线性NTC温度传感器使用指南
大连和华电气制造公司
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 (其特性曲线如下图)
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16项传感器信号处理电路).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.
15.民品级与工业级使用中的差异是什么?
主要是互换精度不同,对于单台仪表进行大批量群测的应用场合,且测试精度要求较高的工业环境,建议使用工业级;而一台表仅用一支传感器批量大可靠性要求很高的民用产品,建议使用民品级.
16.传感器信号处理电路
注:该桥路是通过R2将传感器的基准电压值V(0)予以抵消,即调整R2上的电压等于传感器的基准电压值,这样使桥路输出在0C时为0V,然后按-2mV/C输出到放大器或下一级电路.如果做为控温电路设计,则R2上的电压输出到比较器的同相端,传感器的输出接入比较器的反相端,R2的选取依控温点的电压而定,可用公式计算V(T)=V(0)+S×T得到,其中 V(0)是传感器的基准电压值(出厂时给定),S为传感器的电压温度系数(出厂时给定),T 为控温点温度值.建议R2采用多圈电位器,以便对控温点进行更准确的设定.
17.线性NTC温度传感器是否可取代热敏电阻、热电偶、及其它热电阻?
在-200~+200C的温度范围内完全可以取代,不须对原电路做重大改动,而且不用对传感器做线性化处理,只要基准电压值和电压温度系数这两个参数就可以设计电路,这两个参数在出厂时厂家给予标定,而且对同一用户,不同批次的产品该参数不变.
