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全面分析关于如何选择合适的温度传感器全部常识汇总

来源:发表时间:2019-05-22


      实现精确的温度测量没有简单的解决方案。它结合了解特定传感器类型的固有精度,以及环境因素如何产生进一步的测量不确定性以及可用于降低这种不确定性的传感器校准技术。下面金莎娱乐官方网站的专家带您深入探讨关于如何选择合适的温度传感器全部常识汇总

热电偶
      热电偶是最小,最快和最耐用的温度测量解决方案。它们可承受极高的温度,严苛的机械处罚并且操作简单。它们的尺寸允许快速的温度响应时间,并且传感结通常可以非常靠近所需的测量点。这种传感器类型的耐用性和简单性使其成为嵌入设备或设备的理想选择。
      但是,热电偶的准确度,噪声和精度误差最大。当需要极高的精度和精度时,许多这些缺点可以通过良好的工程实践得到改善。这些包括:使用短距离(小于500英尺,当然小于1,000英尺),确保热电偶线绝缘和屏蔽,避免额外的电线终端,使电线远离高压设备,并增加电线的规格。当需要更高的精度时,通过使用平衡的低通滤波差分放大器(以避免共模电压偏移)以及遵循相对复杂的校准程序,已经找到了一些成功。热电偶的一个常见问题是制造错误。
      热电偶缺乏合金均匀性带来了额外的挑战。金属纯度和合金均匀性的偏差增加了导线电阻,导致偏离美国国家标准与技术研究院(NIST)标准。较长的电线会增加此类问题的可能性。还应该考虑选择用于绝缘的材料以及如何屏蔽电线。如果需要高精度,无需校准,则应使用由最少数量的元件(如T,J或G型)组成的热电偶类型。
热敏电阻
      热敏电阻非常适合需要高灵敏度,高精度和高响应性的应用。但是,它们通常限于相对较窄的温度范围(通常低于300?C)。与热电偶不同,热敏电阻不能承受高温或机械应力,这使得它们难以用于不能很好地控制这些影响的应用和装配操作中。为了弥补这一限制,传感器可以装在一个保护金属外壳中 - 但这会以热响应为代价。一些特殊的热敏电阻能够在1000?C的温度下工作。
      建议对热敏电阻进行本地信号调理。幸运的是,它比热电偶所需的调节要简单得多。热敏电阻往往比热电偶大,导致相应的响应速度较慢 - 但比RTD更快。同样,尺寸可能会降低其精度,因为它们不能像测量的等效热电偶那样靠近测量点。对于热敏电阻,存在其他精度问题。
      在athermistor的最大灵敏点附近,温度的微小变化会产生相对较高的电阻变化:非线性响应。远离最大灵敏度点,热敏电阻不太能够解决温度变化。可以在分压器电路中添加填充电阻器以获得更线性的响应。与热电偶一样,存在一些制造问题。
      热敏电阻可以批量制造得相对均匀,但是当需要高精度或高精度时,批次之间的变化可能是有问题的。此外,热敏电阻没有NIST标准,因此可能存在其他制造商对制造商的响应变化。
热电阻
      当需要非常稳定和精确的测量时,RTD是合适的,因为它们比其他元件具有更少的漂移。当长时间的准确性是最重要的质量时,它们通常是最佳选择。RTD的精度和精度通常超过热敏电阻和热电偶的精度和精度。精度是对优质校准设备进行测量的一种测量方法。精度是可重复性的统计数据(图1)。RTD遵循Deutsche Industrie Normen(DIN)和联合信息系统委员会(JISC)国家标准。


      RTD的制造问题较少。凭借良好的公差规格,无论批号如何,现成的RTD都非常一致。RTD非常精致。虽然RTD元件的熔化温度足够高以经受许多高温制造操作,但它们不能经受侵蚀性机械操作,例如压实。将RTD嵌入到定制机械设备中是很困难的。使用金属护套组件可以保护RTD,但代价是响应时间和体积。例如,瓦特隆生产带有嵌入式热电偶的筒式加热器。绝缘材料在非常高的压力下被压缩在热电偶周围 - 称为型锻。尝试使用RTD实现更高的准确性已经失败,因为它们太脆弱而无法在此过程中存活。
      对于典型的100欧姆RTD,来自长引线和多个终端的电阻可能成为重要的误差源。对于热电偶也是如此; 但是更难以克服对热电偶精度的影响。对于RTD,情况并非如此。从双线改为三线或甚至四线RTD可以大大提高精度。电子器件可以构造成动态地消除与引线电阻相关的误差,但是在成本和实行测量所需的导线数量方面也存在折衷。另一个考虑因素是环境:只有双线配置才是本质安全的。
      来自外部源的噪声可能会产生额外的测量问题,但可以通过使用差分,非接地和屏蔽元件以与热电偶大致相同的方式进行缓解。这些影响也可能受到可选电子设备的限制,这些电子设备实行10%占空比测量以限制自加热功率而不降低信号强度。然而,利用低电平信号(功率)来驱动RTD的折衷是可能需要采取措施来最小化外部噪声的影响。
传感器注意事
      在建立传感器类型的常识库时,请务必考虑耐久性,操作范围和对外部噪声影响的敏感性的固有精度。其他考虑因素包括:与工艺要求相比的传感器温度限制(限制应包括工艺范围),所需的准确度和可重复性,易于维护和安装,安装时的处理(精细),易于校准以及环境类型将要使用。
      了解特定传感器类型的固有精度非常重要,但只是在优化路径的一部分。了解传感器放置,环境因素对传感器误差的影响,以及提高精度的校准技术,最终实现最佳的传感器选择。
位置和瞬态错误
      几乎不可能准确地将温度感知到您需要的位置。传感器本身具有有限的尺寸,可将传感元件从理想位置移位,以进行精确测量。与等效放置的热电偶相比,热敏电阻和RTD的定位误差风险更大 - 仅仅因为它们的尺寸。通常,在测量必须是针尖的情况下,热电偶优于RTD和热敏电阻(图2)。可提供直径小至0.04英寸的热电偶线。图中的位置误差“A”是整个传感器从其所需位置移位的直接结果; 取向也是一个因素,特别是在高温下,大部分传热是通过辐射进行的。如果已知周围的热源和汇,则补偿可以减少位置误差。然而,这在许多系统中可能很难,因为对汇和源的影响的理解可能不清楚。如有疑问 - 请使用最简单的解决方案。避免使用复杂的校准技术,并尽可能靠近温度源安装最小的传感器。
      瞬态误差是动态热误差。通常,很难弥补这些误差 - 热系统中的每种材料都有其独特的导热性和容量。例如,热塑性覆盖热电偶线与线材的膨胀方式不同,这会影响线材的电阻 - 老化会影响线材和覆盖物。在三种最常用的传感器类型中,热电偶最大限度地减少了瞬态误差,因为它是具有最小时间常数的最小传感器。


传热错误
      传感器接收传导,对流和辐射输入,导致测量不准确。该错误可以沿着特定路径发生,例如当传感器的电线被附近的热源加热时。因此测量失真。传热误差会影响热敏电阻,RTD和热电偶。E和J热电偶使用导电性较差的合金,这使其成为减轻这种误差的理想选择。当电阻在传感器内部产生热量时会导致误高读数 - 这称为“自热误差”。此错误仅适用于热敏电阻和RTD。流动的流中的自热误差是微不足道的,但在静态测量中可能是严重的。
大气和环境影响
      所有传感器都会受到老化的影响,特别是在循环使用中,或者在温度极限附近运行时。材料劣化导致初始轮廓的漂移(例如,电阻增加)。热电偶表现出更复杂的行为,因为产生的电压是两种不同金属之间电阻差异的直接结果。热敏电阻和RTD通常与环境密封良好,使其不易受到内部腐蚀。热敏电阻通常表现出一些初始漂移,但在初始老化后通常是稳定的。虽然传感器可能是密封的,但无论传感器选择如何,引线劣化或腐蚀都是一个问题。
      RTD与其他传感器相比具有明显的优势。对于RTD,通过使用3线或4线单元有效地测量传感元件的电阻,相对于连接线,可以减轻引线腐蚀问题。通过这种类型的安装,RTD具有三种传感器类型的最大整体稳定性。
      水分对传感器的影响很复杂。例如,测量表面温度的传感器上和周围的强制空气流将导致传热误差。对流电流增加或消除传感器和测量表面的热量。如果大气温度与表面温度不同,或测量环境潮湿,则必须将与对流相关的热流视为另一个热源或水槽。
力学和相关的影响
      在使其受到极端机械运动,振动或高强度声学影响的应用中,应避免使用小规格导线和易碎传感器。最常见的导线故障发生在连接点附近,其中弯曲量最大。例如,热电偶线在工艺中或裸套管中是裸线时最容易受到伤害。此外,机械运动或振动会刺激传感器内部的共振 - 导致早期故障。热电偶通常是三种传感器类型中最耐用的,因为电线中使用的许多合金更具延展性 - 允许它们处理额外的运动。但是,冷加工可以增加热电偶线的电阻,特别是在小线中。
      除疲劳外,运动中的电缆还可以产生低压摩擦电效应。对于微伏传感器 - 例如热电偶或RTD - 这些影响可能导致不准确。如果刺激效果的运动与您要测量的热响应性的顺序相同,则此错误可能很重要。
磁性和其他问题
      热电偶和RTD易受噪声影响; 热敏电阻更具免疫力。通过屏蔽和正确接地,可以提高对潜在噪声的抵抗力。这些方法适用于电容电流,射频和偏移电流产生的噪声。磁源的抗扰性不是那么容易实现的。
      传感器通常在包含大型电动机,螺线管或高电流装置的区域中运行。该设备可能会产生瞬态电流或磁涌。对于需要刺激电子设备(热敏电阻和RTD)的传感器类型,这些功率下降会影响传感器电子设备内部的电源和传感电路,从而影响温度读数。此外,大电感尖峰会产生循环电流,改变传感器附近的接地电位 - 偏置电压并导致传感器错误。
      当热敏电阻用于测量接近其下极端的温度时,电阻可能接近100K或更高。当发生这种情况时,长时间运行的热敏电阻线会产生一个天线,增加测量系统的噪音。虽然大部分可以被滤除,但是由于直流电荷收集噪声(称为驻极体效应),因此偏置测量的可能性变得更大。
      防止外部电源和磁源的最佳方法是保持传感器和引线远离它们,屏蔽它们,并密切注意电子隔离和接地 - 只有几英尺可以产生很大的不同!保持传感器引线短路并将信号转换为数字形式,尽可能靠近测量点,也可以帮助减少噪声。
传感器校准技术
      有两种方法可以校准传感器以校正固有误差:控制等温浴(通常为水)或点校准。受控浴槽非常精确,可以多点使用。但是,它仅限于浴液中的液体物理范围。在点法中,传感器浸没在液体/固体浴中 - 标准化熔点 - 冰浴(0.01℃)或镓浴(29.7646℃)是很好的例子。该方法仅与从测量中外推或插值的能力一样可靠。
      如果只有相对精度可以接受,则可以通过将传感器浸入已知温度的公共浴槽(冰浴为0?C)来相互校准传感器阵列。然后可以缓慢升高浴中的温度,同时跟踪所有传感器响应。为达到最佳效果,校准浴应跨越与预期测量相同的温度范围。另外,相对于传感器响应性,温度增加的速度应该是缓慢的,这将减少时间瞬态误差。
      最小化固有传感器误差的限制因素是校准过程的不确定性(包括精度和精度)。通常,热敏电阻和RTD具有比热电偶更好的固有精度,但所有三种类型的传感器都需要校准才能达到低至0.1?C的精度。校准热电偶比热敏电阻和RTD更具挑战性 - 校准必须考虑热和冷结温度误差。
把它们放在一起
      选择温度传感器不仅仅是熟悉特定传感器类型的固有精度。在为应用选择最佳传感器时,还必须考虑环境因素以寻找潜在的误差源。熟悉可用于最小化环境影响的策略也很重要。表1比较了所有三种传感器类型。

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