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热电偶、热敏电阻和RTD的比较

时间:2019-05-09 ??来源:敏创电子??编辑:热敏电阻厂家??浏览:
哪个传感器?热敏电阻,RTD或热电偶
 
温度的概念
从物理角度来看,热量是由于其分子或原子的不规则运动而在体内所含能量的量度。正如网球随着速度的增加而拥有更多的能量,因此身体或气体的内部能量随着温度的升高而增加。温度是一个变量,它与其他参数如质量和比热一起描述了身体的能量含量。
温度的基本衡量标准是开尔文度。在0ºK(elvin)时,每个身体的分子都处于静止状态,不再有任何热能。因此不存在负温度的可能性,因为不存在较低能量的状态。
在日常使用中,通常的做法是使用摄氏度(以前的摄氏度)。它的零点位于水的凝固点,因为这一点在实践中很容易重现。现在0ºC绝不是最低温度,因为每个人都从经验中知道。通过将摄氏温标扩展到所有分子运动停止的最低温度,我们达到-273.15度的温度。
人类有能力在有限的范围内通过他的感官测量温度。但是,他无法准确再现定量测量。第一种形式的定量温度测量是在17世纪初在佛罗伦萨开发的,并且依赖于酒精的扩张。缩放是基于夏季和冬季的最高温度。一百年后,瑞典天文学家Celsius用水的熔点和沸点取代了它。这为温度计提供了随时缩放的机会,并在以后重现读数。
 
电气测量温度
温度的测量在许多应用中是重要的,例如建筑物控制,食品加工以及钢铁和石化产品的制造。这些非常不同的应用需要具有不同物理结构和通常不同技术的温度传感器
在工业和商业应用中,测量点通常远离指示或控制点。通常需要在控制器,记录器或计算机中进一步处理测量。这些应用不适合直接指示温度计,因为我们从日常使用中了解它们,但需要将温度转换成另一种形式的装置,即电信号。为了提供这种远程电信号,通常采用RTD。热敏电阻和热电偶。
RTD采用金属电阻随温度变化的特性。它们是正温度系数(PTC)传感器,其电阻随温度升高而增加。使用的主要金属是铂和镍。最广泛使用的传感器是100欧姆或1000欧姆RTD或铂电阻温度计。
RTD是用于工业应用的最精确的传感器,并且还提供最佳的长期稳定性。铂电阻精度的代表值是测量温度的+ 0.5%。一年后,通过老化可能会有+0.05ºC的变化。铂电阻温度计的温度范围为-200至800ºC。
 
电阻随温度的变化
金属的导电性取决于传导电子的迁移率。如果将电压施加到金属线的末端,则电子移动到正极。晶格中的缺陷会干扰这种运动。它们包括外部或缺失的晶格原子,晶界和晶格间位置的原子。由于这些故障位置与温度无关,因此它们产生恒定的电阻。随着温度升高,金属晶格的原子在其静止位置附近表现出增加的振荡,从而阻碍传导电子的运动。由于该振荡随温度线性增加,因此由其引起的电阻增加直接取决于温度。
 
在工业测量中,电阻材料铂已被普遍接受。其优点包括化学稳定性,相对容易的制造(特别是对于线材制造),以高纯度形式获得它的可能性,以及可以再现的电性能。这些特性使铂电阻传感器成为最普遍可互换的温度传感器。
热敏电阻由某些金属氧化物制成,其电阻随温度升高而降低。由于电阻特性随温度升高而下降,因此称为负温度系数(NTC)传感器。
由于基本过程的性质,导电电子的数量随温度呈指数增加; 因此,该特征呈现出强烈上升的形式。这种明显的非线性是NTC电阻器的缺点,并将其有效温度范围限制在约100ºC。它们当然可以由自动化计算机进行线性化。然而,精度和线性度通常不满足较大测量跨度的要求。它们在交替温度下的漂移也比RTD大。它们的使用范围仅限于监测和指示温度不超过200ºC的应用。在这种简单的应用中,考虑到它们的低成本和所需的相对简??单的电子电路,它们实际上优于更昂贵的热电偶和RTD。
热电偶的基础是两种不同金属之间的连接热敏电阻,热电偶,RTD产生的电压随温度升高而增加。与电阻温度计相比,它们具有更高的温度上限,高达几千摄氏度的明显优势。它们的长期稳定性稍差(一年后几度),测量精度稍差(平均值+测量范围的0.75%)。它们经常用于烤箱,熔炉,烟气测量和其他温度高于250ºC的区域。

热电效应
当两种金属连接在一起时,由于电子与金属离子的不同结合能而产生热电电压。该电压取决于金属本身,以及温度。为了使该热电压产生电流,两个金属当然也必须在另一端连接在一起,从而形成闭合电路。以这种方式,在第二结处产生热电压。热电效应于1822年由Seebeck发现,早在1828年,贝克勒尔就建议使用铂钯热电偶进行温度测量。
如果在两个结处存在相同的温度,则没有电流流动,因为在两个点处产生的分压相互抵消。在结点处的温度不同时,产生的电压不同并且电流流动。因此,热电偶只能测量温差。
测量点是暴露于测量温度的结。参考结是已知温度下的结。由于已知温度通常低于测量温度,因此参考结通常称为冷结。为了计算测量点的实际温度,必须知道冷端温度。
较旧的仪器使用恒温控制接线盒将冷端温度控制在50C等已知值。现代仪器在冷端使用薄膜RTD来确定其温度并计算测量点温度。
由热电效应产生的电压非常。⑶医鱿嗟庇诿可闶隙燃肝⒎。因此,热电偶通常不在-30到+50ºC的范围内使用,因为这里与参考结温度的差异太小而不能产生无干扰信号。
 
RTD接线
在电阻温度计中,电阻随温度变化。为了评估输出信号,恒定电流通过它并测量其上的电压降。对于这个电压降遵循欧姆定律,V = IR。
应选择尽可能小的测量电流,以避免传感器发热。可以认为1mA的测量电流不会引入任何明显的误差。该电流在0℃下在Pt 100中产生0.1V的电压降。此信号电压现在必须通过连接电缆传输到指示点或评估点,且改动最少。有四种不同类型的连接电路:
2线电路
温度计和评估电子装置之间的连接采用2芯电缆。与任何其他电导体一样,该电缆具有与电阻温度计串联的电阻。因此,两个电阻加在一起,电子设备将其解释为温度升高。对于较长的距离,线路电阻可能达到几欧姆并且在测量值中产生明显的偏移。
 
3线电路
为了最小化线路电阻的影响及其随温度的波动,通常的做法是采用三线电路。它包括在RTD的一个触点上运行额外的电线。这导致两个测量电路,其中一个用作参考。3线电路可以在其数量和温度变化方面补偿线路电阻。然而,要求所有三个导体具有相同的特性并且暴露于相同的温度。这通常适用于足够的程度,使得3线电路是当今使用最广泛的方法。不需要线路平衡。
 
4线电路
电阻温度计的最佳连接形式是4线电路。测量既不取决于线路电阻,也不取决于温度引起的变化。不需要线路平衡。温度计通过电源连接提供测量电流。测量线上的电压降由测量线拾取。如果电子器件的输入电阻比线路电阻大许多倍,则后者可以忽略不计。以这种方式确定的电压降与连接线的特性无关。该技术通常仅用于需要以百分之一度测量的精度的科学仪器。
2线制变送器
通过采用2线发射器而不使用多导线电缆,可以避免如上所述的2线电路的问题。变送器将传感器信号转换为4-20mA的归一化电流信号,该信号与温度成比例。发送器的电源也通过相同的两个连接运行,使用4 mA的基本电流。2线制变送器提供额外的优势,即信号的放大大大降低了外部干扰的影响。定位发射器有两种安排。由于非放大信号的距离应尽可能短,放大器可直接安装在其终端头内的温度计上。由于结构原因或在发生故障时可能难以触及变送器的考虑,这种最佳解决方案有时是不可能的。在这种情况下,导轨安装变送器安装在控制柜内。改进访问的优点是以非放大信号必须行进的较长距离为代价来购买。
 
热敏电阻的电阻通常比任何引线电阻大几个数量级。因此,引线电阻对温度读数的影响可忽略不计,而热敏电阻几乎总是以2线配置连接。
 
热电偶接线
与RTD和热敏电阻不同,热电偶具有正负腿,因此必须遵守极性。它们可以直接连接到本地2线制变送器,铜导线可以回到接收仪器。如果接收仪器能够直接接受热电偶输入,则必须使用相同的热电偶线或热电偶延长线一直返回接收仪器。