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    什么是溫度傳感器?

    2022-02-13 15:55:15

    溫度傳感器(temperature transducer)是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分,品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類,按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。


    主要分類


    接觸式


    接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸,又稱溫度計。


    溫度計通過傳導或對流達到熱平衡,從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內,溫度計也可測量物體內部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產生較大的測量誤差,常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應用于工業、農業、商業等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術在國防工程、空間技術、冶金、電子、食品、醫藥和石油化工等部門的廣泛應用和超導技術的研究,測量120K以下溫度的低溫溫度計得到了發展,如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學溫度計、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫熱電阻和低溫溫差電偶等。低溫溫度計要求感溫元件體積小、準確度高、復現性和穩定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件,可用于測量1.6~300K范圍內的溫度。


    非接觸式


    它的敏感元件與被測對象互不接觸,又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速(瞬變)對象的表面溫度,也可用于測量溫度場的溫度分布。


    最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律,稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法(見光學高溫計)、輻射法(見輻射高溫計)和比色法(見比色溫度計)。各類輻射測溫方法只能測出對應的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體(吸收全部輻射并不反射光的物體)所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度,則必須進行材料表面發射率的修正。而材料表面發射率不僅取決于溫度和波長,而且還與表面狀態、涂膜和微觀組織等有關,因此很難精確測量。在自動化生產中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度,如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下,物體表面發射率的測量是相當困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制,可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發射系數。利用有效發射系數通過儀表對實測溫度進行相應的修正,最終可得到被測表面的真實溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射,從而提高有效發射系數式中ε為材料表面發射率,ρ為反射鏡的反射率。至于氣體和液體介質真實溫度的輻射測量,則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計算求出與介質達到熱平衡后的圓筒空腔的有效發射系數。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度(即介質溫度)進行修正而得到介質的真實溫度。


    非接觸測溫優點:測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制,因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于1800℃以上的高溫,主要采用非接觸測溫方法。隨著紅外技術的發展,輻射測溫 逐漸由可見光向紅外線擴展,700℃以下直至常溫都已采用,且分辨率很高。


    工作原理


    金屬膨脹原理設計的傳感器


    金屬在環境溫度變化后會產生一個相應的延伸,因此傳感器可以以不同方式對這種反應進行信號轉換。


    雙金屬片式傳感器


    雙金屬片由兩片不同膨脹系數的金屬貼在一起而組成,隨著溫度變化,材料A比另外一種金屬膨脹程度要高,引起金屬片彎曲。彎曲的曲率可以轉換成一個輸出信號。


    雙金屬桿和金屬管傳感器


    隨著溫度升高,金屬管(材料A)長度增加,而不膨脹鋼桿(金屬B)的長度并不增加,這樣由于位置的改變,金屬管的線性膨脹就可以進行傳遞。反過來,這種線性膨脹可以轉換成一個輸出信號。


    液體和氣體的變形曲線設計的傳感器


    在溫度變化時,液體和氣體同樣會相應產生體積的變化。


    多種類型的結構可以把這種膨脹的變化轉換成位置的變化,這樣產生位置的變化輸出(電位計、感應偏差、擋流板等等)。


    電阻傳感


    金屬隨著溫度變化,其電阻值也發生變化。


    對于不同金屬來說,溫度每變化一度,電阻值變化是不同的,而電阻值又可以直接作為輸出信號。


    電阻共有兩種變化類型


    正溫度系數


    溫度升高 = 阻值增加


    溫度降低 = 阻值減少


    負溫度系數


    溫度升高 = 阻值減少


    溫度降低 = 阻值增加


    熱電偶傳感


    熱電偶由兩個不同材料的金屬線組成,在末端焊接在一起。再測出不加熱部位的環境溫度,就可以準確知道加熱點的溫度。由于它必須有兩種不同材質的導體,所以稱之為熱電偶。不同材質做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍,它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點溫度變化1℃時,輸出電位差的變化量。對于大多數金屬材料支撐的熱電偶而言,這個數值大約在5~40微伏/℃之間。


    由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關,用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。也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。


    挑選方法


    如果要進行可靠的溫度測量,首先就需要選擇正確的溫度儀表,也就是溫度傳感器。其中熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻(RTD)和溫度IC都是測試中最常用的溫度傳感器。


    以下是對熱電偶和熱敏電阻兩種溫度儀表的特點介紹。


    1、熱電偶


    熱電偶是溫度測量中最常用的溫度傳感器。其主要好處是寬溫度范圍和適應各種大氣環境,而且結實、價低,無需供電,也是最便宜的。熱電偶由在一端連接的兩條不同金屬線(金屬A和金屬B)構成,當熱電偶一端受熱時,熱電偶電路中就有電勢差??捎脺y量的電勢差來計算溫度。


    不過,電壓和溫度間是非線性關系,溫度由于電壓和溫度是非線性關系,因此需要為參考溫度(Tref)作第二次測量,并利用測試設備軟件或硬件在儀器內部處理電壓-溫度變換,以最終獲得熱偶溫度(Tx)。Agilent34970A和34980A數據采集器均有內置的測量了運算能力。


    簡而言之,熱電偶是最簡單和最通用的溫度傳感器,但熱電偶并不適合高精度的的測量和應用。


    2、熱敏電阻


    熱敏電阻是用半導體材料, 大多為負溫度系數,即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會造成大的阻值改變,因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差,并且與生產工藝有很大關系。制造商給不出標準化的熱敏電阻曲線。


    熱敏電阻體積非常小,對溫度變化的響應也快。但熱敏電阻需要使用電流源,小尺寸也使它對自熱誤差極為敏感。


    熱敏電阻在兩條線上測量的是絕對溫度, 有較好的精度,但它比熱偶貴, 可測溫度范圍也小于熱偶。一種常用熱敏電阻在25℃時的阻值為5kΩ,每1℃的溫度改變造成200Ω的電阻變化。注意10Ω的引線電阻僅造成可忽略的 0.05℃誤差。它非常適合需要進行快速和靈敏溫度測量的電流控制應用。尺寸小對于有空間要求的應用是有利的,但必須注意防止自熱誤差。


    熱敏電阻還有其自身的測量技巧。熱敏電阻體積小是優點,它能很快穩定,不會造成熱負載。不過也因此很不結實,大電流會造成自熱。由于熱敏電阻是一種電阻性器件,任何電流源都會在其上因功率而造成發熱。功率等于電流平方與電阻的積。因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱中,將導致永久性的損壞。


    通過對兩種溫度儀表的介紹,希望對大家工作學習有所幫助。


    選用注意


    1、被測對象的溫度是否需記錄、報警和自動控制,是否需要遠距離測量和傳送;


    2、測溫范圍的大小和精度要求;


    3、測溫元件大小是否適當;


    4、在被測對象溫度隨時間變化的場合,測溫元件的滯后能否適應測溫要求;


    5、被測對象的環境條件對測溫元件是否有損害;


    6、價格如保,使用是否方便。


    檢定裝置


    溫度傳感器檢定規程:


    1、《JJG229-2010工業鉑、銅熱電阻檢定規程》


    2、《JJG833-2007標準組鉑銠10-鉑熱電偶檢定規程》


    3、《JJG141-2000工作用貴金屬熱電偶檢定規程》


    4、《JJG351-1996工作用廉金屬熱電偶檢定規程》


    5、《JJG368-2000工作用銅-銅鎳熱電偶檢定規程》


    溫度傳感器檢定標準技術及指標:


    1、測量準確度:0.01級;分辨率0.1uV和0.1mΩ;


    2、掃描開關寄生電勢:≤0.4μV;


    3、溫度范圍: 水槽:(室溫+5~95)℃ 油槽:(95 ~ 300)℃ 低溫恒溫槽:(-80 ~ 100)℃ 高溫爐:(300~1200)℃;


    4、控溫穩定度:優于0.01℃/10min(油槽、水槽、低溫恒溫槽);0.2℃/min(管式檢定爐);


    5、總不確定度:熱電偶檢定,測量不確定度優于0.7℃,重復性誤差<0.25℃;熱電阻檢定測量不確定度優于50mk,重復性誤差<10mk;


    6、檢定數量:一次可同時檢熱電偶(1-8)支,一次可同時檢同線制熱電阻(1-7)支;


    7、工作電源:AC220V±10%,50Hz,并有良好保護接地;


    8、高溫爐功率:約2KW;


    9、恒溫槽功率:約2KW;


    10、微機測控系統功率:<500。


    溫度傳感器檢定裝置功能和特點:


    1、檢定K、E、J、N、B、S、R、T等多種型號的工作用熱電偶;


    2、檢定Pt100、Pt10、Cu50、Cu100等各種工作用熱電阻,玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、雙金屬溫度計;


    3、多路低電勢自動轉換開關,寄生電勢≤0.4μV;


    4、控制1-4臺高溫爐;


    5、溫場測試:可進行檢定爐、油槽、水槽、低溫恒溫槽的溫場測試;


    6、線制轉換:可進行二線制、三線制、四線制電阻檢定;


    7、軟件具有比對實驗、重復性實驗、溫場實驗等相關實驗功能;


    8、在Windows2000/XP以上平臺,全中文界面,標準Windows操作系統,方便快捷??蓪崿F:


    1)設備自檢、查線;


    2)屏幕顯示并保存控溫曲線≤0.4μV;


    3)檢測數據自動采集;


    4)自動生成符合要求的檢定記錄;


    5)自動保存檢定結果,且不可人工更改;


    6)查詢各種熱電偶、熱電阻分度表及其它幫助;


    7)熱電偶、熱電阻所有歷史檢定數據、控溫曲線查詢 統計及計量的智能化管理功能。


    安裝使用


    溫度傳感器在安裝和使用時,應當注意以下事項方可保證最佳測量效果:


    1、安裝不當引入的誤差


    如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實溫度等,換句話說,熱電偶不應裝在太靠近門和加熱的地方,插入的深度至少應為保護管直徑的8~10倍;熱電偶的保護套管與壁間的間隔未填絕熱物質致使爐內熱溢出或冷空氣侵入,因此熱電偶保護管和爐壁孔之間的空隙應用耐火泥或石棉繩等絕熱物質堵塞以免冷熱空氣對流而影響測溫的準確性;熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100℃;熱電偶的安裝應盡可能避開強磁場和強電場,所以不應把熱電偶和動力電纜線裝在同一根導管內以免引入干擾造成誤差;熱電偶不能安裝在被測介質很少流動的區域內,當用熱電偶測量管內氣體溫度時,必須使熱電偶逆著流速方向安裝,而且充分與氣體接觸。


    2、絕緣變差而引入的誤差


    如熱電偶絕緣了,保護管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良,在高溫下更為嚴重,這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾,由此引起的誤差有時可達上百度。


    3、熱惰性引入的誤差


    由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化,在進行快速測量時這種影響尤為突出。所以應盡可能采用熱電極較細、保護管直徑較小的熱電偶。測溫環境許可時,甚至可將保護管取去。由于存在測量滯后,用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較爐溫波動的振幅小。測量滯后越大,熱電偶波動的振幅就越小,與實際爐溫的差別也就越大。當用時間常數大的熱電偶測溫或控溫時,儀表顯示的溫度雖然波動很小,但實際爐溫的波動可能很大。為了準確的測量溫度,應當選擇時間常數小的熱電偶。時間常數與傳熱系數成反比,與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比,如要減小時間常數,除增加傳熱系數以外,最有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中,通常采用導熱性能好的材料,管壁薄、內徑小的保護套管。在較精密的溫度測量中,使用無保護套管的裸絲熱電偶,但熱電偶容易損壞,應及時校正及更換。


    4、熱阻誤差


    高溫時,如保護管上有一層煤灰,塵埃附在上面,則熱阻增加,阻礙熱的傳導,這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此,應保持熱電偶保護管外部的清潔,以減小誤差。


    發展狀況


    近年來,我國工業現代化的進程和電子信息產業連續的高速增長,帶動了傳感器市場的快速上升。溫度傳感器作為傳感器中的重要一類,占整個傳感器總需求量的40%以上。溫度傳感器是利用NTC的阻值隨溫度變化的特性,將非電學的物理量轉換為電學量,從而可以進行溫度精確測量與自動控制的半導體器件。溫度傳感器用途十分廣闊,可用作溫度測量與控制、溫度補償、流速、流量和風速測定、液位指示、溫度測量、紫外光和紅外光測量、微波功率測量等而被廣泛的應用于彩電、電腦彩色顯示器、切換式電源、熱水器、電冰箱、廚房設備、空調、汽車等領域。近年來汽車電子、消費電子行業的快速增長帶動了我國溫度傳感器需求的快速增長。


    主要用途


    溫度是表征物體冷熱程度的物理量,是工農業生產過程中一個很重要而普遍的測量參數。溫度的測量及控制對保證產品質量、提高生產效率、節約能源、生產安全、促進國民經濟的發展起到非常重要的作用。由于溫度測量的普遍性,溫度傳感器的數量在各種傳感器中居首位,約占50%。


    溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化,所以能作溫度傳感器的材料相當多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數變化的有:膨脹、電阻、電容、而電動勢、磁性能、頻率、光學特性及熱噪聲等等。隨著生產的發展,新型溫度傳感器還會不斷涌現。


    由于工農業生產中溫度測量的范圍極寬,從零下幾百度到零上幾千度,而各種材料做成的溫度傳感器只能在一定的溫度范圍內使用。


    溫度傳感器與被測介質的接觸方式分為兩大類:接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器需要與被測介質保持熱接觸,使兩者進行充分的熱交換而達到同一溫度。這一類傳感器主要有電阻式、熱電偶、PN結溫度傳感器等。非接觸式溫度傳感器無需與被測介質接觸,而是通過被測介質的熱輻射或對流傳到溫度傳感器,以達到測溫的目的。這一類傳感器主要有紅外測溫傳感器。這種測溫方法的主要特點是可以測量運動狀態物質的溫度(如慢速行使的火車的軸承溫度,旋轉著的水泥窯的溫度)及熱容量小的物體(如集成電路中的溫度分布)。


    應用領域


    溫度傳感器是最早開發,應用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初人們開始利用溫度進行測量。在半導體技術的支持下,本世紀相繼 開發了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。


    兩種不同材質的導體,如在某點互相連接在一起,對這個連接點加熱,在它們不加熱的部位就會出現電位差。這個電位差的數值與不加熱部位測量點的溫度有關,和這兩種導體的材質有關。這種現象可以在很寬的溫度范圍內出現,如果精確測量這個電位差,再測出不 加熱部位的環境溫度,就可以準確知道加熱點的溫度。由于它必須有兩種不同材質的導體,所以稱之為“熱電偶”。不同材質做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍,它們的靈敏度 也各不相同。


    熱電偶傳感器有自己的優點和缺陷,它靈敏度比較低,容易受到環境干擾信號的影響,也容易受到前置放大器溫度漂移的影響,因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶 溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關。


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