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熱敏電阻溫度傳感器、熱電偶和 RTD 溫度傳感器的基礎知識
溫度的概念
從物理學的角度來看，熱量是由于其分子或原子的不規(guī)則運動而包含在體內的能量的量度。正如網(wǎng)球隨著速度的增加而擁有更多的能量一樣，物體或氣體的內能隨著溫度的升高而增加。溫度是一個變量，它與質量和比熱等其他參數(shù)一起描述了物體的能量含量。
溫度的基本量度是開爾文度數(shù)。在 0°K(elvin) 時，每個物體的分子都處于靜止狀態(tài)，不再具有任何熱能。因此，不可能出現(xiàn)負溫度，因為不可能存在較低能量的狀態(tài)。
在日常使用中，通常使用攝氏刻度（以前稱為攝氏）。它的零被放置在水的凝固點，因為這個點在實踐中很容易重現(xiàn)?，F(xiàn)在 0°C 絕不是每個人都從經驗中知道的最低溫度。通過將攝氏度擴展到所有分子運動停止的最低可能溫度，我們達到 -273.15 度的溫度。
人類有能力通過他的感官在有限的范圍內測量溫度。但是，他無法準確再現(xiàn)定量測量結果。最早的定量溫度測量形式是在 17 世紀初在佛羅倫薩發(fā)展起來的，它依賴于酒精的膨脹?？s放基于夏季和冬季的最高溫度。一百年后，瑞典天文學家攝氏將其替換為基于水的熔點和沸點的刻度。這為溫度計提供了隨時縮放比例并在以后重現(xiàn)讀數(shù)的機會。
溫度測量
溫度測量在許多應用中都很重要，例如建筑控制、食品加工以及鋼鐵和石化產品的制造。這些非常不同的應用需要不同物理結構和通常不同技術的溫度傳感器。
在工業(yè)和商業(yè)應用中，測量點通常遠離指示或控制點。通常需要在控制器、記錄器或計算機中進一步處理測量。此類應用不適合直接指示溫度計，因為我們從日常使用中了解它們，但需要將溫度轉換為另一種形式（電信號）的設備。為了提供這種遠程電信號，通常采用 RTD溫度傳感器。熱敏電阻和熱電偶。
RTD采用金屬電阻隨溫度變化的特性。它們是電阻隨溫度增加的正溫度系數(shù) (PTC) 傳感器。使用的主要金屬是鉑和鎳。使用最廣泛的傳感器是 100 歐姆或 1000 歐姆 RTD溫度傳感器 或鉑電阻溫度計。
RTD溫度傳感器 是工業(yè)應用中最精確的傳感器，還提供最佳的長期穩(wěn)定性。鉑電阻精度的代表值為測量溫度的 +0.5%。一年后可能會隨著老化而變化 +0.05°C。鉑電阻溫度計可覆蓋 -200 至 800°C 的溫度范圍。
電阻隨溫度的變化
金屬的導電性取決于傳導電子的遷移率。如果將電壓施加到金屬線的末端，電子就會移動到正極。晶格中的缺陷會干擾這種運動。它們包括外來或缺失的晶格原子、晶界和晶格間位置的原子。由于這些故障位置與溫度無關，它們會產生恒定的電阻。隨著溫度升高，金屬晶格的原子圍繞它們的靜止位置表現(xiàn)出越來越多的振蕩，從而阻礙了傳導電子的運動。由于這種振蕩隨溫度線性增加，因此由它引起的電阻增加直接取決于溫度的第一近似值。
在工業(yè)測量中，電阻材料鉑已被普遍接受。其優(yōu)點包括化學穩(wěn)定性、制造相對容易（尤其是對于電線制造而言）、以高純度形式獲得的可能性以及可重現(xiàn)的電特性。這些特性使鉑電阻傳感器成為最通用的可互換溫度傳感器。
熱敏電阻由某些金屬氧化物制成，其電阻隨溫度升高而降低。由于電阻特性隨溫度升高而下降，因此它們被稱為負溫度系數(shù) (NTC) 溫度傳感器。
由于基本過程的性質，導電電子的數(shù)量隨溫度呈指數(shù)增加；因此，該特征呈現(xiàn)出強烈的上升形式。這種明顯的非線性是 NTC 溫度傳感器電阻器的一個缺點，并將其可用溫度范圍限制在 100°C 左右。它們當然可以由自動化計算機線性化。但是，精度和線性度通常無法滿足較大測量跨度的要求。它們在交替溫度下的漂移也大于 RTD溫度傳感器。它們的使用領域僅限于溫度不超過 200°C 的監(jiān)測和指示應用。在這種簡單的應用中，鑒于其低成本和所需的相對簡??單的電子電路，它們實際上比更昂貴的熱電偶和 RTD溫度傳感器 更可取。
熱電偶基于兩種不同金屬之間的結產生隨溫度升高的電壓的效應。與電阻溫度計相比，它們的明顯優(yōu)勢是溫度上限更高，最高可達幾千攝氏度。它們的長期穩(wěn)定性稍差（一年后幾度），測量精度稍差（平均+0.75% 的測量范圍）。它們經常用于烤箱、熔爐、煙氣測量和其他溫度高于約 250°C 的區(qū)域。
熱電效應
當兩種金屬連接在一起時，由于電子與金屬離子的結合能不同，會產生熱電電壓。該電壓取決于金屬本身，此外還取決于溫度。為了使該熱電壓產生電流，兩種金屬當然也必須在另一端連接在一起，從而形成閉合電路。以這種方式，在第二個結點處產生熱電壓。熱電效應由塞貝克于 1822 年發(fā)現(xiàn)，早在 1828 年貝克勒爾就建議使用鉑鈀熱電偶進行溫度測量。
如果兩個結點的溫度相同，則沒有電流流動，因為在兩個點產生的分壓會相互抵消。隨著結點處的溫度不同，產生的電壓也不同，并且有電流流動。因此，熱電偶只能測量溫差。
測量點是暴露于測量溫度的結點。參考結是已知溫度下的結。由于已知溫度通常低于測量溫度，因此參考端通常稱為冷端。為了計算測量點的實際溫度，必須知道冷端溫度。
較舊的儀器使用恒溫控制接線盒將冷端溫度控制在已知值，例如 50C?，F(xiàn)代儀器在冷端使用薄膜 維連RTD 溫度傳感器來確定其溫度并計算測量點溫度。
熱電效應產生的電壓非常小，每攝氏度只有幾微伏。因此，熱電偶通常不在 -30 至 +50°C 的范圍內使用，因為此處與參考結溫的差異太小而無法產生無干擾信號。
熱電阻接線
在電阻溫度計中，電阻隨溫度變化。為了評估輸出信號，恒定電流通過它并測量其兩端的電壓降。對于這個電壓降遵循歐姆定律，V=IR。
應選擇盡可能小的測量電流，以避免傳感器發(fā)熱?？梢哉J為 1 mA 的測量電流不會引入任何明顯的誤差。該電流在 0°C 下在 Pt 100 中產生 0.1 V 的電壓降。該信號電壓現(xiàn)在必須通過連接電纜傳輸?shù)街甘净蛟u估點，并且改動最少。有四種不同類型的連接電路：
2線電路
溫度計和評估電子設備之間的連接是通過 2 芯電纜進行的。與任何其他電導體一樣，該電纜具有與電阻溫度計串聯(lián)的電阻。因此，兩個電阻加在一起，這被電子設備解釋為溫度升高。對于更長的距離，線路電阻可能達到幾歐姆，并在測量值中產生明顯的變化。
3線電路
為了將線路電阻及其隨溫度波動的影響降至最低，通常采用三線電路。它包括將額外的電線連接到 RTD 的一個觸點。這導致了兩個測量電路，其中一個用作參考。3 線電路可以補償線路電阻的數(shù)量和溫度變化。然而，要求所有三個導體都具有相同的特性并暴露在相同的溫度下。這通常適用于足夠的程度，因此 3 線電路是當今最廣泛使用的方法。不需要線路平衡。
4線電路
電阻溫度計的最佳連接形式是 4 線電路。測量既不取決于線路電阻，也不取決于它們因溫度引起的變化。不需要線路平衡。通過電源連接為溫度計提供測量電流。測量電阻兩端的電壓降由測量線拾取。如果電子設備的輸入電阻比線路電阻大很多倍，則可以忽略后者。以這種方式確定的電壓降與連接線的特性無關。這種技術通常只用于要求精度為百分之一的科學儀器。
2 線制變送器
通過采用2線發(fā)送器，可以在不使用多芯電纜的情況下避免上述2線電路的問題。變送器將傳感器信號轉換為 4 – 20 mA 的標準化電流信號，該信號與溫度成正比。變送器的電源也通過相同的兩個連接運行，使用 4 mA 的基極電流。2 線制變送器提供了額外的優(yōu)勢，即信號的放大大大降低了外部干擾的影響。有兩種布置發(fā)射器的方式。由于未放大信號的距離應盡可能短，因此放大器可以直接安裝在溫度計的接線端內。由于結構原因或考慮到在發(fā)生故障時發(fā)射機可能難以到達，這種最佳解決方案有時是不可能的。在這種情況下，導軌安裝式變送器安裝在控制柜內。改善接入的優(yōu)勢是以犧牲未放大信號必須傳輸?shù)母L距離為代價的。
熱敏電阻接線
熱敏電阻的電阻通常比任何引線電阻大幾個數(shù)量級。因此，引線電阻對溫度讀數(shù)的影響可以忽略不計，熱敏電阻幾乎總是以 2 線配置連接。
熱電偶接線
與 RTD 和熱敏電阻不同，熱電偶有正極和負極，因此必須注意極性。它們可以直接連接到本地 2 線制變送器，銅導線可以返回到接收儀器。如果接收儀器能夠直接接受熱電偶輸入，您必須使用相同的熱電偶線或熱電偶延長線一直返回到接收儀器。
為樓宇自動化選擇合適的傳感器
1. 鉑 RTD 是長期以來最準確和最穩(wěn)定的傳感器。它們的交易成本通常比熱敏電阻每點高約 5 加元。一些自動化面板不直接接受 RTD，對于這些面板，它們必須與溫度變送器一起使用
2. 熱敏電阻不像 RTD 那樣精確或穩(wěn)定，但它們更容易接線，成本稍低，幾乎所有的自動化面板都直接接受它們。請注意，熱敏電阻有許多不同的基極電阻和許多不同的曲線。您必須為要使用的面板指定正確的熱敏電阻。
3. 熱電偶在工業(yè)應用中被廣泛使用，因為它們在非常高的溫度下可靠地工作并且比 RTD 便宜。在樓宇自動化中很少需要它們，因為大多數(shù)測量的溫度低于 100 攝氏度。然而，它們經常與 2 線制變送器一起用于煙氣測量。
4. 某些工作的顧問指定鉑 RTD，因為它們提高了準確性和長期穩(wěn)定性。
