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工業測量溫度感測器的選用

admin @ 2014-03-26 , reply:0

概述

譯註:這也是一個可以作文章的專題,大致的要點:1. 溫度感測器概述:應用領域,重要性;2. 四種主要的溫度感測器類型的橫向比較3. 熱電偶感測器4. 熱電阻感測……

譯註:這也是一個可以作文章的專題,大致的要點:
1. 溫度感測器概述:應用領域,重要性;
2. 四種主要的溫度感測器類型的橫向比較
3. 熱電偶感測器
4. 熱電阻感測器
5. 熱敏電阻感測器
6. 集成電路溫度感測器以及典型產品舉例
7. 溫度感測器的正確選擇及應用

    在各種各樣的測量技術中,溫度的測量可能是最為常見的一種,因為任何的應用領域,掌握溫度的確切數值,了解溫度與實際狀態之間的差異等,都具有極為重要的意義。就以測量為例,在力的測量,壓力,流量,位置及電平高低等測量的過程中,為了提高測量精度,通常都會要求對溫度進行監視,如壓力或力的測量,往往是使用惠斯登電阻電橋,但組成電橋的電阻隨溫度變化引起的誤差,往往會大大超過待測力引起的電阻值變化,如不對溫度進行監控並據此校正測量結果,則測量完全不可能進行或者毫無效果。其他參數測量也有類似問題,可以說,各種的物理量都是溫度的函數,要得到精確的測定結果,必須針對溫度的變化,作出精確的校正。本文就是幫助讀者針對特定的用途,選擇最為合適的溫度感測器,並進行精確的溫度測量。
    工業上常用的溫度感測器有四類:即熱電偶、熱電阻RTD、熱敏電阻及集成電路溫度感測器;每一類溫度感測器有自己獨特的溫度測量範圍,有自己適用的溫度環境;沒有一種溫度感測器可以通用於所有的用途:熱電偶的可測溫度範圍最寬,而熱電阻的測量線性度最優,熱敏電阻的測量精度最高。表1是四類感測器的各自獨特的性能特性及相互比較。表2是四類感測器的典型應用領域。
 

熱電偶--通用而經濟
    熱電偶由二根不同的金屬線材,將它們一端焊接在一起構成,如圖1所示;參考端溫度(也稱冷補償端)用來消除鐵-銅相聯及康銅-銅聯接端所貢獻的誤差;而兩種不同金屬的焊接端放置於需要測量溫度的目標上。
 
    兩種材料這樣聯接後會在未焊接的一端產生一個電壓,電壓數值是所有聯接端溫度的函數,熱電偶無需電壓或電流激勵。實際應用時,如果試圖提供電壓或電流激勵反而會將誤差引進系統。
    鑒於熱電偶的電壓產生於兩種不同線材的開路端,其與外界的介面似乎可通過直接測量兩導線之間的電壓實現;如果熱電偶的的兩端頭不是聯接至另外金屬,通常是銅,那末事情真會簡單至此。
    但熱電偶需與另外一種金屬聯接這一事實,實際上又建立了新的一對熱電偶,在系統中引入了極大的誤差,消除此誤差的唯一辦法是檢測參考端的溫度(參見圖1),以硬體或硬體-軟體相結合的方式將這一聯接所貢獻的誤差減掉,純硬體消除技術由於線性化校正的因素,比軟體-硬體相結合技術受限制更大。一般情況下,參考端溫度的精確檢測用熱電阻RTD,熱敏電阻或是集成電路溫度感測器進行。原則上說,熱電偶可由任意的兩種不同金屬構建而成,但在實踐中,構成熱電偶的兩種金屬組合已經標準化,因為標準組合的線性度及所產生的電壓與溫度的關係更趨理想。
    表3與圖2是常用的熱電偶E,J,T,K,N,S,B R的特性。

  
    熱電偶是一種高度非線性器件,需作大力線性化演算法處置。表3的西貝克係數是某種熱電偶在規定溫度下的平均飄移。 
    熱電偶交貨時,其性能由製造商按NIST175標準保證(此標準已被ASTM採納),標準規定了熱電偶的溫度特性以及所用原材料的品質。與熱電阻RTD,熱敏電阻及集成電路硅感測器相比,熱電偶的非線性極其嚴重,因此,在電路部分,必須進行複雜的演算法處理,表4所示是複雜演算法的一個實例,這是K型熱電偶的溫度係數,可將其在0度至1372度範圍內予以線性化,這些係數應用於以下方程:
 
式中:V 是熱電偶兩端的電壓;
      T 是溫度
 
    另一種這些複雜計算方法的應用是在處理程序中製作一張對照表,這樣一張表 4 所列的 K 型熱電偶的係數計算對照表是一組 11X14 陣列的十進位數,範圍為0.000 – 13.820;
    除此之外,熱電偶由於與參考溫度之間有一定的函數關係,它能確定溫度的數值,(參考溫度定義為熱電偶導線相對其焊接端的遠端端頭溫度,通常用熱電阻RTD,熱敏電阻或硅集成電路感測器測定)。
    與熱電阻RTD,熱敏電阻相比,熱電偶的熱質量較小,因此其響應速度較快。這種溫度感測器由於其寬廣的溫度檢測範圍,在一些惡劣環境下幾乎成為獨一無二的選擇。
熱電偶誤差分析
    熱電偶比較其他溫度感測器的成本低,結構強度大,體積小;但材料所受的任何應力,如彎曲,拉伸,壓縮均可改變熱梯度特性;此外,腐蝕介質可穿透其絕緣外皮,引起其熱力學特性的改變,給熱電偶加一保護性管殼,如陶瓷管以作高溫保護是可行的,金屬熱阱也可提供機械保護。熱電偶電壓沿兩種不同金屬的長度方向上存在電壓降,但這並不意味著長度較短的熱電偶與長度較大的熱電偶相比,肯定會有不同的西貝克係數。
    線材長度短,當然會使溫度梯度陡峻,但從導電效應來看,線材長度較大的熱電偶卻有它自己的優點,這時溫度梯度是會小些,但導電損失也減小;但從長導線的負面效應來看,長線材熱電偶的輸出電壓小,增加了後續信號調理電路的負擔。
    除了輸出信號小之外,器件的線性度差需要大額度的校準,通常是以硬體與軟體實現,如以硬體實現,需要一絕對溫度參考用作為冷端參考,如以軟體實現,則以對照表或多項式計算以減小熱電偶誤差。最後,電磁干擾會耦合進這雙線系統;小線規線材可用作高溫檢測,壽命也會長些,但如果靈敏度成為最重要因素,則大線規線材的測量性能好些。
    總起來講,熱電偶由於可測溫度範圍大,機械強度高,及價格低,成為溫度測量的常選。高精度系統要求的線性度及準確度,要實現並不容易。如果精度要求更高,則應選擇其他的溫度感測器。

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