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作者:王崇飛 (1999-09-15);修改:王崇飛 (2000-05-05);核可:徐業良 (2000-05-08)
附註:本文為元智大學機械系大四自動化機械設計實務課程教材。

溫度感測元件簡介

在精密機械設計的概念上,相當注重系統整體的精確性與穩定性,因此對於系統操作環境的要求也相對提高,這些考慮的因素依照系統設計的不同而有不同的考慮,其中溫度類型的因素最常引起系統的誤差,因此在一般的設計上都會將溫度資料設為其中一項參數,以補正的方式將誤差消弭,使系統更趨於穩定。

除了機密機械需要運用到溫度資料,其實在人類日常生活中也常常運用到,例如空調系統、冰箱、消防器材等,這些商品化的產品除了可以利用電腦系統擷取溫度資料外(其實只有在實驗室的應用中使用),絕大部份是利用溫度開關或是簡單的溫度控制器(PID controller)達到控制的目的,因此在以下的介紹中將一一介紹溫度開關、溫度感測器、資料擷取傳輸系統、以及PID控制器的原理與運用。

一、溫度感測元件之原理與應用

 自動調溫器(thermostat)

自動調溫器如圖1所示,主要工作原理是利用雙金屬複合簧片受熱而產生變形量不一,造成簧片整體朝膨脹量較少的一端彎曲變形,達到定溫跳脫的功用,與一般工業配電常使用之積熱電驛(thermal relay,或稱over load relay)是同樣的原理;但是自動調溫器為模組化元件,跳脫溫度於製程中已決定,無法如積熱電驛可以利用調整簧片預力的方式,達到於線上及時調整跳脫溫度的功能。

 

 

                                 ON                                  OFF

1 自動調溫器工作原理

自動調溫器最常運用於家電用品之過熱保護裝置,例如吹風機、電鍋、以及一些需要超載使用的電器,例如冰箱壓縮機的馬達。為保護防止長時間超載運轉而使得馬達過熱燒毀,會在馬達線圈中埋設自動調溫器,當馬達線圈溫度過高時,自動調溫器做動切斷電源達到保護的功能。

Thermistor

Thermistor主要工作原理是利用物質受熱產生電阻變化,進而造成物質兩端電壓改變(如圖2所示)。一般使用正溫度係數(positive temperature coefficient, PTC)的溫度感測器,亦即當溫度上昇電阻隨之上昇(非線性),如圖2右側所示之特性曲線,可以發現thermistor之電阻值RPTC變化與溫度PTC之關係,其中NET代表thermistor之額定反應溫度,一般NET誤差範圍在絕對溫表5K之間,同時在低於零下20ºC時也保證RPTC大於250。此外還有負溫度係數(negative temperature coefficient, NTC)之溫度感測器可供不同需求應用。

2 Thermistor工作原理與特性曲線

溫度感測元件的種類也相當多,最簡單的元件就是熱敏電阻,另外在工業實務應用上還有白金電阻溫度計(PTRTD),鉻鋁合金熱電偶(CAK),鐵、銅、鎳合金熱電偶(ICJ),白金熱電偶(PRR),以及熱阻器(TH);這些元件的原理都是利用溫度的變化改變材料的電阻,再以電壓方式輸出,其中熱敏電阻、電阻溫度計、以及熱阻器都是直接將溫度的變化轉換成電阻的變化,而熱電偶型式的元件則是利用兩組不同材質的電阻溫度計,以差動的方式求取兩組電阻溫度計間的電壓差。

 熱電偶(thermal couple)

熱電偶溫度感測元件由於是以差動電壓表示溫度,因此在兩組資料進行差動運算時,已將外部雜訊干擾消除,因此穩定性比一般熱敏電阻、電阻溫度計、以及熱阻器來的好,也因此廣為工業界使用。

熱電偶的基本原理係由兩種不同金屬線焊接或絞合在一起,以構成一環路(如圖3),不同金屬在環路上造成兩個接合點,其中一個接點稱為量測接點或熱接點,另一接點稱為參考接點或冷接點,此兩接點置於不同溫度中會因溫度差而造成環路電壓(稱作由Seeback效應),電壓值與兩接點的溫度差成正比,同時滿足以下關係式:

                                                                                      (1)

其中Q為金屬的熱傳導係數。

3 電偶基本原理

在實際上,金屬的熱傳導係數QAQB與溫度幾乎無關,因此式(1)可以簡化成如式(2)的趨近線性的關係式,這也是一般較常使用的關係式。

                                                (2)  

熱電偶溫度計通常又可分成包覆熱電偶與裸露熱電偶兩種,所謂包覆熱電偶是指熱電偶外部有包覆一層金屬護套,從外觀上看似電湯匙,兩者的差異在於使用場合的不同,包覆型一般用在量測流體溫度,裸露型則多用在量測氣體溫度。此外不同種類的熱電偶,所能感測的溫度範圍、及輸出訊號也不同,同時熱電偶溫度感測器的最高使用溫度也隨不同材質與元件線徑而變,歸納如表1所示。

1 熱電偶溫度感測器使用限度

檢出器材質代號

元件線徑(mm)

正常使用限度()

超熱使用限度()

白金熱電偶(PRR)

0.5

1400

1600

 

0.65

650

850

 

1.0

750

950

鉻鋁合金熱電偶(CAK)

1.6

850

1050

 

2.3

900

1100

 

3.2

1000

1200

 

0.65

400

500

 

1.0

450

550

鐵、銅、鎳合金熱電偶(ICJ)

1.6

500

650

 

2.3

550

750

 

3.2

600

800

電阻溫度計(resistance temperature detectors, RTD)

如同之前所述,電阻溫度計的工作原理是利用物質受熱而產生的電阻變化量,因此利用電橋電路將訊號放大輸出,是一般電阻溫度計最明顯的特徵。電阻溫度計有分成兩線式與三線式,如圖4所示為兩線式電阻溫度計,其中L1L2為溫度計導線之阻值,在兩線式電阻溫度計中直接將導線阻值加入至RTD(RT)之阻值變化中,因此R1R2R3的安排需視實際接線狀況做調整。

 

 

 

 

4 兩線式電阻溫度計

如圖5之三線式電阻溫度計,當電橋平衡時代表著 ,亦即沒有電流流過L3,此時若環境溫度改變使得RT改變,造成電橋不平衡,因此可以在 端量得電壓值。使用三線式電阻溫度計的好處,在於倘若導線材質均勻且長度相等則L1=L2,因此可以消除因導線阻值變化所造成的誤差。

5 三線式電阻溫度計

電阻溫度計(RTD)的優點在於精確性較一般熱電偶佳,就整體而言電阻溫度計的精確度可以達到0.01K,同時配合上印刷電路板、光罩等晶圓產品的製程,可以在相當大批量的生產下仍然保持一定水準的良率。

不論是哪一種溫度感測器,在架設安裝時都應注意安裝的位置是否適當,針對不同種類的溫度感測器於安裝時需注意下列幾點:

        1.熱阻器溫度感測元件使用於高溼度環境中時,絕對不可採用接合器將元件與     導線連結,以防止漏電。

        2.白金溫度感測元件由於元件端部有60mm長度之白金,因此若因量測需要彎曲感測器,應離端點70mm以上。

        3.包覆型熱電偶溫度元件由於係取護管全長溫度之平均值,因此插入深度需達護管直徑之10倍至20倍。

        4.裸露型熱電偶溫度元件安裝時應裝在導線與塑膠護套接合處,同時亦需注意溫度是否會造成塑膠護套熔化。

        5.量測液體溫度時,溫度感測元件需與流體流向相反,才能獲得正確之量測數據,因此安裝時需考慮是否穩固,不受液體之擾動而晃動。

        6.導線均應該盡量遠離電源及負載線路,同時導線不得纏繞糾結,以防止溫度感測元件受到雜訊之干擾。

        7.電阻溫度計在連接時應特別注意電器迴路的阻值,同時也需注意環境溫度的變化,以防止造成誤差。

二、溫度資料蒐集元件與控制    

A/D轉換器及RS-232介面

在「工地用安全帽散熱性能測試」設計案例中,檢測安全帽內各點溫度就是利用目前工業控制中在溫度控制上最常用的裸露型熱電偶元件,將溫度的變化以電壓訊號輸出,並利用一套裝之溫度資料蒐集器便可以將類比電壓資料轉換成電腦能夠讀取的數位訊號。

在這個案例中,用以採擷熱電偶電壓變化的溫度資料蒐集器,是直接購自市售產品,此蒐集器內含解析度12 BitA/D轉換器,並具有八個熱電偶頻道及一個RS-232介面,直接透過RS-232介面與電腦連接使用,能將所搜集的資料以條狀圖、時間∕溫度、及圖形分析顯示在電腦螢幕上,並且能將所搜集之資料數據儲存在硬碟或磁片中,此功能對於測試結果的分析具有很大的幫助。在此不再針對A/D轉換界面多做敘述,僅針對通訊埠介紹如下。

利用並列通訊埠(parallel port)、序列通訊埠(serial port)傳輸資料是電腦周邊裝置最常用的方式,例如印表機多利用並列通訊埠傳輸資料,因此並列通訊埠常被稱為列印埠(printer port, LPT);而滑鼠、數據機等裝置則是利用序列埠傳輸,也就是我們常稱的通訊埠(communication port, COM)

並列通訊埠與序列通訊埠的差異就如同字面的意思,一個是平行的收發訊息,而另一個則是一個接一個的收發訊息,如圖6所示要收發一個八位元的訊號,並列通訊埠需要八條資料線再加上一條收發開關資料線、一條地線、以及一條時基線,共計十一條線便能完成收發工作,另一方面序列通訊埠由於資料是一個接一個收發所以只要一條收訊、一條發訊、以及一條地線,共三條線便能完成收發工作。

6 並列通訊與序列通訊之差異

並列通訊埠與序列通訊埠在應用上各有其優缺點,並列通訊埠在傳輸速度佔了相當的優勢,但卻需要多條資料才能完成,因此實用性受到限制,而序列通訊埠雖然傳輸速度較慢,但卻由於相容性較優越因此廣為各電腦周邊裝置所利用。

在通訊傳輸速率表示方面一般是以鮑率(baud rate)表示每秒內離散訊號的個數。鮑率的命名源自於法國通訊工程師Baudot,一般終端機到電腦之間多設為9600 bps,值得一提的是鮑率指的是通訊線上電子脈衝的傳輸頻率,而bps (Bit per second)則指的是資料每秒傳輸位元數,若每一個電子脈衝分別對應到一個位元,則鮑率與bps就相等了。

至於RS-232則是由美國電子工業學會所制定的通訊規格,在規格中包含了交握(hand shake)訊號、電氣及物理等規格,由於RS-232最少只要三條線(BA, BB, AB)就能完成資料得傳輸,同時傳輸的距離可以達到15M,最大傳輸速度為20kbps,因此為一般電腦周邊裝置常用的通訊界面。表2所示為RS-232各個接腳之意義。

2 RS-232接腳編號及功能

接 腳

電 路

   

接 腳

電 路

   

1

AA

保護接地

14

SBA

副發送資料

2

BA

發送資料

15

DB

DCE發送信號時序

3

BB

接收資料

16

SBB

副接收資料

4

CA

要求發送

17

DD

接受信號時序

5

CB

清除發送

18

-

未指配

6

CC

調復機備妥

19

SCA

副要求發送

7

AB

信號接地

20

CD

數據終端機備妥

8

CF

資料載波檢出

21

CG

信號性能檢出

9/10

-

保留調復機測試

22

CE

鈴音指示

11

-

未指配

23

CH,CI

資料傳送速度選擇

12

SCF

副資料載波檢出

24

DA

DTE發送信號時序

13

SCB

副清除發送

25

-

未指配

PID控制器

PID控制器主要藉由比例帶(proportional)、積分時間(integral)、以及微分時間(derivative)控制系統達到設定值。典型的PID控制器會有兩組輸出接點、一組輸入接點,以溫度控制系統為例,輸入接點多半接上一熱電偶用以感測系統溫度變化,而兩組輸出接點一組用來接電熱器為系統升溫,而另一組輸出接點則是接可令系統降溫的裝置,如風扇、攪拌器等。

3為一般PID控制器所具備的參數設定功能與相關建議設定值,一般比例帶的設定與振幅有關,而積分時間則與震盪週期相關,至於微分時間與瞬間變化量有關,只用在極小幅震盪的情況下做系統的修正。以溫度控制系統而言由於系統的溫度變化反應較慢,因此微分時間的設定一般設為零,利用比例帶、積分時間就能將系統控制在相當穩定的狀態。

3 參數功能及建議設定值

功能說明

顯示代號

建議設定值

可設定範圍

濾波時間

Filt

2.0

0~100 sec, 0 = OFF

溫度補正

OFFS

0

PV offset = PV actual + OFFS

比例帶

Pb

10.0%

0.0~999.9%

積分時間

rSEt

5mins.0sec

1sec~99mins.59secs

微分時間

rALE

0sec

0sec~99mins.59secs

最小作動時間

ton

1sec

0.0sec~30secs

溫度上限

SPhi

50

依溫度計種類而定

溫度下限

SPLO

-50

依溫度計種類而定

PID自動演算

APt

0

0 = 人工鎖定,1 = 自動演算

手動操作鎖定

rPEn

0

0 = 手動鍵鎖定,1 = 可手動調整

密碼鎖設定

Loc

10

0~9999

PID參數調整方式可以先觀察系統震盪之模式是屬於逐漸衰減收斂(圖7左),或是持續震盪(圖7右),並記錄震盪之週期時間,參考圖8之流程圖進行校調。一般微分時間D值均設定為0,因此無須調整。

衰減                           持續震盪

7 震盪模式

如圖8所示之流程圖,由於溫度系統之反應遲緩,因此於調整PI參數時請於系統開使運轉至少10分鐘後再進行調整,此外每重新設定一組參數也請等後至少5分鐘,觀察系統震盪是否收斂、衰減。

8 PI參數調整流程圖

資料分析

在「工地用安全帽散熱性能測試」設計案例中是以測試點的平均溫度、冷卻速率的分析與等溫線圖分布的情形三項指標作為散熱性能的參考。冷卻速率的分析有助於了解當安全帽受陽光照射升溫,較快的冷卻速率可使帽子在短時間內使溫度降低至平衡溫度,讓佩戴者更覺得舒適;而透過等溫線圖可以知道帽殼內部溫度分布的情形,提供設計修改的依據。這三項指標的定義與量測方式敘述如下:

平均溫度

直接將由熱電偶所測得的安全帽內各點溫度加總起來,除以熱電偶的數量得之。

冷卻速率分析

為求得冷卻速率曲線,是把待測的安全帽置於測試環境中,在無風的狀態下,開起鹵素燈與電熱絲熱源,將帽殼加熱至平衡溫度(steady state)後,以2.5 m/s 的風速使其降溫,並持續維持原熱源,利用電腦記錄整個過程數據資料。而所讀取的溫度資料檔案,藉由自行撰寫的Turbo C 程式將數據整理排列,再送入Excel軟體繪出圖形。受測的帽子除了本計畫所設計的安全帽外,另外再挑選兩頂市售安全帽作為測試比較,如圖9所示。

9 冷卻速率比較圖

等溫線圖分析

等溫線圖的作法是將熱電偶的水平與垂直位置定為x-y座標,各點溫度值為z座標,以MATLAB軟體繪出溫度分布的等溫線圖,藉以分析安全帽內部受熱的情形。以下列出繪製等溫線圖的程式指令,圖10是此程式以MATLAB所繪出的等溫線圖。

x=-7.5:5:7.5;

y=-7.5:5:7.5;                           測試點分布範圍與間距

z=[34.5 32.4 32.4 35.0

  34.8 34.7 34.1 35.0

  33.4 33.9 34.2 33.7

  32.8 34.1 34.3 33.1];                     測試點溫度

[x_grid,y_grid,z_grid]=griddata(x,y,z,[-7.5:0.4:7.5],[-7.5:0.4:7.5]');  等溫曲線平滑度

clabel(contour(x_grid,y_grid,z_grid,[32:0.5:35]));              等溫曲線間隔

title('type0-1')                            圖形標題名稱

10 等溫線圖例

三、實驗設計

溫度感測元件普遍應用於熱流研究方面,然而運用在量測流場溫度時,溫度之變化隨著流場的改變而成動態分布,因此還需搭配上溫度資料蒐集元件,將一連串的資料記錄下來,此外還需考量感測元件的設置是否會造成流場的改變,影響實驗的準確性。

實驗目的與設計需求

本實驗設計的目的在於幫助同學更加瞭解各類溫度感測器的原理與特性,同時學習如何使用各類溫度感測器,由實驗中思考如何校正、調整此類感測器,更重要的是學習到如何設計一套精密的實驗系統。

請以工具機、汽車煞車系統等為實驗的對象,量測其溫度之變化,請先蒐集該實驗對象、溫度感測器之相關資料,以及液壓油、潤滑油之規格資料,擬定一份實驗操作步驟,同時注意感測元件的設置是否會造成流場的改變?如何評估其誤差?更重要的是應注意如何防止油脂的洩漏,以及溫度感測器於油脂中之性能是否有影響,如何評估?

設計的原型(prototype)可以利用燒杯、金屬器皿等材料建構工具機的齒輪箱主體或煞車系統液壓油容器。本實驗的重點在於如何應用各類溫度感測器,因此在著手設計工作前,請先蒐集各類溫度感測器的型錄與技術規格資料,並選擇適合的感測元件。