原创 如何提高温度测量的精度

2015-9-14 15:05 1195 20 20 分类: 测试测量

这篇文章首次发表在Sensor Review,国际级的工业传感器期刊。Volume 21, No. 3 2001.
这篇文章也曾发表在德国(Elektronic杂志)和挪威(Elektronic Norden杂志)。
作者:Alan Tong
Alan Tong是Pico Technology Ltd 的技术领跑者,主要研究的领域是数据采集和温度测量。
摘要
为了在精确测量上取得相对较低的价格,先进的温度测量技术已经催生了各种各样的传感器和测量仪器。
本篇文章回复原本地看看三种最流行的温度传感技术,接着给出了一些建议以避免经常进入损坏温度测量系统精度的误区。
介绍
高精度的温度测量设备现在广泛存在,价格也比较合理,但是同时温度测量任务的简化也导致了很多用户在使用高精度传感器和测量设备犯了很多简单的错误而导致了相反的结果。
当人们有了一个测量温度的要求,很多人第一反应是要购买他们能购买得起的精度最高和价格最贵的传感器和测量设备。作为制造商,我们当然拍手称好,因为我们可以获得更高的利润。但是,不得不承认这是做精确测量的错误方式。
正确的测量
举个例子,假如你想简单的测量房间的温度,精度要求达到1℃。这里的问题是房间的温度不止一个而是多个不同的温度值。

图1展示了在Pico公司的仓库安装了三个不同的高度传感器来记录温度。传感器的读数至少相差1℃ 以上,不管各自的传感器有多么精确,我们也绝不可能得到精度为1℃ 的测量值。                                                <?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

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          图1                                              图2

另一个看起来非常明显但又经常被忽略的点是你仅仅记录了传感器的温度。任何传感器的温度和实际的温度值之间总会有一个直接的偏差。打个比方,如果你夹了一个温度传感在水管上用来测量管内水流的温度,这显然是错误的图2温度的差异是由管的内外表面造成的,同时环境的空气温度和传感器周围的空气流动会造成更大的偏差。但是,出于实用和/或安全的原因,你可能不得不要按下面的测量方式去做——这样通过热滞后包括传感器和附在传感器上的附件才会减少错误的发生。

而且,考虑到传感器的存在方式会影响到测量。图3充分验证了这一点。

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图片3

图3:在这个实验中,高精度和低精度的传感器和仪器对照组分别测量等体积水被加热时的上升温度。一只体积较大、价格较贵和高精度Pt100传感器连接到一台PT-104上(两者的精度都是 0.01 ℃),PT100传感器部分浸没在第一个烧杯里。用这种方法使用PT100传感器会使传感和仪器因“热分流”而测量失效。热量从体积较大、部分浸没在水中的探头进入空气,从而减少了水的加热率。此外,在这个实验中,即使水沸腾了,PT100永远都不会达到100 ℃ 。反而价格较低,精度较低的解决方案提供了更加精确和有代表性的测量。

首先考虑到你将要测量的物体,接下来的步骤就是决定要用哪种类型的传感器。在研究和工业中用的比较多的有三种传感器,它们是:热电偶,热电阻(RTD或者叫电阻温度计)还有热敏电阻。表1对比了这三种传感器。

       表1 — 最常用温度传感器和参数

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* 在现代数字测量仪器中线性度已经不是一个很大的问题, 因为可把对照表存进内存里来进行温度补偿

** 热反应仅仅决定于测量部分,而不是外围

热电偶

1822年,一位爱沙尼亚的物理学家Thomas Seebeck偶然发现两种金属接在一起会有电压产生而且跟温度是函数关系,之后的热电偶就是根据这个“塞贝克”效应制成的。但是热电偶不是特别精确的传感器:通常有2 ℃ 的误差。但是热电偶因具有很宽的温度测量范围(-200 至2000 ℃)而得到了广泛的应用,而其他替代装置则达不到这个所需的温度。另外,它们还有价格相对比较低功能也比较全的优势。

虽然几乎所有的两种不同类型的金属都能用来做成热电偶,但是大量使用的是标准类型(见表2),因为它们产生可预测的输出电压和大的温度梯度。

标准表显示了在给定温度下热电偶产生的电压。举个例子,一个K型热电偶(最常用的热电偶)在 300 ℃ 会产生 12.2 mV的电压。尽管产生的电压非常的小,但是意味着热电偶(不像RTD和热敏电阻)是自给电源而不要求额外的激励电流。遗憾的是,我们不能简单的通过电压表连接了热电偶去测量电压,因为这样做会产生第二个不希望产生的连接点而产生另外一个电压。为了达到精确的测量,需要采用一种冷端补偿技术(CJC)。所有标准的热电偶表把第二个连接点都假设为它刚好保持在0 ℃,传统的办法是将它放在精心设计的冰浴中。然而这样的冰浴在很多应用中是不切实际的,取而代之的是实际的温度在热电偶和测量仪器连接点的温度被记录下来,然后得到补偿。冷端补偿温度是通过测量仪器的输入连接器良好的接触来传感得到的。第二个温度读数和热电偶自己的读数通过用测量仪器计算出热电偶尖端的真正温度。理解CJC是很重要的,因为任何冷端连接温度的测量所产生的偏差都会导致热电偶尖端测量温度的偏差。

一般要注意,避免将热电偶连接端——除非非常必要的测量——突然放在温度变化很大的地方,如此产生的结果将会导致错误。

就像所提及到的,选择不同的金属来传感热电偶的温度会产生不同的特性。表2总结了最常用的几种类型。

表 2 — 流行的热电偶类型

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* 除非在0 ℃ ,不然很多制造商提供特殊的热电偶把精度提高到0.5 ℃。

热电偶是由细线做成来减小热分流和提高响应时间,但是这样也导致了热电偶具有高阻抗性。而又因为测量仪器的输入阻抗从而导致了测量的误差。一个典型的裸连接热电偶带32 AWG 线(直径0.25 mm) 的电阻大概是15 Ω/m.如果需要细的导体和长的引线,可以在保持热电偶导体较短的情况下采用热电偶延长导线来实现热电偶与测量设备的连接。最好的做法是在你需要用热电偶精确测量之前要测量每个热电偶的电阻和测量仪器的输入电阻。

如果你需要增加热电偶引线的长度,只需要使用正确的热电偶类型延长线。使用任何其他类型的线将引入一个不需要的热电偶接点。 任何插头,插座或接线端子都要确保连接扩展线是跟热电偶一样的金属以及要随时观察极性是否正确。

因为热电偶测量信号水平只有微伏,因此噪音干扰可能是一个问题。 从杂散电和磁场产生的噪音通常高于信号电平几个数量级。大部分的测量仪器是可以防止共模干扰的(两条线的信号一样),但是这种设计又不能保证绝对完美,所以只能尽量减少噪声干扰。我们可以在测量的时候远离噪声或者有两条热电偶线(绝缘)交叉的拧在一起,这样两条线受到的干扰是一样的,就可以相互得到补偿。如果非得在一个噪声很大的环境下测量(比如在一个很大的发动机附近),那么就得考虑用屏蔽电缆了。

热电偶的最后一点说明是:标定降级。这是一个随机改变热电偶结构的过程。这种情况产生的原因是空气颗粒扩散到了金属的测量端。另外一种原因是一些绝缘层的杂质或者是化学物质扩散到热电偶的导线上。如果测量的是高温,那么必须详细检查探头的绝缘层情况。

RTD(热电阻)

另一种常见的温度测量装置是热电阻——本文中讨论的三种类型的传感器中最稳定和最精确的(尽管价格昂贵,脆弱)。任何金属电阻都是随着温度变化而变化,大多数情况下电阻随着温度呈现正温度系数变化(PTC)。

最常见的热电阻是铂电阻温度计(PRT),实际操作范围是-250到850℃。根据类型不同,RTD的精度范围在0.03至0.3 ℃之间。用的最普遍的铂电阻温度计就是Pt100——之所以这样叫是因为在0 ℃时它的电阻是100 Ω。

铂电阻温度传感器不是绕线的就是金属膜电阻器。当然,后者具有更快的响应时间。实际上Pt100传感器基本上就是一个电阻,因此它的值可以用一个欧姆表来测量,见图4。然而,因为引线电阻的问题,传感器的低电阻和低灵敏度(0.385 Ω/℃)给精确测量带来了一定的难度。一个1 Ω电阻的引线来连接pt100到测量表会给测量带来超过 5℃的误差。

为了避免引线电阻的误差,很多PT100的测量做成四线制的(见图4)。两条线提供励磁电流,另外两条线经过PRT连接电压表。提供的伏特计阻抗就比电缆的电阻高几欧姆,这不会导致一个错误。

两线制和四线制折中的方法就是3线制测量。正如假设的那样考虑到高精度的测量,三条线是具有相同电阻的。在实际中,精度测量需要四线制配置。此外,热敏电阻往往比三线制或者四线制的PT100的测量更精确。

20150914150157284006.png图4

图4:四线制(右图)提供了最好的精度,但是注意:低电阻和低灵敏度的PTD给测量仪器提出了很大的要求,可以解决的方法是可以在励磁电流,噪声和分辨率上下功夫。

为了减少传感器自身产生的热量,励磁电流要尽可能的小(<1mA)。这样就相应地减小了传感器的输出电压,信噪比(通过增强信号增强)和仪器的分辨率。不过还好,先进的仪器是手持式的。打个比方,Pico研发生产的PT-104由于新颖的设计和24位的模拟到数字转换,用的仅仅是0.25mA的驱动电流就可以实现0.001 ℃的分辨率。

对于高精度的测量,传感器自身产生的热量往往需要考虑进去。在生产过程中,驱动电流的值和给定传感器的自产热是存在的。一般情况下,小的传感器在空气中因为自产热可导致1 ℃/mW的错误。1 mA 的驱动电流在100 Ω 的电阻中可以消耗0.1 mW进而造成0.1 ℃ 的错误。用一个大一些的传感器可以减小自产热所带来的误差,但可能会导致热分流的误差(就像以上实验图2所讲的那样)。

从Pt100传感器中的小信号导致的噪声问题跟热电偶的是相似的,注意和解决的方法也是一样的。

最后一点大家没有注意到的是两个不同补偿曲线的存在。DIN 43760 标准, 也称为“欧洲曲线”,对于一个Pt100来说是0.385 Ω/℃ ,然而还有一种基于更高纯的的铂金线叫“美国曲线”(经常作为参考的标准),它定义了温度的有效值是 0.392 Ω/℃。在这两者当中,欧洲曲线是占统治地位的(即使是在美国),很多测量仪器是对它进行补偿的。要不然,一个具有美国曲线的prt可仪器却是对欧洲曲线传感器进行补偿,就会产生一个小的误差。

热敏电阻

很多人都不公正低评判热敏电阻是不精确的传感器。这也许在过去是真理,过去热敏电阻在最好的状态下也有5%的公差存在。对于精度要求很高的测量上RTD还是最好的选择。但现代的热敏电阻不会落后太多。拥有0.1 ℃精度的热敏电阻现在普遍存在而且还具有非常合理的价格。它们有非常快的响应时间和相比RTD每摄氏度具有更高的输出。

和RTDs一样,热敏电阻也利用了材料中的电阻是随着温度的变化而变化。大部分热敏电阻采用金属氧化物,具有负温度系数(NTC)。热敏电阻提供了一个相对高的精度(0.1至1.5 ℃)但是使用范围一般限制在-100至300 ℃。没有一种热敏电阻能够超越这个范围而且缺乏标准化也意味着传感器和仪器经常得一起买。热敏电阻的响应是非线性的,而且跟RTD一样,由于自产热的原因,我们要避免太大的励磁电流经过热敏电阻。

跟仪器连接的方式是一个简单的两线制配置,不像RTDs,我们不必补偿引线电阻,对热敏电阻来说,引线电阻太小了(一般是1到100KΩ)。

热敏电阻,因为它的高灵敏性,是测量温度缓慢变化的理想材料,特别更适用在定性测量中。

测量装备和校准

已经考虑了适用的传感器之后,接下来就要看测量设备了。这里我们要检查仪器的精度规格,不同的仪器类型和制造商有很大的差别。在某些情况下,比如使用铂电阻RTD,大部分系统误差都是由仪器造成的。而当使用热电偶时,测量设备的误差相比传感器误差要小的多。对热电偶来说,因为其对照曲线是针对某些特殊的设备,因此经常是从生产商那一起搭配传感器和仪器。

对于精确测量,校准是必须的,而且作为一个系统传感器和仪器设备应该一起做校准。

总结

通过良好地使用、合适的校准传感器和仪器来实现高精度的温度测量是完全可以的。但是,实现的大前提是测量前要正确地掌握仪器和传感器的使用方法。

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