如何選擇與應(yīng)用相匹配的溫度傳感器類型
一種完美(理想)的溫度傳感器必須具有這么幾個特點:對所測量的介質(zhì)沒有影響;非常精確;響應(yīng)即時;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。不管測量什么,最重要的是要確保測量設(shè)備自身不會影響所測量的介質(zhì)。進行接觸溫度測量時,這一點尤為重要。選擇正確的傳感器尺寸和導(dǎo)線配置是重要的設(shè)計考慮因素,以減少"桿效應(yīng)"及其他測量錯誤。
將對測量介質(zhì)的影響降至最低之后,如何準(zhǔn)確地測量介質(zhì)就變得至關(guān)重要。準(zhǔn)確性涉及傳感器的基本特性、測量準(zhǔn)確性等。如果未能解決有關(guān)"桿效應(yīng)"的設(shè)計問題,再準(zhǔn)確的溫度傳感器也無濟于事。
響應(yīng)時間受傳感器元件質(zhì)量的影響,還會受到導(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 |
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時的 長期穩(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 |
對電噪聲的敏感度 | 相當(dāng)不敏感, 僅對高電阻敏感 | 相當(dāng)不敏感 | 敏感/冷端補償 | 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 | 對短期運行無影響。 需要TC延長線。 | 不適用 |
成本 | 低到中 | 繞線式——高 薄膜——低 | 低 | 中 |
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,價格就越高。
長期穩(wěn)定性由傳感器隨時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)級非線性,低溫下的靈敏度遠遠高于高溫下的靈敏度。隨著微處理器在傳感器信號調(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)對于控制熱敏電阻或鉑RTD中的自動加熱至關(guān)重要。電流調(diào)節(jié)對于半導(dǎo)體而言不太重要。熱電偶會產(chǎn)生電壓輸出。
響應(yīng)時間,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。會導(dǎo)致溫度指示有誤的電噪聲是使用熱電偶時的一個主要問題。在某些情況下,電阻極高的熱敏電阻可能是個問題。
導(dǎo)線電阻可能會導(dǎo)致熱敏電阻或RTD等電阻式設(shè)備內(nèi)出現(xiàn)錯誤偏差。使用低電阻設(shè)備(例如100Ω鉑元件)或低電阻熱敏電阻時,這種影響會更加明顯。對于鉑元件,使用三線或四線導(dǎo)線配置來消除此問題。對于熱敏電阻,通常會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線和連接器作為導(dǎo)線,否則可能會引發(fā)錯誤。盡管熱電偶是最廉價、應(yīng)用最廣泛的傳感器,但NTC熱敏電阻的性價比卻往往是最高的。下表列出了不同類型溫度傳感器的優(yōu)勢和劣勢。
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 |
優(yōu)勢 | 靈敏度 精度 成本 堅固耐用 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 不會自動加熱 堅固耐用 | 易于使用 板式安裝 堅固耐用 總成本 |
劣勢 | 非線性 自動加熱 潮濕故障 (僅對于非玻璃設(shè)備) | 導(dǎo)線電阻錯誤 響應(yīng)時間 抗振 大小 包裝限制 | 冷端補償 精度 穩(wěn)定性 TC延長線 | 精度 有限的應(yīng)用 穩(wěn)定性 響應(yīng)時間 |
每種溫度傳感器都有其優(yōu)勢和劣勢。熱敏電阻的主要優(yōu)勢是: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精度和誤差。成本:對于熱敏電阻的高性能,它的性價比很高。堅固性:熱敏電阻的構(gòu)造使得它非常堅固耐用。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。在熱敏電阻的劣勢中,通常只有自動加熱是一個設(shè)計考慮因素。必須采取適當(dāng)措施將感應(yīng)電流限制在一個足夠低的值,以便使自動加熱錯誤降低到一個可接受的值。非線性問題可通過軟件或電路來解決,會引發(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)勢和劣勢。要確保項目取得成功,關(guān)鍵是讓溫度傳感器功能與應(yīng)用相匹配。
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