如何選擇與應(yīng)用相匹配的溫度傳感器類(lèi)型
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(méi)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(lèi)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(wèn)題,再準(zhǔn)確的溫度傳感器也無(wú)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(wèn)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(lèi)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(lèi)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(wú)影響。 需要TC延長(zhǎng)線。 | 不適用 |
成本 | 低到中 | 繞線式——高 薄膜——低 | 低 | 中 |
上述主要類(lèi)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(lèi)型。精度取決于基本的傳感器特性。所有傳感器類(lèi)型的精度各不相同,不過(guò)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(lái)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(lèi)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??梢哉{(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(lái)越廣泛,傳感器的線性度愈發(fā)不成問(wèn)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(wèn)題。在某些情況下,電阻極高的熱敏電阻可能是個(gè)問(wèn)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(lái)消除此問(wèn)題。對(duì)于熱敏電阻,通常會(huì)通過(guò)提高電阻值來(lái)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(lèi)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(wèn)題可通過(guò)軟件或電路來(lái)解決,會(huì)引發(fā)故障的潮濕問(wèn)題可通過(guò)玻璃封裝來(lái)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。
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