温度感应器 ( NTC / 热电阻 ) 概念, 发展与分类

我. 温度传感器的基本概念
1. 温度
温度是表示物体冷热程度的物理量. 显微镜下, 它是物体分子热运动的强度. 温度越高, 物体内部分子的热运动越剧烈.

温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量, 而用来测量物体温度值的标度称为温标. 它指定了起点 (零点) 温度读数和测量温度的基本单位. 国际单位是热力学尺度 (K). 目前国际上更广泛使用的其他温标是华氏温标 (°F), 摄氏度 (℃) 和国际实用温标.

从分子运动理论的角度, 温度是物体分子运动平均动能的标志. 温度是大量分子热运动的集体表现，具有统计意义.

仿真图: 在一个封闭的空间里, 高温时气体分子的运动速度比低温时快!

带不锈钢管探头套件的 NTC 温度传感器

带 ABS 外壳探头线 105° 的 NTC 温度传感器

带 SEMITEC 热敏电阻的 NTC 温度传感器

2. 温度感应器
温度传感器是指能够感知温度并将其转换成可用的输出信号的传感器. 是实现温度检测和控制的重要装置. 在种类繁多的传感器中, 温度传感器是应用最广泛、增长最快的传感器之一. 在工业生产的自动化过程中, 温度测量点约占所有测量点的一半.

3. 温度传感器的组成

二. 温度传感器的开发
对热和冷的感知是人类经验的基础, 但找到一种测量温度的方法却难倒了许多伟人. 目前尚不清楚是古希腊人还是中国人首先找到了测量温度的方法, 但有记录表明温度传感器的历史始于文艺复兴时期.

我们从温度测量面临的挑战开始, 然后从不同方面介绍温度传感器的发展历史 [来源: OMEGA 工业测量白皮书文件]:

1. 测量的挑战
热量用于测量整体或物体所含的能量. 能量越大, 温度越高. 然而, 与质量和长度等物理属性不同, 热量很难直接测量, 所以大多数测量方法都是间接的, 通过观察物体加热的效果来推断温度. 所以, 热量的测量标准一直是一个挑战.

在 1664, 罗伯特胡克提出使用水的冰点作为温度的参考点. Ole Reimer 认为应该确定两个不动点, 他选择了胡克的冰点和水的沸点. 然而, 如何测量冷热物体的温度一直是一个难题. 在19世纪, 盖-吕萨克等科学家, 谁研究了气体定律, 发现当气体在恒压下加热时, 温度升高 1 摄氏度，体积增加 1/267 (后来修改为 1/273.15), 和概念 0 导出度-273.15℃.

2. 观察扩张: 液体和双金属
据报道, 据信伽利略制造了一种可以显示周围温度变化的装置 1592. 该装置通过控制容器内空气的收缩来影响水柱, 水柱的高度表示冷却程度. 但由于该装置容易受到气压的影响, 只能算是一个新奇的玩具.

我们所知道的温度计是由意大利的 Santorio Santorii 发明的。 1612. 他将液体密封在玻璃管中并观察其膨胀时的运动.

在管子上放一些刻度可以更容易地看到变化, 但系统仍然缺乏精确的单位. 与 Reimer 合作的是 Gabriel Fahrenheit. 他开始使用酒精和水银作为液体来生产温度计. 水星是完美的，因为它对大范围内的温度变化具有线性响应, 但它有剧毒, 所以现在用得越来越少. 正在研究其他替代液体, 但它仍然被广泛使用.

双金属温度传感器发明于 1800 年代末. 它利用了两个金属板连接时的不均匀膨胀. 温度变化导致金属板弯曲, 可用于激活类似于燃气格栅中使用的恒温器或仪表. 这个传感器的精度不高, 可能正负两度, 但也因其低廉的价格而被广泛使用.

3. 热电效应
1800年代初期, 电力是一个令人兴奋的领域. 科学家发现不同的金属具有不同的电阻和电导率. 在 1821, 托马斯·约翰·塞贝克发现了热电效应, 即不同的金属可以连接在一起并放置在不同的温度下以产生电压. 戴维证明了金属电阻率与温度之间的相关性. 贝克勒尔提出使用铂-铂热电偶进行温度测量, 实际的设备是由利奥波德 (Leopold) 在 1829. 铂还可用于电阻温度探测器, 迈尔斯发明于 1932. 它是测量温度最准确的传感器之一.

线绕 RTD 很脆弱，因此不适合工业应用. 近年来薄膜 RTD 的发展, 不如线绕 RTD 准确, 但更稳健. 20世纪还发明了半导体测温装置. 半导体测温器件响应温度变化，精度高, 但直到最近, 他们缺乏线性.

4. 热辐射
非常热的金属和熔融金属会产生热量, 散发热量和可见光. 在较低温度下, 它们还辐射热能, 但波长更长. 英国天文学家威廉·赫歇尔发现 1800 那个这个 “模糊” 光或红外光产生热量.

与同胞梅洛尼一起工作, 罗贝利发现了一种通过串联热电偶形成热电堆来检测辐射能的方法. 这是随后在 1878 通过辐射热测量计. 由美国人塞缪尔·兰利发明, 这使用了两条铂金条, 单臂桥布置中的一个被熏黑. 红外辐射加热产生可测量的电阻变化. 辐射热测量计对各种红外波长都很敏感.

相比之下, 辐射量子探测器类型的装置, 自 20 世纪 40 年代以来开发, 仅对有限波段内的红外光做出反应. 今天, 廉价的高温计被广泛使用, 随着热像仪价格的下降，这种情况会变得更加严重.

5. 温标
当华氏度制作温度计时, 他意识到他需要一个温标. 他设定 30 盐水的冰点及以上 180 盐水的沸点为度. 25 几年后, 安德斯·摄尔修斯建议使用以下等级： 0-100, 和今天的 “摄氏度” 也以他的名字命名.

之后, 威廉·汤姆森 (William Thomson) 发现了在天平一端设置固定点的好处, 然后开尔文提出设置 0 度作为摄氏度系统的起点. 这形成了当今科学中使用的开尔文温标.

三、. 温度传感器的分类
温度传感器有很多种类型, 根据不同的分类标准有不同的名称.

1. 按测量方法分类
按测量方法分, 他们可以分为两类: 接触式和非接触式.

(1) 接触式温度传感器:

传感器直接接触被测物体来测量温度. 当被测物体的热量传递到传感器时, 被测物体的温度降低. 尤其, 当被测物体的热容较小时, 测量精度低. 所以, 这种方式测量物体真实温度的前提是被测物体的热容足够大.

(2) 非接触式温度传感器:
主要利用被测物体热辐射所发出的红外辐射来测量物体的温度, 并且可以远程测量. 其制造成本较高, 但测量精度较低. 优点是不吸收被测物体的热量; 不干扰被测物体的温度场; 连续测量不产生消耗; 它的响应速度很快, ETC.

2. 按不同物理现象分类
此外, 有微波温度传感器, 噪声温度传感器, 温度图温度传感器, 热流量计, 喷射温度计, 核磁共振温度计, 穆斯堡尔效应温度计, 约瑟夫森效应温度计, 低温超导转换温度计, 光纤温度传感器, ETC. 其中一些温度传感器已被应用, 有些仍在开发中.

防水的, 防腐RTD PT100温度传感器

RTD PT100 温度传感器 1-2 NPT 外螺纹连接

PT100 温度传感器 RTD 探头 6 英制探头长度

100 欧姆 A 类铂元件 (PT100)
温度系数, 一个= 0.00385.
304 不锈钢护套
带应力消除功能的坚固过渡接头
探头长度 – 6 英寸 (152 毫米) 或者 12 英寸 (305毫米)
探头直径 1/8 英寸 (3 毫米)
三线 72 英寸 (1.8米) 引线端接于平接线片
温度等级 : 660°F (350℃)

PT100 系列是带有不锈钢护套和 100 欧姆铂RTD元件. PT100-11 可提供 6 或者 12 英制探头长度. 这些探头具有 3 毫米直径的护套，由 304 不锈钢, 将探头连接到引线的重型过渡接头，以及 72 英寸长的引线，末端带有颜色编码的铲形接线片. A 类传感器元件用于提供高精度测量.

PT100 探头非常适合工业环境. RTD 是基于电阻的传感器，因此电噪声对信号质量的影响最小. 三线引线设计可补偿引线电阻，允许更长的引线运行，而不会对精度产生重大影响. 坚固的过渡接头带有弹簧线应力消除装置，可在导线和探头之间实现机械性能良好的连接.