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热时间常数和NTC热电阻:实用研究
添加时间:2020-04-22

热时间常数与温度传感器的关系

    在本文中,我们上海自动化仪表三厂将分解热时间常数和NTC热电阻之间的关系。我们还将介绍选择合适的热电阻的重要性,该热电阻的特性将为您的应用产生正确的热时间常数。在本文的下面,我们展示了一种测量热时间常数的方法; 运行两个测试,然后显示结果。

    什么是热时间常数

    热时间常数简单地说,在零条件下,是热电阻温度传感器改变初始体温和最终体温之间总差值的63.2%所需的时间; 当受到阶跃函数温度变化时。简单来说,它代表了热电阻恢复高达50%初始电阻所需的时间。

    测量热时间常数时,需要应用温度变化。但是,如果这种变化太慢,你只会测量环境变化率; 不是热电阻对变化做出反应。因此,尽可能接近瞬间使用温度变化非常重要。


    热时间常数与热电阻有什么关系

    热时间常数是热电阻的基本特性,响应时间将根据所选择的热电阻而变化。由于不同的热电阻具有不同的热时间常数值,因此每个热电阻将产生不同的热时间常数以及不同的响应时间。

    热电阻越大; 响应时间越慢。因此,它越小,响应时间就越快。

 

    因此,在为应用选择热电阻时,应考虑以下因素;

     使用的热电阻的类型;

     满足您的应用要求所需的响应时间。

    您可以看到此信息将如何影响与您的应用程序相关的结果。最后,如果您选择合适的热电阻,您的结果将是积极的。但是,如果选择错误的热电阻,可能会导致响应时间太快或太慢。

    无论哪种方式,反响都可能导致系统故障。因此,您可能会遇到系统停机以及由于您可能必须进行的任何修改而增加的运营费用。

    如何测量热时间常数?

    我们知道热时间常数表示为绝对时间。而且,测量热时间常数显然是热电阻选择过程中的关键因素。虽然有多种测量方法,但在比较不同热电阻的热时间常数以获得正确结果时,在每个器件上使用相同的方法非常重要。

    例如,假设您测量了一个温度变化为0-100°C的热电阻,并测量了另一个0-50°C的热电阻。因为热时间常数背后的驱动力是温差; 您测量的第一个热电阻将具有更短的测量和更快的响应时间。

    有几个变量会影响热时间常数,例如:

     热电阻的质量。

     热电阻的形状(表面积与体积)。

     用于封装的灌封材料。

     外壳包围热电阻。

     “环境”的性质 - 热电阻工作的气体或液体,以及;

     用于测量热时间常数的方法。

     烧结还通过封闭不同氧化物颗粒之间的孔来影响电阻温度曲线的电阻率和斜率以及稳定性。

    如果我们比较不同的热电阻材料,那么材料的比热,以及温度系数,正面或负面,也会产生影响。在上海自动化仪表三厂进行的实验中,这不是一个因素,因为该团队测量的所有装置都含有烧结金属氧化物(NTC)材料。点击了解有关四种最常见温度传感器的更多信息并探索您的选择。

    测量方法的一个例子

    测量热时间常数的一种方法是将热电阻放置在环境温度的静止空气中,然后使用足够的电压使热电阻体温升高到环境温度以上。保持电源电压,直到热电阻在高温下达到稳定状态,即触发定时器时。

    一旦你触发了定时器,你就会监测热电阻的体温,直到它冷却到较高温度和环境温度之间的温差的63.2%,此时,你停止定时器。经过的时间等于热时间常数和响应时间。

    下面的图表显示了热时间常数如何测量从冷到热,然后从热到冷的63.2%的响应。



    上海自动化仪表三厂的团队希望将这种方法用于测试,因此他们创建了一个实验并测试了两种类型的热电阻。

     芯片热电阻,它影响质量和形状,并改变传感器本身。

     封装的热电阻,可改变热电阻周围的材料。


    作为测试的一部分,该团队使用了断头台测试仪。它得名,因为它确实像断头台。他们用它来提供将热电阻固定在空中所需的支撑。然后空气成为承载起始或环境温度的第一种介质。连接可用于加载热电阻,并且在测试开始时,它们将热电阻释放到液体中。在这种情况下,他们在受控温度下使用矿物油; 不同于气温。

 

    该团队将以下内容视为测量过程的一部分:

     他们进行测量的环境。

     环境中的气体或液体流动,通过将热量导向或远离被测热电阻,直接影响测量。

     温度变化:

改变单个环境的温度将花费太长时间,人为地延长测量的热时间常数。为了模拟尽可能接近瞬时变化,在两个不同温度下使用两种介质,然后将热电阻从一个插入另一个中,效率更高。与热时间常数(毫秒对秒)的值相比,热电阻的前沿和后沿接触新介质之间的时间的微小差异将是无关紧要的。

     传感器“加载”,表示当时携带的电流。

    该团队仔细控制了这种测量技术,以确保测量的热时间常数的差异仅反映热电阻的差异,而不会因测试变化而污染测量值。

    在释放之前,热电阻必须在空气中达到稳定状态。另外,浸泡时间必须考虑由负载电流引起的自加热。所以,协议将是:

     让两个环境温度达到稳定状态。加载设备,使其同时达到稳定状态。

     达到稳定状态后,即可开始测量。

     将设备释放到测试介质中。

     响应是在温度变化时测量的。


    测量实验结果

    该团队首先比较了两种不同芯片尺寸的热电阻。一个芯片质量是另一个芯片质量的十倍。他们将每个热电阻从25°C的空气中投入0°C的矿物油中。

 

    正如团队所预期的那样,较大的质量需要更长的时间来冷却,从而导致更长的热时间常数。转换结果如下图3所示。

 

    接下来,使用包含相似质量的热电阻测试两种不同类型的封装热电阻。一个玻璃封装的热电阻; 另一个热电阻封装在黑色环氧树脂中。进行两次测试以指示冷却和加热,结束温度分别为9℃和41℃。

  

    响应测试的结果表明玻璃是比环氧树脂更好的热导体。

  

    团队执行的响应时间测试; 强调必须解决热电阻的结构和所用的测试方法,以确保达到预期的效果。

    为什么热时间常数是一个关键因素?

    防火

    为了证明这个指标的重要性; 该团队决定为火灾探测电路提供示例设计。这里的关键问题是,当它变热时,热电阻需要多长时间才能确定存在问题并发出警报?该延迟是热时间常数的直接函数。

 

 

 

使用NTC热电阻检测温度的火警电路示意图

    如果温度上升时电阻下降(负系数),则分压器点向上移动约1.4 V.晶体管将打开并发出警报。热时间常数决定了电路响应所需的时间。在热量仍然存在的情况下,实际实施可能需要一种方法来使警报静音。

    热电阻在该电路中的作用是分压器中的上电阻。在这种情况下,您需要使用具有负温度系数的热电阻; 温度升高时电阻降低的电阻。随着上电阻减小,分压电压上升,最终通过晶体管导通。

    当火势迅速升级时,秒钟很重要。使用错误的热电阻会使生命或财产处于危险之中。在诸如此类的应用中,您将选择具有低热时间常数的热电阻。


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