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针对热电阻基础常识、测量电路,精度以及其他准确性问题为您全面概述

来源:发表时间:2019-06-17


      在产品开发,安全系统和许多其他应用中,温度测量在许多过程中都至关重要。对于这些应用中的大多数,可以使用与固体表面接触或浸入流体中的温度传感器。最常用的接触传感器是热敏电阻,热电偶和热电阻。
      当灵敏度和应用灵活性是最重要的应用标准时,热电阻经常是首选的传感器。它们可以以各种配置制造,并用于覆盖宽温度范围的测量。当100 W 热电阻被正确激励(= 1mA)时,它将产生400μV/°C信号,其灵敏度是K热电偶的10倍。
      虽然与热敏电阻和热电偶相比,热电阻传感器本身很昂贵,但总温度测量系统成本适中。热电偶测量相对温度,因此需要参考接点和电路,而热敏电阻和热电阻可以更直接的方式测量绝对温度。热电阻系统实际上可能比热电偶系统成本低,因为它产生更高级别的信号并且不需要参考。除传感器外,仪器选择和系统设计的重要标准还包括测量电路,仪器和测试系统硬件以及各种精度问题。下面澳门新葡亰手机版自动化仪表三厂专家针对热电阻基础常识、测量电路,精度以及其他准确性问题为您全面概述。
1、热电阻基础常识
      热电阻的工作原理是基于温度升高时电阻率的增加。最常见的是,热电阻由铂,镍和铜制成,所有这些都具有电阻率约为0.4%/°C的温度系数(TC)。铂金是最通用的材料,因为它具有宽温度范围(-200°C至850°C),出色的重现性,长期稳定性以及耐化学品和腐蚀性。热电阻的标称电阻或基极电阻决定了电阻随温度变化的绝对变化,即其整体灵敏度。铂热电阻通常在0°C时可提供100,200,500和1,000O标称电阻值。
      选择热电阻的另一个考虑因素是其物理结构。铂热电阻的两种最常见的设计是线绕和薄膜蛇形结构。线绕式热电阻采用指定长度的精密导线缠绕成圆柱形陶瓷,玻璃或云母绝缘体上的线圈。将薄膜蛇形结构铺设在陶瓷绝缘体的表面上,然后激光修整至所需的基极电阻值。这两种类型都内置于探针和其他包装样式中。


      薄膜单元比线绕单元更坚固,并且响应温度变化更快。此外,薄膜单元比线绕元件便宜,因为使用的铂量少得多。但是,它们的温度范围不如线绕单元那么大。而且,对于薄膜单元,激励电流通常较低,因为它们对自加热更敏感,这可以稍微降低可测量的输出信号和精度。(但是,自加热热电阻有时用作热线风速计。)
2、测量电路
      热电阻本质上是双线设备。双线测量将热电阻作为电阻桥电路的一个支路,其中DC电源向热电阻提供激励电流。测量电桥两端的电压,并计算电阻R = V / I. 计算结果包括测试引线的电阻以及热电阻电阻,这显着降低了精度。这导致了更精确的三线和四线测量技术的发展。


      四线或开尔文测量使用一对引线向热电阻提供激励电流,第二组仪器引线直接测量热电阻上的电压。结合具有高输入阻抗的仪器,四线测量可最大限度地降低引线电压降并提供最高精度。这是研究实验室和其他敏感应用中的首选技术。
      当传感器和仪器之间存在很大距离时,三线技术非常有用。桥接电路与具有高阻抗DC运算放大器输入电路的仪器一起使用。第三根导线连接在热电阻的一端和仪器的HI SENSE端子之间。这确保了很少或没有电流流过该引线,因此其电阻在测量中不是很重要的因素。通过对其他两根引线使用相同的导线长度和直径,可以抵消其电压降。虽然不如四线方法准确,但三线技术在许多工业应用中提供了可接受的精度,并且由于仅需要三线电缆而简化了布线。
      用于热电阻测量的仪器包括专用温度计,数字万用表(DMM),源测量单元(SMU),小型化网络仪器和数据采集系统。当在测试设置中仅需要温度测量并且涉及有限数量的热电阻时,专用温度计是合适的。小型化仪器也是如此。但是,在这两种情况下,可以将多个仪器联网到主机PC。
数字万用表不仅允许温度测量,还允许交流和直流电压和电流,欧姆,频率计数,二极管测试等。它们可以配备具有多达20个输入通道的扫描仪卡,可以在每个通道上容纳不同的变量或具有不同标称电阻值的多个热电阻。此外,开尔文测量通常很容易进行,因为许多数字万用表都有源和感测端子,允许四线测试配置。
      SMU提供紧密集成的精密电源和测量仪器,用于自动计算机控制测试。当与开关矩阵和PC一起使用时,可以在几分钟内测量数百个热电阻输出(和其他信号)。这种类型的仪器通常不用于简单地监测温度。然而,多个采购水平的灵活性和易于监控的自热效应使SMU成为制造环境中热电阻特征的理想选择。
      基于PC的数据采集系统还允许大量传感器。根据数据采集板设计,其测量精度和灵敏度可能略低于台式DMM或SMU。微型网络仪器是一种混合设备,具有台式仪器的精度,通常允许四到八个热电阻输入,并连接到主机PC进行数据显示和分析。
3、精度
使用热电阻进行温度测量时,必须考虑几个精度问题。主要是:
      测量电路(前面讨论过)
      热电阻本身包括一定量的非线性
校准
      固有的仪器准确性
      发送器与硬连线热电阻连接
      热电阻触点安装
      首先,大家需要区分准确性,可重复性和精确度之间的差异。精度定义为整个仪器系统表明测量的真实温度的好坏程度。热电阻传感器精度指的是其电阻与给定温度下标准热电阻列表或计算值的匹配程度。可重复性是当在相同温度下进行连续测量时系统再现相同读数的能力。对于传感器本身,可重复性是热电阻稳定性的函数。精度是一个更定性的术语。在一组热电阻中,精度是它们的电阻 - 温度曲线匹配的程度。不匹配程度定义了由这些传感器测量的温度的不确定性水平。
      显然,热电阻传递函数或电阻 - 温度曲线是进行精确,可重复测量的关键参数。热电阻的传递函数不是完全线性的。例如,标称TC为0.385%/°C的铂热电阻在-200°C时为0.44,在+ 850°C时为0.29。如果您的测量范围足够窄,您可能会忽略这种非线性。在0-100°C的范围内,使用0.385的恒定值(即线性传递函数)导致约±0.5至1°C的精度。


对      于更宽的温度范围和精确工作,有一个标准的多项式转换公式,可以很容易地在App中实现。称为Callendar-Van Dusen方程,这是一个四阶多项式,可表示为:
      R T = R 0 + R 0 a [T – d(T / 100 – 1)(T / 100) - b(T / 100 – 1)(T / 100)3 ],
      其中R 0 = 0°C时的电阻,R T =温度T时的电阻。对于T> 0°C,b项可以忽略,方程式变为二次方程式。Callendar-Van Dusen常数和R 0值通常由制造商提供每个热电阻。典型常数列于表1中。
      典型的Callendar-Van Dusen白金热电阻常数


      对于温度测量,许多数字万用表包括使用最常见类型的热电阻的标称阿尔法值的热电阻转换曲线。这些值可以由制造商编程到DMM中,并且不容易改变。一些高端数字万用表允许用户为特定热电阻 设置实际的R 0,Alpha和Beta值。如果您有一个允许您输入格式(mx + b)的缩放系数的DMM,您可以输入自己的alpha值和R 0(m = a,b = R 0),它可以校准零偏移和完整规模。这适用于0-100°C的范围。
      对于更高阶的多项式转换,PC有助于温度计算,特别是在使用没有内置转换程序的仪器时。对于DMM和SMU,这通常意味着在外部GPIB总线上连接仪器和PC,使用可编程仪器的标准命令(SCPI)进行编程,并使用C,Visual Basic或仪器支撑的其他语言编写简单的例程。基于PC的数据采集系统也可能需要这些例程,具体取决于所使用的App。
      仪器还必须针对R 0进行校准,并使用可溯源至NIST的固定校准电阻。校准后,固有的仪器精度很少会成为问题。例如,台式数字万用表的价格低于1000美金,分辨率为6-1 / 2,测量不确定度在1000O级别时小于+ 100ppm。这允许测量小至0.01°C的温度变化,对于热电阻的全温度范围,即使在850°C附近的上端,绝对精度约为+ 0.15°C。例如,100 W 热电阻 在850°C时的电阻为390.26 W. 理想情况下,6-1 / 2位数字万用表就看这是390.260 w ^。阻力和DMM读数变化0.290W /°C,或每0.01°C 0.003 W。因此,通常可以观察到0.01°C的变化,作为DMM显示器中的三个计数变化。如果数字万用表的精度为+ 80ppm读数和+ 10ppm范围,则电阻读数的绝对精度为+(80ppm x 390 + 10ppm x 1000)或+ 0.041 W,这意味着约+ 0.13°C的不确定度。
4、其他准确性问题
      良好的安装技术或连接可以抵消经过良好校准的热电阻和仪器的精度。正确安装可确保传感器温度及其输出信号反映被测物体或流体的温度。必须在热电阻和仪器之间保持该信号的完整性。
      将传感器信号传送到仪器的一种方法是通过硬线直接连接。如果导线短路,环境没有电噪声,并且精度要求不高,则这是可以接受的。(参见前面对3线和4线测量电路的讨论。)
      为了在更远的距离上获得更好的信号完整性,可以使用热电阻温度变送器。调节测量点附近的基本热电阻信号可降低噪声拾取或接地环路降低的可能性,并提供电压隔离以保护测量设备。甚至还有小型仪器可提供完全调节的热电阻信号和数据通信接口,以将信号连接到主机以进行数据记录和分析。对于具有4-20mA或1-10V输出的变送器,必须正确调整零点和量程控制,以保持热电阻信号的准确性。


确保热电阻测量所需温度也具有挑战性。对于接触测量,最重要的步骤是:
      最大限度地减小传感器和表面之间的热阻。 这需要紧密接触,并且还可能需要使用热粘合剂或油脂。热传递也通过传感器引线进行,因此它们也应与被测物体处于相同的温度。
      使传感器与其他热影响隔离。 例如,将表面传感器与周围空气中的对流隔离。
      最大限度地减少热传导误差。 消除传感器和测量位置之间的任何质量。如果质量是与不同于测量温      度的温度接触的金属或其他高导电率材料,则这尤其重要。
      使用带金属包装的传感器,而不是塑料。 除了降低热阻外,这还提供了更快的响应时间。在气流测量中,避免分层问题。 如果气流不提供湍流混合,则可能需要在流中的不同位置处使用多个探针。根据应用的需要,可以记录或平均各个读数。
      许多热电阻和仪器制造商都有专业的应用人员来帮助解决这些困难。他们的网站还以常见问题解答和免费测量App的形式提供即时信息。

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