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如何提高温度测量的精度

这篇文章首次发表在SensorReview，国际级的工业传感器期刊。Volume21,No.32001.
这篇文章也曾发表在德国（Elektronic杂志）和挪威（ElektronicNorden杂志）。
作者：AlanTong

AlanTong是PicoTechnologyLtd的技术领跑者，主要研究的领域是数据采集和温度测量。

摘要

为了在精确测量上取得相对较低的价格，先进的温度测量技术已经催生了各
种各样的传感器和测量仪器。

本篇文章回复原本地看看三种最流行的温度传感技术，接着给出了一些建议
以避免经常进入损坏温度测量系统精度的误区。

介绍

高精度的温度测量设备现在广泛存在，价格也比较合理，但是同时温度测量
任务的简化也导致了很多用户在使用高精度传感器和测量设备犯了很多简单
的错误而导致了相反的结果。

当人们有了一个测量温度的要求，很多人第一反应是要购买他们能购买得起
的精度最高和价格最贵的传感器和测量设备。作为制造商，我们当然拍手称
好，因为我们可以获得更高的利润。但是，不得不承认这是做精确测量的错
误方式。

正确的测量

举个例子，假如你想简单的测量房间的温度，精度要求达到1℃。这里的问题
是房间的温度不止一个而是多个不同的温度值。

图1展示了在Pico公司的仓库安装了三个不同的高度传感器来记录温度。传
感器的读数至少相差1℃以上，不管各自的传感器有多么精确，我们也绝不
可能得到精度为1℃的测量值。图1

另一个看起来非常明显但又经常被忽略的点是你仅仅记录了传感器的温度。任何传感器的温
度和实际的温度值之间总会有一个直接的偏差。打个比方，如果你夹了一个温度传感在水管
上用来测量管内水流的温度，这显然是错误的。

图2温度的差异是由管的内外表面造成的，同时环境的空气温度和传感器周
围的空气流动会造成更大的偏差。但是，出于实用和/或安全的原因，你可能不得不要按下
面的测量方式去做——这样通过热滞后包括传感器和附在传感器上的附件才会减少错误的
发生。

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图2
而且，考虑到传感器的存在方式会影响到测量。图3充分验证了这一点。

图片3

图3：在这个实验中，高精度和低精度的传感器和仪器对照组分别测量等体积水被加热时的
上升温度。一只体积较大、价格较贵和高精度Pt100传感器连接到一台PT-104上（两者的
精度都是0.01℃），PT100传感器部分浸没在第一个烧杯里。用这种方法使用PT100传感
器会使传感和仪器因“热分流”而测量失效。热量从体积较大、部分浸没在水中的探头进入
空气，从而减少了水的加热率。此外，在这个实验中，即使水沸腾了，PT100永远都不会达
到100℃。反而价格较低，精度较低的解决方案提供了更加精确和有代表性的测量。

首先考虑到你将要测量的物体，接下来的步骤就是决定要用哪种类型的传感器。在研究和工
业中用的比较多的有三种传感器，它们是：热电偶，热电阻（RTD或者叫电阻温度计）还有
热敏电阻。表1对比了这三种传感器。

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表1—最常用温度传感器和参数
热电偶热电阻（PT100）热敏电阻

工作范围-200℃至2000℃-250℃至850℃-100℃至300℃
精度低非常高高
通常是1℃通常是0.03℃通常是0.1℃

线性度*中高低

热反应**快速低速中速

价格低高相对较低

噪声问题高中低

长时间稳定性低高中

测量成本中高低
*在现代数字测量仪器中线性度已经不是一个很大的问题，因为可把对照表存进内存里来
进行温度补偿
**热反应仅仅决定于测量部分，而不是外围

热电偶

1822年，一位爱沙尼亚的物理学家ThomasSeebeck偶然发现两种金属接在一起会有电压产
生而且跟温度是函数关系，之后的热电偶就是根据这个“塞贝克”效应制成的。但是热电偶
不是特别精确的传感器：通常有2℃的误差。但是热电偶因具有很宽的温度测量范围（-200
至2000℃)而得到了广泛的应用，而其他替代装置则达不到这个所需的温度。另外，它们
还有价格相对比较低功能也比较全的优势。

虽然几乎所有的两种不同类型的金属都能用来做成热电偶，但是大量使用的是标准类型（见
表2），因为它们产生可预测的输出电压和大的温度梯度。

标准表显示了在给定温度下热电偶产生的电压。举个例子，一个K型热电偶（最常用的热电
偶）在300℃会产生12.2mV的电压。尽管产生的电压非常的小，但是意味着热电偶（不
像RTD和热敏电阻）是自给电源而不要求额外的激励电流。遗憾的是，我们不能简单的通
过电压表连接了热电偶去测量电压，因为这样做会产生第二个不希望产生的连接点而