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溫度作為國際單位制的七個基本量之一,是工業(yè)現(xiàn)場一種需要重點監(jiān)控的參數(shù)。目前工業(yè)上常用的溫度傳感器有四類,分別為熱電偶、熱電阻RTD、熱敏電阻及集成電路溫度傳感器。
一、熱電偶
熱電偶屬于溫度測量中的接觸式測量,是溫度測量中應(yīng)用最廣泛的溫度器件。主要特點是測溫范圍寬、性能比較穩(wěn)定,同時結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)好,更能夠遠(yuǎn)傳4-20mA電信號,便于自動控制與集中控制。熱電偶的測溫原理是基于熱電勢,將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路,當(dāng)兩個接點處的溫度不同時,回路中將產(chǎn)生熱電勢,該熱電勢由溫差電勢和接觸電勢組成。溫差電勢是指同一導(dǎo)體的兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢,不同的導(dǎo)體具有不同的電子密度,所以他們產(chǎn)生的電勢也不相同。接觸電勢是指兩種不同的導(dǎo)體相接觸時,因為他們的電子密度不同所以產(chǎn)生一定的電子擴(kuò)散,當(dāng)他們達(dá)到一定的平衡后所形成的電勢,接觸電勢的大小取決于兩種不同導(dǎo)體的材料性質(zhì)以及他們接觸點的溫度。熱電偶的測溫范圍在-270℃~1800℃。
二、熱電阻
熱電阻同樣屬于溫度測量中的接觸式測量,它是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測量的,即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化,因此只要測量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?,就可以測量出溫度。工業(yè)上常用的熱電阻一般采用PT100、PT1000,熱電阻適用于溫度較低但是線性度要求較高的場合,測量溫度在-200℃~800℃。熱電阻測量中不能測量瞬時溫度變化,并且需要激勵電源。
工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場,與控制室之間存在一定的距離,因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有較大的影響。目前熱電阻的引線主要有三種方式:
(1)二線制:在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來引出電阻信號的方式,這種引線方法很簡單,但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r,r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān),因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合。
(2)三線制:在熱電阻的根部的一端連接一根引線,另一端連接兩根引線的方式稱為三線制,這種方式通常與電橋配套使用,可以較好的消除引線電阻的影響,是工業(yè)過程控制中的最常用的。
(3)四線制:在熱電阻的根部兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制,其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I,把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U,再通過另兩根引線把U引至二次儀表。這種引線方式可完全消除引線的電阻影響,主要用于高精度的溫度檢測。
三、熱敏電阻
熱敏電阻是熱電阻的一種,但是熱敏電阻都是半導(dǎo)體電阻,這是因為半導(dǎo)體熱電阻溫度系數(shù)要比金屬大10~100倍,能夠檢測出10-6℃的溫度變化,熱敏電阻測溫范圍在-55℃~315℃。按溫度特性熱敏電阻可分為兩類,隨溫度上升電阻增加的為正溫度系數(shù)熱敏電阻,反之為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。
(1)正溫度系數(shù)熱敏電阻以鈦酸鋇(BaTio3)為基本材料,再摻入適量的稀土元素,利用陶瓷工藝高溫?zé)Y(jié)而成。正溫度系數(shù)熱敏電阻具有未達(dá)居里點前電阻隨溫度變化非常緩慢,具有恒溫、調(diào)溫和自動控溫的功能,只發(fā)熱,不發(fā)紅,無明火,不易燃燒,電壓交、直流3~440V均可,使用壽命長,非常適用于電動機(jī)等電器裝置的過熱探測。
(2)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是以氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物為主要原料,采用陶瓷工藝制造而成。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻類型很多,使用區(qū)分低溫(-60~300℃)、中溫(300~600℃)、高溫(>600℃)三種,有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、壽命長、價格低等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于需要定點測溫的溫度自動控制電路,如冰箱、空調(diào)、溫室等的溫控系統(tǒng)。
四、集成溫度傳感器
集成溫度傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的,把感溫元件、膨脹電路、補(bǔ)償電路等集成在一塊很小芯片上的測溫器件,具有線性好、響應(yīng)快、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點,可以有效的彌補(bǔ)傳統(tǒng)溫度傳感器的響應(yīng)時間慢、熱慣性大、高溫線性度不好的缺陷。
集成溫度傳感器按照輸出信號分為數(shù)字式溫度傳感器、邏輯輸出溫度傳感器、模擬式溫度傳感器。數(shù)字式溫度傳感器大多配有總線接口,具有地址和數(shù)據(jù)傳輸功能,克服了模擬信號在長距離傳輸過程中易受干擾、誤差較大的缺陷。邏輯輸出型溫度傳感器在使用時會設(shè)置溫度范圍,一旦溫度超出所規(guī)定的范圍,則發(fā)出報警信號,啟動或關(guān)閉其它控制設(shè)備。模擬式溫度傳感器分為電流輸出型與電壓輸出型,模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一,僅測量溫度、測溫誤差小、價格低、響應(yīng)速度快、不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn),外圍電路簡單。