11-06:超快响应速度温度传感器探索

人类对世界的探索是永无止境的,当我们有个各种不错的温度传感器的时候,我们想要更快响应速度的温度传感器。

1.问题背景

有一个非常短的管道,使气体通过这个管道,一端是输入口,另一端是输出口。通过给管道加热来给管道内的气体加温。假设设置管道加热温度为200°C,现在我想知道输出端口气体的精准温度,以完成后续的相关工作。

2.问题分析

仅仅在输出端口放一个普通接触式温度传感器是不行的,因为从管道出气口出来的气体其温度会非常迅速地扩散开来。接触式温度传感器工作需要一个缓变的过程,因此是不适用的。这里需要的是一种响应速度非常非常快的温度传感器,而不是像接触式温度传感器那样,器件需要花点时间感受到这个温度再反应出来。

3.对温度传感器的宏观认识

①按测量方式分类

温度传感器按测量方式分类 可分成两种:

  • 接触式
  • 非接触式

1.接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触,通过传导或对流达到热平衡,从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。
举例:水银温度计,双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等
优点:测量精度较高;在一定的测温范围内,可测量物体内部的温度分布;
缺点:对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差
2.非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触,最常见的非接触式测温传感器是基于黑体辐射的基本定律。

各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体(吸收全部辐射并不反射光的物体)所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度,则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长,而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关,因此很难精确测量。

优点:可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速(瞬变)对象的表面温度,也可用于测量温度场的温度分布。测量上限不受感温元件耐温程度的限制。

②按传感器材料及电子元件特性分类

按照传感器材料及电子元件特性分两大类:

  • 热电阻
  • 热电偶

1.热敏电阻是半导体材料,其电阻值随温度变化而改变,通过测量其阻值推算出被测物体的温度。大多为负温度系数,即阻值随温度增加而降低。这种传感器主要用于-200—500℃温度范围内的温度测量。目前,在工业中应用最广的铂和铜,并已制作成标准测温热电阻。
优点:温度变化会造成大的阻值改变,因此它是最灵敏的温度传感器。体积小,很快可以稳定,不会造成热负载。
缺点:线性度极差,且与生产工艺有很大关系。大电流会造成自热,因此限制使用小的电流源。若热敏电阻暴露在高热中,将导致永久性的损坏,不能测高温。
2.电偶是最简单和最通用的温度传感器,但热电偶并不适合高精度的的测量和应用。

工作原理:当有两种不同的导体或半导体组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为T,称为工作端或热端,另一端温度为T_0,称为自由端或冷端,则回路中就有电流产生,即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与之相关的还有珀尔帖效应和汤姆逊效应。

  • 珀尔帖效应:当有电流流过两个不同导体的连接处时,此处会吸收或放出热量(取决于电流的方向)。
  • 汤姆逊效应:当有电流流过存在温度梯度的导体时,导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向)。

优点:宽温度范围,适应各种大气环境,结实,价低,无需供电,非常便宜。

②按传感器输出信号的模式分类

按温度传感器输出信号的模式分类可分成三种:

  • 数字式温度传感器
  • 逻辑输出温度传感器
  • 模拟式温度传感器

1.数字式温度传感器采用硅工艺生产,常用PTAT结构。PTAT的输出通过占空比比较器调制成数字信号,占空比与温度的关系如下式:DC=0.32 0.0047*tt为摄氏度。输出数字信号故与微处理器MCU兼容,通过处理器的高频采样可算出输出电压方波信号的占空比,即可得到温度。优点:精确,有良好的输出特性。
2.逻辑输出温度传感器不关系温度具体是多少,而关系温度是否超出了一个设定范围,一旦温度超出所规定的范围,则发出报警信号,启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备。
3.模拟式温度传感器,如热电偶、热敏电阻等。缺点:在一些温度范围内线性不好,需要进行冷端补偿或引线补偿;热惯性大,响应时间慢。因此,出现了集成模拟温度传感器。
集成模拟温度传感器优点:灵敏度高、线性度好、响应速度快。将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上,使用方便。
常见的集成模拟温度传感器:

  • 电压输出型:LM3911、LM335、LM45、AD22103
  • 电流输出型:AD590

总结:要根据使用的场景和我们的需求来挑选合适的温度传感器。温度传感器在安装和使用时,可能会出现安装不当引入的误差、热阻误差、绝缘变差而引入的误差、热惰性引入的误差,这也是需要考虑的。

4.非接触式温度传感器

综合考虑我们所面对的问题和不同温度传感器的优缺点,我认为我们需要一种非接触式的温度传感器。

未完待续!