如何選擇與應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:對所測量的介質沒有影響;非常精確,;響應即時,;輸出易于調節(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備自身不會影響所測量的介質,。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線配置是重要的設計考慮因素,,以減少"桿效應"及其他測量錯誤,。
將對測量介質的影響降至最低之后,如何準確地測量介質就變得至關重要,。準確性涉及傳感器的基本特性,、測量準確性等,。如果未能解決有關"桿效應"的設計問題,再準確的溫度傳感器也無濟于事,。
響應時間受傳感器元件質量的影響,,還會受到導線的一些影響。溫度傳感器越小,,響應速度越快,。使用微處理器后可以更輕松地調節(jié)非線性輸出,因此傳感器輸出的信號調節(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 | 半導體 | |
傳感器結構 | 陶瓷 金屬氧化尖晶石 | 鉑繞線式 或金屬薄膜 | 熱電 | 半導體 連接點 |
溫度范圍(常規(guī)) | -100 ~ +325?C | -200 ~ +650?C | 200 ~ +1750?C | -70 ~ 150?C |
準確性(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 | 相當不敏感,, 僅對高電阻敏感 | 相當不敏感 | 敏感/冷端補償 | 很大程度上 取決于布局 |
導線電阻影響 | 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,。半導體通??梢哉{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節(jié)電路中的應用越來越廣泛,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。功率調節(jié)對于控制熱敏電阻或鉑RTD中的自動加熱至關重要,。電流調節(jié)對于半導體而言不太重要,。熱電偶會產生電壓輸出。
響應時間,,即傳感器指示溫度的速度,,取決于傳感器元件的尺寸和質量(假定不使用預測方法)。半導體的響應速度最慢,。繞線式鉑元件的響應速度是第二慢的,。鉑薄膜、熱敏電阻和熱電偶提供小包裝,,因此帶有高速選件,。玻璃微珠是響應速度最快的熱敏電阻配置。會導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。
導線電阻可能會導致熱敏電阻或RTD等電阻式設備內出現(xiàn)錯誤偏差,。使用低電阻設備(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線,,否則可能會引發(fā)錯誤。盡管熱電偶是最廉價,、應用最廣泛的傳感器,,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 (僅對于非玻璃設備) | 導線電阻錯誤 響應時間 抗振 大小 包裝限制 | 冷端補償 精度 穩(wěn)定性 TC延長線 | 精度 有限的應用 穩(wěn)定性 響應時間 |
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計考慮因素,。必須采取適當措施將感應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,,關鍵是讓溫度傳感器功能與應用相匹配,。
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