热敏电阻温度传感器、热电偶和 RTD 温度传感器的基础知识

温度的概念

从物理学的角度来看，热量是由于其分子或原子的不规则运动而包含在体内的能量的量度。正如网球随着速度的增加而拥有更多的能量一样，物体或气体的内能随着温度的升高而增加。温度是一个变量，它与质量和比热等其他参数一起描述了物体的能量含量。

温度的基本量度是开尔文度数。在 0°K(elvin) 时，每个物体的分子都处于静止状态，不再具有任何热能。因此，不可能出现负温度，因为不可能存在较低能量的状态。

在日常使用中，通常使用摄氏刻度（以前称为摄氏）。它的零被放置在水的凝固点，因为这个点在实践中很容易重现。现在 0°C 绝不是每个人都从经验中知道的zui低温度。通过将摄氏度扩展到所有分子运动停止的zui低可能温度，我们达到 -273.15 度的温度。

人类有能力通过他的感官在有限的范围内测量温度。但是，他无法准确再现定量测量结果。zui早的定量温度测量形式是在 17 世纪初在佛罗伦萨发展起来的，它依赖于酒精的膨胀。缩放基于夏季和冬季的zui高温度。一百年后，瑞典天文学家摄氏将其替换为基于水的熔点和沸点的刻度。这为温度计提供了随时缩放比例并在以后重现读数的机会。

温度测量

温度测量在许多应用中都很重要，例如建筑控制、食品加工以及钢铁和石化产品的制造。这些非常不同的应用需要不同物理结构和通常不同技术的温度传感器。

在工业和商业应用中，测量点通常远离指示或控制点。通常需要在控制器、记录器或计算机中进一步处理测量。此类应用不适合直接指示温度计，因为我们从日常使用中了解它们，但需要将温度转换为另一种形式（电信号）的设备。为了提供这种远程电信号，通常采用 RTD温度传感器。热敏电阻和热电偶。

RTD采用金属电阻随温度变化的特性。它们是电阻随温度增加的正温度系数 (PTC) 传感器。使用的主要金属是铂和镍。使用zui广泛的传感器是 100 欧姆或 1000 欧姆 RTD温度传感器 或铂电阻温度计。

RTD温度传感器 是工业应用中zui精确的传感器，还提供zui佳的长期稳定性。铂电阻精度的代表值为测量温度的 +0.5%。一年后可能会随着老化而变化 +0.05°C。铂电阻温度计可覆盖 -200 至 800°C 的温度范围。

电阻随温度的变化

金属的导电性取决于传导电子的迁移率。如果将电压施加到金属线的末端，电子就会移动到正极。晶格中的缺陷会干扰这种运动。它们包括外来或缺失的晶格原子、晶界和晶格间位置的原子。由于这些故障位置与温度无关，它们会产生恒定的电阻。随着温度升高，金属晶格的原子围绕它们的静止位置表现出越来越多的振荡，从而阻碍了传导电子的运动。由于这种振荡随温度线性增加，因此由它引起的电阻增加直接取决于温度的第一近似值。

在工业测量中，电阻材料铂已被普遍接受。其优点包括化学稳定性、制造相对容易（尤其是对于电线制造而言）、以高纯度形式获得的可能性以及可重现的电特性。这些特性使铂电阻传感器成为zui通用的可互换温度传感器。

热敏电阻由某些金属氧化物制成，其电阻随温度升高而降低。由于电阻特性随温度升高而下降，因此它们被称为负温度系数 (NTC) 温度传感器。

由于基本过程的性质，导电电子的数量随温度呈指数增加；因此，该特征呈现出强烈的上升形式。这种明显的非线性是 NTC 温度传感器电阻器的一个缺点，并将其可用温度范围限制在 100°C 左右。它们当然可以由自动化计算机线性化。但是，精度和线性度通常无法满足较大测量跨度的要求。它们在交替温度下的漂移也大于 RTD温度传感器。它们的使用领域仅限于温度不超过 200°C 的监测和指示应用。在这种简单的应用中，鉴于其低成本和所需的相对简​​单的电子电路，它们实际上比更昂贵的热电偶和 RTD温度传感器 更可取。

热电偶基于两种不同金属之间的结产生随温度升高的电压的效应。与电阻温度计相比，它们的明显优势是温度上限更高，zui高可达几千摄氏度。它们的长期稳定性稍差（一年后几度），测量精度稍差（平均+0.75% 的测量范围）。它们经常用于烤箱、熔炉、烟气测量和其他温度高于约 250°C 的区域。

热电效应

当两种金属连接在一起时，由于电子与金属离子的结合能不同，会产生热电电压。该电压取决于金属本身，此外还取决于温度。为了使该热电压产生电流，两种金属当然也必须在另一端连接在一起，从而形成闭合电路。以这种方式，在第二个结点处产生热电压。热电效应由塞贝克于 1822 年发现，早在 1828 年贝克勒尔就建议使用铂钯热电偶进行温度测量。

如果两个结点的温度相同，则没有电流流动，因为在两个点产生的分压会相互抵消。随着结点处的温度不同，产生的电压也不同，并且有电流流动。因此，热电偶只能测量温差。

测量点是暴露于测量温度的结点。参考结是已知温度下的结。由于已知温度通常低于测量温度，因此参考端通常称为冷端。为了计算测量点的实际温度，必须知道冷端温度。

较旧的仪器使用恒温控制接线盒将冷端温度控制在已知值，例如 50C。现代仪器在冷端使用薄膜 维连RTD 温度传感器来确定其温度并计算测量点温度。

热电效应产生的电压非常小，每摄氏度只有几微伏。因此，热电偶通常不在 -30 至 +50°C 的范围内使用，因为此处与参考结温的差异太小而无法产生无干扰信号。

热电阻接线

在电阻温度计中，电阻随温度变化。为了评估输出信号，恒定电流通过它并测量其两端的电压降。对于这个电压降遵循欧姆定律，V=IR。

应选择尽可能小的测量电流，以避免传感器发热。可以认为 1 mA 的测量电流不会引入任何明显的误差。该电流在 0°C 下在 Pt 100 中产生 0.1 V 的电压降。该信号电压现在必须通过连接电缆传输到指示或评估点，并且改动zui少。有四种不同类型的连接电路：

2线电路

温度计和评估电子设备之间的连接是通过 2 芯电缆进行的。与任何其他电导体一样，该电缆具有与电阻温度计串联的电阻。因此，两个电阻加在一起，这被电子设备解释为温度升高。对于更长的距离，线路电阻可能达到几欧姆，并在测量值中产生明显的变化。

3线电路

为了将线路电阻及其随温度波动的影响降至zui低，通常采用三线电路。它包括将额外的电线连接到 RTD 的一个触点。这导致了两个测量电路，其中一个用作参考。3 线电路可以补偿线路电阻的数量和温度变化。然而，要求所有三个导体都具有相同的特性并暴露在相同的温度下。这通常适用于足够的程度，因此 3 线电路是当今zui广泛使用的方法。不需要线路平衡。

4线电路

电阻温度计的zui佳连接形式是 4 线电路。测量既不取决于线路电阻，也不取决于它们因温度引起的变化。不需要线路平衡。通过电源连接为温度计提供测量电流。测量电阻两端的电压降由测量线拾取。如果电子设备的输入电阻比线路电阻大很多倍，则可以忽略后者。以这种方式确定的电压降与连接线的特性无关。这种技术通常只用于要求精度为百分之一的科学仪器。

2 线制变送器

通过采用2线发送器，可以在不使用多芯电缆的情况下避免上述2线电路的问题。变送器将传感器信号转换为 4 – 20 mA 的标准化电流信号，该信号与温度成正比。变送器的电源也通过相同的两个连接运行，使用 4 mA 的基极电流。2 线制变送器提供了额外的优势，即信号的放大大大降低了外部干扰的影响。有两种布置发射器的方式。由于未放大信号的距离应尽可能短，因此放大器可以直接安装在温度计的接线端内。由于结构原因或考虑到在发生故障时发射机可能难以到达，这种zui佳解决方案有时是不可能的。在这种情况下，导轨安装式变送器安装在控制柜内。改善接入的优势是以牺牲未放大信号必须传输的更长距离为代价的。

热敏电阻接线

热敏电阻的电阻通常比任何引线电阻大几个数量级。因此，引线电阻对温度读数的影响可以忽略不计，热敏电阻几乎总是以 2 线配置连接。

热电偶接线

与 RTD 和热敏电阻不同，热电偶有正极和负极，因此必须注意极性。它们可以直接连接到本地 2 线制变送器，铜导线可以返回到接收仪器。如果接收仪器能够直接接受热电偶输入，您必须使用相同的热电偶线或热电偶延长线一直返回到接收仪器。

为楼宇自动化选择合适的传感器

1. 铂 RTD 是长期以来zui准确和zui稳定的传感器。它们的交易成本通常比热敏电阻每点高约 5 加元。一些自动化面板不直接接受 RTD，对于这些面板，它们必须与温度变送器一起使用

2. 热敏电阻不像 RTD 那样精确或稳定，但它们更容易接线，成本稍低，几乎所有的自动化面板都直接接受它们。请注意，热敏电阻有许多不同的基极电阻和许多不同的曲线。您必须为要使用的面板指定正确的热敏电阻。

3. 热电偶在工业应用中被广泛使用，因为它们在非常高的温度下可靠地工作并且比 RTD 便宜。在楼宇自动化中很少需要它们，因为大多数测量的温度低于 100 摄氏度。然而，它们经常与 2 线制变送器一起用于烟气测量。

4. 某些工作的顾问指定铂 RTD，因为它们提高了准确性和长期稳定性。

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