如何選擇和正確使用溫度傳感器

如何選擇和正確使用溫度傳感器

　　首先讓我們回顧一下RTDs、IC傳感器、電熱調(diào)節(jié)器和熱電偶的構(gòu)造及測(cè)量溫度的原理，我們將討論這些傳感器之間的差別。該文將涉及溫度范圍、公差、精度、互換性能和每種類型的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。我們的宗旨就是在讀者選用各種類型的傳感器之前能對(duì)各類產(chǎn)品有一個(gè)較好的了解。

　　熱感測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)的回顧

　　RTDs這些裝置包括金屬測(cè)量元件，它是一個(gè)隨溫度變化電阻。這種阻值的變化是眾所周知的，具有很好的重復(fù)性能。在RTD的敏感元件通常包括一段導(dǎo)線及一個(gè)傳導(dǎo)膠片的柵格（具有導(dǎo)體模式）進(jìn)行隔離耦合。

　　連接敏感元件的外延導(dǎo)線應(yīng)保證其阻抗能盡可能測(cè)量遠(yuǎn)處的目標(biāo)。敏感元件在生產(chǎn)工藝中被封裝的放置應(yīng)能保證它與外界具有相同的溫度。

　　IC傳感器。IC傳感器具有半導(dǎo)體材料的阻性變化優(yōu)點(diǎn)。尤其是在低溫條件下，它們也能提供線性電壓或電流輸出。這種裝置能提供一個(gè)直接的數(shù)字形式的溫度讀數(shù)，從而減少了A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程。由于IC傳感器具有存儲(chǔ)功能，故它們能被精確的校準(zhǔn)，更可用在諸如通訊網(wǎng)絡(luò)中使用的多傳感器環(huán)境。

　　熱敏電阻。熱敏電阻（一種熱傳感電阻的縮寫）具有阻值隨溫度的變化而變化性能。與RTDs相反，熱敏電阻是基于一種半導(dǎo)體材料的元件（典型的由金屬氧化物的混合物組成）。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于溫度的變化性能比起RTDs的特性來(lái)說(shuō)具有更高的靈敏度(改結(jié)構(gòu)每度能變化幾個(gè)歐姆而RTDs的每度僅變化十分之一歐姆)。由于熱敏電阻不需要諸如鉑這樣的昂貴金屬，因此，它們與RTDs相比具有很高的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。然而，由于它們的阻值對(duì)溫度的變化是非線性的，故熱敏電阻通常所用的溫度范圍較狹窄，就是因?yàn)槭艿椒蔷€性的限制。熱敏電阻所使用的范圍比起RTDs或熱電偶的范圍狹窄。

　　熱敏電阻被封裝在傳感器結(jié)構(gòu)中（類似于RTDs使用的結(jié)構(gòu)），在這個(gè)特別的傳感器結(jié)構(gòu)里可充分體現(xiàn)出它們的小尺寸、低重量及較快的響應(yīng)時(shí)間。有兩種類型的熱敏電阻：一種為正溫度系數(shù)（PTC）,其隨著溫度的增加電阻增加，另一種為負(fù)溫度系數(shù)（NTC），其隨著溫度的增加電阻減少。

　　熱電偶。熱電偶結(jié)合著被連在末端的兩種不同材料的電導(dǎo)體。暴露在溫度測(cè)量的一端叫做測(cè)量結(jié)。連接測(cè)量裝置另一端叫做參考結(jié)。

　　當(dāng)熱電偶的測(cè)量端和參考端處在不同的溫度下時(shí)，一個(gè)毫伏電勢(shì)便在導(dǎo)體中形成。了解了所使用的熱電偶類型、毫伏電壓的大小和參考結(jié)的溫度就可使用戶確定測(cè)量結(jié)的溫度。

　　在熱電偶導(dǎo)體中產(chǎn)生的毫伏電勢(shì)是導(dǎo)體材料的一個(gè)功能。一些材料能制成更好的熱電偶，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的毫伏信號(hào)具有更好的重復(fù)性和更易獲取。這些被廣泛設(shè)計(jì)成形的熱電偶型號(hào)有E、J、K、N、T、B、R和S型。這些型號(hào)之間的區(qū)別將在后面解釋。

　　熱敏裝置的溫度限制

　　用在熱敏裝置的材料有溫度限制，這些限制在使用中有很重要的參考價(jià)值。

　　敏感元件一般包括鉑線和膠片、一個(gè)陶制腔體和陶粘合劑或密封元件的玻璃和支持元件的導(dǎo)線。總的來(lái)說(shuō)，鉑感應(yīng)元件能測(cè)量的溫度可高達(dá)F。其它的材料諸如鎳、銅和鎳/鐵合金也能使用，但它們使用的溫度范圍相對(duì)比鉑低。

　　連接感應(yīng)元件與讀出器或控制儀器的導(dǎo)線通常由鎳、鎳合金、鍍錫銅、鍍銀銅或鍍鎳銅組成。導(dǎo)線的絕緣性能也直接影響到RTDs可使用的溫度。

　　在工藝中制造過(guò)程中放置的感應(yīng)材料要進(jìn)行仔細(xì)的材料挑選。A普通的方法是將嵌入的感應(yīng)材料和相連導(dǎo)線放入到一個(gè)末端封閉的金屬探針里，用一個(gè)振動(dòng)填塞裝置將諸如陶瓷粉類的熱轉(zhuǎn)換材料填堵探針，用環(huán)氧物或陶瓷粘合物密封探針的開(kāi)口端。用于RTDs的大部分金屬探針都是由不銹鋼（能用于9000F）或鎳合金（能用于F）制成，填塞的熱傳導(dǎo)材料可適應(yīng)的溫度范圍很廣，一般被廠商選用的材料都可在最大的溫度范圍內(nèi)提供最適宜性能，環(huán)氧化物所用的溫度環(huán)境一般不超過(guò)400°F–500°F。陶瓷粘合物所用的溫度范圍可達(dá)2000°F，但對(duì)粘合劑的濕度密封性能和填塞材料熱量傳輸性能。

　　在鉑RTD中最低溫度性能的材料一般是導(dǎo)線和到儀器的絕緣連接敏感元件。廠商一般提出兩種解決方案－低溫的合高溫的。在低溫結(jié)構(gòu)中，用Teflon絕緣的鎳或鍍銀銅導(dǎo)線被放在環(huán)氧物密封的結(jié)構(gòu)中。這種結(jié)構(gòu)可用的溫度在400°F–500°F之間。

　　高溫結(jié)構(gòu)所用的絕緣材料一般為光纖玻璃，鍍鎳銅導(dǎo)線和一個(gè)具有900°F–1200°F溫度范圍的陶瓷粘合劑。有些廠商也提供線性的RTDs，它們用陶瓷絕緣鎳或用高達(dá)1200°F溫度的鎳合金導(dǎo)線。

　　IC傳感器.硅元件的阻值一般也隨溫度的改變而改變。由于這些傳感器是基于硅半導(dǎo)體而制造的，它們所用的溫度限制一般在–55°C-150°C。IC傳感器可用于沉侵式封裝（內(nèi)似于熱敏電阻或RTDs的封裝），但可用在PC板或表面測(cè)溫。

　　熱敏電阻.熱敏電阻一般由焊接在半導(dǎo)體晶片的連接導(dǎo)線和芯片組成。晶片和連接部分用環(huán)氧物和玻璃覆蓋。受使用材料的局限，熱敏電阻可用的溫度范圍在–100°C-300°C。在PTC型熱敏電阻所使用的溫度范圍內(nèi)，它們具有正的溫度系數(shù)，這樣它們使用的溫度范圍就比NTC的小的多。

　　由于熱敏電阻元件相當(dāng)小，只有一毫米或兩毫米，故它們可用在非常廣泛的熱測(cè)量封裝中。沉浸式熱敏電阻一般用來(lái)確定諸如空氣、水、燃料或散熱劑中的溫度。用在空氣中時(shí)，熱敏電阻一般直接暴露在空氣中。在其它的應(yīng)用中，元件被封裝在一個(gè)密封的探針或腔體里用以保護(hù)它不受外界介質(zhì)的污染。由于熱敏元件的工作溫度環(huán)境比RTDs的低，所以構(gòu)造的材料僅用較低的溫度性能即可。

　　熱電偶.熱電偶材料可用的型號(hào)有E、J、K、N、T、R、S和B型。根據(jù)使用的材料是金屬的或貴金屬的情況，它們可被分成兩組。E、J、K、N和T是金屬形的，因?yàn)樗鼈兪怯善胀ǖ慕饘俨牧?，諸如銅、鋁、鐵、鉻和硅構(gòu)成的。每一種都有首選的條件，例如，裸J型（鐵/銅鎳合金）所用的最大溫度為F,一般不推薦用在氧化環(huán)境或硫化物場(chǎng)所，這種場(chǎng)所將會(huì)降低鐵的導(dǎo)電性能。裸T型熱電偶（銅/銅鎳合金）所用的溫度不可超過(guò)7000F,因?yàn)殂~導(dǎo)體性能將會(huì)惡化。

　　我們知道R、S和B型熱電偶是貴金屬型熱電偶，因?yàn)樗鼈兪怯摄K和銠制成。它們可使用的場(chǎng)所都覆蓋了基本金屬型熱電偶所使用的范圍。R和S型可用在1000°F－2700°F，B型可用在1000°F－3100°F，如果長(zhǎng)期外露使用的溫度高于2500°F，則B型是理想的，它是一種改進(jìn)的長(zhǎng)壽命熱電偶。如果R和S型熱電偶長(zhǎng)期使用在上限溫度附近，它們的穩(wěn)定性就會(huì)受到影響。

　　由于熱電偶沒(méi)有感應(yīng)元件，故在材料結(jié)構(gòu)方面它們所受的限制比RTDs少。熱電偶通常被制成裸狀導(dǎo)體（被緊密的陶瓷粉絕緣或在形成的絕緣的陶瓷體中）。這種結(jié)構(gòu)允許熱電偶可使用的溫度比RTDs的高的多。

　　公差，精度和互換性

　　在溫度測(cè)量中公差和精度是最容易誤解的術(shù)語(yǔ)。公差涉及到一個(gè)特別的要求，它的定義是在一個(gè)特殊的溫度點(diǎn)加上或減去幾個(gè)數(shù)。精度涉及到傳感器測(cè)量溫度真值得能力。

　　例如，RTDs包含一個(gè)敏感元件，該敏感元件被制成在特殊溫度下具有特別的電阻性能。該種要求的最一般情況就是DIN標(biāo)準(zhǔn)，為了滿足DIN標(biāo)準(zhǔn)的要求，一個(gè)RTD在32°F(0°C)時(shí)，應(yīng)具有100±0.12%(或0.12)，才可考慮作為B級(jí)傳感器（A級(jí)傳感器是100±0.06%），±0.12的公差僅在溫度32°F時(shí)適用而并不適合于其它溫度。

　　許多廠商都提供了RTDs公差互換表，該互換表列出了在特別溫度下的公差（見(jiàn)表5）大部分IC傳感器廠商都提供一個(gè)輸出表，該表的阻值在一個(gè)特定的溫度范圍與溫度成比例。這些裝置一般都有標(biāo)準(zhǔn)的精度賦值支持，而且也包括在特定溫度下的校準(zhǔn)能力。

　　熱敏電阻，像RTDs一樣，在特定溫度下加上或減去公差后有一個(gè)特別的阻值。這個(gè)溫度點(diǎn)將根據(jù)使用的情況有些稍微改變。與RTDs（所使用的阻值特別指定為0°C）不同的是，熱敏電阻所使用的特別溫度是25°C。

　　熱敏電阻與RTDs不同，在那里沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的阻值表。廠商一般都為他們自己的各類產(chǎn)品提供阻值表，正常發(fā)布的額定值都基于裝置在25°C的阻值，結(jié)果是它們可換算成各種情況下的阻值。

　　由于熱電偶生產(chǎn)工藝的差異，它們具有特別差異。與RTDs或熱敏電阻形成鮮明對(duì)照的是，在熱電偶中產(chǎn)生的毫伏信號(hào)是材料成分和導(dǎo)體冶金結(jié)構(gòu)的函數(shù)。因此，在特定溫度下，熱電偶不能指出特定值，而是給出全溫度量程范圍內(nèi)錯(cuò)誤點(diǎn)的限制。

　　指定給熱點(diǎn)偶的這些限制被認(rèn)為是種標(biāo)準(zhǔn)或特別錯(cuò)誤限制。對(duì)于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的熱電歐型號(hào)，表3列出了標(biāo)準(zhǔn)值和特別的錯(cuò)誤限制。這些注釋與前期使用的熱電偶相對(duì)應(yīng)。一旦該裝置使用在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體的變化也可能增加錯(cuò)誤的結(jié)果。建議用戶進(jìn)行周期性的測(cè)試以確定熱電偶在應(yīng)用中的可靠性和使用的精度情況。

　　優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)對(duì)比

　　優(yōu)點(diǎn)RTDs主要用在可靠性和精度都很重要的現(xiàn)場(chǎng)。適當(dāng)?shù)貥?gòu)建鉑RTDs的結(jié)構(gòu)，將會(huì)使其阻值對(duì)時(shí)間的溫度特性具有很好的重復(fù)性。如果一個(gè)工藝運(yùn)行在一個(gè)特殊的溫度條件下，那么此溫度下的RTDs特殊阻就可在實(shí)驗(yàn)室確定，并不受時(shí)間的影響。由于初始時(shí)，RTDs的變化比熱電偶低很多，故RTDs在早期具有互換性，例如，用在4000F的K型熱電偶有±4°F的標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤局限，而一個(gè)100DIN，B級(jí)鉑RTD在同樣的溫度下有±2.2°F的互換性。RTDs可與標(biāo)準(zhǔn)的儀器電纜相連用以數(shù)據(jù)顯示或設(shè)備控制，而熱電偶必須與熱電偶導(dǎo)線匹配才可得到精確的測(cè)量。

　　RTD缺陷。對(duì)于一個(gè)固定的RTDs結(jié)構(gòu)，它可估算的價(jià)格是基本金屬熱電偶的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，鉤出外延的導(dǎo)線，傳感器的裝配。由于敏感元件結(jié)構(gòu)的原因，RTDs做的不如熱電偶好，在機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)烈的環(huán)境中。它們可使用的最大溫度局限在1200°F以下，而熱電偶卻能經(jīng)受住3100°F的考驗(yàn)。

　　IC傳感器的優(yōu)點(diǎn)。在IC傳感器的有效溫度范圍內(nèi)，它們能以較低的價(jià)格提供良好的線性。它們能提供與溫度成比例的輸出值，而不像RTDs、熱電偶和熱敏電阻要求另外的線性轉(zhuǎn)換裝置。許多IC傳感器還能提供通訊協(xié)議而用于總線型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，甚至有些IC傳感器具有數(shù)據(jù)尋址、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和自修復(fù)能力。

　　IC傳感器的缺陷。IC傳感器的主要缺陷是它們的溫度范圍窄，一只能工作在–55°C－150°C，IC傳感器的體積也比RTDs和熱敏電阻的大，這種較大的封裝尺寸不適于沉浸測(cè)量要求。

　　熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)。熱敏電阻隨溫度的阻值變化率比RTDs的大，所以熱敏電阻在給定的溫度范圍內(nèi)能提供更多的解決方法。熱敏電阻較大的阻值變化率允許它們使用較長(zhǎng)的導(dǎo)線而不用導(dǎo)線補(bǔ)償。另外它們的小尺寸和小重量也意味著它們能被封裝成各種情況，同時(shí)在對(duì)溫度的反應(yīng)上也比RTDs快。熱敏電阻通常比RTDs稍微便宜一些。

　　熱敏電阻的缺陷。熱敏電阻的阻值－溫度特性具有嚴(yán)重的非線性。因此這些傳感器所用的溫度范圍有一定的限制。熱敏電阻可用的外露測(cè)量溫度比RTDs或熱電偶的要低的多。目前的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中仍存在熱敏電阻的更換問(wèn)題。如果從其它廠商而不是初始廠家那里購(gòu)買更換的熱敏電阻，則購(gòu)買的新廠家熱敏電阻與原廠家的輸出就有差別，只有通過(guò)產(chǎn)品相近的廠商才能匹配初始的熱敏電阻特性。

　　熱電偶的優(yōu)點(diǎn)。熱電偶可測(cè)量高達(dá)F的溫度，它的價(jià)格一般也比RTDs的便宜，尺寸上能作的比較?。尚〉?.020英寸），對(duì)溫度測(cè)量有較快的響應(yīng)。熱電偶比RTDs更耐用，因此可用在高振動(dòng)和強(qiáng)沖擊的場(chǎng)所。

　　熱電偶的缺陷。在中溫或高溫外露條件使用時(shí)熱電偶的穩(wěn)定性不如RTDs。對(duì)于控制條件下校驗(yàn)熱電偶性能，其可移動(dòng)性或測(cè)試行較差。熱電偶外露線必須使用溝環(huán)才能與熱電偶儀器或控制設(shè)備相連。當(dāng)周圍溫度變化時(shí)，所使用的儀器導(dǎo)線（鍍銅）將會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。

　　總結(jié)

　　RTDs、熱敏電阻、熱電偶和IC傳感器都可作為溫度測(cè)量的選擇器件，熱敏電阻和IC傳感器所測(cè)的溫度范圍比RTDs和熱電偶的窄。

　　由于鉑比熱敏電阻、熱電偶和IC傳感器所使用的材料具有更高的穩(wěn)定性，故RTDs能提供較高的精度。RTDs、熱敏電阻、和IC傳感器用標(biāo)準(zhǔn)的儀器導(dǎo)線連接測(cè)量設(shè)備和控制設(shè)備。另一方面，熱電偶則要求專門的熱電偶外露連接導(dǎo)線。

　　如果不考慮溫度限制，IC傳感器則具有線性溫度輸出和低價(jià)格的優(yōu)勢(shì)。另外它們還具有總線尋址、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及自修復(fù)功能。

　　熱敏電阻比RTDs和熱電偶能提供更多的解決方案，而且價(jià)格也比較低。由于它們使用的溫度范圍窄和測(cè)量的非線性特點(diǎn)而限制了它們所使用的溫度范圍。它們所具有的小尺寸和輕重量能做到對(duì)溫度變化具有較快的響應(yīng)。由于缺少標(biāo)準(zhǔn)的阻值－溫度變化曲線，使得它們的產(chǎn)品互換性具有一定的缺陷。

　　熱電偶的造價(jià)一般比RTDs的低，但在某些應(yīng)用方面比起熱敏電阻和IC傳感器仍不具有競(jìng)爭(zhēng)性。它們?cè)诟哒駝?dòng)和強(qiáng)沖擊中具有很好的穩(wěn)定性，可用來(lái)測(cè)量高溫。因?yàn)椴煌吞?hào)的熱電偶具有不同的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)必要時(shí)它們可進(jìn)行互換。目前，熱電偶在溫度測(cè)量領(lǐng)域起主導(dǎo)作用，但也被RTDs、熱敏電阻和IC傳感器奪去了部分市場(chǎng)。