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如何选择与应用相匹配的温度传感器类型

发布时间:2019-12-24      发布人:www.hnzts.com      点击:

一种完美(理想)的温度传感器必须具有这么几个特点:对所测量的介质没有影响;非常精确;响应即时;输出易于调节。不管是哪种类型的温度传感器,都要考虑上述因素。不管测量什么,最重要的是要确保测量设备自身不会影响所测量的介质。进行接触温度测量时,这一点尤为重要。选择正确的传感器尺寸和导线配置是重要的设计考虑因素,以减少"杆效应"及其他测量错误。

将对测量介质的影响降至最低之后,如何准确地测量介质就变得至关重要。准确性涉及传感器的基本特性、测量准确性等。如果未能解决有关"杆效应"的设计问题,再准确的温度传感器也无济于事。

响应时间受传感器元件质量的影响,还会受到导线的一些影响。温度传感器越小,响应速度越快。使用微处理器后可以更轻松地调节非线性输出,因此传感器输出的信号调节也更不成问题。下表列出了不同温度传感器的特性

  NTC热敏电阻 铂热电阻RTD 热电偶 半导体
传感器结构 陶瓷  金属氧化尖晶石 铂绕线式  或金属薄膜 热电 半导体  连接点
温度范围(常规) -100 ~ +325˚C -200 ~ +650˚C 200 ~ +1750˚C -70 ~ 150˚C
准确性(常规) 0.05 ~ 1.5 ˚C 0.1 ~ 1.0˚C 0.5 ~ 5.0˚C 0.5 ~ 5.0˚C
100˚C时的  长期稳定性 0.2˚C/年(环氧) 0.02˚C/年(玻璃) 0.05˚C/年(薄膜) 0.002˚C/年(电线) 可变,某些类型会随着 年限的变化而变化 >1˚C/年
输出 NTC电阻 -4.4%/˚C(常规) PTC电阻 0.00385Ω/°C 热电压 10µV ~ 40µV/°C 数字,各种输出
线性度 指数函数 相当线性 多数类型呈非线性 线性
所需的电源 恒定电压或电流 恒定电压或电流 自供电 4 ~ 30 VDC
响应时间 较快,0.12 ~ 10秒 一般较慢,1 ~ 50秒 较快,0.10 ~ 10秒 较慢,5 ~ 50秒
对电噪声的敏感度 相当不敏感, 仅对高电阻敏感 相当不敏感 敏感/冷端补偿 很大程度上 取决于布局
导线电阻影响 仅低电阻零件 很敏感。 需要三线或四线配置 对短期运行无影响。 需要TC延长线。 不适用
成本 低到中 绕线式——高 薄膜——低

上述主要类型的温度传感器的基本原理有所不同。每种传感器的温度范围也有所不同。热电偶系列的温度范围最广,跨越多个热电偶类型。精度取决于基本的传感器特性。所有传感器类型的精度各不相同,不过铂元件和热敏电阻的精度最高。一般而言,精度越高,价格就越高。

长期稳定性由传感器随时间的推移保持其精度的一致程度来决定。稳定性由传感器的基本物理属性决定。高温通常会降低稳定性。铂和玻璃封装的绕线式热敏电阻是最稳定的传感器。热电偶和半导体的稳定性则最差。

传感器输出依照类型而有所变化。热敏电阻的电阻变化与温度成反比,因此具有负温度系数(NTC)。铂等基金属具有正温度系数(PTC)。热电偶的输出较低,并且会随着温度的变化而变化。半导体通常可以调节,带各种数字信号输出。

线性度定义了传感器的输出在一定的温度范围内一致变化的情况。热敏电阻呈指数级非线性,低温下的灵敏度远远高于高温下的灵敏度。随着微处理器在传感器信号调节电路中的应用越来越广泛,传感器的线性度愈发不成问题。

通电后,热敏电阻和铂元件都需要恒定的电压或电流。功率调节对于控制热敏电阻或铂RTD中的自动加热至关重要。电流调节对于半导体而言不太重要。热电偶会产生电压输出。

响应时间,即传感器指示温度的速度,取决于传感器元件的尺寸和质量(假定不使用预测方法)。半导体的响应速度最慢。绕线式铂元件的响应速度是第二慢的。铂薄膜、热敏电阻和热电偶提供小包装,因此带有高速选件。玻璃微珠是响应速度最快的热敏电阻配置。会导致温度指示有误的电噪声是使用热电偶时的一个主要问题。在某些情况下,电阻极高的热敏电阻可能是个问题。

导线电阻可能会导致热敏电阻或RTD等电阻式设备内出现错误偏差。使用低电阻设备(例如100Ω铂元件)或低电阻热敏电阻时,这种影响会更加明显。对于铂元件,使用三线或四线导线配置来消除此问题。对于热敏电阻,通常会通过提高电阻值来消除此影响。热电偶必须使用相同材料的延长线和连接器作为导线,否则可能会引发错误。尽管热电偶是最廉价、应用最广泛的传感器,但NTC热敏电阻的性价比却往往是最高的。下表列出了不同类型温度传感器的优势和劣势。

  NTC热敏电阻 铂RTD 热电偶 半导体
传感器 陶瓷(金属氧化尖晶石) 铂绕线式或金属薄膜 热电 半导体 连接点
优势  灵敏度  精度  成本 坚固耐用 包装灵活 密封 表面安装 精度 稳定性 线性度 温度范围 自供电 不会自动加热 坚固耐用 易于使用 板式安装 坚固耐用 总成本
劣势 非线性 自动加热 潮湿故障 (仅对于非玻璃设备) 导线电阻错误 响应时间 抗振 大小 包装限制 冷端补偿 精度 稳定性 TC延长线 精度 有限的应用 稳定性 响应时间

每种温度传感器都有其优势和劣势。热敏电阻的主要优势是:灵敏度:热敏电阻能随非常微小的温度变化而变化。精度:热敏电阻能提供很高的绝对精度和误差。成本:对于热敏电阻的高性能,它的性价比很高。坚固性:热敏电阻的构造使得它非常坚固耐用。灵活性:热敏电阻可配置为多种物理形式,包括极小的包装。密封:玻璃封装为其提供了密封的包装,从而避免因受潮而导致传感器出现故障。表面安装:提供各种尺寸和电阻容差。在热敏电阻的劣势中,通常只有自动加热是一个设计考虑因素。必须采取适当措施将感应电流限制在一个足够低的值,以便使自动加热错误降低到一个可接受的值。非线性问题可通过软件或电路来解决,会引发故障的潮湿问题可通过玻璃封装来解决。所有温度传感器都有特定的优势和劣势。要确保项目取得成功,关键是让温度传感器功能与应用相匹配。