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如何选择和正确使用温度传感器 [2007-2-7]来源:正岛电器技术应用开发部

   首先让我们回顾一下RTDs、IC传感器、电热调节器和热电偶的构造及测量温度的原理,我们将讨论这些传感器之间的差别。该文将涉及温度范围、公差、精度、互换性能和每种类型的优点和缺点。我们的宗旨就是在读者选用各种类型的传感器之前能对各类产品有一个较好的了解。

热感测技术基础的回顾
RTDs 这些装置包括金属测量元件,它是一个随温度变化电阻。这种阻值的变化是众所周知的,具有很好的重复性能。在RTD的敏感元件通常包括一段导线及一个传导胶片的栅格(具有导体模式)进行隔离耦合。

  连接敏感元件的外延导线应保证其阻抗能尽可能测量远处的目标。敏感元件在生产工艺中被封装的放置应能保证它与外界具有相同的温度。

  IC 传感器。IC传感器具有半导体材料的阻性变化优点。尤其是在低温条件下,它们也能提供线性电压或电流输出。这种装置能提供一个直接的数字形式的温度读数,从而减少了A/D转换的过程。由于IC传感器具有存储功能,故它们能被精确的校准,更可用在诸如通讯网络中使用的多传感器环境。

  热敏电阻。热敏电阻(一种热传感电阻的缩写)具有阻值随温度的变化而变化性能。与RTDs相反,热敏电阻是基于一种半导体材料的元件(典型的由金属氧化物的混合物组成)。这种结构对于温度的变化性能比起RTDs的特性来说具有更高的灵敏度(改结构每度能变化几个欧姆而RTDs的每度仅变化十分之一欧姆)。由于热敏电阻不需要诸如铂这样的昂贵金属,因此,它们与RTDs相比具有很高的价格优势。然而,由于它们的阻值对温度的变化是非线性的,故热敏电阻通常所用的温度范围较狭窄,就是因为受到非线性的限制。热敏电阻所使用的范围比起RTDs或热电偶的范围狭窄。

  热敏电阻被封装在传感器结构中(类似于RTDs使用的结构),在这个特别的传感器结构里可充分体现出它们的小尺寸、低重量及较快的响应时间。有两种类型的热敏电阻:一种为正温度系数(PTC),其随着温度的增加电阻增加,另一种为负温度系数(NTC),其随着温度的增加电阻减少。

   热电偶。热电偶结合着被连在末端的两种不同材料的电导体。暴露在温度测量的一端叫做测量结。连接测量装置另一端叫做参考结。

  当热电偶的测量端和参考端处在不同的温度下时,一个毫伏电势便在导体中形成。了解了所使用的热电偶类型、毫伏电压的大小和参考结的温度就可使用户确定测量结的温度。

  在热电偶导体中产生的毫伏电势是导体材料的一个功能。一些材料能制成更好的热电偶,因为它们产生的毫伏信号具有更好的重复性和更易获取。这些被广泛设计成形的热电偶型号有E、J、K、N、T、B、R和S型。这些型号之间的区别将在后面解释。

  热敏装置的温度限制
  用在热敏装置的材料有温度限制,这些限制在使用中有很重要的参考价值。

  敏感元件一般包括铂线和胶片、一个陶制腔体和陶粘合剂或密封元件的玻璃和支持元件的导线。总的来说,铂感应元件能测量的温度可高达12000F。其它的材料诸如镍、铜和镍/铁合金也能使用,但它们使用的温度范围相对比铂低。

  连接感应元件与读出器或控制仪器的导线通常由镍、镍合金、镀锡铜、镀银铜或镀镍铜组成。导线的绝缘性能也直接影响到RTDs可使用的温度。

  在工艺中制造过程中放置的感应材料要进行仔细的材料挑选。最普通的方法是将嵌入的感应材料和相连导线放入到一个末端封闭的金属探针里,用一个振动填塞装置将诸如陶瓷粉类的热转换材料填堵探针,用环氧物或陶瓷粘合物密封探针的开口端。用于RTDs的大部分金属探针都是由不锈钢(能用于9000F)或镍合金(能用于12000F)制成,填塞的热传导材料可适应的温度范围很广,一般被厂商选用的材料都可在最大的温度范围内提供最适宜性能,环氧化物所用的温度环境一般不超过400°F–500°F。陶瓷粘合物所用的温度范围可达2000°F,但对粘合剂的湿度密封性能和填塞材料热量传输性能。

  在铂RTD中最低温度性能的材料一般是导线和到仪器的绝缘连接敏感元件。厂商一般提出两种解决方案-低温的合高温的。在低温结构中,用Teflon绝缘的镍或镀银铜导线被放在环氧物密封的结构中。这种结构可用的温度在400°F–500°F之间。

  高温结构所用的绝缘材料一般为光纤玻璃,镀镍铜导线和一个具有900°F–1200°F温度范围的陶瓷粘合剂。有些厂商也提供线性的RTDs,它们用陶瓷绝缘镍或用高达1200°F温度的镍合金导线。

   IC 传感器.硅元件的阻值一般也随温度的改变而改变。由于这些传感器是基于硅半导体而制造的,它们所用的温度限制一般在–55°C -150°C。IC传感器可用于沉侵式封装(内似于热敏电阻或RTDs的封装),但可用在PC板或表面测温。

   热敏电阻.热敏电阻一般由焊接在半导体晶片的连接导线和芯片组成。晶片和连接部分用环氧物和玻璃覆盖。受使用材料的局限,热敏电阻可用的温度范围在–100°C - 300°C。在PTC型热敏电阻所使用的温度范围内,它们具有正的温度系数,这样它们使用的温度范围就比NTC的小的多。

  由于热敏电阻元件相当小,只有一毫米或两毫米,故它们可用在非常广泛的热测量封装中。沉浸式热敏电阻一般用来确定诸如空气、水、燃料或散热剂中的温度。用在空气中时,热敏电阻一般直接暴露在空气中。在其它的应用中,元件被封装在一个密封的探针或腔体里用以保护它不受外界介质的污染。由于热敏元件的工作温度环境比RTDs的低,所以构造的材料仅用较低的温度性能即可。

   热电偶. 热电偶材料可用的型号有E、J、K、N、T、R、S和B型。根据使用的材料是金属的或贵金属的情况,它们可被分成两组。E、J、K、N和T是金属形的,因为它们是由普通的金属材料,诸如铜、铝、铁、铬和硅构成的。每一种都有首选的条件,例如,裸J型(铁/铜镍合金)所用的最大温度为10000F,一般不推荐用在氧化环境或硫化物场所,这种场所将会降低铁的导电性能。裸T型热电偶(铜/铜镍合金)所用的温度不可超过7000F,因为铜导体性能将会恶化。

  我们知道R、S和B型热电偶是贵金属型热电偶,因为它们是由铂和铑制成。它们可使用的场所都覆盖了基本金属型热电偶所使用的范围。R和S型可用在1000°F -2700°F,B型可用在1000°F - 3100°F,如果长期外露使用的温度高于2500°F,则B型是理想的,它是一种改进的长寿命热电偶。如果R和S型热电偶长期使用在上限温度附近,它们的稳定性就会受到影响。

  由于热电偶没有感应元件,故在材料结构方面它们所受的限制比RTDs少。热电偶通常被制成裸状导体(被紧密的陶瓷粉绝缘或在形成的绝缘的陶瓷体中)。这种结构允许热电偶可使用的温度比RTDs的高的多。

  公差,精度和互换性
  在温度测量中公差和精度是最容易误解的术语。公差涉及到一个特别的要求,它的定义是在一个特殊的温度点加上或减去几个数。精度涉及到传感器测量温度真值得能力。

  例如,RTDs包含一个敏感元件,该敏感元件被制成在特殊温度下具有特别的电阻性能。该种要求的最一般情况就是DIN标准,为了满足DIN标准的要求,一个RTD在32°F (0°C)时,应具有100 ±0.12% (或0.12 ),才可考虑作为B级传感器(A级传感器是100 ±0.06%),±0.12 的公差仅在温度32°F时适用而并不适合于其它温度。

   许多厂商都提供了RTDs公差互换表,该互换表列出了在特别温度下的公差(见表5)大部分IC传感器厂商都提供一个输出表,该表的阻值在一个特定的温度范围与温度成比例。这些装置一般都有标准的精度赋值支持,而且也包括在特定温度下的校准能力。

  热敏电阻,像RTDs一样,在特定温度下加上或减去公差后有一个特别的阻值。这个温度点将根据使用的情况有些稍微改变。与RTDs(所使用的阻值特别指定为0°C)不同的是,热敏电阻所使用的特别温度是25°C。

  热敏电阻与RTDs不同,在那里没有标准的阻值表。厂商一般都为他们自己的各类产品提供阻值表,正常发布的额定值都基于装置在25°C的阻值,结果是它们可换算成各种情况下的阻值。

  由于热电偶生产工艺的差异,它们具有特别差异。与RTDs或热敏电阻形成鲜明对照的是,在热电偶中产生的毫伏信号是材料成分和导体冶金结构的函数。因此,在特定温度下,热电偶不能指出特定值,而是给出全温度量程范围内错误点的限制。

  指定给热点偶的这些限制被认为是种标准或特别错误限制。对于每个标准的热电欧型号,表3列出了标准值和特别的错误限制。这些注释与前期使用的热电偶相对应。一旦该装置使用在现场时,导体的变化也可能增加错误的结果。建议用户进行周期性的测试以确定热电偶在应用中的可靠性和使用的精度情况。

   优点和缺点对比
   优点 RTDs主要用在可靠性和精度都很重要的现场。适当地构建铂RTDs的结构,将会使其阻值对时间的温度特性具有很好的重复性。如果一个工艺运行在一个特殊的温度条件下,那么此温度下的RTDs特殊阻就可在实验室确定,并不受时间的影响。由于初始时,RTDs的变化比热电偶低很多,故RTDs在早期具有互换性,例如,用在4000F的K型热电偶有±4°F的标准错误局限,而一个 100 DIN,B级铂RTD在同样的温度下有±2.2°F的互换性。RTDs可与标准的仪器电缆相连用以数据显示或设备控制,而热电偶必须与热电偶导线匹配才可得到精确的测量。

   RTD缺陷。对于一个固定的RTDs结构,它可估算的价格是基本金属热电偶的4-10倍。其原因就是在RTDs上要做很多工作,包括敏感元件的制造,钩出外延的导线,传感器的装配。由于敏感元件结构的原因,RTDs做的不如热电偶好,在机械振动强烈的环境中。它们可使用的最大温度局限在1200°F以下,而热电偶却能经受住3100°F的考验。

   IC传感器的优点。在IC传感器的有效温度范围内,它们能以较低的价格提供良好的线性。它们能提供与温度成比例的输出值,而不像 RTDs、热电偶和热敏电阻要求另外的线性转换装置。许多IC传感器还能提供通讯协议而用于总线型数据采集系统,甚至有些IC传感器具有数据寻址、数据储存和自修复能力。
IC传感器的缺陷。IC传感器的主要缺陷是它们的温度范围窄,一只能工作在–55°C -150°C,IC传感器的体积也比RTDs和热敏电阻的大,这种较大的封装尺寸不适于沉浸测量要求。

   热敏电阻的优点。热敏电阻随温度的阻值变化率比RTDs的大,所以热敏电阻在给定的温度范围内能提供更多的解决方法。热敏电阻较大的阻值变化率允许它们使用较长的导线而不用导线补偿。另外它们的小尺寸和小重量也意味着它们能被封装成各种情况,同时在对温度的反应上也比RTDs快。热敏电阻通常比RTDs稍微便宜一些。

    热敏电阻的缺陷。热敏电阻的阻值-温度特性具有严重的非线性。因此这些传感器所用的温度范围有一定的限制。热敏电阻可用的外露测量温度比RTDs或热电偶的要低的多。目前的工业标准中仍存在热敏电阻的更换问题。如果从其它厂商而不是初始厂家那里购买更换的热敏电阻,则购买的新厂家热敏电阻与原厂家的输出就有差别,只有通过产品相近的厂商才能匹配初始的热敏电阻特性。

    热电偶的优点。热电偶可测量高达31000F的温度,它的价格一般也比RTDs的便宜,尺寸上能作的比较小(可小到0.020英寸),对温度测量有较快的响应。热电偶比RTDs更耐用,因此可用在高振动和强冲击的场所。

   热电偶的缺陷。在中温或高温外露条件使用时热电偶的稳定性不如RTDs。对于控制条件下校验热电偶性能,其可移动性或测试行较差。热电偶外露线必须使用沟环才能与热电偶仪器或控制设备相连。当周围温度变化时,所使用的仪器导线(镀铜)将会带来测量误差。

   总结
   RTDs、热敏电阻、热电偶和IC传感器都可作为温度测量的选择器件,热敏电阻和IC传感器所测的温度范围比RTDs和热电偶的窄。

   由于铂比热敏电阻、热电偶和IC传感器所使用的材料具有更高的稳定性,故RTDs能提供较高的精度。RTDs、热敏电阻、和IC传感器用标准的仪器导线连接测量设备和控制设备。另一方面,热电偶则要求专门的热电偶外露连接导线。

  如果不考虑温度限制,IC传感器则具有线性温度输出和低价格的优势。另外它们还具有总线寻址、数据储存及自修复功能。

    热敏电阻比RTDs和热电偶能提供更多的解决方案,而且价格也比较低。由于它们使用的温度范围窄和测量的非线性特点而限制了它们所使用的温度范围。它们所具有的小尺寸和轻重量能做到对温度变化具有较快的响应。由于缺少标准的阻值-温度变化曲线,使得它们的产品互换性具有一定的缺陷。

     热电偶的造价一般比RTDs的低,但在某些应用方面比起热敏电阻和IC传感器仍不具有竞争性。它们在高振动和强冲击中具有很好的稳定性,可用来测量高温。因为不同型号的热电偶具有不同的标准,当必要时它们可进行互换。目前,热电偶在温度测量领域起主导作用,但也被RTDs、热敏电阻和IC传感器夺去了部分市场。
 


 

 

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