如果要進行可靠的溫度測量,就需要為我們的應用選擇正確的溫度傳感器。如熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻(RTD)和溫度IC是測試中最常用的溫度傳感器。
熱電偶
熱電偶是溫度測量中最常用的傳感器。其主要好處是寬溫度范圍和適應各種大氣環(huán)境,而且結實、價低,無需供電,尤其最便宜。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,如圖1所示。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,電壓和溫度間是如圖2所示的非線性關系,溫度變化時電壓變化很小。例如J型熱偶在0℃時產生的電壓為50mV,每1℃的溫度變化只產生5mV量級的電壓變化。則需要用精密的測量設備來測量如此小的電壓。此外,熱偶也是最不靈敏和最不穩(wěn)定的溫度傳感器。
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和∕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)。
簡而言之,熱偶是最簡單和最通用的溫度傳感器,但熱偶并不適合高精度的應用。
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。
測量技巧
熱敏電阻體積小是優(yōu)點,它能很快穩(wěn)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(fā)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。
鉑電阻溫度傳感器
與熱敏電阻相似,鉑電阻溫度傳感器(RTD)也是用鉑制成的熱敏感電阻。當通過測量電壓計算RTD溫度時,數字萬用表用已知電流源測量該電流源所產生的電壓。這一電壓為兩條引線(Vlead)上的壓降加RTD上的電壓(Vtemp)。例如,常用RTD的電阻為100Ω,每1℃僅產生0.385Ω的電阻變化。如果每條引線有10Ω電阻,就將造成26℃的測量誤差,這是不可接受的。所以應對RTD作4線歐姆測量。
RTD是最精確和最穩(wěn)定的溫度傳感器,它的線性度優(yōu)于熱偶和熱敏電阻。但RTD也是最慢和最貴的溫度傳感器。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。
測量技巧
1、使用5mA電流源會因自熱造成2.5℃的溫度測量誤差。因此把自熱誤差減到最小是極為重要的。
2、4線測量更為精確,但需要兩倍的引線和兩倍的開關。
溫度IC
溫度集成電路(IC)是一種數字溫度傳感器,它有非常線性的電壓∕電流—溫度關系。有些IC傳感器甚至有代表溫度、并能被微處理器直接讀出的數字輸出形式。
有兩類具有如下溫度關系的溫度IC:
·電壓IC: 10 mV/K。
·電流IC: 1μA/K。
溫度IC的輸出是非常線性的電壓∕℃。實際產生的是電壓∕Kelvin,因此室溫時的1℃輸出約為3V。溫度IC需要有外電源。通常溫度IC是嵌入在電路中而不用于探測。
溫度IC缺點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。它很便宜,但也受到配置和速度限制。
測量技巧
·溫度IC 體積較大,因此它變化慢,并可能造成熱負載。
·把溫度IC用于接近室溫的場合。這是它最流行的應用。雖然測量范圍有限,但也能測量150℃的高溫。
總結
我們已討論了各類常用溫度傳感器的優(yōu)點和缺點。如果了解了必須的權衡,在為產品應用選擇正確的傳感器時候,就能避免常見的缺憾而實現可靠的溫度測量。
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