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精确测量温度该如何选择温度传感器

TOPOS 特普生 2021-03-31 25 988

无论在工业应用还是在实验室环境中,精确测量温度是成功的关键环节,医疗应用、实验室材料研究、电气/电子元件研究、 生物学研究、地质学研究和电气产品设备热性能分析均需要准确的温度测量。

有许多不同类型的传感器可用于温度测量。最常见的三种温度传感器是电阻温度检测器(RTD)、热电偶(TC)和热敏电阻。它们具有的特定工作参数会使其更适于某些应用。固态传感器也可用于中等温度范围应用,并且具有内建信号调理和容易连接的优点——在某 些情况下带直接数字串行接口,由于这种传感器不在本文的讨论范围之内,所以不作不详细介绍。

人体表皮温度检测温度传感器

选择一款温度传感器

当选择温度传感器时有许多问题需要考虑。首先, 要考虑应用类型。要测量器件的什么参数?是室内还是外壳中的环境温度?具有塑料或金属封装的电子元件能否耐高压?或者要测量炽热的钢锭?或者汽车引擎的某个部分,例如进气口或排气口?上述某些考虑会由于环境和安全因素、每颗传感器的成本预算以及传感器到仪器的距离来决定传感器的选择。

接下来要考虑的是预计温度测量的量程。汽车引擎 模块在完全预热后温度能到100°C以上。大多数热电偶能测量此温度范围,并且此类应用最常见的是K型热电偶。 另一方面,陶瓷烧窑可以达到好几百摄氏度。N型适合于较高的温度,因为它们既稳定又耐高温氧化。在刻度的另一端,超导器件在接近几个开尔文(或刚刚高于绝对零度或-273°C)的极低温度下实现超导电性,因此传感器必须能经受超导体工作的冰点以下的气温。具有较高输出(约68uV/C)的E型热电偶可能比较合适,因为它们非常适于低温工作。表1给出了TC及其量程的总结。

另一个考虑是用于安装传感器的可用区域,以便充分地测量待测温度。待测器件必须具有足够空间用于 安装所选的传感器。例如:集成电路是微型电子器件, 因此传感器的正确选择取决于待测参数、IC封装或引脚框架或芯片本身。大多数传感器具有多种形状和尺寸, 其中一定有一种符合应用要求。电隔离的RTD以良好的尺寸、隔离度和准确度可能是IC微型电子电路的最佳选择。

热电偶

到目前为止,最常用的温度传感器是热电偶或TC。 主要原因是热电偶成本低,极其耐用,能远距离工作, 自行供电,并且热电偶的类型较多能覆盖较宽的温度范围。低成本在许多应用中都很有说服力。坚固耐用意味着它们能在许多不同的工作环境(包括室外和严酷的工厂环境)中持续地工作。提供带金属屏蔽的TC有助于在严酷的或腐蚀性的环境中保护TC,或者TC在导管中工 作。不同的合金可以实现不同的量程和测量灵敏度。一 些常见TC的类型包括J、K、T、E、R、S、B和N,这指 的是TC的构建材料类型(如表1中所示)。J、K和T型 是最常见的并且以卷轴和预制的形式提供。

热电偶的一个重要特点是非线性;也就是说热电偶的输出电压与温度是非线性的。因此为了将输出电压准确转换为温度需要数学线性化。

热电偶是由一端两种不同的合金接合(焊接或绞合)并且另一端开路构成的。它们的工作原理是热电效应并且可以认为当两种不同金属之间存在热量差(也称为塞贝克效应)时,这两种金属的结就产生一个电压。 开路端或输出端的电压信号是闭合端温度的函数。随着温度升高,电压信号也随之上升。

这是实际发生的情况。开路端的信号不仅与闭合端的温度(测量点)有关,也与开路端的温度有关。只需要让T2保持在标准温度上就能认为测量信号与T1变化有直接关系。开路端电压(V1)不仅与闭合端的温度(测量点的温度)有关,也与开路端的温度(T2)有关。此电压形成的原因是不同材料对于相等温度差产生不同的电压。这是采用两种不同金属的原因。如果采用相同的金属,那么此电压将为零。

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热电偶类型

T2的工业标准是0°C。大多数图表假定T2等于 0°C。在工业仪表中,T2的实际温度和0°C的差通常在仪表内部进行电子校准。这种调整被称作冷端补偿或冰点基准。

优点

热电偶相对于其它类型的温度传感器有许多优点。 首先,它们自供电,无需外部电源。而且它们非常坚固耐用并能耐受严酷的环境。热电偶比RTD和热敏电阻便 宜而且种类繁多、温度量程较宽。(参见表1了解热电偶 的量程。)

缺点

热电偶是非线性的并且需要冷端补偿(CJC)以实 现线性化。而且电压信号较低,通常只有几十至几百毫伏,从而需要谨慎的方法消除低压环境中的噪声和漂 移。准确度通常在1%~3%范围内,这取决于导线合金的一 致性和冷接点准确度。

常见错误

避免设置和使用热电偶的一些常见错误可以获得更 好的测量结果。一个常见问题是CJC没有正确地或者根 本没有配置或补偿。这会导致温度测量的不准确或非线性。

另一个错误是使用铜线连接热电偶和测量器件。通常测量器件(电压表、DMM等)具有铜输入端子。使用 另一种合金(锡、铝等)实质上在测量中引入了另一个 热电偶。这是因为任何不同金属的结形成热电偶。在测量设备方面,使用电压表的灵敏度和准确度不一定足够 用于热电偶测量。为避免这个问题,务必要让电压表具有足够的灵敏度和准确度用于热电偶的低压信号(微伏 至毫伏)。进行正确的屏蔽也能防止所有外部噪声。用导电屏蔽环绕感测电路并将屏蔽连至电路或测量LO以实现最大效果。

RTD

一种最准确的温度传感器是电阻温度检测器或 RTD。在RTD中,器件电阻与温度成比例。RTD最常见的材料是铂,其中某些RTD用其它金属(例如镍和铜)制成。 RTD温度测量量程较宽。取决于RTD是如何构建的,RTD能测量–270°C~+850°C范围的温度。

RTD需要外部激励(通常是电流源)才能正常工 作。然而,阻性元件中电流产生的热量会导致温度测量 的误差。测量误差用下面的公式计算:

△T=PxS

其中,T是温度,P是产生的I平方功率,并且S是摄 氏度/毫瓦。

使用RTD测量温度有许多种方法。首先是2线法。这种方法施加电流至RTD并测量产生的电压。这种方法的优点是简单,只需要使用2条测试线,因而容易连接和实现。主要的缺点是测试线电阻是测量的一部分,这会引入一些测量误差。

2线法的改进是3线法。同样地输入电流至器件并测量产生的电压。然而3线法提供了测试线电阻补偿。 这需要3线测量补偿单元或实际测量第3条线的贡献再从测量总结果中减去它。

第3种方法是4线法,这常见于基准传感器的校准实验室。类似于其它两种方法,输入电流至RTD并测量产生的电压。但是电流输出到一对测试线中,并且电压在另一对线上测量。这种方法能完全补偿测试线电阻。 电压在阻性元件上测量,不是在输出电流的同一点上测量,这意味着测试线电阻完全在测量通路之外。换句话说,测试线电阻不是实际电压测量的一部分。

例如,考虑测试线电阻约为0.2Ω并且RTD具有 100Ω电阻。在这个例子中,测试线电阻约为测试电路总电阻的0.2%。使用4线法,测试线电阻不是测量电路的一部分,因此仅测量RTD的电阻。这消除了0.2%的测量误差从而实现更准确的测量。

优缺点

RTD具有其它温度传感器所没有的某些优点。首先,RTD是最稳定和最准确的温度测量器件。像热电偶一 样,RTD是非线性的。这意味着RTD也需要线性化,这通常用校准因子实现。

RTD的一个缺点是比热敏电阻和热电偶贵,而且需要电流源。RTD具有较小的△R,这意味着有低阻至温 度的变化。例如:为了改变1摄氏度,RTD可能会改变 0.1Ω。

当使用RTD时,许多常见现象经常没有考虑,最重要的是自发热。测试电流流过RTD产生的自发热会 产生测量误差。如果测量低温(低于0°C),RTD产生的热量会使预期的温度降低。而且,如果没有补偿测试线,测量中会引入更多的误差。使用4线法有助于消除这种类型的误差。另一个常见错误是没有选择合适的RTD温度量程。尝试测量RTD温度量程之外的温度 会导致更大误差甚至损坏传感器。

热敏电阻

另一种常见的温度传感器是热敏电阻。像RTD一 样,热敏电阻的电阻值会随着温度变化而变化。热敏 电阻的灵敏度比RTD高,这意味着热敏电阻随温度变 化产生的电阻值变化量要比RTD的多得多。

大多数热敏电阻具有负温度系数,这意味着电 阻值随着温度升高而降低。而且,热敏电阻比RTD的 线性度低并需要校准因子。Steinhart-Hart方程描述了热敏电阻的电阻随温度的变化,并有助于估计单 个热敏电阻曲线。

此方程是:

1/T=A+Bx(lnR)+Cx(lnR)2

其中:

T是绝对温度

R是热敏电阻的电阻值

A、B和C是通过校准过程确定的曲线拟合常数, In是自然对数函数(以e为底的对数)

优缺点

热敏电阻具有其它温度传感器所没有的某些优点。首先热敏电阻容易使用标准2线测量方案进行设置和操作。而且具有快速响应时间。因为热敏电阻可以制作得非常小,所以能快速响应温度变化。

在缺点方面,热敏电阻的非线性特性需要线性化。它们还具有有限的温度量程并且不如TC或RTD坚固耐用。因为热敏电阻是半导体,所它们更可能在高温时出现未校准的问题。热敏电阻也需要使用电流源并且像RTD那样具有自发热特性。

常见错误

不考虑自发热并且选择温度量程不够的器件是 使用热敏电阻的常见错误。然而,有一些方法能降低自发热。典型的测试电流是恒定的直流电流。使用脉冲直流电流有助于降低自发热效应,因为电流仅施加到测量周期的较短部分,因此降低了热敏电阻产生的总功率。

另一个常见错误是测量的温度在热敏电阻量程之外。一定要考虑测量温度的范围,热敏电阻的温度量程约为几百摄氏度。

总结

测量温度时有许多种传感器供选择。热电偶、 RTD和热敏电阻是当今最常见的三种传感器。热电偶是最广泛使用的传感器,它们具有最宽的测量范围并用于火焰温度、气炉/电炉和加热系统。热敏电阻主要用于人类环境温度(0°C~30°C),例如冰箱和恒温箱,但是 RTD最准确并被广泛用于校准/标准应用,每种传感器都有优、缺点。选择合适的传感器对于实现准确、可靠的温度测量非常重要。


特普生主营温度传感器NTC热敏电阻传感器模块及一体化解决方案,特普生拥有发明专利5项,实用新型27项,保留不公开技术2项,是国内唯一拥有全尺寸全自动单端玻封机、单端热敏电阻测试机的具有芯片设计能力的源头实业,特普生温度传感器,特别好的温度传感器。

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