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如何選擇與應(yīng)用相匹配的溫度傳感器類型

發(fā)布時(shí)間:2019-12-24??????發(fā)布人:澤天公司??????點(diǎn)擊:

一種完美(理想)的溫度傳感器必須具有這么幾個(gè)特點(diǎn):對(duì)所測(cè)量的介質(zhì)沒有影響;非常精確;響應(yīng)即時(shí);輸出易于調(diào)節(jié)。不管是哪種類型的溫度傳感器,都要考慮上述因素。不管測(cè)量什么,最重要的是要確保測(cè)量設(shè)備自身不會(huì)影響所測(cè)量的介質(zhì)。進(jìn)行接觸溫度測(cè)量時(shí),這一點(diǎn)尤為重要。選擇正確的傳感器尺寸和導(dǎo)線配置是重要的設(shè)計(jì)考慮因素,以減少"桿效應(yīng)"及其他測(cè)量錯(cuò)誤。

將對(duì)測(cè)量介質(zhì)的影響降至最低之后,如何準(zhǔn)確地測(cè)量介質(zhì)就變得至關(guān)重要。準(zhǔn)確性涉及傳感器的基本特性、測(cè)量準(zhǔn)確性等。如果未能解決有關(guān)"桿效應(yīng)"的設(shè)計(jì)問題,再準(zhǔn)確的溫度傳感器也無濟(jì)于事。

響應(yīng)時(shí)間受傳感器元件質(zhì)量的影響,還會(huì)受到導(dǎo)線的一些影響。溫度傳感器越小,響應(yīng)速度越快。使用微處理器后可以更輕松地調(diào)節(jié)非線性輸出,因此傳感器輸出的信號(hào)調(diào)節(jié)也更不成問題。下表列出了不同溫度傳感器的特性

  NTC熱敏電阻 鉑熱電阻RTD 熱電偶 半導(dǎo)體
傳感器結(jié)構(gòu) 陶瓷  金屬氧化尖晶石 鉑繞線式  或金屬薄膜 熱電 半導(dǎo)體  連接點(diǎn)
溫度范圍(常規(guī)) -100 ~ +325?C -200 ~ +650?C 200 ~ +1750?C -70 ~ 150?C
準(zhǔn)確性(常規(guī)) 0.05 ~ 1.5 ?C 0.1 ~ 1.0?C 0.5 ~ 5.0?C 0.5 ~ 5.0?C
100?C時(shí)的  長(zhǎng)期穩(wěn)定性 0.2?C/年(環(huán)氧) 0.02?C/年(玻璃) 0.05?C/年(薄膜) 0.002?C/年(電線) 可變,某些類型會(huì)隨著 年限的變化而變化 >1?C/年
輸出 NTC電阻 -4.4%/?C(常規(guī)) PTC電阻 0.00385Ω/°C 熱電壓 10μV ~ 40μV/°C 數(shù)字,各種輸出
線性度 指數(shù)函數(shù) 相當(dāng)線性 多數(shù)類型呈非線性 線性
所需的電源 恒定電壓或電流 恒定電壓或電流 自供電 4 ~ 30 VDC
響應(yīng)時(shí)間 較快,0.12 ~ 10秒 一般較慢,1 ~ 50秒 較快,0.10 ~ 10秒 較慢,5 ~ 50秒
對(duì)電噪聲的敏感度 相當(dāng)不敏感, 僅對(duì)高電阻敏感 相當(dāng)不敏感 敏感/冷端補(bǔ)償 很大程度上 取決于布局
導(dǎo)線電阻影響 僅低電阻零件 很敏感。 需要三線或四線配置 對(duì)短期運(yùn)行無影響。 需要TC延長(zhǎng)線。 不適用
成本 低到中 繞線式——高 薄膜——低

上述主要類型的溫度傳感器的基本原理有所不同。每種傳感器的溫度范圍也有所不同。熱電偶系列的溫度范圍最廣,跨越多個(gè)熱電偶類型。精度取決于基本的傳感器特性。所有傳感器類型的精度各不相同,不過鉑元件和熱敏電阻的精度最高。一般而言,精度越高,價(jià)格就越高。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性由傳感器隨時(shí)間的推移保持其精度的一致程度來決定。穩(wěn)定性由傳感器的基本物理屬性決定。高溫通常會(huì)降低穩(wěn)定性。鉑和玻璃封裝的繞線式熱敏電阻是最穩(wěn)定的傳感器。熱電偶和半導(dǎo)體的穩(wěn)定性則最差。

傳感器輸出依照類型而有所變化。熱敏電阻的電阻變化與溫度成反比,因此具有負(fù)溫度系數(shù)(NTC)。鉑等基金屬具有正溫度系數(shù)(PTC)。熱電偶的輸出較低,并且會(huì)隨著溫度的變化而變化。半導(dǎo)體通常可以調(diào)節(jié),帶各種數(shù)字信號(hào)輸出。

線性度定義了傳感器的輸出在一定的溫度范圍內(nèi)一致變化的情況。熱敏電阻呈指數(shù)級(jí)非線性,低溫下的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高溫下的靈敏度。隨著微處理器在傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路中的應(yīng)用越來越廣泛,傳感器的線性度愈發(fā)不成問題。

通電后,熱敏電阻和鉑元件都需要恒定的電壓或電流。功率調(diào)節(jié)對(duì)于控制熱敏電阻或鉑RTD中的自動(dòng)加熱至關(guān)重要。電流調(diào)節(jié)對(duì)于半導(dǎo)體而言不太重要。熱電偶會(huì)產(chǎn)生電壓輸出。

響應(yīng)時(shí)間,即傳感器指示溫度的速度,取決于傳感器元件的尺寸和質(zhì)量(假定不使用預(yù)測(cè)方法)。半導(dǎo)體的響應(yīng)速度最慢。繞線式鉑元件的響應(yīng)速度是第二慢的。鉑薄膜、熱敏電阻和熱電偶提供小包裝,因此帶有高速選件。玻璃微珠是響應(yīng)速度最快的熱敏電阻配置。會(huì)導(dǎo)致溫度指示有誤的電噪聲是使用熱電偶時(shí)的一個(gè)主要問題。在某些情況下,電阻極高的熱敏電阻可能是個(gè)問題。

導(dǎo)線電阻可能會(huì)導(dǎo)致熱敏電阻或RTD等電阻式設(shè)備內(nèi)出現(xiàn)錯(cuò)誤偏差。使用低電阻設(shè)備(例如100Ω鉑元件)或低電阻熱敏電阻時(shí),這種影響會(huì)更加明顯。對(duì)于鉑元件,使用三線或四線導(dǎo)線配置來消除此問題。對(duì)于熱敏電阻,通常會(huì)通過提高電阻值來消除此影響。熱電偶必須使用相同材料的延長(zhǎng)線和連接器作為導(dǎo)線,否則可能會(huì)引發(fā)錯(cuò)誤。盡管熱電偶是最廉價(jià)、應(yīng)用最廣泛的傳感器,但NTC熱敏電阻的性價(jià)比卻往往是最高的。下表列出了不同類型溫度傳感器的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

  NTC熱敏電阻 鉑RTD 熱電偶 半導(dǎo)體
傳感器 陶瓷(金屬氧化尖晶石) 鉑繞線式或金屬薄膜 熱電 半導(dǎo)體 連接點(diǎn)
優(yōu)勢(shì)  靈敏度  精度  成本 堅(jiān)固耐用 包裝靈活 密封 表面安裝 精度 穩(wěn)定性 線性度 溫度范圍 自供電 不會(huì)自動(dòng)加熱 堅(jiān)固耐用 易于使用 板式安裝 堅(jiān)固耐用 總成本
劣勢(shì) 非線性 自動(dòng)加熱 潮濕故障 (僅對(duì)于非玻璃設(shè)備) 導(dǎo)線電阻錯(cuò)誤 響應(yīng)時(shí)間 抗振 大小 包裝限制 冷端補(bǔ)償 精度 穩(wěn)定性 TC延長(zhǎng)線 精度 有限的應(yīng)用 穩(wěn)定性 響應(yīng)時(shí)間

每種溫度傳感器都有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。熱敏電阻的主要優(yōu)勢(shì)是:靈敏度:熱敏電阻能隨非常微小的溫度變化而變化。精度:熱敏電阻能提供很高的絕對(duì)精度和誤差。成本:對(duì)于熱敏電阻的高性能,它的性價(jià)比很高。堅(jiān)固性:熱敏電阻的構(gòu)造使得它非常堅(jiān)固耐用。靈活性:熱敏電阻可配置為多種物理形式,包括極小的包裝。密封:玻璃封裝為其提供了密封的包裝,從而避免因受潮而導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)故障。表面安裝:提供各種尺寸和電阻容差。在熱敏電阻的劣勢(shì)中,通常只有自動(dòng)加熱是一個(gè)設(shè)計(jì)考慮因素。必須采取適當(dāng)措施將感應(yīng)電流限制在一個(gè)足夠低的值,以便使自動(dòng)加熱錯(cuò)誤降低到一個(gè)可接受的值。非線性問題可通過軟件或電路來解決,會(huì)引發(fā)故障的潮濕問題可通過玻璃封裝來解決。所有溫度傳感器都有特定的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。要確保項(xiàng)目取得成功,關(guān)鍵是讓溫度傳感器功能與應(yīng)用相匹配。