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漫談工業控制中溫度傳感器

同樣在工業控制中,感知就是依靠各種傳感器完成的。從這個系列開始,我們將開始了解各種工業中用到的傳感器,包括溫度、壓力、流量、速度等。

今天就讓我們從最基本的溫度傳感器開始。

溫度

無論是生活還是工業運用中,有很多情況需要知道溫度這個物理量,例如 鍋爐,反應堆,電機,冷庫等。

溫度傳感器漫談

人類為了測量溫度發明了各種不同的技術。但為什么測量溫度要使用不同的技術呢?

這是一個好問題,因為沒有一種技術是能應對所有的場合。我這里介紹四種溫度傳感器:

  • RTD
  • 熱電偶
  • 熱敏電阻
  • 半導體測溫元件

RTD

RTD或“電阻溫度檢測器”是一種電阻隨溫度變化的器件。

溫度傳感器漫談

既然它是被動裝置,是通過施加外部電流然后測量它兩端的電壓。電壓是溫度的良好指示。當說一個裝置是被動時,這意味著器件需要使用外部電流(或電壓)源。這也就是連接RTD的模塊有正負的原因。

根據歐姆定律,大電流會導致RTD電阻產生熱量,所以為了避免這種錯誤,電流應保持在最低水平。

溫度傳感器漫談

上圖顯示了RTD的三種接線方式,最簡單稱為“2線制”。但因為溫度測量點和模塊之間的導線有電阻,誤差便會在這里產生。為了更準確的測量于是就有了 3線制或4線制,用以消除誤差。

誤差大小 2線>3線>4線,4線制的誤差最小

最常見的RTD之一是“PT100”,它由一層鉑金薄膜組成在塑料薄膜上,在0℃時顯示出100Ω的電阻。它的電阻隨溫度變化它通常可以測量-201℃到849℃。PT100的電阻和溫度之間的關系是相對線性的。

溫度傳感器漫談

PT100使用的是鉑,同樣的原理針對不同的用途,很多裝置也使用銅,鎳,鎳鐵等熱敏電阻 ,如過流保護,自調節加熱元件,浪涌電流限制器等。熱敏電阻可以是NTC或PTC。在NTC(負溫度系數)熱敏電阻中,電阻隨溫度升高而降低。NTC通常用作“浪涌”限流器。并配有PTC(正溫度系數)熱敏電阻,電阻隨溫度升高而增加。PTC熱敏電阻通常用作“過電流保護”以及可復位的保險絲。

熱電偶

熱電偶或簡稱“TC”由一對連接在一起的特定異種線組成,形成“感應點”或“連接點”。

溫度傳感器漫談

基于稱為“熱電效應”的物理特性,當這個交叉點放置在不同的溫度時,產生不同的毫伏信號對應不同的溫度。與RTD相比,熱電偶是測量和供電同線的,兩個接線端,不同于RTD的4個接線端。熱電偶通常用于熔爐,燃氣輪機燃燒室,高溫排氣管等場合。

如果需要準確測量的場合,使用熱電偶并不合適。此外,熱電偶需要一個稱為“冷端”的參考測量點。熱電偶接頭經常暴露在極端環境中,而冷端通常安裝在儀器附近。

基于溫度測量的“范圍”,每個運用中的“敏感性”和其他一些因素,有不同類型的熱電偶可供選擇,例如E,J,K,M,N,T等。例如,類型“J”由“Iron-Constantan”組合組成范圍為-40°F至+1380°F和靈敏度約為27.8μV/°F。類型“K”(Chromel-Alumel)是最常見的通用熱電偶之一靈敏度約為22.8μV/°F。K型價格便宜,可提供各種探頭在-201℃至1348℃的工作范圍內。由于熱電偶的功能基于熱電效應在不同類型的導體中,當熱電偶的位置遠離“測量儀器”時(例如鍋爐),應選擇適當類型的導線連接。否則,熱電偶產生的微小信號會因為導線更不準確!

半導體溫度傳感器

半導體溫度傳感器基于PN組合半導體。

溫度傳感器漫談

該技術廣泛用于電子設備,例如電池溫度的監控。該傳感器的優點是 線性特性,小尺寸和低成本。但應該注意的是,這種傳感器的測量范圍只有-40℃到120℃

總結

從“精確度”來看,通常RTD比熱電偶高,大約高出10倍。

從“敏感性”的角度來看,RTD和熱端偶對溫度變化反應迅速,但熱電偶成本更低

如果我們要測量電子PCB和/或IC溫度,半導體溫度傳感器很合適。并且它的成本最低。

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