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热敏电阻、RTD、热电偶的原理和特性

2023-02-04 10:34
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热敏电阻


热敏电阻是一种传感器电阻,其电阻值随着温度的变化而改变。按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻(PTC thermistor,即 Positive Temperature Coefficient thermistor)和负温度系数热敏电阻(NTC thermistor,即 Negative Temperature Coefficient thermistor)。正温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而增大,负温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而减小,它们同属于半导体器件。


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热敏电阻的主要特点是:

1、灵敏度较高,其电阻温度系数要比金属大10~100倍以上,能检测出10-6℃的温度变化;

2 、工作温度范围宽,常温器件适用于-55℃~315℃,高温器件适用温度高于315℃(目前最高可达到2000℃),低温器件适用于-273℃~-55℃;

3、体积小,能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度;

4、使用方便,电阻值可在0.1~100kΩ间任意选择;

5、易加工成复杂的形状,可大批量生产;

6、稳定性好、过载能力强。


热敏电阻电阻转温度(Steinhart-Hart方程式),公式如下所示:


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参数解析:

  • T = 温度,单位开

  • a,b,c = Steinhart-Hart方程式常数

  • R=电阻,单位欧姆


热敏电阻温度转电阻(Steinhart-Hart方程式),公式如下所示:


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参数解析:

  • R = 电阻值,单位QT=温度,单位开

  • a, b,c = Steinhart-Hart方程式常数

  • x, y =温度到电阻换算方程式中用到的Steinhart-Hart因子




RTD特性


RTD(Resistance Temperature Detector),电阻温度检测器,是一种特殊的电阻,其阻值会随着温度的升高而变大,随着温度的降低而减小。工业上利用它的这一特性进行温度测量,因此RTD也被俗称为“热电阻”。


并不是所有的金属都适合做成RTD,符合这一特性的材料需要满足如下几个要求:

1、该金属的电阻值与温度变化能呈线性关系;

2、该金属对温度的变化比较敏感,即单位温度变化引起的阻值变化(温度系数)比较大;

3、该金属能够抵抗温度变化造成的疲劳,具有好的耐久性。


符合该要求的金属并不多,常见的RTD材料有:铂(Pt)、镍(Ni)和铜(Cu)。


以铂热电阻为例,根据其电阻值的不同,又可分为PT50、PT100、PT200、PT500和PT1000等。名称中的数值表示热电阻在0℃下的电阻值。比如:PT100,表示该传感器在0℃下的电阻值为100Ω;而PT1000,则表示该传感器在0℃下的电阻值为1000Ω。


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根据RTD热电阻的引出线的数量的不同,RTD可分为两线制、三线制和四线制。

两线制RTD的引线是直接在电阻的两端引出两条导线到测温模块上。测温模块采用电桥平衡的原理,RTD作为电桥的一个臂进行测量。两线制RTD的示意图如下所示:


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两线制RTD传感器没有考虑引出导线的电阻,误差较大,仅适用于精度要求不高的场合。


为了消除RTD引线对测量结果的影响,许多RTD采用三线制形式。三线制是在两线制的基础上,从电阻的—端引出第三条线,如下图所示:


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三线制RTD可以在很大程度上消除传感器引线本身对测量结果的影响,检测精度比两线制有很大的提高。


四线制RTD是在三线制的基础上又增加了一条线,即电阻的两端各有两条线,如下图所示:


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四线制RTD可以完全消除引线电阻的影响,精度非常高,一般用在实验室或者对精度要求很高的场合。


RTD的线性度优于热电偶,是目前最精确和最稳定的温度传感器。但由于电阻的变化需要时间,因此其响应速度较慢,同时其价格也相对较贵,适用于对精度有一定要求且成本控制不严的场合。


RTD温度与电阻换算,公式如下所示:


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参数解析:

  • Rrtd = 温度范围内(-200℃<850℃)的rtd电阻<>

  • R = 对于PT100为100W,对于PT1000为1000W

  • A0,B0,C0 = Callendar-Van Dusen 常数

  • T = 温度,单位摄氏度(℃)

  • RTD电阻与温度换算方程式(T>℃)


这个公式可以转换为以下形式,当T≥0℃时,公式如下所示:


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参数解析: 

  • Rrtd = 温度范围内(-200℃ < T < 850℃)的RTD电阻

  • R = 100W

  • A0,B0,C0 = Callendar-Van Dusen 常数

  • T = 温度,单位摄氏度(℃)


针对不同RTD标准的Callendar-Van Dusen系数如下表所示:


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举个例子,电阻值为120Ω的 ITS-90 PT100温度是多少?答案如下所示:


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当T<0℃时,公式如下所示:


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参数解析:  

  • T = 温度,单位摄氏度(℃)

  • Rrtd = 温度范围内(T<0℃)的rtd电阻<>

  • ai = T<0℃时,将rtd电阻换算为温度的多项式系数<>


针对5阶RTD电阻至温度换算的系数如下表所示:


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举个例子,电阻值为60Ω的 ITS-90 PT100温度是多少?答案如下所示:


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之前我做过一款上位机可实现PT100电阻温度转换,将该部分公式代码分享给各位,如下所示:



# PT100电阻转温度    def Res_To_Temp(self):        try:            pt100_rtd = float(self.lineEdit_pt100_temp1.text())
           if pt100_rtd != "":                # 0到850℃                if 100 < pt100_rtd <=>390.4811

:                    self.lineEdit_pt100_temp2.setText(format(((-self.A)+(math.sqrt(pow(self.A, 2) - ((4*self.B)*(1 - (pt100_rtd/self.R0))))))/(2*self.B), '.4f'))                # -200到0℃                elif 18.5201 <= pt100_rtd="">100

:                     self.lineEdit_pt100_temp2.setText(format((-242.02) + (2.2228 * pt100_rtd) + (0.0025859 * pow(pt100_rtd, 2))                     - (0.000004826 * pow(pt100_rtd, 3)) - (0.000000028183 * pow(pt100_rtd, 4))                     + (0.00000000015243 * pow(pt100_rtd, 5)), '.4f'))                # 0℃                elif pt100_rtd == 100:                    self.lineEdit_pt100_temp2.setText("0")                else:                    QMessageBox.critical(self, "阻值范围错误", "请输入正确阻值!")
       except:            QMessageBox.critical(self, "类型错误", "请输入正确数据类型!")



热电偶


热电偶(thermocouple)是把两种不同材料的金属的一端连接起来,利用热电效应来测量温度的传感器,热电效应是热电偶的物理基础(当给一段金属丝的两端施加不同的温度时,金属丝的两端会产生电动势,闭合回路后金属丝中会有电流流过。这种现象被称为热电效应,也称为塞贝克效应)。


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通过下图理解热电偶的工作原理,用两种不同颜色表示两种不同的金属材料,A、B端在常温环境中用于测温端口,称为冷端,在C端进行加热。由于热电效应,在 A端和C端以及B端和C端之间温度不同,所以会产生电势差。而因为两种金属材料的不同,会导致这两个电势差不一样,最终导致了A端和B端也有了电势差,通过测量这两个端的电势差,根据热电效应的线性关系就可以得出A(B)端 和C端的温差。再通过一个已知温度的校准值和两种金属的线性系数,就可以计算出任意输出电势差对应的温度值了。


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常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶中国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶。


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从理论上讲,任何两种不同导体(或半导体)都可以配制成热电偶,但是作为实用的测温元件,对它的要求是多方面的。为了保证工程技术中的可靠性,以及足够的测量精度,并不是所有材料都能组成热电偶,一般对热电偶的电极材料,基本要求如下所示:

1、在测温范围内,热电性质稳定,不随时间而变化,有足够的物理化学稳定性,不易氧化或腐蚀;

2、电阻温度系数小,导电率高,比热小;

3、测温中产生热电势要大,并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系;

4、材料复制性好,机械强度高,制造工艺简单,价格便宜。


本篇博文主要给各位分享J型热电偶和K型热电偶阻值温度换算公式。


将温度转换为电压的J型热电偶(ITS-90标准),公式如下所示:


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参数解析:  

  • Vt = 热电电压

  • T = 温度,单位摄氏度

  • Ci = 转换系数


J型热电偶温度到电压转换系数,如下表所示:


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将电压转换为温度的J型热电偶(ITS-90标准),公式如下所示:


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参数解析:  

  • Vt = 热电电压

  • T = 温度,单位摄氏度

  • Ci = 转换系数


J型热电偶电压到温度转换系数,如下表所示:


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将温度转换为电压的K型热电偶(ITS-90标准),公式如下所示:


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参数解析:

  • Vt = 热电电压

  • T = 温度,单位摄氏度

  • C = 转换系数

  • a0,a1 = 转换系数


K型热电偶温度到电压转换系数,如下表所示:


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将电压转换为温度的K型热电偶(ITS-90标准),公式如下所示:


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K型热电偶电压到温度转换系数,如下表所示:


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4


热敏电阻、RTD、热电偶的区别


总结热敏电阻、RTD、热电偶的区别可参见下表所示:

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