熱敏電阻溫度傳感器、熱電偶和 RTD 溫度傳感器的基礎(chǔ)知識
熱敏電阻溫度傳感器、熱電偶和 RTD 溫度傳感器的基礎(chǔ)知識
溫度的概念
從物理學的角度來看，熱量是由于其分子或原子的不規(guī)則運動而包含在體內(nèi)的能量的量度。正如網(wǎng)球隨著速度的增加而擁有更多的能量一樣，物體或氣體的內(nèi)能隨著溫度的升高而增加。溫度是一個變量，它與質(zhì)量和比熱等其他參數(shù)一起描述了物體的能量含量。
溫度的基本量度是開爾文度數(shù)。在 0°K(elvin) 時，每個物體的分子都處于靜止狀態(tài)，不再具有任何熱能。因此，不可能出現(xiàn)負溫度，因為不可能存在較低能量的狀態(tài)。
在日常使用中，通常使用攝氏刻度（以前稱為攝氏）。它的零被放置在水的凝固點，因為這個點在實踐中很容易重現(xiàn)。現(xiàn)在 0°C 絕不是每個人都從經(jīng)驗中知道的zui低溫度。通過將攝氏度擴展到所有分子運動停止的zui低可能溫度，我們達到 -273.15 度的溫度。
人類有能力通過他的感官在有限的范圍內(nèi)測量溫度。但是，他無法準確再現(xiàn)定量測量結(jié)果。zui早的定量溫度測量形式是在 17 世紀初在佛羅倫薩發(fā)展起來的，它依賴于酒精的膨脹?？s放基于夏季和冬季的zui高溫度。一百年后，瑞典天文學家攝氏將其替換為基于水的熔點和沸點的刻度。這為溫度計提供了隨時縮放比例并在以后重現(xiàn)讀數(shù)的機會。
溫度測量
溫度測量在許多應(yīng)用中都很重要，例如建筑控制、食品加工以及鋼鐵和石化產(chǎn)品的制造。這些非常不同的應(yīng)用需要不同物理結(jié)構(gòu)和通常不同技術(shù)的溫度傳感器。
在工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中，測量點通常遠離指示或控制點。通常需要在控制器、記錄器或計算機中進一步處理測量。此類應(yīng)用不適合直接指示溫度計，因為我們從日常使用中了解它們，但需要將溫度轉(zhuǎn)換為另一種形式（電信號）的設(shè)備。為了提供這種遠程電信號，通常采用 RTD溫度傳感器。熱敏電阻和熱電偶。
RTD采用金屬電阻隨溫度變化的特性。它們是電阻隨溫度增加的正溫度系數(shù) (PTC) 傳感器。使用的主要金屬是鉑和鎳。使用zui廣泛的傳感器是 100 歐姆或 1000 歐姆 RTD溫度傳感器 或鉑電阻溫度計。
RTD溫度傳感器 是工業(yè)應(yīng)用中zui精確的傳感器，還提供zui佳的長期穩(wěn)定性。鉑電阻精度的代表值為測量溫度的 +0.5%。一年后可能會隨著老化而變化 +0.05°C。鉑電阻溫度計可覆蓋 -200 至 800°C 的溫度范圍。
電阻隨溫度的變化
金屬的導電性取決于傳導電子的遷移率。如果將電壓施加到金屬線的末端，電子就會移動到正極。晶格中的缺陷會干擾這種運動。它們包括外來或缺失的晶格原子、晶界和晶格間位置的原子。由于這些故障位置與溫度無關(guān)，它們會產(chǎn)生恒定的電阻。隨著溫度升高，金屬晶格的原子圍繞它們的靜止位置表現(xiàn)出越來越多的振蕩，從而阻礙了傳導電子的運動。由于這種振蕩隨溫度線性增加，因此由它引起的電阻增加直接取決于溫度的第一近似值。
在工業(yè)測量中，電阻材料鉑已被普遍接受。其優(yōu)點包括化學穩(wěn)定性、制造相對容易（尤其是對于電線制造而言）、以高純度形式獲得的可能性以及可重現(xiàn)的電特性。這些特性使鉑電阻傳感器成為zui通用的可互換溫度傳感器。
熱敏電阻由某些金屬氧化物制成，其電阻隨溫度升高而降低。由于電阻特性隨溫度升高而下降，因此它們被稱為負溫度系數(shù) (NTC) 溫度傳感器。
由于基本過程的性質(zhì)，導電電子的數(shù)量隨溫度呈指數(shù)增加；因此，該特征呈現(xiàn)出強烈的上升形式。這種明顯的非線性是 NTC 溫度傳感器電阻器的一個缺點，并將其可用溫度范圍限制在 100°C 左右。它們當然可以由自動化計算機線性化。但是，精度和線性度通常無法滿足較大測量跨度的要求。它們在交替溫度下的漂移也大于 RTD溫度傳感器。它們的使用領(lǐng)域僅限于溫度不超過 200°C 的監(jiān)測和指示應(yīng)用。在這種簡單的應(yīng)用中，鑒于其低成本和所需的相對簡??單的電子電路，它們實際上比更昂貴的熱電偶和 RTD溫度傳感器 更可取。
熱電偶基于兩種不同金屬之間的結(jié)產(chǎn)生隨溫度升高的電壓的效應(yīng)。與電阻溫度計相比，它們的明顯優(yōu)勢是溫度上限更高，zui高可達幾千攝氏度。它們的長期穩(wěn)定性稍差（一年后幾度），測量精度稍差（平均+0.75% 的測量范圍）。它們經(jīng)常用于烤箱、熔爐、煙氣測量和其他溫度高于約 250°C 的區(qū)域。
熱電效應(yīng)
當兩種金屬連接在一起時，由于電子與金屬離子的結(jié)合能不同，會產(chǎn)生熱電電壓。該電壓取決于金屬本身，此外還取決于溫度。為了使該熱電壓產(chǎn)生電流，兩種金屬當然也必須在另一端連接在一起，從而形成閉合電路。以這種方式，在第二個結(jié)點處產(chǎn)生熱電壓。熱電效應(yīng)由塞貝克于 1822 年發(fā)現(xiàn)，早在 1828 年貝克勒爾就建議使用鉑鈀熱電偶進行溫度測量。
如果兩個結(jié)點的溫度相同，則沒有電流流動，因為在兩個點產(chǎn)生的分壓會相互抵消。隨著結(jié)點處的溫度不同，產(chǎn)生的電壓也不同，并且有電流流動。因此，熱電偶只能測量溫差。
測量點是暴露于測量溫度的結(jié)點。參考結(jié)是已知溫度下的結(jié)。由于已知溫度通常低于測量溫度，因此參考端通常稱為冷端。為了計算測量點的實際溫度，必須知道冷端溫度。
較舊的儀器使用恒溫控制接線盒將冷端溫度控制在已知值，例如 50C?，F(xiàn)代儀器在冷端使用薄膜 維連RTD 溫度傳感器來確定其溫度并計算測量點溫度。
熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓非常小，每攝氏度只有幾微伏。因此，熱電偶通常不在 -30 至 +50°C 的范圍內(nèi)使用，因為此處與參考結(jié)溫的差異太小而無法產(chǎn)生無干擾信號。
熱電阻接線
在電阻溫度計中，電阻隨溫度變化。為了評估輸出信號，恒定電流通過它并測量其兩端的電壓降。對于這個電壓降遵循歐姆定律，V=IR。
應(yīng)選擇盡可能小的測量電流，以避免傳感器發(fā)熱。可以認為 1 mA 的測量電流不會引入任何明顯的誤差。該電流在 0°C 下在 Pt 100 中產(chǎn)生 0.1 V 的電壓降。該信號電壓現(xiàn)在必須通過連接電纜傳輸?shù)街甘净蛟u估點，并且改動zui少。有四種不同類型的連接電路：
2線電路
溫度計和評估電子設(shè)備之間的連接是通過 2 芯電纜進行的。與任何其他電導體一樣，該電纜具有與電阻溫度計串聯(lián)的電阻。因此，兩個電阻加在一起，這被電子設(shè)備解釋為溫度升高。對于更長的距離，線路電阻可能達到幾歐姆，并在測量值中產(chǎn)生明顯的變化。
3線電路
為了將線路電阻及其隨溫度波動的影響降至zui低，通常采用三線電路。它包括將額外的電線連接到 RTD 的一個觸點。這導致了兩個測量電路，其中一個用作參考。3 線電路可以補償線路電阻的數(shù)量和溫度變化。然而，要求所有三個導體都具有相同的特性并暴露在相同的溫度下。這通常適用于足夠的程度，因此 3 線電路是當今zui廣泛使用的方法。不需要線路平衡。
4線電路
電阻溫度計的zui佳連接形式是 4 線電路。測量既不取決于線路電阻，也不取決于它們因溫度引起的變化。不需要線路平衡。通過電源連接為溫度計提供測量電流。測量電阻兩端的電壓降由測量線拾取。如果電子設(shè)備的輸入電阻比線路電阻大很多倍，則可以忽略后者。以這種方式確定的電壓降與連接線的特性無關(guān)。這種技術(shù)通常只用于要求精度為百分之一的科學儀器。
2 線制變送器
通過采用2線發(fā)送器，可以在不使用多芯電纜的情況下避免上述2線電路的問題。變送器將傳感器信號轉(zhuǎn)換為 4 – 20 mA 的標準化電流信號，該信號與溫度成正比。變送器的電源也通過相同的兩個連接運行，使用 4 mA 的基極電流。2 線制變送器提供了額外的優(yōu)勢，即信號的放大大大降低了外部干擾的影響。有兩種布置發(fā)射器的方式。由于未放大信號的距離應(yīng)盡可能短，因此放大器可以直接安裝在溫度計的接線端內(nèi)。由于結(jié)構(gòu)原因或考慮到在發(fā)生故障時發(fā)射機可能難以到達，這種zui佳解決方案有時是不可能的。在這種情況下，導軌安裝式變送器安裝在控制柜內(nèi)。改善接入的優(yōu)勢是以犧牲未放大信號必須傳輸?shù)母L距離為代價的。
熱敏電阻接線
熱敏電阻的電阻通常比任何引線電阻大幾個數(shù)量級。因此，引線電阻對溫度讀數(shù)的影響可以忽略不計，熱敏電阻幾乎總是以 2 線配置連接。
熱電偶接線
與 RTD 和熱敏電阻不同，熱電偶有正極和負極，因此必須注意極性。它們可以直接連接到本地 2 線制變送器，銅導線可以返回到接收儀器。如果接收儀器能夠直接接受熱電偶輸入，您必須使用相同的熱電偶線或熱電偶延長線一直返回到接收儀器。
為樓宇自動化選擇合適的傳感器
1. 鉑 RTD 是長期以來zui準確和zui穩(wěn)定的傳感器。它們的交易成本通常比熱敏電阻每點高約 5 加元。一些自動化面板不直接接受 RTD，對于這些面板，它們必須與溫度變送器一起使用
2. 熱敏電阻不像 RTD 那樣精確或穩(wěn)定，但它們更容易接線，成本稍低，幾乎所有的自動化面板都直接接受它們。請注意，熱敏電阻有許多不同的基極電阻和許多不同的曲線。您必須為要使用的面板指定正確的熱敏電阻。
3. 熱電偶在工業(yè)應(yīng)用中被廣泛使用，因為它們在非常高的溫度下可靠地工作并且比 RTD 便宜。在樓宇自動化中很少需要它們，因為大多數(shù)測量的溫度低于 100 攝氏度。然而，它們經(jīng)常與 2 線制變送器一起用于煙氣測量。
4. 某些工作的顧問指定鉑 RTD，因為它們提高了準確性和長期穩(wěn)定性。
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