大牛教你如何选择温度传感器

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如果您要进行可靠的温度测量，就需要为您的应用选择正确的温度传感器。热电偶、热敏电阻、铂电阻(RTD)和温度IC是测试中最常用的温度传感器。

图1 各种流行温度传感器的优点和缺点

热电偶是温度测量中最常用的传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实、价低，无需供电，尤其最便宜。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，如图2所示。当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差。可用测量的电势差来计算温度。

图 2 热偶电路图(左)和热偶电压— 温度曲线例子(右)

由于电压和温度是非线性关系，因此需要为参考温度(Tref)作第二次测量，并利用测试设备软件和∕或硬件在仪器内部处理电压—温度变换，以最终获得热偶温度(Tx)。Agilent34970A和34980A数据采集器均有内置的测量了运算能力。

简而言之，热偶是最简单和最通用的温度传感器，但热偶并不适合高精度的应用。

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，因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。

图3 热敏电阻电路图

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测量的是绝对温度， 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。注意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灵敏温度测量的电流控制应用。尺寸小对于有空间要求的应用是有利的，但必须注意防止自热误差。

测量技巧

热敏电阻体积小是优点，它能很快稳定，不会造成热负载。不过也因此很不结实，大电流会造成自热。由于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热。功率等于电流平方与电阻的积。因此要使用小的电流源。如果热敏电阻暴露在高热中，将导致永久性的损坏。

铂电阻温度传感器

与热敏电阻相似，铂电阻温度传感器(RTD)是用铂制成的热敏感电阻。当通过测量电压计算RTD温度时，数字万用表用已知电流源测量该电流源所产生的电压。这一电压为两条引线(Vlead)上的压降加RTD上的电压(Vtemp)。例如，常用RTD的电阻为100Ω，每1℃仅产生0.385Ω的电阻变化。如果每条引线有10Ω电阻，就将造成26℃的测量误差，这是不可接受的。所以应对RTD作4线欧姆测量。

图4 RTD需要用4线测量

RTD是最精确和最稳定的温度传感器，它的线性度优于热偶和热敏电阻。但RTD是最贵的温度传感器。因此RTD最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。

测量技巧

使用5mA电流源会因自热造成2.5℃的温度测量误差。因此把自热误差减到最小是极为重要的。

4线测量更为精确，但需要两倍的引线和两倍的开关。

温度IC

温度集成电路(IC)是一种数字温度传感器，它有非常线性的电压∕电流—温度关系。有些IC传感器甚至有代表温度、并能被微处理器直接读出的数字输出形式。

图6 电流传感器(左)和电压传感器(右)

有两类具有如下温度关系的温度IC：

电压IC: 10 mV/K。

电流IC: 1μA/K。

温度IC的输出是非常线性的电压∕℃。实际产生的是电压∕Kelvin，因此室温时的1℃输出约为3V。温度IC需要有外电源。通常温度IC是嵌入在电路中而不用于探测。

温度IC缺点是温度范围非常有限，也存在同样的自热、不坚固和需要外电源的问题。总之，温度IC提供产生正比于温度的易读读数方法。它很便宜，但也受到配置和速度限制。

测量技巧

温度IC 体积较大，因此它变化慢，并可能造成热负载。

把温度IC用于接近室温的场合。这是它最流行的应用。虽然测量范围有限，但也能测量150℃的高温。

小结

我们已讨论了各类常用温度传感器的优点和缺点。如果您了解必须的权衡，为您的应用仔细选择正确的传感器，您就能避免常见的缺憾而实现可靠的温度测量。

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温度传感器选型技巧：如何选择热电阻和热电偶传感器

前言

最常见的过程传感器测量是温度值的测量。热电阻和热电偶传感器广泛用于工业温度测量，如何为工业应用选择最适合的温度传感器？

温度测量是所有过程测量中的最大的组成部分之一，其准确性和可靠性通常会对设施的有效运行和安全产生重大影响。选择最合适的传感器类型，可以提高温度测量的准确性、可重复性和稳定性，并可以降低运营和维护成本。

工业设施内，90％以上甚至更多的温度监测都由热电阻（RTD）和热电偶（T/C）完成，这意味着在为各种应用选择最佳传感器时，每个具体细节，都可以帮助您做出最明智的决策。

除了各种热电阻和热电偶传感器外，还可选择不同的传感器结构类型：标准实心护套元件（图顶部和中部）或带有较短传感器封壳可以灵活调整长度的传感器（图下方），旨在加快响应、提供更好的振动弹性。图片来源：Moore 工业

热电阻传感器概览

温度范围：热电阻推荐的测量范围为-200℃至850℃。购买新传感器时，请告知供应商传感器的工作范围，以便其在该工作范围内选择最佳的材料和制造技术。

操作：热电阻的工作原理是金属元件的电阻随温度的升高而增加。

结构：常见的电阻材料有铂（Pt）、镍（Ni）和铜（Cu）。由于铂更稳定、线性度更好、测量温度范围更宽，因此它已成为当今的行业标准。虽然现有建筑物中仍然可见镍和铜热电阻的使用，但大多数新装置大都倾向于使用铂金。通常情况下，高纯度铂主要用于制造线绕设计（铂丝缠绕在基板线轴上）或薄膜设计（纯铂沉积在陶瓷基板上）的热电阻传感元件。由于目前使用的基板材料在高温下可以保持稳定，因此现在的热电阻可以在更高的温度下使用。

建议：在-40℃至850℃范围内使用薄膜传感器，在接近-200℃时使用线绕传感器。2 线、3 线或4 线热电阻：热电阻可以采用2 线，3 线和4 线结构。

建议：在允许的情况下，尽可能使用热电阻代替热电偶，以获得更好的精度、可重复性和稳定性。

只有当元件与周围的保护套绝缘/ 隔离时，热电阻才能正常工作。典型的绝缘材料是氧化镁或氧化铝。如果由于潮湿和污染而导致绝缘层损坏，则必须更换热电阻。由于热电阻必须绝缘，使用非隔离的测量电路可以节省成本。当闭合温度变送器未与热电阻一起使用时，热电阻通过铜线连接到测量电路。在准备选择热电阻时，需要注意的事项包括：

● 传感器名称暗示其在0 ℃ 时的电阻。例如：100ΩPt 热电阻在0 ℃ 时， 测量为100Ω ；500ΩPt 热电阻在0 ℃ 时测量为500Ω 等。

● 现代测量电路使用恒流源产生激励电流。

● 高阻抗电压测量值可归因于热电阻性能。高阻抗意味着没有电流流过电压表及其引线。

● 使用欧姆定律计算电阻：V=IR 或 R=V/I。

热电阻传感器的精度：为了获得更高的精度，在可能的情况下，最好使用热电阻而不是热电偶。最好的热电阻按IEC 60751 标准制造，它要求的精度值如表1 所示。

优质/ 特级热电阻传感器：当制造商已经利用老化箱对热电阻进行老化处理后，在现场就可以最大限度地减少漂移。热电阻在0℃和600℃之间循环1000 小时， 5 年以上可以确保保持较高精度。通常，只有A 类传感器才进行热老化。

热电偶传感器概览

热电偶技术基于塞贝克效应，两种不同金属熔合在一起，两个结点中的一个温度与另一个结点的温度不同时，将产生电流。

温度范围：不同金属的各种组合都可以构成热电偶。成品称为热电偶类型。对于每种类型，都会提供mV 与温度的关系表，并包含在本参考手册中（所有mV 与温度的关系表均使用热电偶冷端在0℃下创建）。

操作：热电偶传感器有两个接点。测量端（有时称为热端）是两种金属连接的地方。参考端（也称为冷端）连接到测量电路。

当热端和冷端之间存在温差时，产生与温度差成比例的mV 信号。mV 值随着温度的升高而增加。mV 和温度之间的关系是非线性的。

在实际使用中，热电偶测量电路可以测量除0℃以外的任何温度。测量电路必须测量冷端的温度，并将温度恢复到0℃。这种电气补偿称为冷端补偿（或参考端补偿）。大多数热电偶测量电路执行此操作。

结构：热电偶接头可以通过热接点连接到外部护套进行接地或不接地（与护套绝缘）来构建。接地的热电偶响应更快，但热电偶会接触过程电压。因此，重要的是隔离测量电路以阻止接地回路的形成，避免导致测量误差。

在温度组件内，热电偶通常嵌入到氧化镁（MgO）和金属护套中。然后将其插入热电偶套管或保护管中。这有助于保护传感器免受环境污染。当氧化镁被水和盐污染时，即使未接地的热电偶也会最终接地。

建议：使用隔离的测量电路测量热电偶。

热电偶传感器精度：最好使用符合ASTME230 标准的热电偶传感器，该传感器规定了E、J、K 和T 型热电偶的精度。在ASTME230/E230M-12 标准规范和标准热电偶的温度- 电动势（emf）表中，提供了热电偶参考表。

特殊热电偶线：热电偶可以用优质或特级的导线构造，将不确定性降低一半。优质/ 特级基本上表明该线材具有更高纯度的合金混合物。

优质热电偶线有助于热电偶测量；升级到A 类热电阻传感器可以将不确定性降低一半（参见表2）。

建议：如果应用需要热电偶而不是热电阻，请使用更高等级的热电偶；成本差异可以忽略不计，优质线材可以提供更高的稳定性。热电偶的电线污染问题由来已久。精度图表中的数值，是在假设电线未被过程或环境中的化学品污染的情况下得到的。当污染发生时，误差通常会增加到需要更换传感器的程度。

校准传感器以实现更高精度

在传感元件之后，就应开始考虑应用。如果它要求尽可能好的精度，则需要为温度测量系统配置校准槽。A 类热电阻传感器在校准槽中进行校准后连接到变送器或远程输入/ 输出（I/O）测量设备。此过程消除了每个传感器中存在的最终“竣工”偏移误差。传感器应提供美国国家标准与技术研究院（NIST）的可溯源校准报告，该报告表明传感器和温度变送器的组合不确定度通常优于±0.01°F。

温度传感器选型的技巧

为了优化测量性能，并最大限度地减少长期维护费用，在选择温度传感器时，请使用以下技巧作为实用指南。

1 测量温度范围在-40℃和850℃之间，请选择热电阻。

2 对于低至-200℃的温度，请使用绕线热电阻。

3 最佳做法是使用4 线制和A 类热电阻。

4 确保传感器经过温度变化循环和“老化”处理，以确保长期稳定性。

5 在部署低于0℃和高于600℃的热电阻时，您需要了解工艺条件以优化结构：温度范围、循环压力、流量、介质、振动和周围环境条件（化学品/ 大气）。

6 如果需要最高精度时，使用传感器微调。

7 如果使用长线路的3 线制热电阻，并且无法将其转换为4 线制热电阻，请将3 线热电阻替换为PT1000Ω 热电阻。

8 如果监测温度高于850℃，请使用热电偶。

9 如果使用热电偶，请使用优质热电偶和延长线。

10 如果使用长热电偶延长线，请确保它具有噪声防护功能。

11 用远程I/O 替代受污染的热电偶延长线。

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