使用热电偶、RTD和热敏电阻测量温度

测量温度

有多种传感器可以将现实生活中的温度转换为可测量的信号。最常见的三种传感器是热电偶、RTD和热敏电阻。您可以使用其他温度测量传感器，例如，IC、光纤布拉格光栅传感器。本文不探讨这些传感器。

热电偶的工作原理被称为塞贝克效应。当两根由不同金属制成的导线连接在一起并在一端加热时，会形成一个热电电路，该电路会在“冷”端产生可测量的电压差，称为塞贝克电压。不同的金属在温度范围、灵敏度和误差方面会有所不同，具体取决于这些金属的特性。

图1.塞贝克效应示意图

每种类型的热电偶都由一对特定的金属组成。您需要了解选中的热电偶的工作规范。有的热电偶提供较宽的温度范围，其电压和温度关系更加非线性化。有的热电偶的测量温度范围较小，电压和温度的关系更具有线性关系。

电阻式温度检测器(RTD)是有源测量设备，电阻随着环境温度的变化而变化。RTD通常由陶瓷或玻璃芯和薄金属绕组构成。因为具有较好的稳定性，金属材料通常为铂。

图2.基本电阻型温度计组件

不同的配置使用不同的绝缘和/或绕组材料，性能和温度范围也因此不同。另一种选择是薄膜RTD，在若干层绝缘材料中间加入一个薄金属夹层。这种方式最适合用于表面温度测量，可在RTD表面提供更均匀的接触。

RTD测量温度的关键在于金属绕组的热力特性。如果您充分了解这些属性，就可以可靠地预测被测电阻的温度。电阻和温度之间存在可预测的关系，就可基于此设计精确的温度测量设备。

与RTD类似，热敏电阻也是有源测量设备。热敏电阻的阻值随着环境温度的变化而变化。它们由压入小珠、圆盘、晶圆或其他容器中并涂有环氧树脂或玻璃的金属氧化物半导体组成。由于热敏电阻由半导体材料制成，可提供各种测量设备中最高的灵敏度，是测量较小温度量程的理想选择。热敏电阻的电阻通常远高于RTD。与RTD不同，热敏电阻通常是负温度系数器件，这意味着其电阻会随着温度的升高而降低。

比较温度传感器

对于三种不同类型的温度传感器，在分别考虑每种传感器的差异和类型之前，应该先从宏观角度缩小类型选择的范围。

如果对于三个选项无从下手，请先查看表1中的优点和缺点。如需了解详细信息，请查看表2传感器特性和比较。

选择要使用的温度传感器类型（热电偶、RTD或热敏电阻）之后，您可以查看每种传感器的更多详细信息：

• 热电偶选择
• RTD选择
• 热敏电阻选择

温度传感器的优点和缺点

根据您的限制或需求，从预算到硬件功能，每种传感器都各有优缺点。重要的是要了解测试需求并确定其优先级，从而为实际应用选择最合适的传感器。

表1.各种类型温度传感器类型的优点和缺点

温度传感器特性

选择传感器时，请了解每个特性对测量结果的影响，并确保选择与项目要求相符合的传感器。下列特性定义了温度传感器的性能和适用范围。这些特性适用于所有类型的温度传感器，但有一些注意事项和特殊情况。表2比较了三种常见传感器的不同特性。

选择要使用的温度传感器、热电偶、RTD或热敏电阻后，为应用选择合适的传感器之前，请查看传感器的详细注意事项。

表2.温度传感器类型比较

温度范围

传感器的温度范围是指传感器安全运行和提供精确测量的温度区间。

• 热电偶：不同型号的热电偶根据其制作材料的不同，具有不同的温度范围。
• RTD：温度范围较小，但是有更好的线性度和精度。
• 热敏电阻：温度范围最小，灵敏度最好。

了解温度范围后，可将传感器暴露在外，防止损坏同时又确保测量更准。

线性度

一个理想的传感器应具有完美的线性响应。温度每变化一个单位，传感器的电压输出也变化一个单位。

没有传感器可以达到完美的线性度。图3显示了本文研究的三种传感器的温度-电压响应。

图3.传感器的温度-输出响应

灵敏度

传感器的灵敏度表示一定的温度变化可导致多少百分比的可测量输出的变化。热敏电阻比热电偶更能检测到较小的温度变化。

灵敏度和线性度不能兼得。在为要测量的温度选择理想的传感器时，灵敏度是一个重要的考虑因素。如果要在较小的温度范围内捕获不到 1 摄氏度的温度变化，热敏电阻或RTD会是较为合适的选择。如果要在较大的温度范围内捕获较大的温度变化，热电偶会是理想之选。图4为电压的相对概念。

图4.各种类型温度传感器的灵敏度

响应时间

响应时间是传感器对温度变化做出反应所需的时间。有很多因素会影响传感器的响应时间。

例如，较大的RTD或热敏电阻的响应时间比较小的要慢。

较大的RTD或热敏电阻的弱点是响应慢，热分流慢，优点是不容易受自热误差的影响。不接地的热电偶连接的响应时间较慢，电气隔离较好。图5显示了未接地热电偶和接地热电偶响应时间的相对差异。

图5.热电偶接地和未接地的响应时间比较

稳定性

温度传感器的稳定性是在一定温度下传感器保持稳定输出的能力。

制作材料对传感器的稳定性至关重要。为了保证较好的稳定性，RTD的材料通常是铂。铂同时有较低的反应度。然而，铂金属接合的基板长时间暴露在高温环境中之后，会导致不可预期的应变，进而影响测量电阻。

精度

与任何测量应用程序一样，了解您的精度需求对于确保获得可靠的结果至关重要。传感器和测量硬件的选择对绝对精度起着重要作用，但布线、与其他设备的相对距离、屏蔽、接地等因素也会影响精度。

选择传感器时，要注意传感器的容差，以及任何影响传感器性能的因素（例如，长时间连续暴露在高温环境下）。传感器的精度和测量设备的精度应该匹配。高精度的RTD通常价格较高。如果将质量欠佳的测量设备与高精度RTD配合使用，就无法达到理想的测量效果。

耐用性

为确保温度传感器正常运行，您需要了解部署传感器的环境。因为设计结构上的优势，热电偶比其他温度传感器更耐用。不同热电偶金属材质不同，抗腐蚀能力也不同。

如果传感器封装在矿物或金属隔离保护罩里，传感器将更耐腐蚀，更耐磨损，但是成本和灵敏度会受影响。不同的传感器配置可能具有特殊的安装要求，以确保牢固的物理连接和热连接。

成本

与项目的任何方面类似，成本是一个关键的限制因素。例如，在高通道数应用中，RTD的线性优势可能会被热电偶的相对成本优势抵消。在考虑总成本时，还要考虑连线、安装、信号调理等附加成本。

选择合适的传感器

选择温度传感器时，应考虑四个主要应用因素：

1.了解测量应用和要求。

• 温度变化的速度有多快？确定适当的响应时间。
• 传感器工作时间多长？如何维护？选择耐用的传感器类型，减少维护需求。
• 需要多少精度？考虑传感器精度对整体测量精度的影响。

2.确定必须测量的温度范围。

• 选择可覆盖整个温度范围的传感器类型。
• 考虑满足范围要求每种类型传感器的线性度；选择具有最高线性响应的传感器，以提高电压或电阻-温度转换精度。

3.考虑部署传感器的环境。

• 选择合适的护套材料，避免化学物质暴露。
• 确定是否需要隔离以防止接地环路/噪声。
• 如果传感器暴露在振动或磨损环境中，请确保其能够承受振动或磨损。

4.选择合适的方式安装传感器，实现热连接的最优化。

在热电偶、RTD和热敏电阻之中做出选择后，每个传感器类别都有一些具体的考虑因素，这些因素会影响要购买的传感器类型。

热电偶传感器注意事项

热电偶的类型和结构多种多样。热电偶传感器的两个重要方面是类型和护套配置。

类型通常由字母表示，有E-、J-、T-、K-、C-、R-、S-型。NI的温度硬件产品可与所有NIST标准热电偶搭配使用。热电偶类型决定了用于热电偶的金属材质，因此，它还决定了热电偶的工作范围、精度和线性度。

下图描述了不同类型热电偶在一定温度范围内的电压响应。

图6.不同热电偶类型的温度响应

除了热电偶的类型外，还要选择相应的护套。一些选项如图7所示，包括接地、隔离、密封、裸露。

除了热电偶的类型外，还必须选择护套配置。一些选项如图7所示，包括接地、隔离、密封、裸露。

图7.热电偶护套选项

每种配置在响应时间、抗噪性和安全性方面都各有利弊。表3概述了每个配置选项的影响。

表3. 热电偶配置概览

RTD传感器注意事项

RTD具有三个主要属性：导线数量、导线材料和物理结构。

导线数量

由于RTD是有源传感器，因此需要外部激励才能产生可测量的电势差，电势差可转换为电阻。电阻值通常非常低，这意味着导线电阻有可能影响测量精度。因此，RTD通常采用多线配置。导线配置的数量范围为2至4。

• 两线RTD最为简单，但如果导线的电阻相对于RTD的实测电阻较大，则会影响测量精度。

图8.两线RTD

• 三线RTD在工业应用中最为常见。测量硬件可特性化和校正导线电阻，从而实现更精确的测量。然而，导线电阻的不一致可能导致意外的测量错误。

  

图9.三线RTD

• 四线RTD为激励和电阻测量提供了不同的路径，可校正导线电阻以及隔离激励信号中的任何噪声。四线RTD也不受导线电阻不匹配的影响。四线RTD需要能够进行四线电阻测量的测量硬件。

图10.四线RTD

线材材质

每种RTD导线配置都可以由不同的材料制成。影响线材选择的两个关键因素是部署环境和温度范围。了解测试环境，为不同的环境选择合适的材质，例如，材质能否承受预期的浸水、化学品暴露和/或磨损。导线材料和尺寸也会影响导线电阻，具体取决于导线线规。

物理结构

物理结构因应用而异。考虑传感器的安装方式、电气隔离要求以及传感器接合介质的类型（液体、气体、固体表面等）。

可用配置包括基本RTD元件、薄膜表面元件和RTD元件封装在金属护套中并可能电隔离的探头。

图11.RTD构造样式

热敏电阻传感器注意事项

与任何温度传感器一样，热敏电阻需要考虑的一个重要因素是材质及其对温度范围、灵敏度、精度等的影响。

传感器制造商可能会提供不同的金属氧化物成分和/或外壳材料，这些材料会影响传感器的安装方式以及耐化学性/耐磨性。热敏电阻的外观多种多样，适用于不同的应用。图12显示了其中一些选项。

图12.热敏电阻配置

与RTD不同，热敏电阻很少需要除两线之外的其他配置，因为热敏电阻比引线电阻一般要大几个数量级。引线电阻对测量电阻的影响很小，通常可以忽略不计。

温度传感器的信号调理

除了传感器本身的特性（工作范围、灵敏度、线性度、响应时间等）之外，还必须考虑每种传感器对测量硬件的要求。

每种类型的温度传感器都需要一定程度的信号调理，方便采集和数字化测量信号以进行处理。选择的测量硬件对于确保测量的精确性与传感器同样重要，合适的测量硬件可以弱化传感器的不足之处，不合适的测量硬件也可放大传感器的缺点。

适用于所有三种传感器（RTD、热敏电阻、热电偶）的信号调理：

• 放大
• 偏移误差调整
• 换算为温度单位
• 导线电阻校正
• 通道间隔离
• 滤波

热电偶专用信号调理：

• 冷端补偿
• 开路热电偶检测

专门用于RTD和热敏电阻的信号调理：

• 激励

部分NI温度测量硬件内置信号调理功能。如需更好地熟悉温度测量所需的测量硬件，请下载《精确传感器测量工程师指南》。

将温度传感器连接至NI硬件

在了解传感器或测试需求后，就需要决定采集数据所需的硬件。采集硬件的质量决定了所采集数据的质量。

NI提供一系列温度测量产品，用于采集温度数据，与所有NIST热电偶，以及部分RTD和热敏电阻兼容。