温度传感器

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温度传感器(temperature transducer)是指能感慨感染温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度丈量仪表的核心部门,品种繁多。按丈量方式可分为接触式和非接触式两大类,按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。
主要分类
接触式
接触式温度传感器的检测部门与被测对象有良好的接触,又称温度计。
温度计通过传导或对流达到热平衡,从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。
一般丈量精度较高。在一定的测温范围内,温度计也可丈量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的丈量误差,常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于产业、农业、贸易等部分。在日常糊口中人们也经常使用这些温度计。跟着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食物、医药和石油化工等部分的广泛应用和超导技术的研究,丈量120K以下温度的低温温度计得到了发展,如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、正确度高、复现性和不乱性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件,可用于丈量1.6~300K范围内的温度。
非接触式
它的敏感元件与被测对象互不接触,又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来丈量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速(瞬变)对象的表面温度,也可用于丈量温度场的温度分布。
最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律,称为辐射测温仪表。
辐射测温法包括亮度法(见光学高温计)、辐射法(见辐射高温计)和比色法(见比色温度计)。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体(吸收全部辐射并不反射光的物体)所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度,则必需进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长,而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关,因此很难精确丈量。在自动化出产中往往需要利用辐射测温法来丈量或控制某些物体的表面温度,如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些详细情况下,物体表面发射率的丈量是相称难题的。对于固体表面温度自动丈量和控制,可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能进步被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正,终极可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中央四周被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射,从而进步有效发射系数式中ε为材料表面发射率,ρ为反射镜的反射率。
至于气体和液体介质真实温度的辐射丈量,则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动丈量和控制中就可以用此值对所测腔底温度(即介质温度)进行修正而得到介质的真实温度。
非接触测温长处:丈量上限不受感温元件耐温程度的限制,因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800℃以上的高温,主要采用非接触测温方法。跟着红外技术的发展,辐射测温 逐渐由可见光向红外线扩展,700℃以下直至常温都已采用,且分辨率很高。
工作原理
金属膨胀原理设计的传感器
金属在环境温度变化后会产生一个相应的延伸,因此传感器可以以不同方式对这种反应进行信号转换。
双金属片式传感器
双金属片由两片不同膨胀系数的金属贴在一起而组成,跟着温度变化,材料A比另外一种金属膨胀程度要高,引起金属片弯曲。弯曲的曲率可以转换成一个输出信号。
双金属杆和金属管传感器
跟着温度升高,金属管(材料A)长度增加,而不膨胀钢杆(金属B)的长度并不增加,这样因为位置的改变,金属管的线性膨胀就可以进行传递。反过来,这种线性膨胀可以转换成一个输出信号。
液体和气体的变形曲线设计的传感器
在温度变化时,液体和气体同样会相应产生体积的变化。
多种类型的结构可以把这种膨胀的变化转换成位置的变化,这样产生位置的变化输出(电位计、感应偏差、挡流板等等)。
电阻传感
金属跟着温度变化,其电阻值也发生变化。
对于不同金属来说,温度每变化一度,电阻值变化是不同的,而电阻值又可以直接作为输出信号。
电阻共有两种变化类型
正温度系数
温度升高 = 阻值增加
温度降低 = 阻值减少
负温度系数
温度升高 = 阻值减少
温度降低 = 阻值增加
热电偶传感
热电偶由两个不同材料的金属线组成,在末端焊接在一起。再测出不加热部位的环境温度,就可以正确知道加热门的温度。因为它必需有两种不同材质的导体,所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围,它们的敏捷度也各不相同。热电偶的敏捷度是指加热门温度变化1℃时,输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言,这个数值大约在5~40微伏/℃之间。 [1]
因为热电偶温度传感器的敏捷度与材料的粗细无关,用非常细的材料也能够做成温度传感器。也因为制作热电偶的金属材料具有很好的延展性,这种细微的测温元件有极高的响应速度,可以丈量快速变化的过程。
挑选方法
假如要进行可靠的温度丈量,首先就需要选择准确的温度仪表,也就是温度传感器。其中热电偶、热敏电阻、铂电阻(RTD)和温度IC都是测试中最常用的温度传感器。
以下是对热电偶和热敏电阻两种温度仪表的特点先容。
1、热电偶
热电偶是温度丈量中最常用的温度传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境,
而且结子、价低,无需供电,也是最便宜的。热电偶由在一端连接的两条不同金属线(金属A和金属B)构成,当热电偶一端受热时,热电偶电路中就有电势差。可用丈量的电势差来计算温度。
不外,电压和温度间长短线性关系,温度因为电压和温度长短线性关系,因此需要为参考温度(Tref)作第二次丈量,并利用测试设备软件或硬件在仪器内部处理电压-温度变换,以终极获得热偶温度(Tx)。Agilent34970A和34980A数据采集器均有内置的丈量了运算能力。
简而言之,热电偶是最简朴和最通用的温度传感器,但热电偶并不适合高精度的的丈量和应用。
2、热敏电阻
热敏电阻是用半导体材料, 大多为负温度系数,即阻值随温度增加而降低。
温度变化会造成大的阻值改变,因此它是最敏捷的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差,并且与出产工艺有很大关系。制造商给不出尺度化的热敏电阻曲线。
热敏电阻体积非常小,对温度变化的响应也快。但热敏电阻需要使用电流源,小尺寸也使它对自热误差极为敏感。
热敏电阻在两条线上丈量的是绝对温度, 有较好的精度,但它比热偶贵, 可测温度范围也小于热偶。一种常用热敏电阻在25℃时的阻值为5kΩ,每1℃的温度改变造成200Ω的电阻变化。留意10Ω的引线电阻仅造成可忽略的 0.05℃误差。它非常适合需要进行快速和敏捷温度丈量的电流控制应用。尺寸小对于有空间要求的应用是有利的,但必需留意防止自热误差。
热敏电阻还有其自身的丈量技巧。热敏电阻体积小是长处,它能很快不乱,不会造成热负载。不外也因此很不结子,大电流会造成自热。因为热敏电阻是一种电阻性器件,任何电流源都会在其上因功率而造成发烧。功率即是电流平方与电阻的积。因此要使用小的电流源。假如热敏电阻暴露在高热中,将导致永久性的损坏。
通过对两种温度仪表的先容,但愿对大家工作学习有所匡助。
选用留意
1、被测对象的温度是否需记实、
报警和自动控制,是否需要远间隔丈量和传送;
2、测温范围的大小和精度要求;
3、测温元件大小是否适当;
4、在被测对象温度随时间变化的场合,测温元件的滞后能否适应测温要求;
5、被测对象的环境前提对测温元件是否有损害;
6、价格如保,使用是否利便。
检定装置
温度传感器检定规程:
1、《JJG229-2010产业铂、
铜热电阻检定规程》
2、《JJG833-2007尺度组铂铑10-铂热电偶检定规程》
3、《JJG141-2000工作用贵金属热电偶检定规程》
4、《JJG351-1996工作用廉金属热电偶检定规程》
5、《JJG368-2000工作用铜-铜镍热电偶检定规程》
温度传感器检定尺度技术及指标:
1、丈量正确度:0.01级;分辨率0.1uV和0.1mΩ;
2、扫描开关寄生电势:≤0.4μV;
3、温度范围: 水槽:(室温+5~95)℃ 油
槽:(95 ~ 300)℃ 低温恒温槽:(-80 ~ 100)℃ 高温炉:(300~1200)℃;
4、控温不乱度:优于0.01℃/10min(油槽、水槽、低温恒温槽);0.2℃/min(管式检定炉);
5、总不确定度:热电偶检定,丈量不确定度优于0.7℃,重复性误差<0.25℃;热电阻检定丈量不确定度优于50mk,重复性误差<10mk;
6、检定数目:一次可同时检热电偶(1-8)支,一次可同时检同线制热电阻(1-7)支;
7、工作电源:AC220V±10%,50Hz,并有良好保护接地;
8、高温炉功率:约2KW;
9、恒温槽功率:约2KW;
10、微机测控系统功率:<500。
温度传感器检定装置功能和特点:
1、检定K、E、J、N、B、S、R、T等多种型号的工作用热电偶;
2、检定Pt100、Pt10、Cu50、Cu100等各种工作用热电阻,
温度传感器(图10)
温度传感器(图10)
玻璃液体温度计、压力式温度计、双金属温度计;
3、多路低电势自动转换开关,寄生电势≤0.4μV;
4、控制1-4台高温炉;
5、温场测试:可进行检定炉、油槽、水槽、低温恒温槽的温场测试;
6、线制转换:可进行二线制、三线制、四线制电阻检定;
7、软件具有比对实验、重复性实验、温场实验等相关实验功能;
8、在Windows2000/XP以上平台,全中文界面,尺度Windows操纵系统,利便快捷。可实现:
1)设备自检、查线;
2)屏幕显示并保留控温曲线≤0.4μV;
3)检测数据自动采集;
4)自动天生符合要求的检定记实;
5)自动保留检定结果,且不可人工更改;
6)查询各种热电偶、热电阻分度表及其它匡助;
7)热电偶、热电阻所有历史检定数据、控温曲线查询 统计及计量的智能化治理功能。
安装使用
温度传感器在安装和使用时,应当留意以下事项方可保证最佳丈量效果:
1、安装不当引入的误差
如热电偶安装的位置及插入深度不能反映炉膛的真实温度等,
换句话说,热电偶不应装在太靠近门和加热的地方,插入的深度至少应为保护管直径的8~10倍;热电偶的保护套管与壁间的距离未填绝热物质致使炉内热溢出或冷空气侵入,因此热电偶保护管和炉壁孔之间的旷地空闲应用耐火泥或石棉绳等绝热物质堵塞以免冷热空气对流而影响测温的正确性;热电偶冷端太靠近炉体使温度超过100℃;热电偶的安装应尽可能避开强磁场和强电场,所以不应把热电偶和动力电缆线装在统一根导管内以免引入干扰造成误差;热电偶不能安装在被测介质很少活动的区域内,当用热电偶丈量管内气体温度时,必需使热电偶逆着流速方向安装,而且充分与气体接触。
2、绝缘变差而引入的误差
如热电偶绝缘了,保护管和拉线板污垢或盐渣过多致使热电偶极间与炉壁间绝缘不良,在高温下更为严峻,这不仅会引起热电势的损耗而且还会引入干扰,由此引起的误差有时可达上百度。
3、热惰性引入的误差
因为热电偶的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化,
在进行快速丈量时这种影响尤为凸起。所以应尽可能采用热电极较细、保护管直径较小的热电偶。测温环境许可时,甚至可将保护管取去。因为存在丈量滞后,用热电偶检测出的温度波动的振幅较炉温波动的振幅小。丈量滞后越大,热电偶波动的振幅就越小,与实际炉温的差别也就越大。当用时间常数大的热电偶测温或控温时,仪表显示的温度固然波动很小,但实际炉温的波动可能很大。为了正确的丈量温度,应当选择时间常数小的热电偶。时间常数与传热系数成反比,与热电偶热真个直径、材料的密度及比热成正比,如要减小时间常数,除增加传热系数以外,最有效的办法是尽量减小热真个尺寸。使用中,通常采用导热机能好的材料,管壁薄、内径小的保护套管。在较精密的温度丈量中,使用无保护套管的裸丝热电偶,但热电偶轻易损坏,应及时校正及更换。
4、热阻误差
高温时,如保护管上有一层煤灰,尘埃附在上面,则热阻增加,阻碍热的传导,这时温度示值比被测温度的真值低。因此,应保持热电偶保护管外部的清洁,以减小误差。
发展状况
近年来,我国产业现代化的进程和电子信息工业连续的高速增长,
带动了传感器市场的快速上升。温度传感器作为传感器中的重要一类,占整个传感器总需求量的40%以上。温度传感器是利用NTC的阻值随温度变化的特性,将非电学的物理量转换为电学量,从而可以进行温度精确丈量与自动控制的半导体器件。温度传感器用途十分广阔,可用作温度丈量与控制、温度补偿、流速、流量和风速测定、液位指示、温度丈量、紫外光和红外光丈量、微波功率丈量等而被广泛的应用于彩电、电脑彩色显示器、切换式电源、热水器、电冰箱、厨房设备、空调、汽车等领域。近年来汽车电子、消费电子行业的快速增长带动了我国温度传感器需求的快速增长。
主要用途
温度是表征物体冷热程度的物理量,是工农业出产过程中一个很重要而普遍的丈量参数。温度的丈量及控制对保证产品质量、进步出产效率、节约能源、出产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。因为温度丈量的普遍性,温度传感器的数目在各种传感器中居首位,约占50%。
温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接丈量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化,所以能作温度传感器的材料相称多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有:膨胀、电阻、电容、而电动势、磁机能、频率、光学特性及热噪声等等。跟着出产的发展,新型温度传感器还会不断涌现。
因为工农业出产中温度丈量的范围极宽,从零下几百度到零上几千度,而各种材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。
温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类:接触式和非接触式。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触,使两者进行充分的热交换而达到统一温度。这一类传感器主要有电阻式、热电偶、PN结温度传感器等。非接触式温度传感器无需与被测介质接触,而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器,以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器。这种测温方法的主要特点是可以丈量运动状态物质的温度(如慢速行使的火车的轴承温度,旋转着的水泥窑的温度)及热容量小的物体(如集成电路中的温度分布)。
应用领域
温度传感器是最早开发,应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行丈量。在半导体技术的支持下,本世纪接踵 开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。
  两种不同材质的导体,如在某点互相连接在一起,对这个连接点加热,在它们不加热的部位就会泛起电位差。这个电位差的数值与不加热部位丈量点的温度有关,和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内泛起,假如精确丈量这个电位差,再测出不 加热部位的环境温度,就可以正确知道加热门的温度。因为它必需有两种不同材质的导体,所以称之为“热电偶”。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围,它们的敏捷度 也各不相同。
  热电偶传感器有自己的长处和缺陷,它敏捷度比较低,轻易受到环境干扰信号的影响,也轻易受到前置放大器温度漂移的影响,因此不适合丈量微小的温度变化。因为热电偶 温度传感器的敏捷度与材料的粗细无关