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温度传感器技术特点及应用

2014-6-12 21:29:55      点击:
高压开关柜测温讯: 温度,作为国际单位制SI中7个基本物理量之一,是工业生产及日常生活中应用最常见、最重要的测量或控制参数,因而温度传感器也是全世界应用频率最高、应用范围最广的传感器。
基于传感器与被测介质或物体是否直接物理接触的不同,可将温度传感器分为接触式和非接触式两大类。接触式温度传感器测量是建立在传感器与被测对象处于热平衡状态的前提下,具体包括膨胀式、热电偶式、RTD热电阻式、热敏电阻式、半导体式、石英式、接触式光纤温度传感器等类型。非接触式温度传感器是通过感知被测对象发出的辐射能或通过其它媒介与被测媒介温度的相关性等方法来实现温度测量,常用的有辐射式温度传感器、非接触式光纤温度传感器、声波温度传感器等类型。
常用接触式温度传感器
膨胀式温度传感器是指根据物体热胀冷缩原理工作的测温仪表,又可细分为:日常生活中常见的玻璃液体温度计、适用于工业场合的双金属温度传感器和充灌式温度传感器等。双金属温度传感器是利用结合在一起的两种体膨胀系数不同的金属热膨胀差异原理工作的温度检测仪表,可靠性高,寿命长,在军事、太空和常规工业领域均有应用。充灌式温度传感器由充有感温流体的温包、毛细管和压力敏感元件构成,因根据封闭容器中的感温介质受热后体积膨胀引起压力变化的原理来测量温度,故又称为压力式温度计。具有响应速度较快、可远距离测温的特点。
热电偶是利用塞贝克效应工作的热电式温度传感器,其温度测量回路由热电偶、补偿导线及测量仪表构成。常用热电偶分度号类型有镍铬-镍硅K型、镍铬-铜镍E型、铜-铜镍T型、铁-铜镍J型和铂铑10-铂S型等。因其具有工作可靠、响应较快、易于使用、成本低、测温范围广、适于远距离测控等优点,在电力、化工、石油等工业场合应用较普遍,广泛用来测量-200℃~1300℃范围内的温度。
热电阻RTD是指利用某种金属材料电阻随温度变化而变化的特性来测量温度的温度检测仪表。其具有准确度高、输出信号大、灵敏度高、测温范围广、稳定性好、无需参考点等优点,在流程工业中有大量应用。常用的RTD类型有铂热电阻、铜热电阻,引线方式有两线制、三线制及四线制。
热敏电阻温度传感器实际上是一种电阻值随其温度呈指数变化的半导体热敏感元件,分为电阻随温度升高而增加的正温度系数PTC型,以及电阻随温度升高而降低的负温度系数NTC型。其研制时间早在1940年,最初是用于通信仪器的温度补偿及自动放大装置,上世纪60年代开始用于工业温度测量。热敏电阻温度传感器具有灵敏度高、电阻值高、体积小、结构简单、响应时间短、功耗小、价格低、化学稳定性好等诸多优点,其使用频度仅次于热电偶和热电阻,现大量用于家电、汽车、HVAC采暖通风、医疗、电信和特定工业场合的温度测量。因普通的热敏电阻温度传感器测温范围较小(<350℃)且其阻值与温度的关系呈非线性,故在过程工业中应用较少。
硅(半导体)温度传感器是利用半导体材料比两种不同掺杂区结点处电阻大的特点而工作。特别在低温场合,硅温度传感器具有电阻和温度近乎线性增大的PTC正温度系数特性。当将测量硅半导体集成进含有放大器的集成电路时,即可极大改善硅结区的温度特性,构成新的IC集成电路式温度传感器。IC温度传感器能提供直接的数字式温度指示,而不需要A/D模数转换器,常用于需要温度精确测量且要求小型化、低成本测温传感器的场合,如计算机和小型家用电子产品中。据统计在2011年中IC温度传感器在半导体和电子工业中占据其温度传感器份额的13.5%。图1所示为瑞士Sensirion公司生产的基于4CCOMSens?数字传感技术的STS21集成电路式数字温度传感器,外形尺寸仅为3×3×1.1mm,测量范围-40℃~+125℃,典型精度误差±0.2℃。
石英式温度传感器是利用石英晶体固有频率随温度而变化的特性来实现温度测量的。具有高分辨率(可高达0.001℃)、高精度、高稳定度、热滞后误差小等优点,因而常用作高精度、高分辨率的温度测量及作为量值传递的标准温度计使用。但在使用中应注意其抗强冲击性能较差。
常用非接触式温度传感器
在工业生产中,通常采用前述的接触式温度传感器。接触式测温方法虽有结构简单、可靠、准确度高等优点,但在某些场合下(如等离子体加热或受控热核反应等),必须采用非接触式测温。较接触式而言,非接触式温度传感器技术相对较新,还处于动态发展上升阶段。
辐射式温度传感器是通过被测对象发出的热辐射强度来测量其温度的。其优点是能够测量运动物体的温度并且不破坏其被测温度场,又可以在中温或低温领域进行测量。常用的辐射式温度传感器包括光学高温计、光电高温计、辐射高温计、比色温度计、红外温度计或热像仪等。
其中,光学高温计发展最早,应用最广。在确定波长下,根据M.普朗克定律,通过测量单色辐射强度即单色辐射亮度来测量温度。具有结构简单,使用方便,测温范围广(700℃~3200℃)的特点,常用于测量高温炉窑的温度。
光电高温计是在光学高温计基础上发展起来的能自动连续测温的传感器,主要优点有灵敏度高(高达0.5℃)、准确度高、使用波长范围不受限制(可见光、红外范围段均可应用)、响应时间短(可在10-6s内)等。
辐射高温计习惯上也称全辐射温度计,是专指以热电堆为热接受元件的辐射感温器与电压指示或记录仪表构成的温度测量仪表,是基于被测物体的辐射热效应而进行工作的,优点是灵敏度高、坚固耐用、可测较低温度,缺点是测量易受环境中的水蒸汽、CO2的影响。
比色温度计是通过测量热辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的,其特点是测温准确度高、响应快、可测量小目标,适用于冶金、水泥、玻璃等行业,常用于测量铁液、锅液、熔渣及回转窑物料温度等。
红外温度传感器是根据热辐射体在红外波段的辐射能量来测量温度的,属部分辐射式温度传感器。按测量方式可分为固定式与扫描式,依据光学系统的不同又可分为可变焦点式与固定焦点式等。具有使用寿命长、性能可靠、反应快等优点,在国外塑料、五金、食品和饮料行业等垂直市场中的应用非常广泛。
热像仪是通过检测物体所发射的3~5.6μm(短波)或8~14μm(长波)红外线束,利用热图像技术,给出热辐射体的温度、温度分布的数值,并转换成可见的热图像。因其具有测量范围广(-170℃~2000℃)、准确度高(能分辨到0.1℃)、响应快(ms级)、测温距离宽(从几厘米到天文距离)等优点,近几年发展很快,应用范围也越来越广,常用于工业、天文、气象、资源探测、公安、医疗、军事等部门。如食品和饮料工业中常用于检测食物的温度变化,在过程工业中常用其测量电气或机械设备的表面温度及缺陷定位,实现状态检修等。
其它类别的温度传感器
光纤温度传感器是当前发展迅速和应用领域逐渐扩大的温度传感器。根据光纤在传感器中的作用,可将其细分为功能型光纤传感器(光纤不仅作为导光物质,也作为感温元件)、非功能型传感器(光纤仅起导光作用,感温功能由非光纤型敏感元件完成)、拾光型传感器(用光纤作探头,接收被测对象辐射的光或被其反射、散射的光)。根据使用方法分类为接触式光纤温度传感器(如荧光光纤温度传感器、半导体吸收光纤温度传感器、分布参数式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器等)和非接触式光纤温度传感器(如辐射光纤温度传感器等)。这类产品具有电/磁绝缘性好、高灵敏度、体积小、重量轻、可弯曲等优点。光纤测温技术方兴未艾,前途无可限量。
声波温度传感器是基于声波或超声波在气体介质中的传播速度与该气体绝对温度平方根的函数关系来测量气体温度及其温度场的。具有测量原理简单、非接触、测量范围宽(0~1900℃)、可在线测量等优点,已在发电厂锅炉、垃圾焚烧炉、水泥回转窑等温度测量中得到应用。图2和图3分别为美国Enertechnix公司所生产的PyroMetrixTM声波高温计的信号发生器和信号接收器。该产品可瞬时测量如锅炉等大容积空间内的平均温度,精度可高达1%。
核四级共振温度传感器是利用NQR核四级共振吸收频率随温度升高而减少的特性制成的温度测量仪表,具有高准确度(可达±0.005℃)、高分辨率(可达1mK)、重现性好、互换性佳、温度范围广等优点,可以用作标准温度计或高精度实用温度计。