如何選擇和正確使用溫度傳感器

如何選擇和正確使用溫度傳感器

　　首先讓我們回顧一下RTDs、IC傳感器、電熱調節器和熱電偶的構造及測量溫度的原理，我們將討論這些傳感器之間的差別。該文將涉及溫度范圍、公差、精度、互換性能和每種類型的優點和缺點。我們的宗旨就是在讀者選用各種類型的傳感器之前能對各類產品有一個較好的了解。

　　熱感測技術基礎的回顧

　　RTDs這些裝置包括金屬測量元件，它是一個隨溫度變化電阻。這種阻值的變化是眾所周知的，具有很好的重復性能。在RTD的敏感元件通常包括一段導線及一個傳導膠片的柵格（具有導體模式）進行隔離耦合。

　　連接敏感元件的外延導線應保證其阻抗能盡可能測量遠處的目標。敏感元件在生產工藝中被封裝的放置應能保證它與外界具有相同的溫度。

　　IC傳感器。IC傳感器具有半導體材料的阻性變化優點。尤其是在低溫條件下，它們也能提供線性電壓或電流輸出。這種裝置能提供一個直接的數字形式的溫度讀數，從而減少了A/D轉換的過程。由于IC傳感器具有存儲功能，故它們能被精確的校準，更可用在諸如通訊網絡中使用的多傳感器環境。

　　熱敏電阻。熱敏電阻（一種熱傳感電阻的縮寫）具有阻值隨溫度的變化而變化性能。與RTDs相反，熱敏電阻是基于一種半導體材料的元件（典型的由金屬氧化物的混合物組成）。這種結構對于溫度的變化性能比起RTDs的特性來說具有更高的靈敏度(改結構每度能變化幾個歐姆而RTDs的每度僅變化十分之一歐姆)。由于熱敏電阻不需要諸如鉑這樣的昂貴金屬，因此，它們與RTDs相比具有很高的價格優勢。然而，由于它們的阻值對溫度的變化是非線性的，故熱敏電阻通常所用的溫度范圍較狹窄，就是因為受到非線性的限制。熱敏電阻所使用的范圍比起RTDs或熱電偶的范圍狹窄。

　　熱敏電阻被封裝在傳感器結構中（類似于RTDs使用的結構），在這個特別的傳感器結構里可充分體現出它們的小尺寸、低重量及較快的響應時間。有兩種類型的熱敏電阻：一種為正溫度系數（PTC）,其隨著溫度的增加電阻增加，另一種為負溫度系數（NTC），其隨著溫度的增加電阻減少。

　　熱電偶。熱電偶結合著被連在末端的兩種不同材料的電導體。暴露在溫度測量的一端叫做測量結。連接測量裝置另一端叫做參考結。

　　當熱電偶的測量端和參考端處在不同的溫度下時，一個毫伏電勢便在導體中形成。了解了所使用的熱電偶類型、毫伏電壓的大小和參考結的溫度就可使用戶確定測量結的溫度。

　　在熱電偶導體中產生的毫伏電勢是導體材料的一個功能。一些材料能制成更好的熱電偶，因為它們產生的毫伏信號具有更好的重復性和更易獲取。這些被廣泛設計成形的熱電偶型號有E、J、K、N、T、B、R和S型。這些型號之間的區別將在后面解釋。

　　熱敏裝置的溫度限制

　　用在熱敏裝置的材料有溫度限制，這些限制在使用中有很重要的參考價值。

　　敏感元件一般包括鉑線和膠片、一個陶制腔體和陶粘合劑或密封元件的玻璃和支持元件的導線。總的來說，鉑感應元件能測量的溫度可高達F。其它的材料諸如鎳、銅和鎳/鐵合金也能使用，但它們使用的溫度范圍相對比鉑低。

　　連接感應元件與讀出器或控制儀器的導線通常由鎳、鎳合金、鍍錫銅、鍍銀銅或鍍鎳銅組成。導線的絕緣性能也直接影響到RTDs可使用的溫度。

　　在工藝中制造過程中放置的感應材料要進行仔細的材料挑選。A普通的方法是將嵌入的感應材料和相連導線放入到一個末端封閉的金屬探針里，用一個振動填塞裝置將諸如陶瓷粉類的熱轉換材料填堵探針，用環氧物或陶瓷粘合物密封探針的開口端。用于RTDs的大部分金屬探針都是由不銹鋼（能用于9000F）或鎳合金（能用于F）制成，填塞的熱傳導材料可適應的溫度范圍很廣，一般被廠商選用的材料都可在最大的溫度范圍內提供最適宜性能，環氧化物所用的溫度環境一般不超過400°F–500°F。陶瓷粘合物所用的溫度范圍可達2000°F，但對粘合劑的濕度密封性能和填塞材料熱量傳輸性能。

　　在鉑RTD中最低溫度性能的材料一般是導線和到儀器的絕緣連接敏感元件。廠商一般提出兩種解決方案－低溫的合高溫的。在低溫結構中，用Teflon絕緣的鎳或鍍銀銅導線被放在環氧物密封的結構中。這種結構可用的溫度在400°F–500°F之間。

　　高溫結構所用的絕緣材料一般為光纖玻璃，鍍鎳銅導線和一個具有900°F–1200°F溫度范圍的陶瓷粘合劑。有些廠商也提供線性的RTDs，它們用陶瓷絕緣鎳或用高達1200°F溫度的鎳合金導線。

　　IC傳感器.硅元件的阻值一般也隨溫度的改變而改變。由于這些傳感器是基于硅半導體而制造的，它們所用的溫度限制一般在–55°C-150°C。IC傳感器可用于沉侵式封裝（內似于熱敏電阻或RTDs的封裝），但可用在PC板或表面測溫。

　　熱敏電阻.熱敏電阻一般由焊接在半導體晶片的連接導線和芯片組成。晶片和連接部分用環氧物和玻璃覆蓋。受使用材料的局限，熱敏電阻可用的溫度范圍在–100°C-300°C。在PTC型熱敏電阻所使用的溫度范圍內，它們具有正的溫度系數，這樣它們使用的溫度范圍就比NTC的小的多。

　　由于熱敏電阻元件相當小，只有一毫米或兩毫米，故它們可用在非常廣泛的熱測量封裝中。沉浸式熱敏電阻一般用來確定諸如空氣、水、燃料或散熱劑中的溫度。用在空氣中時，熱敏電阻一般直接暴露在空氣中。在其它的應用中，元件被封裝在一個密封的探針或腔體里用以保護它不受外界介質的污染。由于熱敏元件的工作溫度環境比RTDs的低，所以構造的材料僅用較低的溫度性能即可。

　　熱電偶.熱電偶材料可用的型號有E、J、K、N、T、R、S和B型。根據使用的材料是金屬的或貴金屬的情況，它們可被分成兩組。E、J、K、N和T是金屬形的，因為它們是由普通的金屬材料，諸如銅、鋁、鐵、鉻和硅構成的。每一種都有首選的條件，例如，裸J型（鐵/銅鎳合金）所用的最大溫度為F,一般不推薦用在氧化環境或硫化物場所，這種場所將會降低鐵的導電性能。裸T型熱電偶（銅/銅鎳合金）所用的溫度不可超過7000F,因為銅導體性能將會惡化。

　　我們知道R、S和B型熱電偶是貴金屬型熱電偶，因為它們是由鉑和銠制成。它們可使用的場所都覆蓋了基本金屬型熱電偶所使用的范圍。R和S型可用在1000°F－2700°F，B型可用在1000°F－3100°F，如果長期外露使用的溫度高于2500°F，則B型是理想的，它是一種改進的長壽命熱電偶。如果R和S型熱電偶長期使用在上限溫度附近，它們的穩定性就會受到影響。

　　由于熱電偶沒有感應元件，故在材料結構方面它們所受的限制比RTDs少。熱電偶通常被制成裸狀導體（被緊密的陶瓷粉絕緣或在形成的絕緣的陶瓷體中）。這種結構允許熱電偶可使用的溫度比RTDs的高的多。

　　公差，精度和互換性

　　在溫度測量中公差和精度是最容易誤解的術語。公差涉及到一個特別的要求，它的定義是在一個特殊的溫度點加上或減去幾個數。精度涉及到傳感器測量溫度真值得能力。

　　例如，RTDs包含一個敏感元件，該敏感元件被制成在特殊溫度下具有特別的電阻性能。該種要求的最一般情況就是DIN標準，為了滿足DIN標準的要求，一個RTD在32°F(0°C)時，應具有100±0.12%(或0.12)，才可考慮作為B級傳感器（A級傳感器是100±0.06%），±0.12的公差僅在溫度32°F時適用而并不適合于其它溫度。

　　許多廠商都提供了RTDs公差互換表，該互換表列出了在特別溫度下的公差（見表5）大部分IC傳感器廠商都提供一個輸出表，該表的阻值在一個特定的溫度范圍與溫度成比例。這些裝置一般都有標準的精度賦值支持，而且也包括在特定溫度下的校準能力。

　　熱敏電阻，像RTDs一樣，在特定溫度下加上或減去公差后有一個特別的阻值。這個溫度點將根據使用的情況有些稍微改變。與RTDs（所使用的阻值特別指定為0°C）不同的是，熱敏電阻所使用的特別溫度是25°C。

　　熱敏電阻與RTDs不同，在那里沒有標準的阻值表。廠商一般都為他們自己的各類產品提供阻值表，正常發布的額定值都基于裝置在25°C的阻值，結果是它們可換算成各種情況下的阻值。

　　由于熱電偶生產工藝的差異，它們具有特別差異。與RTDs或熱敏電阻形成鮮明對照的是，在熱電偶中產生的毫伏信號是材料成分和導體冶金結構的函數。因此，在特定溫度下，熱電偶不能指出特定值，而是給出全溫度量程范圍內錯誤點的限制。

　　指定給熱點偶的這些限制被認為是種標準或特別錯誤限制。對于每個標準的熱電歐型號，表3列出了標準值和特別的錯誤限制。這些注釋與前期使用的熱電偶相對應。一旦該裝置使用在現場時，導體的變化也可能增加錯誤的結果。建議用戶進行周期性的測試以確定熱電偶在應用中的可靠性和使用的精度情況。

　　優點和缺點對比

　　優點RTDs主要用在可靠性和精度都很重要的現場。適當地構建鉑RTDs的結構，將會使其阻值對時間的溫度特性具有很好的重復性。如果一個工藝運行在一個特殊的溫度條件下，那么此溫度下的RTDs特殊阻就可在實驗室確定，并不受時間的影響。由于初始時，RTDs的變化比熱電偶低很多，故RTDs在早期具有互換性，例如，用在4000F的K型熱電偶有±4°F的標準錯誤局限，而一個100DIN，B級鉑RTD在同樣的溫度下有±2.2°F的互換性。RTDs可與標準的儀器電纜相連用以數據顯示或設備控制，而熱電偶必須與熱電偶導線匹配才可得到精確的測量。

　　RTD缺陷。對于一個固定的RTDs結構，它可估算的價格是基本金屬熱電偶的4－10倍。其原因就是在RTDs上要做很多工作，包括敏感元件的制造，鉤出外延的導線，傳感器的裝配。由于敏感元件結構的原因，RTDs做的不如熱電偶好，在機械振動強烈的環境中。它們可使用的最大溫度局限在1200°F以下，而熱電偶卻能經受住3100°F的考驗。

　　IC傳感器的優點。在IC傳感器的有效溫度范圍內，它們能以較低的價格提供良好的線性。它們能提供與溫度成比例的輸出值，而不像RTDs、熱電偶和熱敏電阻要求另外的線性轉換裝置。許多IC傳感器還能提供通訊協議而用于總線型數據采集系統，甚至有些IC傳感器具有數據尋址、數據儲存和自修復能力。

　　IC傳感器的缺陷。IC傳感器的主要缺陷是它們的溫度范圍窄，一只能工作在–55°C－150°C，IC傳感器的體積也比RTDs和熱敏電阻的大，這種較大的封裝尺寸不適于沉浸測量要求。

　　熱敏電阻的優點。熱敏電阻隨溫度的阻值變化率比RTDs的大，所以熱敏電阻在給定的溫度范圍內能提供更多的解決方法。熱敏電阻較大的阻值變化率允許它們使用較長的導線而不用導線補償。另外它們的小尺寸和小重量也意味著它們能被封裝成各種情況，同時在對溫度的反應上也比RTDs快。熱敏電阻通常比RTDs稍微便宜一些。

　　熱敏電阻的缺陷。熱敏電阻的阻值－溫度特性具有嚴重的非線性。因此這些傳感器所用的溫度范圍有一定的限制。熱敏電阻可用的外露測量溫度比RTDs或熱電偶的要低的多。目前的工業標準中仍存在熱敏電阻的更換問題。如果從其它廠商而不是初始廠家那里購買更換的熱敏電阻，則購買的新廠家熱敏電阻與原廠家的輸出就有差別，只有通過產品相近的廠商才能匹配初始的熱敏電阻特性。

　　熱電偶的優點。熱電偶可測量高達F的溫度，它的價格一般也比RTDs的便宜，尺寸上能作的比較小（可小到0.020英寸），對溫度測量有較快的響應。熱電偶比RTDs更耐用，因此可用在高振動和強沖擊的場所。

　　熱電偶的缺陷。在中溫或高溫外露條件使用時熱電偶的穩定性不如RTDs。對于控制條件下校驗熱電偶性能，其可移動性或測試行較差。熱電偶外露線必須使用溝環才能與熱電偶儀器或控制設備相連。當周圍溫度變化時，所使用的儀器導線（鍍銅）將會帶來測量誤差。

　　總結

　　RTDs、熱敏電阻、熱電偶和IC傳感器都可作為溫度測量的選擇器件，熱敏電阻和IC傳感器所測的溫度范圍比RTDs和熱電偶的窄。

　　由于鉑比熱敏電阻、熱電偶和IC傳感器所使用的材料具有更高的穩定性，故RTDs能提供較高的精度。RTDs、熱敏電阻、和IC傳感器用標準的儀器導線連接測量設備和控制設備。另一方面，熱電偶則要求專門的熱電偶外露連接導線。

　　如果不考慮溫度限制，IC傳感器則具有線性溫度輸出和低價格的優勢。另外它們還具有總線尋址、數據儲存及自修復功能。

　　熱敏電阻比RTDs和熱電偶能提供更多的解決方案，而且價格也比較低。由于它們使用的溫度范圍窄和測量的非線性特點而限制了它們所使用的溫度范圍。它們所具有的小尺寸和輕重量能做到對溫度變化具有較快的響應。由于缺少標準的阻值－溫度變化曲線，使得它們的產品互換性具有一定的缺陷。

　　熱電偶的造價一般比RTDs的低，但在某些應用方面比起熱敏電阻和IC傳感器仍不具有競爭性。它們在高振動和強沖擊中具有很好的穩定性，可用來測量高溫。因為不同型號的熱電偶具有不同的標準，當必要時它們可進行互換。目前，熱電偶在溫度測量領域起主導作用，但也被RTDs、熱敏電阻和IC傳感器奪去了部分市場。