热敏电阻、RTD、热电偶的原理和特性
1、热敏电阻
热敏电阻是一种传感器电阻,其电阻值随着温度的变化而改变。按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻(PTC thermistor,即 Positive Temperature Coefficient thermistor)和负温度系数热敏电阻(NTC thermistor,即 Negative Temperature Coefficient thermistor)。正温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而增大,负温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而减小,它们同属于半导体器件。
热敏电阻的主要特点是:
1、灵敏度较高,其电阻温度系数要比金属大 10~100 倍以上,能检测出 10-6℃的温度变化;
2 、工作温度范围宽,常温器件适用于-55℃~315℃,高温器件适用温度高于 315℃(目前最高可达到 2000℃),低温器件适用于-273℃~-55℃;
3、体积小,能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度;
4、使用方便,电阻值可在 0.1~100kΩ间任意选择;
5、易加工成复杂的形状,可大批量生产;
6、稳定性好、过载能力强。
热敏电阻电阻转温度(Steinhart-Hart 方程式),公式如下所示:
参数解析:
T = 温度,单位开
a,b,c = Steinhart-Hart 方程式常数
R=电阻,单位欧姆
热敏电阻温度转电阻(Steinhart-Hart 方程式),公式如下所示:
参数解析:
R = 电阻值,单位 QT=温度,单位开
a, b,c = Steinhart-Hart 方程式常数
x, y =温度到电阻换算方程式中用到的 Steinhart-Hart 因子
2、RTD 特性
RTD(Resistance Temperature Detector),电阻温度检测器,是一种特殊的电阻,其阻值会随着温度的升高而变大,随着温度的降低而减小。工业上利用它的这一特性进行温度测量,因此 RTD 也被俗称为“热电阻”。
并不是所有的金属都适合做成 RTD,符合这一特性的材料需要满足如下几个要求:
1、该金属的电阻值与温度变化能呈线性关系;
2、该金属对温度的变化比较敏感,即单位温度变化引起的阻值变化(温度系数)比较大;
3、该金属能够抵抗温度变化造成的疲劳,具有好的耐久性。
符合该要求的金属并不多,常见的 RTD 材料有:铂(Pt)、镍(Ni)和铜(Cu)。
以铂热电阻为例,根据其电阻值的不同,又可分为 PT50、PT100、PT200、PT500 和 PT1000 等。名称中的数值表示热电阻在 0℃下的电阻值。比如:PT100,表示该传感器在 0℃下的电阻值为 100Ω;而 PT1000,则表示该传感器在 0℃下的电阻值为 1000Ω。
根据 RTD 热电阻的引出线的数量的不同,RTD 可分为两线制、三线制和四线制。
两线制 RTD 的引线是直接在电阻的两端引出两条导线到测温模块上。测温模块采用电桥平衡的原理,RTD 作为电桥的一个臂进行测量。两线制 RTD 的示意图如下所示:
两线制 RTD 传感器没有考虑引出导线的电阻,误差较大,仅适用于精度要求不高的场合。
为了消除 RTD 引线对测量结果的影响,许多 RTD 采用三线制形式。三线制是在两线制的基础上,从电阻的—端引出第三条线,如下图所示:
三线制 RTD 可以在很大程度上消除传感器引线本身对测量结果的影响,检测精度比两线制有很大的提高。
四线制 RTD 是在三线制的基础上又增加了一条线,即电阻的两端各有两条线,如下图所示:
四线制 RTD 可以完全消除引线电阻的影响,精度非常高,一般用在实验室或者对精度要求很高的场合。
RTD 的线性度优于热电偶,是目前最精确和最稳定的温度传感器。但由于电阻的变化需要时间,因此其响应速度较慢,同时其价格也相对较贵,适用于对精度有一定要求且成本控制不严的场合。
RTD 温度与电阻换算,公式如下所示:
参数解析:
Rrtd = 温度范围内(-200℃<T<850℃)的 RTD 电阻
R = 对于 PT100 为 100W,对于 PT1000 为 1000W
A0,B0,C0 = Callendar-Van Dusen 常数
T = 温度,单位摄氏度(℃)
RTD 电阻与温度换算方程式(T>℃)
这个公式可以转换为以下形式,当 T≥0℃时,公式如下所示:
参数解析:
Rrtd = 温度范围内(-200℃ < T < 850℃)的 RTD 电阻
R = 100W
A0,B0,C0 = Callendar-Van Dusen 常数
T = 温度,单位摄氏度(℃)
针对不同 RTD 标准的 Callendar-Van Dusen 系数如下表所示:
举个例子,电阻值为 120Ω的 ITS-90 PT100 温度是多少?答案如下所示:
当 T<0℃时,公式如下所示:
参数解析:
T = 温度,单位摄氏度(℃)
Rrtd = 温度范围内(T<0℃)的 RTD 电阻
ai = T<0℃时,将 RTD 电阻换算为温度的多项式系数
针对 5 阶 RTD 电阻至温度换算的系数如下表所示:
举个例子,电阻值为 60Ω的 ITS-90 PT100 温度是多少?答案如下所示:
之前我做过一款上位机可实现 PT100 电阻温度转换,将该部分公式代码分享给各位,如下所示:
3、热电偶
热电偶(thermocouple)是把两种不同材料的金属的一端连接起来,利用热电效应来测量温度的传感器,热电效应是热电偶的物理基础(当给一段金属丝的两端施加不同的温度时,金属丝的两端会产生电动势,闭合回路后金属丝中会有电流流过。这种现象被称为热电效应,也称为塞贝克效应)。
通过下图理解热电偶的工作原理,用两种不同颜色表示两种不同的金属材料,A、B 端在常温环境中用于测温端口,称为冷端,在 C 端进行加热。由于热电效应,在 A 端和 C 端以及 B 端和 C 端之间温度不同,所以会产生电势差。而因为两种金属材料的不同,会导致这两个电势差不一样,最终导致了 A 端和 B 端也有了电势差,通过测量这两个端的电势差,根据热电效应的线性关系就可以得出 A(B)端 和 C 端的温差。再通过一个已知温度的校准值和两种金属的线性系数,就可以计算出任意输出电势差对应的温度值了。
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶中国从 1988 年 1 月 1 日起,热电偶和热电阻全部按 IEC 国际标准生产,并指定 S、B、E、K、R、J、T 七种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶。
从理论上讲,任何两种不同导体(或半导体)都可以配制成热电偶,但是作为实用的测温元件,对它的要求是多方面的。为了保证工程技术中的可靠性,以及足够的测量精度,并不是所有材料都能组成热电偶,一般对热电偶的电极材料,基本要求如下所示:
1、在测温范围内,热电性质稳定,不随时间而变化,有足够的物理化学稳定性,不易氧化或腐蚀;
2、电阻温度系数小,导电率高,比热小;
3、测温中产生热电势要大,并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系;
4、材料复制性好,机械强度高,制造工艺简单,价格便宜。
本篇博文主要给各位分享 J 型热电偶和 K 型热电偶阻值温度换算公式。
将温度转换为电压的 J 型热电偶(ITS-90 标准),公式如下所示:
参数解析:
Vt = 热电电压
T = 温度,单位摄氏度
Ci = 转换系数
J 型热电偶温度到电压转换系数,如下表所示:
将电压转换为温度的 J 型热电偶(ITS-90 标准),公式如下所示:
参数解析:
Vt = 热电电压
T = 温度,单位摄氏度
Ci = 转换系数
J 型热电偶电压到温度转换系数,如下表所示:
将温度转换为电压的 K 型热电偶(ITS-90 标准),公式如下所示:
参数解析:
Vt = 热电电压
T = 温度,单位摄氏度
C = 转换系数
a0,a1 = 转换系数
K 型热电偶温度到电压转换系数,如下表所示:
将电压转换为温度的 K 型热电偶(ITS-90 标准),公式如下所示:
K 型热电偶电压到温度转换系数,如下表所示:
4、热敏电阻、RTD、热电偶的区别
总结热敏电阻、RTD、热电偶的区别可参见下表所示:
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原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/06d1cc0f6e1363e5450dfe54f】。文章转载请联系作者。
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