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如何测量温度和热敏电阻

时间:2019-03-19 ??来源:敏创电子??编辑:热敏电阻厂家??浏览:
热敏电阻概述
热敏电阻是一种由金属氧化物制成的半导体,压入小珠、圆盘、晶圆或其他形状,在高温下烧结,最后涂上环氧树脂或玻璃。由此产生的装置具有电阻,随温度变化。
热敏电阻有两种类型: 负温度系数 (NTC) 热敏电阻,其电阻随温度升高而减。露认凳 (PTC) 热敏电阻随温度升高而增大。NTC 热敏电阻比 PTC 热敏电阻更常用,尤其是用于温度测量应用。
热敏电阻用于温度测量的一个主要优点是其极高的灵敏度。例如,
a 2252Ω热敏电阻具有-100 的灵敏度Ω/?C 在室温下。电阻较高的热敏电阻可以表现出-10 k 的温度系数Ω/?C 或更多。相比之下,100Ω铂金 RTD 灵敏度仅为 0.4Ω/?热敏电阻微珠的物理尺寸也会对温度变化产生非常快速的响应。
热敏电阻的另一个优点是它的电阻相对较高。热敏电阻可与基础电阻 (在 25?C) 从数以亿计的欧姆。这种高电阻降低了导线固有电阻的影响,这可能会导致 RTDs 等低电阻器件的重大误差。
例如,RTD 测量通常需要 3 线或 4 线连接,以减少引线电阻引起的错误,而 2 线连接热敏电阻通常是足够的。
热敏电阻的高电阻和灵敏度的主要权衡是其高度非线性输出和相对有限的工作范围。根据热敏电阻的类型,上范围通常限制在 300 左右?图 1 显示了 2252 的电阻-温度曲线Ω热敏电阻。一个 100 的曲线ΩRTD 也显示为比较。
 

图 1.热敏电阻的电阻-温度曲线

热敏电阻主要用于在有限的温度范围内的高分辨率测量。这种应用的经典例子是医学测温。然而,热敏电阻的稳定性、准确性和交换能力的持续改进促使热敏电阻在所有类型的行业的使用增加。
 
热敏电阻/温度特性
热敏电阻的电阻-温度行为是高度依赖于制造过程。因此,热敏电阻制造商没有标准化热敏电阻曲线的程度,热电偶或 RTD 曲线已标准化。通常,热敏电阻制造商为其特定设备提供电阻与温度曲线或表。然而,热敏电阻曲线可以用 Steinhart-Hart 方程相对精确地逼近


其中 T (?K) 是温度在开尔文度,等于 T (?C) 273.15,和T是热敏电阻的电阻。系数 a0,一个1,和一个2可以由热敏电阻制造商提供,或从电阻与温度曲线计算。
 
热敏电阻测量电路
由于热敏电阻是电阻器件,因此必须通过热敏电阻传递电流,以产生可由数据采集系统感知的电压。热敏电阻的高电阻和高灵敏度简化了必要的测量电路和信号调理。不需要特殊的三线、四线或惠斯通桥连接。最常见的技术是使用恒定电流源,
并测量整个热敏电阻的电压。如图 2a 所示,测量的电压 V0将等于 RT* EX.
 或者,你可以提供一个恒定的电压源,V,和一个参考电阻,是R,并在一个简单的分压器配置热敏电阻。在此配置中,如图 2b 所示,输出电压 V0将等于VEX* RT/(RT + R0).

 
图 2.使用 a.) 恒流源和 b 的热敏电阻测量。) 分压器电路中的恒压源

电压输出信号的电平将直接取决于热敏电阻和电流或电压激励源的大小。因此,您可能会尝试使用更高的电流或电压激励,以产生更高的电平输出信号。这可能是非常有害的,因为电流导致热敏电阻内部加热,这似乎是一个错误。
这种现象被称为自加热,通常由制造商指定的功率将提高热敏电阻的温度 1°C.
当电流通过热敏电阻时,热敏电阻消耗的功率等于 I2是,会加热热敏电阻。热敏电阻,其体积。缱韪,特别容易这些自加热误差。制造商通常将其指定为耗散常数,这是加热所需的功率
热敏电阻 1°C 来自环境温度 (mW/°C)。耗散常数在很大程度上取决于热是如何容易从热敏电阻转移,所以耗散常数可以指定不同的介质-在静止空气,水,或油浴。典型的耗散常数范围从小于 0.5 mW/°C 静风至 10 mW/°C 或更高的热敏电阻浸入水中。一 2,252Ω由 1毫安励磁电流供电的热敏电阻将耗散 I2R = 1毫安 (2,252)Ω= 2.25 mW。如果此热敏电阻的耗散常数为 10 mW/°C,热敏电阻将自热 0.225°因此,仔细阅读热敏电阻的自加热规格,并相应地选择励磁电流或电压。如果你的热敏电阻有一个小的耗散常数,那么你应该尽量减少你的励磁电流的水平,以尽量减少自热误差。
 
热敏电阻信号调节系统
使用热敏电阻进行温度测量与基于 PC 的 DAQ 系统需要一些信号调理硬件接口热敏电阻的测量设备,如插入式 DAQ 板。信号调理在这里被定义为接口热敏电阻及其输出信号到数据采集板或模块所需的任何调理。DAQ 板或模块执行实际的模数转换 (A/D)。简单地说,热敏电阻的信号调理应该包括以下功能。
励磁电流或电压源?-如上一节所述,恒定电流或电压(带参考电阻) 将热敏电阻转换为可测量的电压输出。更高电平的励磁源会产生更高电平的电压输出,但也会增加热敏电阻的自热。
信号放大-大多数信号调节器包括电压信号放大器。放大的热敏电阻电压产生一个高层次的电压信号,不容易受到噪声损坏和更精确的数字化。
低通滤波-低通滤波器拒绝热敏电阻信号中不需要的噪声。温度信息热敏电阻中所含的电压带宽相对较低,或缓慢变化。然而,测量电路很可能会从环境中提取更高的频率噪声。最常见的是 50 或 60Hz 的噪声从电源线和机械。
低通噪声滤波器的设计是通过衰减任何信号组件的频率超过一些定义的带宽消除这种噪声。
隔离-信号调理硬件与隔离服务电隔离热敏电阻和其他来自测量系统的传感器。隔离防止接地回路,拒绝大共模电压,并在一般保护数据采集系统从高电压。
复用-典型的插件 DAQ 板有 8 到 16 个模拟输入通道。但是,您可以使用外部复用系统,包括在一些信号调理系统,以扩大输入通道的数量,你可以连接到一个数据采集板。多路复用系统按顺序将多个通道切换到 DAQ 板的单输入通道。
 
SCXI 信号调理系统
基于 PC 的 DAQ 的信号调理系统的一个例子是仪器 (SCXI) 的信号调理扩展。SCXI 是一种仪器前端,可连接到插件 DAQ 板、远程 RS-232 或 RS-485 网络,或直接连接到 PC 的并行端口。SCXI 模块处理来自各种信号源的信号,如热敏电阻、 RTDs 、热电偶和应变计。条件信号被传递到一个插件 DAQ 板,直接获取信号到 PC 内存。或者,信号可以在 SCXI 单元本地数字化,并通过并行端口或串行通信到 PC。
SCXI 产品线有各种各样的模拟和数字 I/O 模块的各种类型的传感器和信号。特别是,SCXI-1121 和 SCXI-1122 非常适合热敏电阻 (见表 1)。SCXI-1121 是一个隔离放大器和多路复用器模块,具有四个隔离输入通道。四个通道中的每一个都有一个具有跳线可选增益的放大器 (从 1 到 2,000) 和一个低通滤波器 (4Hz 或 10 kHz)。该 SCXI-1121 还具有四通道隔离电压或电流激励
CXI-1122 是多路复用器输入模块,可配置 16 个双线输入或 8 个四线热敏电阻输入。输入复用成一个隔离放大器,这是可编程的增益 0.01 (高电压) 到 2,000。该模块包括一个隔离电压和一个隔离电流源。

输入通道数 4 隔离双线或四线 16 双线/8 四线
激励源数 4 独立电流/电压来源 1 个电压和 1 个电流源
激发水平 电流: 0.15毫安,0.45毫安 当前: 1.0毫安
  电压: 3.33 V,10.0 V 电压 3.33 V
收益 1 至 2,000 0.01 至 2,000
过滤: 4Hz 或 10 kHz,低通 4Hz 或 4 kHz,低通
隔离 250 Vrms 通道至通道和 450 Vrms 通道至地球
  通往地球的通道  
输入通道扫描速率 高达 333 kS/s 100 S/s

应用示例 1-使用 SCXI-1122 监控 16 个热敏电阻
考虑一个生产测试系统,它需要在 16 个测试点监控和记录温度,作为功能测试的一部分。在正常工作条件下,被测试的单位将在有限的范围内表现出温度 (10°到 100°C),你的测试需要最大的灵敏度和快速响应。因此,您决定使用 2252Ω热敏电阻。
您可以监控所有 16 个热敏电阻与两个 SCXI-1122 的模块安装在一个四槽 SCXI-1000 的机箱。模块和机箱连接到一个插件 PC DAQ 板,AT-MIO-16E-2,从所有四个模块获取模拟信号,并将数字化读数存储到 PC 内存中。图 3 是系统的图

图 3.监测 16 个热敏电阻的 SCXI-1122 系统