温度传感器选用指南

温度传感器选用指南
选择温度传感器比选择其它类型的传感器所需要考虑的内容更多。首先，必须选择传感器的结构，使敏感元件的规定的测量时间之内达到所测流体或被测表面的温度。温度传感器的输出仅仅是敏感元件的温度。实际上，要确保传感器指示的温度即为所测对象的温度，常常是很困难的。

在大多数情况下，对温度传感器的选用，需考虑以下几个方面的问题：
（ 1 ） 被测对象的温度是否需记录、报警和自动控制，是否需要远距离测量和传送。
（ 2 ） 测温范围的大小和精度要求。
（ 3 ） 测温元件大小是否适当。
（ 4 ） 在被测对象温度随时间变化的场合，测温元件的滞后能否适应测温要求。
（ 5 ） 被测对象的环境条件对测温元件是否有损害。
（ 6 ） 价格如何，使用是否方便。

容器中的流体温度一般用热电偶或热电阻探头测量，但当整个系统的使用寿命比探头的预计使用寿命长得多时，或者预计会相当频繁地拆卸出探头以校准或维修却不能在容器上开口时，可在容器壁上安装长久性的热电偶套管。用热电偶套管会显著地延长测量的时间常数。当温度变化很慢而且热导误差很小时，热电偶套管不会影响测量的**度，但如果温度变化很迅速，敏感元件跟踪不上温度的迅速变化，而且导热误差又可能增加时，测量**度就会受到影响。因此要权衡考虑可维修性和测量精度这两个因素。

热电偶或热电阻探头的全部材料都应与可能和它们接触的流体适应。使用裸露元件探头时，必须考虑与所测流体接触的各部件材料（敏感元件、连接引线、支撑物、局部保护罩等）的适应性，使用热电偶套管时，只需要考虑套管的材料。

电阻式热敏元件在浸入液体及多数气体时，通常是密封的，至少要有涂层，裸露的电阻元件不能浸入导电或污染的流体中，当需要其快速响应时，可将它们用于干燥的空气和有限的几种气体及某些液体中。电阻元件如用在停滞的或慢速流动的流体中，通常需有某种壳体罩住以进行机械保护。

当管子、导管或容器不能开口或禁止开口，因而不能使用探头或热电偶套管时，可通过在外壁钳夹或固定一个表面温度传感器的方法进和测量。为了确保合理的测量精度，传感器必须与环境大气热隔离并与热辐射源隔离，而且必须通过传感器的适当设计与安装使壁对敏感元件的热传导达到到*佳状态。
所测的固体材料可以是金属的或非金属的，任何类型的表面温度传感器都会在某种程度上改变被测物表面或表面下层的材料特性。因此，必须对传感器及其安装方法进行适当的选择以便将这种干扰减到*小程度。理想的传感器应该完全用与所测固体相同的材料制造并与材料形成一体，这样测量点或其周围的结构特征就不会以任何方式改变。可用的这类传感器有各种各样，其中包括电阻（薄膜热电阻、温度传感器）型，也包括薄膜和细导线型的热电偶。用可埋入的小传感器或带螺纹的镶嵌件进行表面玉的温度测量，应使埋入的传咸器或镶嵌件的外缘与所测材料的外表面平齐。镶嵌件的材料应与所测的材料相同，至少要非常相似。使用垫圈式传感器时，必须注意确保垫圈所能达到的温度尽可能接近欲测温度。

温度传感器的选择主要是根据测量范围。当测量范围预计在总量程之内，可选用铂电阻传感器。较窄的量程通常要求传感器必须具有相当高的基本电阻，以便获得足够大的电阻变化。温度传感器所提供的足够大的电阻变化使得这些敏感元件非常适用于窄的测量范围。如果测量范围相当大时，热电偶更适用。*好将冰点也包括在此范围内，因为热电偶的分度表是以此温度为基准的。已知范围内的传感器线性也可作为选择传感器的附加条件。

响应时间通常用时间常数表示，它是选择传感器的另一个基本依据。当要监视贮槽中温度时，时间常数不那么重要。然而当使用过程中必须测量振动管中的温度时，时间常数就成为选择传感器的决定因素。珠型温度传感器和铠装露头型热电偶的时间常数相当小，而浸入式探头，特别是带有保护套管的热电偶，时间常数比较大。

动态温度的测量比较复杂，只有通过反复测试，尽量接近地模拟出传感器使用中经常发生的条件，才能获得传感器动态性能的合理近似。

NTC 负温度系数温度传感器

NTC 负温度系数温度传感器 工作原理

NTC 是 Negative Temperature Coefficient 的缩写 , 意思是负的温度系数 , 泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓 NTC 温度传感器器就是负温度系数温度传感器器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。 NTC 温度传感器器在室温下的变化范围在 10O~1000000 欧姆，温度系数 -2%~-6.5% 。 NTC 温度传感器器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。

NTC 负温度系数热敏电阻 专业术语

零功率电阻值 RT （ Ω ）

RT 指在规定温度 T 时，采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计的测量功率测得的电阻值。

电阻值和温度变化的关系式为：

RT = RN expB(1/T – 1/TN)

RT ：在温度 T （ K ）时的 NTC 热敏电阻阻值。
RN ：在额定温度 TN （ K ）时的 NTC 热敏电阻阻值。
T ：规定温度（ K ）。
B ： NTC 热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。
exp ：以自然数 e 为底的指数（ e = 2.71828 … ）。

该关系式是经验公式，只在额定温度 TN 或额定电阻阻值 RN 的有限范围内才具有一定的**度，因为材料常数 B 本身也是温度 T 的函数。

额定零功率电阻值 R25 （ Ω ）

根据国标规定，额定零功率电阻值是 NTC 热敏电阻在基准温度 25 ℃ 时测得的电阻值 R25 ，这个电阻值就是 NTC 热敏电阻的标称电阻值。通常所说 NTC 热敏电阻多少阻值，亦指该值。

材料常数（热敏指数） B 值（ K ）

B 值被定义为：

RT1 ：温度 T1 （ K ）时的零功率电阻值。
RT2 ：温度 T2 （ K ）时的零功率电阻值。
T1 ， T2 ：两个被指定的温度（ K ）。

对于常用的 NTC 热敏电阻， B 值范围一般在 2000K ～ 6000K 之间。

零功率电阻温度系数（ αT ）

在规定温度下， NTC 热敏电阻零动功率电阻值的相对变化与引起该变化的温度变化值之比值。

αT ：温度 T （ K ）时的零功率电阻温度系数。
RT ：温度 T （ K ）时的零功率电阻值。
T ：温度（ T ）。
B ：材料常数。

耗散系数（ δ ）

在规定环境温度下， NTC 热敏电阻耗散系数是电阻中耗散的功率变化与电阻体相应的温度变化之比值。

 δ ： NTC 热敏电阻耗散系数，（ mW/ K ）。
△P ： NTC 热敏电阻消耗的功率（ mW ）。
△T ： NTC 热敏电阻消耗功率 △P 时，电阻体相应的温度变化（ K ）。

热时间常数 (τ)

在零功率条件下，当温度突变时，热敏电阻的温度变化了始未两个温度差的 63.2% 时所需的时间，热时间常数与 NTC 热敏电阻的热容量成正比，与其耗散系数成反比。

τ ：热时间常数（ S ）。
C ： NTC 热敏电阻的热容量。
δ ： NTC 热敏电阻的耗散系数。

额定功率 Pn

在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许消耗的功率。在此功率下，电阻体自身温度不超过其*高工作温度。

*高工作温度 Tmax

在规定的技术条件下，热敏电阻器能长期连续工作所允许的*高温度。即 :

T0- 环境温度。

测量功率 Pm

热敏电阻在规定的环境温度下， 阻体受测量电流加热引起的阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计时所消耗的功率。
一般要求阻值变化大于 0.1% ，则这时的测量功率 Pm 为：  

电阻温度特性

NTC 热敏电阻的温度特性可用下式近似表示：

式中：
RT ：温度 T 时零功率电阻值。
A ：与热敏电阻器材料物理特性及几何尺寸有关的系数。　
B ： B 值。
T ：温度（ k ）。
更**的表达式为：

式中： RT ：热敏电阻器在温度 T 时的零功率电阻值。
　　　 T ：为**温度值， K ；
　　　 A 、 B 、 C 、 D ：为特定的常数。

热敏电阻的基本特性

电阻－温度特性

热敏电阻的电阻－温度特性可近似地用式 1 表示。

( 式 1) R=R_o exp {B(I/T-I/T_o)}

R	: 温度 T(K) 时的电阻值
Ro	: 温度 T0(K) 时的电阻值
B	: B 值
*T(K)= t(ºC)+273.15

但实际上，热敏电阻的 B 值并非是恒定的，其变化大小因材料构成而异，*大甚至可达 5K/°C 。因此在较大的温度范围内应用式 1 时，将与实测值之间存在一定误差。

此处，若将式 1 中的 B 值用式 2 所示的作为温度的函数计算时，则可降低与实测值之间的误差，可认为近似相等。

( 式 2) B_T=CT²+DT+E

上式中， C 、 D 、 E 为常数。
另外，因生产条件不同造成的 B 值的波动会引起常数 E 发生变化，但常数 C 、 D 不变。因此，在探讨 B 值的波动量时，只需考虑常数 E 即可。


•   常数 C 、 D 、 E 的计算
常数 C 、 D 、 E 可由 4 点的 ( 温度、电阻值 ) 数据 (T₀, R₀). (T₁, R₁). (T₂, R₂) and (T₃, R₃) ，通过式 3 ～ 6 计算。
首先由式样 3 根据 T₀ 和 T₁,T₂,T₃ 的电阻值求出 B₁,B₂,B₃, 然后代入以下各式样。




•   电阻值计算例

试根据电阻－温度特性表，求 25°C 时的电阻值为 5(kΩ) ， B 值偏差为 50(K) 的热敏电阻在 10°C ～ 30°C 的电阻值。

•   步 骤

(1) 根据电阻－温度特性表，求常数 C 、 D 、 E 。

T_o=25+273.15   T₁=10+273.15   T ₂=20+273.15   T₃=30+273.15

(2) 代入 B_T=CT²+DT+E+50 ，求 B_T 。

(3) 将数值代入 R=5exp {(B_TI/T-I/298.15)} ，求 R 。
*T : 10+273.15 ～ 30+273.15

•  电阻－温度特性图如图 1 所示

电阻温度系数

所谓电阻温度系数 (α) ，是指在任意温度下温度变化 1°C(K) 时的零负载电阻变化率。电阻温度系数 (α) 与 B 值的关系，可将式 1 微分得到。



这里 α 前的负号 ( － ) ，表示当温度上升时零负载电阻降低。

散热系数 (JIS-C2570)

散热系数 (δ) 是指在热平衡状态下，热敏电阻元件通过自身发热使其温度上升 1°C 时所需的功率。
在热平衡状态下，热敏电阻的温度 T₁ 、环境温度 T2 及消耗功率 P 之间关系如下式所示。



产品目录记载值为下列测定条件下的典型值。

(1)	25°C 静止空气中。
(2)	轴向引脚、经向引脚型在出厂状态下测定。

额定功率 (JIS-C2570)

在额定环境温度下，可连续负载运行的功率*大值。
产品目录记载值是以 25°C 为额定环境温度、由下式计算出的值。

( 式 ) 额定功率 = 散热系数 × （*高使用温度－ 25 ）

*大运行功率

*大运行功率 =t× 散热系数 … (3.3)
这是使用热敏电阻进行温度检测或温度补偿时，自身发热产生的温度上升容许值所对应功率。 (JIS 中未定义。 ) 容许温度上升 t°C 时，*大运行功率可由下式计算。

应环境温度变化的热响应时间常数 (JIS-C2570)

指在零负载状态下，当热敏电阻的环境温度发生急剧变化时，热敏电阻元件产生*初温度与*终温度两者温度差的 63.2% 的温度变化所需的时间。

热敏电阻的环境温度从 T₁ 变为 T₂ 时，经过时间 t 与热敏电阻的温度 T 之间存在以下关系。

T=	(T1-T2)exp(-t/τ)+T2......(3.1)
	(T2-T1){1-exp(-t/τ)}+T1.....(3.2)

常数 τ 称热响应时间常数。
上式中，若令 t=τ 时，则 (T-T₁)/(T₂-T₁)=0.632 。

换言之，如上面的定义所述，热敏电阻产生初始温度差 63.2% 的温度变化所需的时间即为热响应时间常数。

经过时间与热敏电阻温度变化率的关系如下表所示。




产品目录记录值为下列测定条件下的典型值。

(1)	静止空气中环境温度从 50°C 至 25°C 变化时，热敏电阻的温度变化至 34.2°C 所需时间。
(2)	轴向引脚、径向引脚型在出厂状态下测定。

另外应注意，散热系数、热响应时间常数随环境温度、组装条件而变化。

NTC 负温度系数热敏电阻 R-T 特性  
 

   
B 值相同， 阻值不同的 R-T 特性曲线示意图  

相同阻值，不同 B 值的 NTC 热敏电阻 R-T 特性曲线示意图

温度测量、控制用 NTC 热敏电阻器

外形结构

环氧封装系列 NTC 热敏电阻

玻璃封装系列 NTC 热敏电阻

应用电路原理图

温度测量（惠斯登电桥电路）

温度控制

应用设计

• 电子温度计、电子万年历、电子钟温度显示、电子**；
• 冷暖设备、加热恒温电器；
• 汽车电子温度测控电路；
• 温度传感器、温度仪表；
• 医疗电子设备、电子盥洗设备；
• 手机电池及充电电器。