使用熱電偶、RTD 和熱敏電阻器來量測溫度

量測溫度

您可以選擇各種感測器，將溫度現象轉換為可量測訊號。三種常見的感測器為熱電偶、RTD 與熱敏電阻。您也可使用其他溫度量測感測器，例如 IC 或光纖布拉格光柵，但此類感測器不在本資源討論範圍內。

熱電偶測溫的基本原理：塞貝克 (Seebeck) 效應。當 2 條由不同金屬製成的導線結合在一起，並加熱一端時，就會形成熱電電路，並於「冷」端產生可量測的電壓差，即所謂的塞貝克電壓。特定金屬配對的溫度範圍、敏感度，與誤差會根據金屬的特性而有所差異。

圖 1.塞貝克效應圖示

每種熱電偶都包含獨一無二的金屬配對。您需了解選定的熱電偶類型操作規格，以便量測溫度。有些熱電偶可提供較寬的溫度範圍，但電壓和溫度間的關係會變得極為非線性，而另一些熱電偶則可提供較小 (但線性更高) 的溫度範圍。

電阻溫度偵測器 (RTD) 為主動式量測裝置，可隨環境溫度而改變電阻值。RTD 的代表性材質為陶瓷或玻璃核心，並搭配一圈薄金屬，通常是以穩定性取勝的白金。

圖 2.基本型電阻溫度計元件

可用設定會使用不同的絕緣及/或繞組材料，進而帶來不同的效能與溫度範圍。另一種選擇是薄膜 RTD，即在絕緣材料層之間加入一層金屬薄片。由於這種方式可讓 RTD 表面的接觸更均勻，因此最適合表面溫度量測。

RTD 量測溫度的能力，關鍵在於金屬繞組的熱特性。如充分了解這些特性，就能可靠地預測欲量測電阻的溫度。可預測的電阻和溫度關係，可確保溫度量測裝置更準確。

熱敏電阻器如同 RTD，都是主動式量測裝置，其電阻值會隨環境溫度而變化。熱敏電阻器以一種金屬氧化物半導體組成，半導體被壓入小珠、磁碟、晶圓或其他容器中，並塗上環氧樹脂或玻璃。由於熱敏電阻器是由半導體材料組成，因此具有量測裝置中最高的敏感度，且極適合量測較小的溫度變化。此外，熱敏電阻器的電阻值通常也比 RTD 高很多。熱敏電阻器與 RTD 的不同處在於，前者是典型的負溫度係數裝置，意即電阻會隨著溫度的升高而降低。

比較溫度感測器

針對此 3 種不同溫度感測器類型，重點在於考慮各組感測器的差異與類型前，務必從高規格來縮小這 3 種溫度感測器選擇範圍。

如不確定如何在 3 種常見選項之間取捨，請先查看表 1 中的一些基本與高規格的優缺點。如需了解詳情，請參閱表 2 中的 感測器特性與比較。

在選擇即將使用的溫度感測器 (熱電偶、RTD 或熱敏電阻器) 後，可查看各感測器的其他考量要點：

• 熱電偶選擇
• RTD 選擇
• 熱敏電阻選擇

溫度感測器的優缺點

每種感測器都具有各自的優缺點，具體取決於您的限制或需求 (從預算到硬體功能)。請務必了解測試需求並排定優先順序，以便為您的應用選擇最佳的感測器。

表 1.溫度感測器類型的優缺點

溫度感測器特性

選擇感測器時，請先了解量測作業的各特性影響，並確保選擇符合專案需求的感測器。透過下列特性來定義溫度感測器的功能與效能。這些特性適用於所有的溫度感測器類型，但也需要使用一些注意事項與極端案例。表 2 對 3 種常見感測器的不同特性進行比較。

選擇好要使用的溫度感測器 (熱電偶、RTD 或熱敏電阻器) 後，請先查看更多的感測器考量要點，再為自己的應用選擇正確的感測器。

表 2.溫度感測器類型比較

溫度範圍

感測器溫度範圍的定義是，感測器可安全運作並提供準確量測作業的額定溫度。

• 熱電偶：根據熱電偶所使用的金屬特性，每種類型均有指定溫度範圍。
• RTD：溫度範圍較小，線性度與準確度更好。
• 熱敏電阻器：提供最低溫度範圍，且敏感度極佳。

只要了解完整的溫度範圍，就可安全使用感測器，並防止感測器損壞，同時確保量測結果更出色。

線性度

理想的感測器應具有完美的線性響應：在感測器的整體溫度範圍內，溫度每產生一個單位的變化，電壓輸出也會有一個單位變化。

然而，感測器並非絕對線性。圖 3 顯示針對此資源所探討的 3 組感測器，其溫度對電壓響應的概念。

圖 3.感測器的溫度對輸出響應

敏感度

感測器的敏感度代表可量測輸出對特定溫度變化的變化百分比。與熱電偶等敏感度較低的感測器相比，如熱敏電阻器等敏感度較高的感測器可更輕鬆地偵測到溫度的微小變化。

不過，這種敏感度也是以線性度為代價。在為所量測的溫度選擇理想的感測器時，這是一個很重要的因素。如想對一個小的溫度範圍擷取幾分之一度的變化，則熱敏電阻器或 RTD 會更理想。若要擷取較大溫度範圍內的較大溫度變化，熱電偶可能已足夠。圖 4 顯示電壓的相對概念。

圖 4.各種溫度感測器類型的敏感度

響應時間

響應時間是量測感測器對溫度變化做出回應的時間。有多種因素可能導致響應時間延長或縮短。

舉例來說，較大的 RTD 或熱敏電阻器比較小的 RTD 或熱敏電阻器具有更慢的響應時間。為彌補這項缺點與較差的熱分流效率，較大型 RTD 或熱敏電阻器較不易受到自體發熱

錯誤的影響。同樣地，未接地的熱電偶接點可提供較慢的響應時間，以交換電子隔離。圖 5 顯示未接地與接地熱電偶對響應時間的相對差異。

圖 5.接地與不接地的熱電偶響應時間

穩定性

溫度感測器的穩定性，即代表其在特定溫度下能否保持穩定輸出的能力。

材料對特定感測器的穩定性扮演重要角色。因此，我們通常採用白金材質來製造 RTD，以維持穩定性，並確保低反應能力。不過，黏貼白金所用的基板可能會因為長時間暴露在高溫下而變形，導致出現未預期的額外應變現象，進而出現量測電阻變化。

準確度

如同其他任何量測應用，要確保量測結果的可靠度，了解自身準確度需求是關鍵所在。為確保絕對量測準確度，選擇感測器與量測硬體必須相當慎重，因為任何枝微末節 (如配線、相對近似性、包覆性、接地等) 都會影響準確度。

選擇感測器時，應注意指定容許度與任何可能影響規格的因素 (例如，長時間暴露在高溫下)。此外，請選擇準確度相近的感測器與量測裝置。高容許度的 RTD 價格較高，但如果使用低品質的量測裝置，便可能無法達到更高的準確度。

耐用性

為確保溫度感測器在應用期間正常運作，我們需了解部署環境。某些感測器 (例如熱電偶) 因為結構緣故，本質上就比較耐用。然而，特定熱電偶所選用的金屬卻有不同的耐腐蝕特性。此外，使用隔離礦物質與金屬護套包覆的感測器，長時間使用較能抗磨耗與腐蝕，但

成本較高，且敏感度較低此外也請注意，不同的感測器組態可能會為確保穩固的物理與熱連接特性，而有特殊安裝需求。

成本

與專案的其他方面一樣，成本也是重要的限制因素。例如，在高通道數應用中，RTD 線性度的優勢可能會因為高出熱電偶的相對成本而遭到抵銷。考慮整體系統成本時，必須同時納入配線、安裝與訊號處理上增加的成本。

選擇正確的感測器

選擇溫度感測器時，請考慮 4 個主要應用因素：

1.了解量測應用與需求。

• 多快會產生溫度變化？決定適當的響應時間。
• 感測器部署時間要多久？維修是否方便？選擇夠耐用的感測器類型，以減少維護需求。
• 準確度需求多高？考慮感測器準確度對整體量測準確度的影響。

2.決定必須量測的溫度範圍。

• 選擇感測器類型，以便在完整的可行溫度範圍外運作。
• 考慮各種符合範圍需求的感測器類型線性度；針對您感興趣的範圍，選擇具有最大線性響應的類型，以提升將電壓或電阻轉換至溫度時的準確度。

3.考慮部署感測器的環境。

• 挑選合適的包覆材質，以抵抗任何化學物質暴露風險。
• 決定是否需要隔離，以防止接地迴圈/雜訊產生。
• 如感測器在使用過程會產生振動或摩擦，應確保其等級足以承受。

4.考慮如何安裝感測器，並選擇適合的安裝方式，以充分發揮熱連接效果。

在為溫度量測目的縮小熱電偶、RTD 和熱敏電阻器之間的選擇範圍後，另還有些針對每一個感測器類別的特定考量要點，這些要點會對要購買的感測器類型產生不同的正反面影響。

熱電偶感測器考量要點

熱電偶有多種類型與結構。熱電偶感測器的兩個主要層面即為：類型與包覆配置。

類型通常由字母名稱來定義，常見者為 E、J、T、K、C、R 與 S 型。NI 的溫度硬體可搭配使用所有的美國國家標準與技術研究院 (NIST) 標準熱電偶。熱電偶類型為熱電偶所使用的金屬下定義；因此，此參數亦定義熱電偶的作業範圍、準確度與線性度。

下圖為不同溫度範圍內不同熱電偶類型的電壓響應。

圖 6.不同熱電偶類型的溫度響應

除選擇熱電偶的類型外，也要選擇包覆配置。圖 7 所示為其中的部分選項，包含接地、隔離、密封與外露。

除選擇熱電偶的類型外，也要選擇包覆配置。圖 7 所示為其中的部分選項，包含接地、隔離、密封與外露。

圖 7.熱電偶的包覆選項

每種配置對於響應時間、抗雜訊性，與安全性都各有優缺點。表 3 概述各配置選項的影響。

表 3. 熱電偶接點配置概述

RTD 感測器考量要點

不同類型的 RTD 都具備 3 項主要的定義屬性：導線數量、接線材料，與物理結構。

導線數量

由於 RTD 為主動式感測器，因此需要外部激發以產生可量測的電壓落差，並將其轉換為電阻。電阻值通常都非常低，也就是說導線電阻可能會降低量測的準確度。因此，RTD 往往採用多線式配置。導線配置數量可從 2 至 4 條。

• 雙線式 RTD 在使用上最為簡單，但如果相對於所測得的 RTD 元件電阻而言，導線電阻極為重要的話，那就會影響量測的準確度。

圖 8.雙線式 RTD

• 三線式 RTD 是工業應用中最常見的一種。量測硬體可藉此對導線電阻進行特性測試與修正，進而提高量測作業的準確度。然而，如果導線電阻不一致，則可能會導致非預期的量測錯誤。

  

圖 9.三線式 RTD

• 四線式 RTD 為激發與電阻量測提供另一種方式。其可修正導線電阻，並隔離激發訊號中的雜訊。四線式 RTD 也不會受到導線電阻失配的影響，但需要可進行四線式電阻量測的量測硬體。

圖 10.四線式 RTD

接線材料

每種以 RTD 為主的接線配置都可採用不同的材料。會影響選擇接線材料的兩項重要因素分別是：部署環境與溫度範圍。了解測試環境可對不同的限制條件限制要使用何種材料，例如能否承受預期的水浸泡、化學物質和/或磨損。接線材料與尺寸也會影響導線電阻，視導線配置而定。

物理結構

物理結構因應用而異。應考慮感測器的安裝方式、電子隔離需求，以及插入感測器的媒介物類型 (液體、氣體、固體表面等)。

現有的設定包含基本的 RTD 元件、薄膜表面元件，與探針 (其中的 RTD 元件放在金屬護套中，並可能達到電子隔離)。

圖 11.RTD 結構樣式

熱敏電阻感測器考量要點

如同任何溫度感測器，使用熱敏電阻器的一個重要考量就是材料成分，以及其對溫度範圍、敏感度、準確度等的影響。

感測器廠商可能會提供不同的金屬氧化物成分和/或外殼材料，這些都會影響到感測器的安裝方式與抗化學性/耐磨性。熱敏電阻器亦提供多種物理性配置，以符合不同的應用。圖 12 顯示其中的部分選項。

圖 12.熱敏電阻器配置

與 RTD 不同的是，熱敏電阻器極少需要雙線式以外的配置，因為熱敏電阻器的電阻強度比任何現有的導線電阻高上數等。導線電阻對所測得的電阻影響很小，通常可以忽略不計。

溫度感測器的訊號處理

除了感測器本身的特性 (作業範圍、敏感度、線性、響應時間等) 之外，還須考慮各種感測器類型對量測硬體的需求。

每種溫度感測器都需有一定的訊號處理功能，才能充分擷取量測訊號並使訊號數位化，以利後續處理。為確保量測的準確度，量測硬體的選擇與感測器同等重要，而且可能會減少或擴大每種感測器類型的缺點。

適用於所有 3 種感測器類型 (RTD、熱敏電阻器、熱電偶) 的訊號處理：

• 放大
• 偏移誤差調整
• 溫度單位微調
• 導線電阻修正
• 通道對通道隔離
• 濾波

專門用於熱電偶的訊號處理：

• 冷接點補償
• 熱電偶開路偵測

專門針對 RTD 與熱敏電阻器的訊號處理：

• 激發

部分 NI 溫度量測硬體含內建訊號處理。如欲深入了解溫度量測所需的量測硬體，請下載感測器準確量測工程師用指南。

將溫度感測器連接至 NI 硬體

了解自己的感測器或測試需求後，接下來就必須決定用於收集資料的硬體。擷取硬體的品質好壞，決定了收集資料的品質。

NI 具備溫度量測硬體系列，專為擷取溫度資料而設計，且相容於所有的 NIST 熱電偶、部分 RTD 與熱敏電阻感測器。