技術指南:認識溫度感測器的量測原理、特性和應用訣竅

十二月 21, 2017
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市面上的溫度感測器種類與規格選擇豐富,可供您將溫度現象轉換為可量測訊號。三種常見的感測器包括熱電偶、RTD與熱敏電阻。每一種都有其獨特的規格、操作原理、好處與缺點。本文內容與資訊可針對您的應用需求,協助您選出最適合的溫度感測器。
熱電偶、RTD與熱敏電阻進行溫度感測的原理各有不同。熱電偶屬於被動式感測器,可隨著溫度變化產生小幅度電壓波動,通過對電壓的讀數從而得知溫度。電阻溫度偵測器(RTD)與熱敏電阻則是主動式溫度感測器,其電阻會隨著溫度變化,再對電阻進行量測從而量測溫度。

除了感測器本身特性(包括作業範圍、敏感度、線性度、響應時間等)與運作原理之外,您還需要考慮到每一種感測器類型對量測硬體的需求。舉例來說,熱電偶不需要電流激發(但熱敏電阻需要),但卻需要冷點補償功能,而這只有特定量測硬體系統才有提供。

不同種類的溫度感測器特性各有區別。熱電偶有使用簡單、成本低廉、不需要外加電源以及溫度量測範圍廣泛的優點,但敏感度和穩定性相較RTD和熱敏電阻感溫器低;RTD的穩定性和準確性最高,卻有價格較為昂貴的缺點,也會因為自熱而產生量測誤差;熱敏電阻量測速度極快,但量測溫度的範圍不及熱電偶大,也需要外用電源。可以說,三種溫度感測器各有優劣,要因使用者的需求而選擇最適合的一款。

:您可以使用其他種類的溫度感測器,例如本文未提到的IC或光纖光柵。

表1顯示本文所檢視之三種常見感測器的不同特性:
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表1:溫度感測器種類比較

不同種類溫度感測器的比較步驟

1.     充分了解量測應用與需求。

  • 溫度多快會產生變化?決定適當的響應時間。
  • 感測器部署時間多久?方便維修嗎?選擇夠耐用的感測器類型來減少維護需要。
  • 準確度需求多高?考慮感測器準確度對整體量測準確度的影響。

2.     決定您必須量測的溫度範圍。

  • 選擇可在完整的可行溫度範圍之外運作的感測器種類。
  • 考慮各種符合範圍需求的感測器類型線性度;針對您感興趣的範圍選擇具有最大線性響應的類型,以提升電壓或電阻轉換至溫度的準確度。
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3.     考慮要部署感測器的環境。

  • 挑選合適的包覆材質以抵抗任何化學物質暴露風險。
  • 決定是否需要隔離以防止接地迴圈/雜訊產生。
  • 如果感測器使用過程會產生振動或摩擦,請確保其等級足以承受。

4.     考慮安裝感測器的方式,並選擇適合的安裝方式以充分發揮熱連接效果。
5.     選擇必要的量測硬體以處理、取得、分析及顯示/儲存溫度訊號。

了解三種溫度感測器的特性

利用下列特性,定義您的溫度感測器能力與效能。這些特性適用各種類型的溫度感測器,但仍有一些例外案例需要注意。選擇感測器時,請先了解每種感測器的運作原理及其特性對量測值的影響,確保選擇最符合專案需求的感測器。

溫度範圍
感測器溫度範圍,定義了感測器可安全作業並提供準確量測值的溫度範圍。每種熱電偶類型都有其特定溫度範圍,而此溫度範圍是依據建立熱電偶時使用的金屬屬性所制訂。RTD藉由較小的溫度範圍換取較佳的線性度與準確度,而熱敏電阻則是以最低的溫度範圍提供優越的敏感度。了解可安全使用感測器的完整溫度範圍,有助您預防感測器受損,同時確保獲得更準確的量測值。

線性度
理想的感測器具有完美線性響應:溫度單位的轉換,會造成整個感測器溫度範圍的電壓輸出單位改變。不過,實際上沒有任何一款感測器可達到完美線性。圖1提供本白皮書檢視的三種感測器所應用的溫度轉換電壓響應概念。
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圖1:感測器溫度轉換輸出響應

敏感度
特定感測器敏感度會針對一定的溫度變化,以百分比表示量測輸出值的變化。相較於敏感度較低的感測器(像是熱電偶),較為敏感的感測器(如熱敏電阻)能更輕易地偵測到細微的溫度變化。不過,這層敏感度卻是犧牲線性度所換來的。針對量測溫度判斷理想的感測器時,這是很重要的考量因素。若是打算針對小幅度溫度變化擷取非常細微的量測值變化時,使用熱敏電阻或RTD會是比較理想的選擇。想要針對更廣泛的溫度範圍擷取更大的溫度變化時,熱電偶就可滿足需要。圖2提供電壓的相對概念。
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圖2:各種溫度感測器類型敏感度。

響應時間
響應時間指的是感測器回應溫度變化所花的時間量測值。許多因素都會讓響應時間增加或減少。舉例來說,較大型的RTD或熱敏電阻會比較小型的同類型感測器具有更慢的響應時間。為交換這項缺點與較差的熱分流效率,可以使用較不易受到自體發熱錯誤影響的較大型RTD或熱敏電阻。同理,未接地的熱電偶接點可提供較慢的響應時間來交換電子隔離。圖3顯示未接地與接地熱電偶響應時間上的相對差異。
穩定度
溫度感測器穩定度,代表其於特定溫度下維持一定輸出的能力。在維持特定感測器穩定度上,材質扮演著關鍵的角色。因此,我們通常採用白金材質來打造RTD來維持其穩定度,同時確保低反應能力。不過,黏貼白金所用的基板可能會因為長時間暴露在高溫下而變形,導致出現未預期的額外應變現象,進而出現量測電阻變化。

準確度
如同其他任何量測應用,要確保量測結果的可靠度,了解自身準確度需求是關鍵所在。為確保絕對量測準確度,選擇感測器與量測硬體必須相當慎重,因為任何枝微末節(像是配線、相對近似性、包覆性、接地等)都會影響準確度。選擇感測器時,請注意指定容許度與任何可能影響溫度感測規格的因素(例如,長時間暴露在高溫下)。此外,請選擇準確度相近的感測器與量測裝置。高容許度的RTD價格較高,但如果使用低品質的量測裝置,便可能無法達到更高的準確度。

耐用度
為確保溫度感測器在應用期間正常運作,您需要了解部署環境。某些感測器(例如熱電偶)因為結構緣故,本質上就比較耐用。不過,特定熱電偶所選用的金屬卻有不同的耐腐蝕特性。此外,使用隔離礦物質與金屬護套包覆的感測器,長時間使用較能抗磨耗與腐蝕,但成本較高且敏感度較低。此外,請注意不同種類的溫度感測器組態可能會為了確保穩固的物理與熱連接特性,而有特殊安裝需求。

成本
在任一專案中,成本都可能是關鍵的限制因素。不同種類的溫度感測器各有不同的運作原理,成本消耗也不一樣。例如,在高通道數應用中,RTD線性度的優勢可能會因為高出熱電偶的相對成本而遭到抵銷。考慮整體系統成本時,您必須同時納入配線、安裝與訊號處理上增加的成本。

訊號處理需求
無論溫度感測器以哪一種原理運作,都需要某種程度的訊號處理,以便取得足夠的量測訊號,並予以數位化以利處裡。由於量測硬體可能消除或凸顯每一種感測器類型的缺點,為確保獲得準確的量測值,選擇正確的量測硬體與感測器一樣重要。這些訊號處理功能包含下列:

  • 放大
  • 冷點補償(僅適用熱電偶)
  • 濾波
  • 激發(僅適用RTD與熱敏電阻)
  • 偏移錯誤調整
  • 溫度單位微調
  • 導線電阻修正
  • 通道對通道隔離
  • 熱電偶開路偵測(僅限熱電偶)
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(提供:NI國家儀器)

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