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热敏电阻 – 近观

2020-08-04 Molex公司DEBASHIS SARKAR博士,RAHUL BBHASKAR 阅读:
对多数应用设备来说都有对温度监控与控制的基本要求,而这一应用在全球有高达 60 亿美元的全球市场,并以每年5%的速度增长。然而,尽管它们在这些设备中发挥着至关重要的作用,许多工程师却都认为使用这类微小的装置是理所当然的,并且往往会产生误解。为了帮助解决这一问题,本文描述了主要类型的温度传感器,并且重点关注了负温度系数 (NTC) 热敏电阻,因为该装置在温度传感应用中的使用最普遍。

温度传感器通过测量热量以确保某个流程或设备保持在特定的温度范围内,从而保证在安全环境中持续运行,或者满足强制性条件的要求。而且,这类传感器在温度极高、存在危险情况以及测量点无法触及的条件下发挥作用。在温度传感器市场中,主要有这三种产品占据了主要的市场份额,分别是热电偶、NTC热敏电阻及电阻温度检测器(RTD),每种产品对于特定应用都具有自身的优劣势。表1描述了这些温度传感器及其特性。f8zednc

* 正温度系数f8zednc

热电偶:第一种温度传感器

热电偶是这类传感器中最简单的一种,从意大利科学家亚历山德罗·伏特的发现以及德国物理学家托马斯·约翰·泽贝克的「重新发现」以来,自19世纪末就已经开始使用。他们的研究共同表明,当两条不同金属制成的电线在末端连接到一起,而且接头处存在温差时,就会产生磁场。随着温度的变化,电压会有所起落(称为塞贝克效应)。在热电偶中,电压和温度之间的这种关系可以使用参照表来计算得出。f8zednc

热电偶的主要优点在于成本极低,温度范围广,耐久性高,并且能够在不使用电源的情况下发挥功能。缺点则是待测量的对象和热电偶之间不得存在热流动,并且,由于会发生老化,精度也会受到影响,电线接触到水分、化学品或者发生机械干涉时,这一情况尤其明显。热电偶也会产生很低的输出电压,必须进行放大,而且在长在线易于受到外部噪声的影响,当热电偶的电线遇到信号电路上的铜线路时,就会产生「冷接点」。f8zednc

热敏电阻

热敏电阻(热变电阻)– 特别是NTC热敏电阻 – 由迈克尔·法拉第在1833年命名而来,他发现随着温度的升高,硫化银的电阻会逐步降低。然而,由于热敏电阻的生产较为困难,应用也比较少,当一个世纪后,塞缪尔·鲁本在1930年取得热敏电阻的专利时,才开始商品化生产。f8zednc

热敏电阻一直受到欢迎的原因在于,由于每一度温度上的电阻变化要高一些,其分辨率也就更大,具有高度的可重复性与稳定性,同时还具备了出色的可互换性(下文有所描述)。热质量较低,因而对温度变化的响应也非常迅速。f8zednc

NTC热敏电阻采用经过压制的盘状、棒状、板状、珠状或片状压铸半导体材料制成,比如说烧结金属氧化物。由于制造过程可以符合非常严格的电阻公差和温度精度要求,NTC热敏电阻主要用于精密的温度控制。f8zednc

还可以在电源中用作涌流限流器,在此类应用中可提供较高的初始电阻,在主机装置打开时防止高强度的电流发生流动。升温后,这种电阻有所降低,允许更多的电流发生流动,使主机装置正常发挥功能而不会损坏。该应用中的NTC热敏电阻尺寸要大于温度测量时使用的热敏电阻,专为该应用设计而成。f8zednc

相比之下,PTC热敏电阻可作为自恢复的保险丝和加热器使用。由于此处的讨论只与温度的测量和控制有关,因此关注点在于NTC热敏电阻。然而,重要的一点在于要认识到PTC与该装置的区别在哪里,以及为什么在特定应用中会如此的有效。f8zednc

在施加极小的功率或者根本不施加功率的情况下,PTC会处于低电阻状态,陶瓷的原子会按特定的模式排列,允许一些电子自由流动。在施加了足够的电压后,PTC几乎就可以在瞬间达到180°C左右的「转移温度」,电阻则增加了大约1,000倍,使其成为一种简单而又有效的自恢复保险丝。去掉电压后,热敏电阻会回到低电阻的状态。由于一旦超出转移温度,PTC就可以自我调节到一个恒温,因而可用作加热器。这种属性使得无论电压和环境温度如何变化,PTC都可以在近乎相同的温度下执行。f8zednc

热敏电阻属于非线性装置,这意味着图上代表着电阻和温度关系的各个点不会形成一条直线。如此一来,它们就要求使用电路来对数据进行修正,比如说将热敏电阻和定值电阻器组合在一起,形成一个分压器,其输出可以通过ADC来实现数字化。在为这一电阻器选取了合适的值后,就可以改变其曲线最接近直线的温度范围,从而满足应用的需求。f8zednc

尽管其温度可以是「零功率」电阻下热敏电阻本身的温度,NTC热敏电阻通常根据室温(一般为25°C)下的电阻来指定。零功率电阻指热敏电阻的功耗较低时,特定温度下测得的热敏电阻的电阻值。额外降低的功率将会相当于不超过0.1%的电阻变化的值(或者公差的1/10,取其中较小值)。f8zednc

相对较低温度下的应用,比如说-55到70°C的应用,通常会使用电阻较低一些、即200到10,000欧姆的热敏电阻,而温度更高的应用则通常使用电阻高于10,000欧姆的热敏电阻,从而对所需温度下每度电阻的变化进行优化。f8zednc

热敏电阻具有许许多多的形状,比如说盘状、片状、珠状或棒状,可以采取表面安装的方式或者内嵌到系统中。可以封装到环氧树脂、玻璃或焙干的酚醛树脂中,或者还可以进行涂漆。最佳的形状往往取决于要监测的材料,比如说固体、液体或者气体。f8zednc

当待测设备不易接近或者难以触及时,它们还可以连接到电缆上。在这种情况下,NTC热敏电阻收纳在一个连接到装置上的环形端子中,另一端则有一个连接器,用于附着到控制器。这些组件使用的电缆专为该应用而设计。电缆长度可指定为100到9,999毫米,并且还可以指定从1千欧姆到100千欧姆的各种贝塔值和电阻值。f8zednc

热敏电阻的成本各不相同,部分与精度有关。成本极低的热敏电阻仅可保证在单一温度下工作,在几度的实际值内(保证的温度下)提供基本的指示功能。昂贵一些的热敏电阻则可在范围极广的温度下保证达到几分之一度的精度。f8zednc

在典型应用中,控制器可监控热敏电阻的温度。流过该装置的微小偏置电流会送到控制器,控制器则使用电源来将偏置电流施加到整个热敏电阻上,获得控制电压。当测得的温度低于或高于一个指定的范围时(设定点),控制器将执行一项功能,比如说开关风扇或者其他的装置。f8zednc

RTD

RTD采用的是电阻值随温度发生变化的电阻器。RTD具有非常高的精度、可重复使用且高度稳定,薄膜型可用于范围从-50到500°C的温度,绕线型则可用于-200到850°C的温度范围。薄膜型RTD的组件包括基板上形成的一薄层的铂,建立起的图案可提供一个电路,该电路经微调后产生特定的电阻。该组件采用了涂层处理,可保护薄膜和连接位置。相比之下,绕线组件或者是封装在陶瓷管或玻璃管中的线卷,或者是绕着玻璃或陶瓷材料的线卷。f8zednc

RTD组件的热质量要高一些,因而与热电偶和热敏电阻相比,检测温度变化的速度较慢。尽管只需两根铜线即可将RTD连接到电路,但是根据周围的温度,铜线的电阻会产生微小的变化,因此大多数的RTD中都内置了第三根线,以使控制器修正这类变化。f8zednc

最精确的RTD使用了铂材料,提供的电阻从100到1,000欧姆,称为PT100和PT1000型。铂材料的RTD对于温度变化具有近乎线性的响应,稳定性很高且极为精确,可重复作业,并且温度范围极广。由于价格较为昂贵,所以会在需要最高精度的情况下使用。f8zednc

代表NTC热敏电阻材料中电阻与温度关系的贝塔与Steinhart-Hart方程

用于指定热敏电阻的一个基本值称为「贝塔」(β),表示的是随热敏电阻中电阻和温度之间的关系而发生变化的曲线的形状,在指定具体类型时是一个关键的系数。度量单位是开尔文(K),遵循以下方程中定义的规则:f8zednc

ΔR=k*ΔTf8zednc

其中f8zednc

ΔR=电阻变化f8zednc

ΔT=温度变化f8zednc

k=电阻的一阶温度系数f8zednc

如果k值为正,则电阻随着温度的上升而增大,从而热敏电阻可称为正温度系数(PTC)热敏电阻。如果k值为负,则电阻随着温度的上升而减小,并且装置称为NTC热敏电阻。通过指定贝塔值,就可以根据应用所需的电阻,在给定温度下实现相应的热敏电阻特性。那就是说,可以决定特定温度下热敏电阻的电阻必须是多少。f8zednc

可以通过两种方式来确定NTC热敏电阻的贝塔值。第一种方式是使用以下四个分量进行计算:f8zednc

其中:f8zednc

RT1=温度1下的电阻(欧姆)f8zednc

RT2=温度2下的电阻(欧姆)f8zednc

T1=温度1(K)f8zednc

T2=温度2(K)f8zednc

使用该方法后,可以通过两个温度(RT1和RT2)来计算出NTC热敏电阻的贝塔值,但是仅可在一个很窄的温度范围内确保准确性。一种更准确的方法就是使用Steinhart–Hart方程,得到的值会更接近实际温度,在热敏电阻的整个工作温度范围内都很有效。如果热敏电阻制造商的数据表上未提供Steinhart–Hart系数,则可以测量具体温度下的三个电阻,然后解算三个联立方程(一起求得)从而汇出这些系数。该过程如下所示:f8zednc

1/T=A+B(LnR)+C3*(LnR)3f8zednc

其中f8zednc

T=温度(K)f8zednc

LnR=热敏电阻测得电阻的对数f8zednc

A、B和C=随着热敏电阻的类型和型号以及所需温度范围而变化的Steinhart–Hart系数f8zednc

如上所述,系数A、B和C是通过取热敏电阻在三个温度下的电阻并且求解三个联立方程而得到的。例如:f8zednc

T1=0°C,10千欧姆热敏电阻的电阻R1为32,803欧姆时。f8zednc

T2=50°C,10千欧姆热敏电阻的电阻R2为36,03欧姆时。f8zednc

T3=100°C,10千欧姆热敏电阻的电阻R3为685.7欧姆时。f8zednc

1/T1=A+B(LnR)+C(LnR)f8zednc

1/T2=A+B(LnR)+C(LnR)f8zednc

1/T3=A+B(LnR)+C(LnR)f8zednc

常数A、B和C的值为:f8zednc

A=0.001100669397f8zednc

B=0.000238957307f8zednc

C=0.00000006722278769f8zednc

表中所示为对于10千欧姆热敏电阻在25°C下进行该计算时的误差。f8zednc

另一个叫作贝塔公差的因子描述了某一零件的实际曲线在跟踪按贝塔值定义的标定曲线时距离有多近,用于描述点符合的零件。点符合的热敏电阻用于要求特定的电阻值与特定的温度相符合的应用。f8zednc

贝塔部分上是由装置中使用的各种金属氧化物的成分和结构以及制造工艺中的变量来决定的。这样一来,在生产批次当中以及在生产批次之间,每个单元之间都会存在变化。对于珠式的热敏电阻来说,贝塔公差通常为±1%到±3%的阶数(某些材料可以达到+/-5%)。对于金属化表面触点类型的热敏电阻来说,贝塔公差的范围将从±0.5%一直到±3%。f8zednc

NTC热敏电阻的制造商会为他们的每种产品提供电阻或者电阻比与温度的对照表格。目前有大量形形色色的材料系统正在使用,每个系统对于可以制造的热敏电阻的类型、热敏电阻的尺寸、作业和储存的温度范围以及可用标称电阻值的范围来说,都提出了特定的限制。f8zednc

热敏电阻的可互换性是一个重要的考虑事项,定义为热敏电阻在一定温度范围内跟踪已公布的电阻曲线时的接近程度如何。公布的电阻曲线可视为绝对精度,因此可互换性就是与该点的偏差。f8zednc

在效能不发生降级、并且每次更换后无需对电路中的每个传感器组件进行校准的情况下,热敏电阻有多么符合这一点的要求可决定零件的互换效能如何。注意,可互换的热敏电阻包含了其规格范围内的贝塔公差,因此,根据可互换性确定了相对于绝对标称曲线的精度后,可互换的零件上就不再存在贝塔公差。f8zednc

总结

首先,为最终使用者选取适宜的温度监控与温度控制装置看起来似乎非常简单,在选用并安装到系统之前并不需要多少知识。正如本文所示,指定使用热敏电阻的实际要求要多得多,如果未能根据预计用途来对装置进行评估,则会造成故障、设计为其服务的系统发生破坏,甚至还可能起火以及/或者对产品或系统周围的人员构成危险。熟悉这类重要的温度管理装置并不需要很多的时间,并且结果也会是富有回报的。f8zednc

Molex是Molex, LLC在美国的登录商标,并且可能在其他管辖权下登录。此处列出的所有其他商标皆属于其相应的所有者f8zednc

作者简介: DEBASHIS SARKAR博士是Molex公司高级工程经理,RAHUL BBHASKAR是Molex公司产品设计高级工程师f8zednc

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