溫度感應器 ( NTC / 熱電阻 ) 概念, 發展與分類

我. 溫度感測器的基本概念
1. 溫度
溫度是表示物體冷熱程度的物理量. 顯微鏡下, 它是物體分子熱運動的強度. 溫度越高, 物體內部分子的熱運動越劇烈.

溫度只能透過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量, 而用來測量物體溫度值的標度稱為溫標. 它指定了起點 (零點) 溫度讀數和測量溫度的基本單位. 國際單位為熱力學尺度 (K). 目前國際上更廣泛使用的其他溫標是華氏溫標 (°F), 攝氏度 (℃) 和國際實用溫標.

從分子運動理論的角度, 溫度是物體分子運動平均動能的標誌. 溫度是大量分子熱運動的集體表現，具有統計意義.

仿真圖: 在一個封閉的空間裡, 高溫時氣體分子的運動速度比低溫時快!

帶有不銹鋼管探頭套件的 NTC 溫度感測器

帶有 ABS 外殼探頭線 105° 的 NTC 溫度感測器

具有 SEMITEC 熱敏電阻的 NTC 溫度感測器

2. 溫度感應器
溫度感測器是指能夠感知溫度並將其轉換成可用的輸出訊號的感測器. 是實現溫度檢測與控制的重要裝置. 在種類繁多的感測器中, 溫度感測器是應用最廣泛、成長最快的感測器之一. 在工業生產的自動化過程中, 溫度測量點約佔所有測量點的一半.

3. 溫度感測器的組成

二. 溫度感測器的開發
對熱和冷的感知是人類經驗的基礎, 但找到一種測量溫度的方法卻難倒了許多偉人. 目前尚不清楚是古希臘人還是中國人首先找到了測量溫度的方法, 但有記錄顯示溫度感測器的歷史始於文藝復興時期.

我們從溫度測量面臨的挑戰開始, 然後從不同方面介紹溫度感測器的發展歷史 [來源: OMEGA 工業測量白皮書文件]:

1. 測量的挑戰
熱量用於測量整體或物體所含的能量. 能量越大, 溫度越高. 然而, 與質量和長度等物理屬性不同, 熱很難直接測量, 所以大多數測量方法都是間接的, 透過觀察物體加熱的效果來推斷溫度. 所以, 熱量的測量標準一直是個挑戰.

在 1664, 羅伯特胡克提出使用水的冰點作為溫度的參考點. Ole Reimer 認為應該確定兩個不動點, 他選擇了虎克的冰點和水的沸點. 然而, 如何測量冷熱物體的溫度一直是個難題. 在19世紀, 蓋-呂薩克等科學家, 是誰研究了氣體定律, 發現當氣體在恆壓下加熱時, 溫度升高 1 攝氏度，體積增加 1/267 (後來修改為 1/273.15), 和概念 0 導出度-273.15℃.

2. 觀察擴張: 液體和雙金屬
據報道, 據信伽利略製造了一種可以顯示周圍溫度變化的裝置 1592. 該裝置透過控制容器內空氣的收縮來影響水柱, 水柱的高度表示冷卻程度. 但由於該裝置容易受到氣壓的影響, 只能算是新奇的玩具.

我們所知的溫度計是由義大利的 Santorio Santorii 發明的。 1612. 他將液體密封在玻璃管中並觀察其膨脹時的運動.

在管子上放一些刻度可以更容易看到變化, 但係統仍缺乏精確的單位. 與 Reimer 合作的是 Gabriel Fahrenheit. 他開始使用酒精和水銀作為液體來生產溫度計. 水星是完美的，因為它對大範圍內的溫度變化具有線性響應, 但它有劇毒, 所以現在用得越來越少. 正在研究其他替代液體, 但它仍然被廣泛使用.

雙金屬溫度感測器發明於 1800 年代末. 它利用了兩個金屬板連接時的不均勻膨脹. 溫度變化導致金屬板彎曲, 可用於啟動類似於燃氣格柵中使用的恆溫器或儀表. 這個感測器的精度不高, 可能正負兩度, 但也因其低廉的價格而被廣泛使用.

3. 熱電效應
1800年代初, 電力是一個令人興奮的領域. 科學家發現不同的金屬有不同的電阻和電導率. 在 1821, 托馬斯·約翰·塞貝克發現了熱電效應, 即不同的金屬可以連接在一起並放置在不同的溫度下以產生電壓. 戴維證明了金屬電阻率與溫度之間的相關性. 貝克勒爾提出使用鉑-鉑熱電偶進行溫度測量, 實際的設備是由利奧波德 (Leopold) 在 1829. 鉑也可用於電阻溫度偵測器, 邁爾斯發明於 1932. 它是測量溫度最準確的感測器之一.

線繞 RTD 很脆弱，因此不適合工業應用. 近年來薄膜 RTD 的發展, 不如線繞 RTD 準確, 但更穩健. 20世紀也發明了半導體測溫裝置. 半導體測溫元件響應溫度變化，精度高, 但直到最近, 他們缺乏線性.

4. 熱輻射
非常熱的金屬和熔融金屬會產生熱量, 散發熱量和可見光. 在較低溫度下, 它們也輻射熱能, 但波長更長. 英國天文學家威廉赫歇爾發現 1800 那個這個 “模糊” 光或紅外光產生熱量.

與同胞梅洛尼一起工作, 羅貝利發現了一種透過串聯熱電偶形成熱電堆來檢測輻射能量的方法. 這是隨後在 1878 透過輻射熱測量計. 由美國人塞繆爾·蘭利發明, 這使用了兩條白金條, 單臂橋佈置中的一個被燻黑. 紅外線輻射加熱產生可測量的電阻變化. 輻射熱測量計對各種紅外線波長都很敏感.

相比之下, 輻射量子探測器類型的裝置, 自 20 世紀 40 年代以來開發, 僅對有限波段內的紅外光做出反應. 今天, 廉價的高溫計被廣泛使用, 隨著熱像儀價格的下降，這種情況會變得更加嚴重.

5. 溫標
華氏度製作溫度計時, 他意識到他需要一個溫標. 他設定 30 鹽水的冰點以上 180 鹽水的沸點為度. 25 幾年後, 安德斯·攝爾修斯建議使用以下等級： 0-100, 和今天的 “攝氏度” 也以他的名字命名.

之後, 威廉湯姆森 (William Thomson) 發現了在天平一端設置固定點的好處, 然後開爾文提出設置 0 度作為攝氏系統的起點. 這形成了當今科學中使用的開爾文溫標.

三、. 溫度感測器的分類
溫度感測器有很多種類型, 根據不同的分類標準有不同的名稱.

1. 依測量方法分類
依測量方法分, 他們可以分為兩類: 接觸式和非接觸式.

(1) 接觸式溫度感測器:

感測器直接接觸被測物體來測量溫度. 當被測物體的熱量傳遞到感測器時, 被測物體的溫度降低. 尤其, 當被測物體的熱容較小時, 測量精度低. 所以, 這種方式測量物體真實溫度的前提是被測物體的熱容夠大.

(2) 非接觸式溫度感測器:
主要利用被測物體熱輻射所發出的紅外線輻射來測量物體的溫度, 並且可以遠程測量. 其製造成本較高, 但測量精度較低. 優點是不吸收被測物體的熱量; 不干擾被測物體的溫度場; 連續測量不產生消耗; 它的反應很快, ETC.

2. 依不同物理現象分類
另外, 有微波溫度感測器, 噪音溫度感測器, 溫度圖溫度感測器, 熱流量計, 噴射溫度計, 核磁共振溫度計, 穆斯堡爾效應溫度計, 約瑟夫森效應溫度計, 低溫超導轉換溫度計, 光纖溫度感測器, ETC. 其中一些溫度感測器已被應用, 有些仍在開發中.

防水的, 防腐RTD PT100溫度感測器

RTD PT100 溫度感測器 1-2 NPT 外螺紋連接

PT100 溫度感測器 RTD 探頭 6 英制探頭長度

100 歐姆 A 類鉑元件 (PT100)
溫度係數, 一個= 0.00385.
304 不鏽鋼護套
具有應力消除功能的堅固過渡接頭
探頭長度 – 6 英吋 (152 毫米) 或者 12 英吋 (305毫米)
探頭直徑 1/8 英吋 (3 毫米)
三線 72 英吋 (1.8米) 引線端接於平接線片
溫度等級 : 660°F (350℃)

PT100 系列是帶有不銹鋼護套和 100 歐姆鉑RTD元件. PT100-11 可提供 6 或者 12 英制探頭長度. 這些探頭具有 3 毫米直徑的護套，由 304 不銹鋼, 將探頭連接到引線的重型過渡接頭，以及 72 英寸長的引線，末端帶有顏色編碼的鏟形接線片. A 類感測器元件用於提供高精度測量.

PT100 探頭非常適合工業環境. RTD 是基於電阻的感測器，因此電噪聲對訊號品質的影響最小. 三線引線設計可補償引線電阻，允許更長的引線運行，而不會對精度產生重大影響. 堅固的過渡接頭帶有彈簧線應力消除裝置，可在導線和探頭之間實現機械性能良好的連接.