摘要：以高精度热敏电阻温度传感器的制作和标定技术改进及使用特点，该温度传感器使用热敏电阻作为元件, 利用其电阻值随温度变化而显著变化的特点, 直接将温度的变化转为电量的变化。改进后的热敏电阻温度传感器具有体积小、使用方便、对引线及二次仪表的要求低、标定时间短、测温精度高、稳定可靠、使用范围广、重复性好、能够实现远距离测量等特点, 传感器测温精度优于。
关键词：低温测量；NTC热敏电阻温度传感器；高精度
温度是冻土研究中最重要的基础参数, 高精度的温度测量是冻土研究中的重要环节，使用传统的热电偶作为测温元件, 由于输出信号很小 , 对二次仪表的要求非常高, 再加上还需要冷端补偿用的零点温度, 即使在室内使用也很不方便, 在野外使用难度就更大了。但由于受到当时热敏电阻生产技术、可选择性以及温度传感器制作技术的限制, 热敏电阻温度传感器的体积、精度以及稳定性都不是很理想。随着热敏电阻生产技术的提高, 重点实验室的技术人员在温度传感器的制作工艺上不断改进, 并反复试验, 研制出了可靠性较高、能满足冻土测温精度要求的温度传感器,使热敏电阻温度传感器的精度在过去的基础上提高, 性能更稳定, 体积更小, 是低温测量的理想传感器。
一、热敏电阻温度传感器测温电缆的特点
1、热敏电阻。高精度热敏电阻温度传感器使用的主要元件是热敏电阻. 热敏电阻的物理特性是其电阻值随着温度变化而显著变化, 又分为两种: 一种是电阻值随温度的升高而增大, 称为正温度系数热敏电阻;另一种是电阻值随温度的升高而减小, 称为负温度系数热敏电阻. 在制作用于冻土测温的温度传感器时, 一般选用负温度系数热敏电阻，与热电偶相比, 热敏电阻具有以下优点: 输出信号很大, 当温度变化范围为40℃时, 热敏电阻的变化范围为500-20000 Ω; 对二次仪表的要求不高, 只需要分辨率为1 Ω的数字欧姆表,就可以达到0. 02℃以上的测量精度. 因此, 热敏电阻的测量精度比热电偶的高很多, 不需要冷端温度补偿, 实验室内及野外使用都很方便. 对引线要求不高, 因为是电阻测量, 不受任何电磁干扰, 使用一般导线作为引线就可以, 且引线长度不受限制, 可以按实际需要选择导线长度, 并在标定时将导线电阻考虑进去即可。
为了有利于冻土测温, 应选择在负温段电阻值变化较大的热敏电阻,制作出来的温度传感器分辨率相应也就比较高. 热敏电阻的阻值与温度之间满足如下关系式:
式中: R 为电阻值; A 为与热敏电阻材料物理特性及几何尺寸有关的系数; B 为热敏指数; T 为热力学温度值，用于制作测温范围为30℃的温度传感器的某一个热敏电阻的阻值随温度变化情况，在某一个温度段内的阻值变化越大,
2、导线。用于低温测量的温度传感器有如下一些特殊要求: 1) 不同的环境下使用时要求有不同的测温范围; 2) 野外测量时, 有时候需要远距离测量, 因此要求传感器有一定长度的引线; 3) 需要单点式或多点式的温度传感器; 4) 要求防水、耐高压、高频采集等. 因此, 需要对导线的电阻率、温度特性、埋设方法、抗拉强度、弯折特性、密封、抗老化、抗腐蚀等特性有全面的了解, 选择经济适用的导线, 必要时进行相关试验, 确定其符合性,选用这样的导线是符合要求的。
3、二次仪表。电流可能引起热敏电阻自身的发热, 因此, 温度传感器必须在弱电流条件下工作, 应使用高输入电阻、导通电流40 ≤uA的电阻计或数采仪. 野外使用温度传感器时, 往往要求采用准确、可靠、自动采集、造价低和方便的二次仪表. 另外, 如果导线电阻较长, 导线自身的电阻较大, 或工作条件恶劣, 需要较高电压工作或需要屏蔽等其他技术要求, 需要选择特殊的设计、制作和采集方案。
二、应用
1、温度补偿。大部分的石英振荡器都有较强的温度依赖性, 为了获得良好的温度特性, 通常都使用恒温槽使石英振荡器的环境温度保持一定。但这样就使设备庞大, 费用也高。现在多采用在石英振荡器电路内设置温度补偿电路, 可以在相当广的温度范围获得良好的温度特性。这种备有温度补偿电路的石英振荡器称为TCXO, 作为温度补偿元件, 大多是用片式N TC热敏电阻器。这些热敏元件, 与晶体管电路中使用的温度补偿元件相比, 在稳定性、跟踪性、可靠性及B 值精度等方面, 都有明显改进。
2、抑制浪涌电流。开关电源、电机、变压器或照明电源等在接通瞬时, 有很大的浪涌电流, 这一冲击电流可能损坏元件或将保险丝烧断。利用N TC热敏电阻的电流-电压特性和电流-时间特性, 将它与负荷串联,可以有效地抑制这种电流。在电源接通前,热敏电阻器有较大的冷态电阻,可以抑制电流。若用一只热敏电阻器不能有效地抑制浪涌电流, 可以用两只或更多只热敏电阻器串联。但不能将几只N TC热敏电阻器并联使用, 因为负荷难以均匀地分配, 会使吸收较大比例电流的那只热敏电阻器发热更厉害, 于是大部分电流都流入这只热敏电阻器,而与之并联的其他热敏电阻器则保持为冷态, 起不到限流作用。与普通固定电阻器相比, 在电阻器功率相同的条件下, NTC热敏电阻器能更有效地抑制接通时刻的冲击电流。抑制浪涌电流N TC元件也用于工业电子装置和工程设备, 如限制荧光灯、探照灯、幻灯、卤素灯等灯具的启动电流, 厨房机器的转运限制, 外部通信设备, 电机启动和开关电源等，具有各种尺寸, 适合不同集成电路抑制浪涌电流的要求。
3、温度检测。N TC热敏电阻器的主要用途之一是温度检测, 随着由微机控制的智能化、自动化设备、办公用具的不断出现, 使各种测量和控制更为精密和高效率, 人们工作得更方便和生活更舒适。在这中间温度信息的获取非常重要。下面就N TC热敏电阻器在温控方面的进展举例说明。
1）热水器。热水器中需要用热敏电阻器设置最佳水温, 有效地控制输入的能量。这种热敏元件既要密封防水, 又要热响应快, 两者是矛盾的。采用1mm× 1mm× 0.5 mm的晶片型NTC元件, 装在铜外壳顶端的水温传感器,在水中的时间常数已达到小于3s的实用要求, 成为主导产品。现有燃气热水器, 已采用该传感器防止干烧, 遥控型热水器增加1只调节水温, 智能型热水器又增加了进水水温和室内气温传感器。
2）空调。空调用热敏元件, 是近几年发展较快的N TC热敏电阻器之一。通常采用树脂包封和铜壳灌封两种结构, 较好地满足了防潮、耐久及足够功耗等要求。一般空调单机用量2-3只, 变频空调单机用量5-6只。现有产品的互换精度, 普遍优于±0.5℃。
对于基础较好市场畅销的功率型N TC热敏电阻器, 应加快廉价材料的开发和大生产技术改造。对于差距很大的感温元件, 应本着有所为有所不为的原则, 结合N TC热敏电阻器灵敏度高、阻值易于调控、但线性差的实际, 重点开发高响应线性N TC感温元件及组件, 在N TC数字温度传感器的品种和质量上有新的突破,推出更多性价比高、使用方便的产品, 为我国数字技术的发展和N TC热敏电阻器的普及做出新贡献。
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论文作者:张宇,王永海,杜瑛娜
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/17
标签：热敏论文; 热敏电阻论文; 电阻器论文; 温度论文; 测温论文; 温度传感器论文; 电流论文; 《电力设备》2017年第33期论文;