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为您的应用选择正确温度传感器

供稿:中国工控网 2016/9/7 9:15:34

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  • 关键词: 温度传感器
  • 摘要:如果您要进行可靠的温度测量,就需要为您的应用选择正确的温度传感器。热电偶、热敏电阻、铂电阻(RTD)和温度IC是测试中最常用的温度传感器。

  如果您要进行可靠的温度测量,就需要为您的应用选择正确的温度传感器。热电偶、热敏电阻、铂电阻(RTD)和温度IC是测试中最常用的温度传感器。

图1 各种流行温度传感器的优点和缺点

  热电偶

  热电偶是温度测量中最常用的传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境,而且结实、价低,无需供电,尤其最便宜。热电偶由在一端连接的两条不同金属线(金属A和金属B)构成,如图2所示。当热电偶一端受热时,热电偶电路中就有电势差。可用测量的电势差来计算温度。

图 2 热偶电路图(左)和热偶电压— 温度曲线例子(右)

  由于电压和温度是非线性关系,因此需要为参考温度(Tref)作第二次测量,并利用测试设备软件和∕或硬件在仪器内部处理电压—温度变换,以最终获得热偶温度(Tx)。Agilent34970A和34980A数据采集器均有内置的测量了运算能力。

  简而言之,热偶是最简单和最通用的温度传感器,但热偶并不适合高精度的应用。

  热敏电阻

  热敏电阻是用半导体材料,大多为负温度系数,即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变,因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差,并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。

图3 热敏电阻电路图

  热敏电阻体积非常小,对温度变化的响应也快。但热敏电阻需要使用电流源,小尺寸也使它对自热误差极为敏感。

  热敏电阻在两条线上测量的是绝对温度, 有较好的精度,但它比热偶贵,可测温度范围也小于热偶。一种常用热敏电阻在25℃时的阻值为5kΩ,每1℃的温度改变造成200Ω的电阻变化。注意10Ω的引线电阻仅造成可忽略的0.05℃误差。它非常适合需要进行快速和灵敏温度测量的电流控制应用。尺寸小对于有空间要求的应用是有利的,但必须注意防止自热误差。

  测量技巧

  热敏电阻体积小是优点,它能很快稳定,不会造成热负载。不过也因此很不结实,大电流会造成自热。由于热敏电阻是一种电阻性器件,任何电流源都会在其上因功率而造成发热。功率等于电流平方与电阻的积。因此要使用小的电流源。如果热敏电阻暴露在高热中,将导致永久性的损坏。

  铂电阻温度传感器

  与热敏电阻相似,铂电阻温度传感器(RTD)是用铂制成的热敏感电阻。当通过测量电压计算RTD温度时,数字万用表用已知电流源测量该电流源所产生的电压。这一电压为两条引线(Vlead)上的压降加RTD上的电压(Vtemp)。例如,常用RTD的电阻为100Ω,每1℃仅产生0.385Ω的电阻变化。如果每条引线有10Ω电阻,就将造成26℃的测量误差,这是不可接受的。所以应对RTD作4线欧姆测量。

图4 RTD需要用4线测量

  RTD是最精确和最稳定的温度传感器,它的线性度优于热偶和热敏电阻。但RTD是最贵的温度传感器。因此RTD最适合对精度有严格要求,而速度和价格不太关键的应用领域。

 

  测量技巧

  ·使用5mA电流源会因自热造成2.5℃的温度测量误差。因此把自热误差减到最小是极为重要的。

  ·4线测量更为精确,但需要两倍的引线和两倍的开关。

 

  温度IC

  温度集成电路(IC)是一种数字温度传感器,它有非常线性的电压∕电流—温度关系。有些IC传感器甚至有代表温度、并能被微处理器直接读出的数字输出形式。

图6 电流传感器(左)和电压传感器(右)

  有两类具有如下温度关系的温度IC:

  ·电压IC: 10 mV/K。

  ·电流IC: 1μA/K。

  温度IC的输出是非常线性的电压∕℃。实际产生的是电压∕Kelvin,因此室温时的1℃输出约为3V。温度IC需要有外电源。通常温度IC是嵌入在电路中而不用于探测。

 

  温度IC缺点是温度范围非常有限,也存在同样的自热、不坚固和需要外电源的问题。总之,温度IC提供产生正比于温度的易读读数方法。它很便宜,但也受到配置和速度限制。

 

  测量技巧

  ·温度IC 体积较大,因此它变化慢,并可能造成热负载。

  ·把温度IC用于接近室温的场合。这是它最流行的应用。虽然测量范围有限,但也能测量150℃的高温。

 

  小结

  我们已讨论了各类常用温度传感器的优点和缺点。如果您了解必须的权衡,为您的应用仔细选择正确的传感器,您就能避免常见的缺憾而实现可靠的温度测量。

 


审核编辑(王静)
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