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作者:黃宗正(2001-03-07);推薦:徐業良(2001-03-08)
附註:本文為最佳化設計實驗室之感測器使用說明文件,內容包含感測器之原理介紹、裝置諸元與使用方法。

HEL系列溫度感測器使用說明

1. 溫度表示與量測方式

溫度的表示方法有許多種,較常見者為攝氏溫標、華氏溫標、及絕對溫標。攝氏溫標單位為℃,冰點為0,沸點為100,此種表示法為目前最常被使用的,且亦為公制之溫度單位;華氏溫標亦常見於溫度計標示,其單位為℉,冰點為32,沸點為212,兩者間相差180;國際單位系統(International System of Units, SI)之溫度單位為凱氏溫標(Kelvin, K),屬於熱力學之溫度單位,故並沒有度的單位,在凱氏溫標裡,冰點為273.15K,沸點為373.15K,兩點之差與攝氏單位類似為100.00K,因此1K等於1。凱氏溫標之0K稱為絕對零度,該點若換算為攝氏溫度為-273.15。以下將各溫標間之數學轉換關係簡單列出,而以下內容均以攝氏溫標作為單位:

        ℃=(℉-32)×5 / 9                                                                         (1)

        ℉=9 / 5 ×℃+32                                                                         (2)

        K=℃+273.15                                                                                      (3)

能夠用來感測溫度變化之元件有許多,所利用原理不外是藉電阻變化、電動勢產生,或顏色、體積之改變等方式間接表現出溫度變化。而在感測方式上可大致區分為感測器與被測物直接接觸之接觸式,與不和被測物接觸、利用輻射熱間接推測溫度的非接觸式二種,其特性比較整理如表1

1. 接觸式與非接觸式溫度感測器之比較

 

接觸式

非接觸式

測量條件

1. 直接接觸受測物

2. 受測物溫度不會因與感測器接觸而損失

3. 感測器溫感特性不會受直接接觸影響

1.    需能感測受測物之熱輻射

2.    受測物發散之熱輻射需明確並具再現性

工作特徵

1. 熱容量小待測物易因直接接觸造成熱能損失

2. 不易測量運動中的物體

3. 感測位置不受限制

1.    不會影響受測物體溫度

2.    可量測運動中物體

3.    通常僅能對物體表面測量

溫度範圍

一般而言較不適用於過高溫情況

適用於高溫

感測遲延

需等待感測器與受測物間溫度平衡方能得到正確溫度,故延遲較大

僅需量測受測物之熱輻射,故延遲較小

常用於溫度感測之元件種類繁多,應用原理亦不盡相同,較常見者包括熱敏電阻、電阻式溫度感測器、熱電偶與感溫IC等,以下分別針對各類型溫度感測器進行簡介。

2. 常用溫度感測器簡介

2.1 熱敏電阻

「熱敏電阻(thermally sensitive resistance)」為對溫度十分敏感之電阻體,亦可稱作「熱阻體(thermistor)」,此種元件在溫度改變時內部電阻值會產生大幅變化。比較電阻值變化與溫度之關係,熱敏電阻又可概分為三類:

(1)   負溫度係數(Negative Temperature Coefficient, NTC)熱敏電阻,其電阻值隨溫度上升而下降,一般熱敏電阻多為此類,其代表性材料為絕緣體與半導體。

(2)   正溫度係數(Positive Temperature Coefficient, PTC)熱敏電阻,其電阻值隨溫度增加而上升,多為金屬物質。有部分PTC熱敏電阻於到達某一特定溫度前,電阻值受溫度影響不大,此特定溫度被稱為「轉移溫度(transition temperature)」或居禮溫度,超過此一溫度後電阻值會突然增大。此特性一般僅存在於陶瓷材料,亦可利用此一效應將PTC熱敏電阻作為觸發電熱器使用。

(3)   臨界溫度電阻體(Critical Temperature resistor, CTR),是具有開關特性之熱敏電阻,於特定溫度範圍內電阻值不會有明顯改變,而當溫度低於某一臨界溫度後電阻值會出現劇烈變化,且具有負溫度特性,通常此類熱敏電阻較少被使用。

選用熱敏電阻時需注意二個主要特性,一為電阻與溫度(R~T)間之關係,亦即於特定溫度下對應之電阻值大小,此特性主要受材料所影響,可藉以求得熱阻體常數與溫度係數;另一為電壓對電流之關係,此特性主要由熱敏電阻外型、大小與包裝方式所控制,可藉此關係求得時間常數。

2.2 熱電偶

熱電偶可感溫之範圍很廣,適合中高溫測量且價格低廉,相當適合工業使用。其背景原理為「席貝克效應(Seebeck effect)」,又稱作熱電效應,其現象是當二種不同性質金屬端點連接形成一閉迴路時(如下圖1所示),若兩端點間有溫度差,則迴路間會有電流產生,迴路裡溫度較高之接點稱為「熱接點(hot junction)」,此點通常被置於測溫處;溫度較低端稱為冷接點,即熱電偶之輸出端,其輸出訊號為一直流電壓。

1. 熱電偶基本構造圖

此熱電效應主要是因不同種類金屬擁有自由電子數不同,當兩金屬連接形成迴路,溫度改變會造成接觸面之自由電子運動而使金屬間產生電位差。此電位差由接觸面積、溫度差、與金屬種類來決定,當兩端溫度相同時,端點所產生之熱電動勢相同,故迴路中不會有電流;若兩端間存在溫度差,導致熱電動勢大小不同而產生一電流由高電動勢往低電動勢流動。

2.3 感溫IC

半導體材料之導電性易受到溫度影響,故以半導體材料構成之積體電路(Integrated circuit, IC)之導電性亦受到溫度影響,於是便有感溫IC出現。感溫IC使用上十分方便,且能獲得極佳的線性電流輸出,非常適合於低溫範圍內測量,因此被大量運用於民生用途之機器設備中。

半導體元件最基本之構造為pn接面,由基本電子學關係得知,當一順向偏壓加入pn接面的兩端時,會有一電流ID通過此接面,此電流之大小可表示為:

                                                                                            (4)

其中Is稱為逆向飽和電流,可將上式稍作變化得:

                                                                         (5)

即可得到pn接面順向偏壓與溫度T之關係,由此關係可知若IDIS為定值時,VT間為線性關係,故可利用電壓變化來測量溫度。

理論上pn接面構成之二極體均可作為感溫元件,但實際上pn接面中除有順向偏壓外,逆向飽和電流IS亦會隨溫度改變,因此單純以pn接面作為感測元件者很少,而多以電晶體型態來使用,而以感溫電晶體配合放大電路並被製作為IC型態之電路便稱為感溫IC。感溫IC具有以下幾個工作特性:

(1)   輸出的電流小

(2)   線性度良好

(3)   使用電源範圍廣

(4)   體積小

一般感溫IC同時具有電流與電壓輸出,使用者可依本身需求加以選擇。

2.4 電阻式溫度感測器

電阻式溫度感測器(Resistance Temperature Detector, RTD)為一具有正溫度特性之電阻體,可用以製造RTD之金屬很多,其中以白金、銅、鎳等材質最普遍。RTD元件之感測方式主要有浸入探針(immersion probe)型及表面溫度感測(surface probe)型兩種型態,以下所介紹Honeywell公司生產之HEL-776-A-T-1電阻式溫度感測器即屬於探針型電阻式溫感器。

3. HEL-776-A-T-1電阻式溫度感測器

3.1 工作原理與性能規格

HEL-776-A-T-1型電阻式溫度感測器外型可因應測量需求而被製作為探針型式(如圖2),或製作於印刷電路板上後封裝(如圖3)。

2. HEL-776-A-T-1探針型與溫度控制器

3. HEL-776-A-T-1感測元件圖

此類溫度感測器利用感測元件內部電阻值隨溫度變化改變之特性進行感測,與多數溫度感測元件類似,是將溫度變化轉變為電阻變化,再以電壓方式輸出。感測元件電阻值與溫度變化間之關係為:

                                                                                    (6)

其中Rtt℃時之電阻值(Ω)R0為某一特定溫度時之電阻值(Ω),一般為0a1a 2為電阻溫度係數(Resistance Temperature Coefficient),會隨材質而異;t為感測器所在環境溫度()

由上式可知RTD電阻值隨溫度上升而增加,針對白金而言,,因為a 2對計算結果影響很小,故可再將計算式簡化為:

                                                                                              (7)

其中a1= a1。經過計算及EU/MU(工程單位∕測量單位)轉換,可得到:

                                                                                (8)

此即為RTD之校正公式,其中Slope1/R0aoffset=-1/a,若已得到RTD所測得電阻值Rt,代入校正公式中即可得溫度值。

一般而言,電阻式溫度感測器在使用上擁有下列工作特性:

(1)       線性度高、線性範圍廣、輸出訊號位準高,且特性曲線近乎直線。

(2)       量測準確度高。

(3)       感測元件與訊號處理元件間之距離不受限制,但需有三線或四線工作電路。

(4)       無參考冷點問題。

(5)       量測範圍約在-200至+500之間,且於高溫環境下穩定性高。

(6)       感測元件體積大,不適合快速測量及較小物體之溫度量測。

(7)       靈敏度低。感測元件體積大,溫度傳導較慢,故反應較慢。

(8)       價格較高。

(9)       容易受接觸電阻及震動影響。

(10)   沒有插入效應誤差。所謂插入效應誤差,為感測器置入待測物體或環境中時因深度不同所造成之量測結果誤差。

(11)   屬被動型感測器,需外加電源。

2HEL-776-A-T-1電阻式溫度感測器之各項性能規格。

2. HEL-776-A-T-1性能規格

HEL-776-A-T-1

感測元件種類

薄膜式白金RTD

R0

100Ω @ 0

a

0.00385 Ω/Ω/

感測溫度範圍

55 ~ 150

溫度正確性

±0.50.8

線性度

環境溫度間距由-40125時為±0.1

操作電流

2 mA maximum,建議使用1 mA

本身發熱量

15mW/

3.2 使用說明

HEL-776-A-T-1除可單純進行溫度感測外,亦可搭配溫度控制器使用,可透過控制器進行環境與參數設定來操縱電熱器進行溫度控制。一般而言,白金可用以感測之溫度範圍約由-200850,而廠商所提供之資料顯示此溫度感測器工作溫度範圍介於-55150之間。

此型電阻式溫度感測器在探針後端有三條接線,分別是電源輸入、共接線、與電壓訊號輸出,若要判斷這三條接線分別為何,除可查閱廠商使用說明或圖示,亦可透過三用電表測量判斷。

RTD在工業上的連接方法有二線、三線、及四線三種,目的同樣都是企圖消除誤差並修正其線性度,並增加精確度,但因導線本身電阻亦會影響輸出電壓,而導線本身電阻受導線粗細、長短及環境溫度所影響,故當溫度同時會對導線及RTD電阻值造成影響時,就必須考慮導線電阻變化帶來之誤差。為了補償導線所產生之誤差,故另於電路外接一分支並加入一與導線電阻相等之補償電阻,故有二線、三線、四線法之產生。當然於一般使用情況下並不需要如此,將溫度感測器與溫度控制盒連接,即可直接達到感測與控制之目的。以下為三種接線方法之表示圖。

4. 工業用二線式接法

5. 工業用三線式接法

6. 工業用四線式接法

將三種接線方法加以比較,其各自特點如下:

n  二線連接價格最便宜,但一般僅使用於導線電阻較RTD電阻變化為小,或者導線電阻可以由儀測過程來補償之情況。

n  三線連接價格適中,其精確度適合一般工業應用。

n  四線連接價格最高,但精確度亦最高,較適合長距離測量用。

4. HEL-700-T-0-A型溫度感測器

4.1 工作原理與性能規格

HEL-700型系列的感測器是屬於薄膜式白金電阻式溫度感測器,和其他的電阻式溫度感測器一樣,會因為外界溫度的變化而使得內部電阻值出現線性的改變,由此達成溫度的感測。其電阻值與溫度之間的關係也附合以下這個式子:

                                                      (9)

其中RT為在溫度T()時的電阻值,R0為在0時的電阻值,A=a+ad/100B=- ad/1002CT- ad/10040a=0.00385(Ω/Ω/)b=0.10863()d=1.4999±0.007()

3HEL-700-T-0-A之各項性能規格。

3. HEL-700-T-0-A性能規格

HEL-700-T-0-A

溫度感測範圍

200 ~ 540(300 ~ 1000)

精確度

±0.3或溫度值的0.6

線性度

在全測量範圍-200 ~ 540±2.0

操作電流

1mA ~ 2mA max.

R0

100Ω@0

自身發熱量

0.3mW/

時間常數

0.15seconds in water@ 3ft./sec, 1second on metal surfaces, 4seconds in air@10ft./sec.

4.2 使用說明

HEL-700系列薄膜式白金RTD外表體積相當小,卻能量測大範圍的溫度變化,但也因元件體積微小而有輸出訊號微弱之問題,需將測量訊號接上放大及線性化電路以得到線性電壓輸出,圖7是廠商所附線性化輸出電壓之電路圖。另外,亦可直接量測感測元件電阻值以求得欲測溫度,因廠商所撰寫之產品型錄中也附有此型感測器於不同溫度下的電阻值表(如表4),藉由此圖便可直接測量感測元件電阻值後由圖中利用數學內插法對應出溫度值。

7. 線性化電壓輸出電路圖

4. HEL系列溫度感測器電阻值∕溫度對照表

參考文獻

Solid State Sensors, Micro Switch Sensing and Control, Catalog 20, 1997.

感測與轉換,吳朗編著,全欣資訊圖書,813月。

感測器,陳瑞和編著,全華圖書,821月。