常見溫度傳感器及優缺點

2019-08-30 10:28 易庫易

重庆时时彩托 www.vqgmg.tw 無論是哪種類型的傳感器,所有溫度傳感器都要考慮以下四大因素:


對所測量的介質沒有影響

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。


非常精確

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,再準確的傳感器也無濟于事。


響應即時(在多數情況下)

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。通常傳感器越小,響應速度越快。

輸出易于調節

使用微處理器后可以更輕松地調節非線性輸出,因此傳感器輸出的信號調節也更不成問題。



傳感器的特性分析



NTC熱敏電阻

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

溫度范圍(常規)

-100 ~ +325?C

-200 ~ +650?C

200 ~ +1750?C

-70 ~ 150?C

準確性(常規)

0.05 ~ 1.5 ?C

0.1 ~ 1.0?C

0.5 ~ 5.0?C

0.5 ~ 5.0?C

100?C時的 
  
長期穩定性

0.2?C/年(環氧)

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)

PTC電阻

0.00385Ω/Ω/°C

熱電壓

10μV ~ 40μV/°C

數字,各種輸出

線性度

指數函數

相當線性

多數類型呈非線性

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


上述每種主要類型的傳感器的基本操作理論都有所不同,有各自的特性:


溫度范圍

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

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。穩定性由傳感器的基本物理屬性決定。高溫通?;嶠檔臀榷ㄐ?。鉑和玻璃封裝的繞線式熱敏電阻是最穩定的傳感器。熱電偶和半導體的穩定性則最差。


輸出變化

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(NTC)。鉑等基金屬具有正溫度系數(PTC)。熱電偶的千伏輸出較低,并且會隨著溫度的變化而變化。半導體通??梢緣鶻?,附帶各種數字信號輸出。


線性度

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電路中的應用越來越廣泛,傳感器的線性度愈發不成問題。


電壓或電流

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。


錯誤偏差

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?;嵬ü岣叩繾柚道聰擻跋?。熱電偶必須使用相同材料的延長線和連接器作為導線,否則可能會引發錯誤。


性價比

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。


傳感器的優勢和劣勢對比



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

· 穩定性

· TC延長線

· 精度

· 有限的應用

· 穩定性

·  響應時間


熱電偶傳感器

熱電偶傳感器是一種自發電式傳感器,測量時不需要外加電源,直接將被測量轉換成電勢輸出,使用十分方便。它的測溫范圍很廣:-270℃~2500℃,并具有結構簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優點。

熱電偶傳感器的缺點是靈敏度比較低,容易受到環境的信號干擾,也容易受到前置放大器溫漂的影響,不適合測量微小的溫度變化。

熱電偶傳感器的靈敏度與材料的粗細無關,非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性,這種細微的測溫元件有極高的響應速度,可以測量快速變化的過程。



對一般的工業應用來說,為了?;じ形略苊饈艿礁春湍ニ?,總是裝在厚厚的護套里面,外觀顯得笨大,對于溫度的反應也遲緩得多。使用熱電偶的時候,必須消除環境溫度對測量帶來的影響。有的把它的自由端放在不變的溫度場中,有的使用冷端補償抵消這種影響。當測量點遠離儀表時,還需要使用補償導線。

因此選擇熱電偶時需考慮下列因素:1、被測溫度范圍;2、所需響應時間;3、連接點類型;4、熱電偶或護套材料的抗化學腐蝕能力;5、抗磨損或抗振動能力;6、安裝及限制要求等。


熱敏電阻

熱敏電阻(即“溫度敏感型電阻器”)是一種高精度經濟型溫度測量傳感器。按照溫度系數分為NTC(負溫度系數)和PTC(正溫度系數)兩種類型,NTC熱敏電阻通常用于溫度測量。

主要優勢是: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故障。表面安裝:提供各種尺寸和電阻容差。



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。如果將熱敏電阻暴露在高熱中,將會導致永久性的損壞。

非線性問題可通過軟件或電路來解決,會引發故障的潮濕問題可通過玻璃封裝來解決。


電阻溫度檢測器(RTD)

RTD通常用鉑金、銅或鎳,它們的溫度系數較大,隨溫度變化響應快,能夠抵抗熱疲勞,而且易于加工制造成為精密的線圈,尤其用鉑金等金屬制成時,RTD非常穩定,不受腐蝕或氧化的影響。RTD的測溫原理是:純金屬或某些合金的電阻隨溫度的升高而增大,隨溫度降低而減小。電阻-溫度變化關系最好是線性的,溫度系數(溫度系數的定義是單位溫度引起的電阻變化)越大越好,而且要能夠抵抗熱疲勞,隨溫度變化響應靈敏。目前只有少數幾種金屬能夠滿足這樣的要求。




RTD還相對防止電氣噪聲,因此非常適合在工業環境中的溫度測量,特別是在電動機、發電機及其它高壓設備的周圍使用。 RTD是目前最精確和最穩定的溫度傳感器。它的線性度優于熱電偶和熱敏電阻。但RTD也是響應速度較慢而且價格比較貴的溫度傳感器。因此,RTD最適合對精度有嚴格要求,而速度和價格不太關鍵的應用領域。


IC溫度傳感器

包括模擬輸出和數字輸出兩種類型。

模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等,適合遠距離測溫、控測,不需要進行非線性校準,外圍電路簡單。



數字溫度傳感器是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ATE)的結晶。目前有多種智能溫度傳感器系列產品,智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數據及相關的溫度控制量,適配各種微控制器(MCU);并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現測試功能的,其智能化和諧也取決于軟件的開發水平。



IC溫度傳感器有許多好處,包括:功耗低;可提供小型封裝產品(有些尺寸小到0.8mm×0.8mm);還可在某些應用中實現低器件成本。此外,由于IC傳感器在生產測試過程中都經過校準,因此沒有必要進一步校準。

缺點就是溫度范圍非常有限, 也存在同樣的自熱、不堅固和需要外電源的問題。總之,溫度IC提供產生正比于溫度的易讀讀數方法,雖然便宜,但也受到配置和速度限制。數字輸出IC溫度傳感器的響應速度慢,而模擬輸出IC溫度傳感器的線性度很高。


所有傳感器都有特定的優勢和劣勢。要確保項目取得成功,關鍵是讓傳感器功能與應用相匹配。