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色谱仪常用电气部件 温度传感器之二 热电偶、热敏电阻、半导体温度传感器1 热电偶:两种不同材质的导体构成闭合回路,如果两端存在温度差,回路两端就会产生电压。这就是热电偶的基本原理,即塞贝克效应。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/08/201308092213_457066_1604036_3.jpg 图1 热电偶原理图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/08/201308092213_457067_1604036_3.jpg图 2 热电偶图片热电偶的信号较弱,一般只有数个mV的电压。但是温度测量范围较宽,比较铂电阻更加耐高温。一般常见于高温应用场合,例如马弗炉的温度控制系统。在色谱仪器上,一般用于温度保护。2 热敏电阻有点类似热电阻,温度改变后,元件的电阻值发生变化。但是其工作机理和热电阻不同。色谱仪中常用的为负温度系数热敏电阻。下图为负温度系数热敏电阻的温度-阻值特性曲线。温度越高,元件的电阻值越小。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/08/201308092213_457068_1604036_3.jpg图3 热敏电阻的温度-电阻曲线显著的和热电阻不同的,热敏电阻的阻值比较大,室温下可能电阻值在数十k欧姆,相对于100欧姆左右的铂电阻,温度变化,热敏电阻阻值的变化十分显著。所以热敏电阻对温度有较高的灵敏度,但是热敏电阻的工作范围较窄,一般不超过150度。不同器件之间性能的重复性也比较一般。如图,液相色谱仪使用的温度传感器。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/08/201308092213_457069_1604036_3.jpg实用案例:在Shimadzu的泵或者检测器模块前部右下角可以看到一个红色的小元件,是漏液传感器,其实就是负温度系数的热敏电阻。漏液传感器内使用了两个热敏电阻,有一个的位置比较低,如果系统泄漏,液体附着在热敏电阻的表面,液体的蒸发使得元件的温度降低,电阻阻值增大,系统检测到这一变化(其实是温度的变化),便认为系统泄漏。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/08/201308092214_457070_1604036_3.jpg3 集成电路的温度传感器集成电路的温度传感器,温度范围和热敏电阻相似。但是有较好的各器件之间的重复性和温度线性,应用场合越发广泛。小结: 简单介绍了常见的几种温度传感器原理
1.什么是线性NTC温度传感器? 线性温度传感器就是线性化输出的负温度系数(简称NTC)热敏元件,它实际上是一种线性温度-电压转换元件,就是说在通以工作电流(100uA)的条件下,元件的电压值随温度呈线性变化,从而实现了非电量到电量的线性转换。 2.线性NTC温度传感器的主要特点是什么? 这种温度传感器其主要特点就是在工作温度范围内温度-电压关系为一直线,这对于二次开发测温、控温电路的设计,将无须线性化处理,就可以完成测温或控温电路的设计,从而简化仪表的设计和调试。 3.线性NTC温度传感器的测温范围是如何规定的? 就总的而言,测温范围可在-200~+200℃之间,但考虑实际的需要,一般无须如此宽的温度范围,因而规定三个不同的区段,以适应不同封装设计,同时在延长线的选用上亦有所不同。而对于温度补偿专用的线性热敏元件,则只设定工作温度范围为-40℃~+80℃。完全可以满足一般电路的温度补偿之用。 4.延长线的选用应遵循什么原则? 一般的在-200~+20℃、-50~+100℃宜选用普通双胶线;在100~200℃范围内应选用高温线。 5.基准电压的含义是什么? 基准电压是指传感器置于0℃的温场(冰水混合物),在通以工作电流(100μA)的条件下,传感器上的电压值。实际上就是0点电压。其表示符号为V(0),该值出厂时标定,由于传感器的温度系数S相同,则只要知道基准电压值V(0),即可求知任何温度点上的传感器电压值,而不必对传感器进行分度。其计算公式为:V(T)=V(0)+S×T示例:如基准电压V(0)=700mV;温度系数S=-2mV/℃,则在50℃时,传感器的输出电压V(50)=700—2×50=600(mV)。这一点正是线性温度传感器优于其它温度传感器的可贵之处。 6.温度系数S的含义是什么? 温度系数S是指在规定的工作条件下,传感器的输出电压值的变化与温度变化的比值,即温度每变化1℃传感器的输出电压变化之值: S=△V/△T(mV/℃)。温度系数是线性温度传感器做为温度测量元件的物理基础,其作用与热敏电阻的B值相似,这个参数在整个工作温度范围内是同一值,即-2mV/℃,而且各种型号的传感器也是同一值,这一点传统的热敏电阻温度传感器是无可比拟的。 7.互换精度这一参数有什么意义? 互换精度是指在同一工作条件下(同一工作电流、同一温场)对于同一个确定的理想拟合直线,每一只传感器的电压V(T)—温度T曲线与该直线的最大偏差,这个偏差通常按传感器的温度—电压转换系数S折合成温度来表示。由于传感器的输出线性化及温度—电压转换系数相同,即在测温范围内全程互换,所以互换精度表示了基准电压值的离散程度,即用基准电压值的离散值折合成温度值的大小来描述整批传感器之间的互换程度。一般分为三级:I级的互换偏差不大于0.3℃;J级不大于0.5℃;K级不大于1.0℃。 8.线性度的意义是什么? 线性度是描述传感器的输出电压值随温度变化的线性程度,实际上也就是传感器输出电压在工作温度范围内相对于理想拟合直线的最大偏差。一般情况下,其线性度的典型值为±0.5%,很显然传感器的线性度越高(其值越小),对于仪表的设计就越简单,在仪表的输入级完全不必采用线性化处理。 9.为什么说线性温度传感器是规范化输出? 所谓规范化输出,就是在0℃温度点上传感器在规定的工作条件下,输出的电压值仅限于某一小范围内,即使不互换,其基准电压值仅限定在690-710mV之间,这样在电路设计时,易于在宏观上把握传感器的输出情况,不论在桥路设计还是温度补偿,只要在690-710mV之间考虑,在调试中稍加调整即可。而不象普通的热敏电阻由于型号不同,其阻值也不同,针对不同的型号,需进行不同的设计计算。所以线性温度传感器的规范化输出,可以使仪表电路实现规范化设计。 10.用户如何检验线性温度传感器? 用户在购买传感器后,可在恒流的条件下,依温区的大小,采用两点或三点测试,以检验互换精度、线性度和温度系数。一般情况下,最简单的检验方法只要检验基准电压值即可。而所有电气参数,在交货时均有随货参数表(合格证),以提供该批传感器的详细参数指标。对测试条件有如下要求:恒流源:100μA±0.5%;恒温温场:波动度:≤±0.05℃;测试仪表:41/2或51/2数字电压表。 11.实际使用温度传感器是否一定要采用恒流源供电? 一般情况下是不必要的,桥路恒压供电完全可以(参见图1、图2)。这是因为在100μA左右的电流条件下,传感器的温度—电压转换系数变化量很小,可以给一个实测数量级的概念:在100μA时 S=-2mV/℃在40μA 时 S=-2.1mV/℃在1000μA时S=-1.9mV/℃而在实际的桥路恒压供电时,其电流变化不会有如此大的幅度。恒压供电时,传感器负载电阻值如何确定? 恒压供电时,负载电阻接在电源与传感器正极之间,信号从传感器正极与负极之间输出,设计电阻值R时,以在0C时使传感器工作电流为100μA即可。如传感器的基准电压为V(0)(mV),恒压源为VDD(mV),则R=(VDD-V(0))(mV)/0.1(mA)。对于计算出的电阻值R,如果实际的电阻没有这种阻值,可就近阻值选用,对测温精度没有影响。 12.线性温度补偿元件做为电路温度补偿有什么优越性? 这主要考虑热敏元件的输出规范化及温度系数的一致性,便于设计。另外,由于温度系数与晶体管电路中的晶体管基、射极电压的温度系数相同,做为稳定晶体管电路的工作点的基极偏流元件是非常合适的。而将几只元件串联使用,可以通过并联电位器方式,通过电位器的调节出不同的温度系数,以实现精确的温度补偿作用(参见图3)。这种温度系数可调的补偿元件,无须繁杂设计,对元件的工作电流也无严格要求,这也是这种线性热敏元件用于温度补偿的一大优点。 13.稳定性的含义是什么? 稳定性是指传感器的基准电压值年漂移量,这个漂移量再按温度—电压转换系数折合成温度值,即稳定性=±△V/S/年。线性温度传感器的稳定性为±0.05℃/年。这一参数描述了传感器在各种使用条件下保持原有特性的能力。 14.长线传输对传感器信号是否有影响? 应当说影响不大,一般情况下传输距离可达1000米以上。如果距离再远,可以考虑将传感器输出的信号在当地转换成数字量,这样可以方便地实现更远距离的传输。
[align=center][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]常用温度传感器[/font][font='Times New Roman'] [font=Times New Roman]—— [/font][/font][font=宋体]热敏电阻温度传感器[/font][/align][align=center][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]概述[/font][/font][/align][font=宋体]热敏电阻是利用金属氧化物半导体材料的电阻值随温度变化特性制成的热敏元件,与常见的热电阻相比,其电阻温度系数更高,可以获得更高的温度检测灵敏度。热敏电阻成本较低、阻值随温度变化的曲线呈非线性、不同元件之间的特性分散性较大、可测量温度范围较低,一般用于室温或者色谱仪的某些工作于较低温度的辅助单元。[/font][align=center][font=宋体]简介[/font][/align][font=宋体][font=宋体]热敏电阻是金属氧化物半导体材料制成的测温元件,与热电阻(例如铂电阻)测温原理类似,温度变化会改变其电阻值。一般分为负温度系数([/font][font=Times New Roman]NTC[/font][font=宋体])热敏电阻、正温度系数([/font][font=Times New Roman]PTC[/font][font=宋体])热敏电阻和临界温度([/font][font=Times New Roman]CTR[/font][font=宋体])热敏电阻三类。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]各类型的热敏电阻温度特性曲线如图[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]所示,[/font][font=Times New Roman]CTR[/font][font=宋体]热敏电阻在工作温度范围内,当温度超过确定数值时,其电阻值发生急剧变化,主要用于温度开关。[/font][font=Times New Roman]PTC[/font][font=宋体]热敏电阻在工作温度范围内阻值随温度上升而增大,常用于电气设备的过热保护、电路中的限流元件或发热源的定温控制。[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]NTC[/font][font=宋体]热敏电阻温度特性与[/font][font=Times New Roman]PTC[/font][font=宋体]相反,在工作温度范围内,电阻随温度升高而降低,并且其低温下电阻值较高,电阻值随温度的变化率较大,常用于温度补偿或者温度测量领域。因其较大的电阻变化率,容易得到较高的测温精度。[/font][/font][align=center][img=,264,244]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211231550112039_9513_1604036_3.jpg!w551x510.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]1 [/font][font=宋体]热敏电阻温度特性曲线[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]热敏电阻可根据使用要求,封装加工成各种形式的探头,例如棒状、盘装、珠装等,其尺寸较小、响应速度快、灵敏度高,典型外观如图[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]所示。其工作温度范围为[/font][font=Times New Roman]-50~350[/font][font=宋体]℃,高精度测定温度情况下建议使用温度不超过[/font][font=Times New Roman]150[/font][font=宋体]℃。热敏电阻一般常用于数值较低范围温度的检测,例如实验室室温检测或者色谱仪内部器件散热片或仪器外壳的温度测定。[/font][/font][align=center][img=,278,132]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211231550224349_7538_1604036_3.jpg!w535x253.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]2 [/font][font=宋体]热敏电阻外观[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]某些分析条件需要[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]或者[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相色谱仪[/color][/url]的柱温箱工作温度于接近室温(例如[/font][font=Times New Roman]35[/font][font=宋体]℃),此种情况下高稳定性和高精度的温度控制较为困难,实验室室温的变化会影响柱温箱的温度稳定和控制精度。色谱控制系统需要根据室温的数值确定柱温箱温度的控制参数,此种场合下,测定室温经常会用到热敏电阻用于柱温箱温度的辅助控制。[/font][/font][font=宋体][font=宋体]某些电气或者光学部件(例如[/font][font=Times New Roman]FPD[/font][font=宋体]检测器的干涉滤光片、[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相色谱仪[/color][/url]的氘灯等部件)要求的工作环境温度较低,基于对部件的保护,热敏电阻一般会安装在这些部件的散热片上。当意外情况发生(例如断电或者散热风扇损坏)使部件温度超过其保护温度时,色谱系统将会自动启动散热风扇或者发出报警。[/font][/font][font=宋体]某些型号的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相色谱仪[/color][/url]使用热敏电阻作为漏液传感器,实质利用了热敏电阻的测温原理。当[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相色谱[/color][/url]系统发生泄漏,泄漏出的液体接触热敏电阻表面,由于液体蒸发造成热敏电阻表面温度降低,色谱系统感知到其温度变化,会触发漏液报警。[/font][font=宋体][font=宋体]此外还有利用[/font][font=Times New Roman]PN[/font][font=宋体]结温度特性制成的半导体热敏元件,称为固态温度传感器或集成温度传感器。硅管的[/font][font=Times New Roman]PN[/font][font=宋体]结的结电压在温度每升高[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]℃时下降约[/font][font=Times New Roman]2mV[/font][font=宋体],利用此特性,可以将硅二极管或者三极管制成[/font][font=Times New Roman]PN[/font][font=宋体]结温度传感器,其尺寸较小、线性良好、时间常数短、灵敏度高,测温范围一般为[/font][font=Times New Roman]-50~150[/font][font=宋体]℃。其安装位置和使用场合与热敏电阻传感器相同。[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体]小结[/font][/align][font=宋体]简单说明热敏电阻和固态温度传感器的原理。[/font]