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温度传感器种类及应用分析

2021-06-10

温度传感器种类及应用分析

温度传感器的主要类型有:热电偶传感器、热敏电阻传感器、电阻温度检测器(RTD)、IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出传感器和数字输出传感器两种类型。

热电偶传感器

热电偶是一种感温元件,是一种仪表。它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应(Seebeckeffect)。两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的,不同的热电偶具有不同的分度表。

 

在热电偶回路中接入第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,热电偶所产生的热电势将保持不变,即不受第三种金属接入回路中的影响。因此,在热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。

热电偶传感器应用

热电偶是两种不同的导体连接在一起形成的,当测量及参考连接点分别处于不同温度上时即产生出所谓的热电磁力(EMF)。连接点用途测量连接点是处于被测温度上的热电偶连接点部分。参考连接点则是保持在一已知温度上,或温度变化能自动补偿的热电偶连接点部分。

在常规工业应用中,热电偶元件一般端接在接头上;但参考连接点却很少位于接头上,而是利用适当的热电偶延伸线来转接到温度比较稳定的被控环境中。连接点类型接壳式热电偶连接点与探针壁物理连接(焊接),这能实现很好的热传输——即从外部通过探针壁将热量传至热电偶连接点。建议用接壳式热电偶来测量静态或流动腐蚀性气体与液体的温度,以及一些高压应用。在绝缘式热电偶中,热电偶连接点与探针壁分开并由一种软性粉末包围。虽然绝缘式热电偶的响应速度比接壳式热电偶的响应速度要慢,但它能提供电绝缘。建议使用绝缘式热电偶来测量腐蚀性环境,可理想地通过护套屏蔽来将热电偶与周围环境完全电绝缘。露端式热电偶允许连接点顶端深入到周围环境中,这种类型可提响应时间,但仅限于在非腐蚀、非危险及非加压应用中使用。响应时间以时间常数来表示,时间常数定义为传感器在被控环境中在初始值和值之间改变63.2%所需的时间。露端式热电偶具有快的响应速度,而且探针护套直径越小,则响应速度就越快,但其允许测量温度也就越低。延伸线热电偶延伸线是一对具有与其相连热电偶相同温度电磁频率特征的线。当连接合适时,延伸线将参考连接点从热电偶转接至线的另一端,而这一端通常位于被控环境中。

 

选择热电偶选择热电偶时需考虑下列因素:

1、被测温度范围;

2、所需响应时间;

3、连接点类型;

4、热电偶或护套材料的抗化学腐蚀能力;

5、抗磨损或抗振动能力;

6、安装及限制要求等。

热敏电阻传感器

热敏电阻传感器主要元件是热敏电阻,当热敏材料周围有热辐射时,它就会吸收辐射热,产生温度升高,引起材料的阻值发生变化。

电阻温度检测器(RTD)

RTD通常用铂金、铜或镍。这几种金属的电阻-温度关系如图所示,它们的温度系数较大,随温度变化响应快,能够抵抗热疲劳,而且易于加工制造成为精密的线圈。

RTD是目前精确和稳定的温度传感器。它的线性度优于热电偶和热敏电阻。但RTD也是响应速度较慢而且价格比较贵的温度传感器。因此RTD适合对精度有严格要求,而速度和价格不太关键的应用领域。

 

电阻温度检测器(RTD)的应用

核电厂广泛采用电阻温度探测器测量温度。RTD的测温原理是:纯金属或某些合金的电阻随温度的升高而增大,随温度降低而减小。因此RTD有点像是一个温电转换器,把温度变化转化为电压变化。适合RTD使用的金属是在给定温度范围内保持稳定的纯金属。电阻-温度变化关系好是线性的,温度系数(温度系数的定义是单位温度引起的电阻变化)越大越好,而且要能够抵抗热疲劳,随温度变化响应灵敏。只有少数几种金属能够满足这样的要求。

IC温度传感器

(1)模拟集成温度传感器

集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的,它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温、控测,不需要进行非线性校准,外围电路简单。目前在国内外仍普遍应用的一种集成传感器,下面介绍一种具有高灵敏度和高精度的IC温度传感器—AN6701。

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