜附着在耐高温基底上。其尺寸可以小至几平方毫米，可将其粘贴在被测高温物体上，测量局部温度，具有热容量小、反应快等特点。 3)热电阻的测量转换电路 热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其他一次仪表上。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。 目前热电阻的接线方式有两线制、三线制和四线制。工业上一般采用三线制。 (1)两线制。 在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫作两线制，如图2-11(a)所示。这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻:，:的大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 (2)三线制。 在热电阻根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，如图2-11(b)所示。这种方式通常与电桥配套使用，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差，是工业过程控制中的最常用连接方式。 (3)四线制。 在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见，这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 4)热电阻的应用 (1)温度测量。 利用热电阻的高灵敏度进行液体、气体、固体、固熔体等方面的温度测量，是热电阻的主要应用。工业测量中常用3线制接法，标准或实验室精密测量中常用四线制。 图2-12所示电路可直接作为铂热电阻测温电路应用，对于铜电阻测温，由于其非线性很小(可近似认为线性)，无需补偿非线性，只要将图2-12所示电路中的R4去掉(开路)即可。改变R7的阻值可改变IC12的放大倍数，以满足测温范围(量程)要求。应用此电路时，IC1可选取普通运算放大器，如双运放LM358、四运放LM324等。IC2为仪表放大器，可选0P-07。对电阻选择的要求:R1为温度稳定性好的精密电阻，其他电阻为同温度系数。上一页下一页返回任务一电热水器温度控制器的设计与制作 (2)流量测量。 热电阻上的热量消耗和介质流速的关系还可以测量流量、流速、风速等，如图2-13所示。当介质处于静止状态时，电桥处于平衡位置，此时流量计没有指示。当介质流动时，由于介质带走热量，温度的变化引起阻值的变化，电桥失去平衡而有输出，此时电流计的指示直接反映了流量的大小。上一页下一页返回图2-1热敏电阻返回图2-2热敏电阻的结构和符号返回1-热敏电阻;2-玻璃外壳;3-引出线;4-紫铜外壳;5-传热安装孔图2-4热敏电阻的温度特性曲线返回1-负温度系数(NTC);2-正温度系数(CPTC);3-临界温度系数(CTR)表2-1热敏电阻的材料返回图2-5热敏电阻体温表测量原理返回图2-6热敏电阻用于三极管温度补偿电路返回图2-7热敏电阻用于电动机过载保护返回表2-2热电阻的主要性能指标返回图2-8热电阻外形返回1-保护套管;2-测温儿件;3紧固螺栓;4-接线盒;5-引出线密封套管图2-9铂电阻结构1-铆钉;2-铂热电阻;3-银质引脚返回图2-10铜电阻结构1-线圈骨架;2-保护层;3-铜电阻丝;4-扎线;5-补偿绕组;6-铜质引脚返回图2-11热电阻的接线连线方式返回图2-12铂热电阻测温电路返回图2-13热电阻式流量计原理返回图2-14电热水器控温器原理图返回