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解读温度传感器应用于物联网+冷链行业

字号+ 作者:董志军 来源:物联之家网 2018-10-18 23:19

温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量,从物联网的角度测试动作往往是由温度传感器来完成


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作者:董志军   座头鲸(上海)信息技术有限公司  CTO


起文从温度传导理论知识解释开始,以便于大家基础知识一致并在同一语境下理解。
 
温度(temperature)是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。在冷链行业主要体现在生鲜食品和医药两大类,失温导致食品变质不能食用,药品不能达到疗效,更甚导致人命关天的事故。
 
温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量,从物联网的角度测试动作往往是由温度传感器来完成。温度传感器如何感知温度的变化,还要解释一下温度的传导方式:热传导、对流和辐射。
 
1、热传导实质是由物质中大量的分子热运动互相撞击,而使能量从物体的高温部分传至低温部分,或由高温物体传给低温物体的过程。比如一头手握铁棍在一头加热,不多时就会感觉烫手,就是指热传导方式。
 
2、对流是液体和气体中热传递的主要方式,气体的对流现象比液体明显。对流还分为自然对流和强迫对流两种,冷链行业中冷链车、冷链仓储的制冷设备多采用强迫对流方式,来达到空间的温度下降和温度达标。当然对流过程中也会有热传导的参与,空气和液体作为一种介质也能完成热传递,但作为热的不良导体,在其中的效果有限。
 
3、辐射是指物体因自身的温度而具有向外以电磁波的形式发射能量的本领,如太阳的热量就是以热辐射的形式,经过宇宙空间再传给地球的。冷链行业大部分的小型冷柜多数采用辐射的方式。
 
热传导是一个复杂的过程,往往是互相交叉而综合产生的结果。
 
说完基础理论知识,我们回到主题。冷链行业在选用温度传感器的相关温度测量设备时,供应商往往被客户问到几个问题:

1、温度测量值准不准?

2、是外置温度传感器准确还是内置传感器准确?
 
回答第一个问题,还是要从温度传感器的原理解释说起,应用在物联网冷链行业的电子温度记录仪,多用以下两大类接触式温度传感器:

1模拟传感器:NTC传感器、PT传感器,这类传感器多利用传感器本身因温度变化而导致的电阻变化,进而通过电压值AD数据化后再与温度值与电压值间的对比表来转换获取。这类传感器的温度准确性受到以下因素影响:
 
▲传感器本身材质的一致性和可靠性;
▲电路设计中电压基准源的一致性和稳定性;
▲电压信号处理电路(放大器)的一致性和稳定性;
 
以上的差导,会导致温度记录仪的准确性和成本,相对而言PT的成本要高于NTC,准确度也高。
 
2数据传感器,即芯片传感器。这类传感器利用集成电路封装了模拟电路,一致性较高也有利于开发,但成本较高,且可测试温度范围较窄。
 
在冷链行业以上两类传感器较为广泛,除了干冰和液氮环境使用PT外,NTC和芯片传感器都可以针对性使用。
 
不同类型的传感器都可以直接封装在温度记录仪内部,也可以制作成探头形式置于温度记录仪外部。从测试角度或是温度校量实验室角度,这两种形式在温度恒定环境下最终测量的温度值都是准确的,但在实际冷链应用中因为环境差异所体现的差异也是存在和明显的。
 
实际冷链环境的温度往往是不完全恒定的,冷库因为环境大,温度较为恒定;冷链车,常开冷柜温度变化幅度大。内置传感器的温度记录仪因为其外壳、电池、PCB等器件的蓄热效果对内置传感器产生热辐射效果,从而提升整个温度记录仪的热时间常数,最终体现出来的表象为:
 
1从室温20度置于-20度环境后,温度下降到-20度需要30分钟,有些记录仪甚至时延达60分钟。
 
2 对于温度的变化响应滞后,且有可能忽略温度变化而产生的峰值。
 
另外,有些含有无线通信功能的温度记录仪因为设计不合理原因,电路也会产品热量,进一步导致温度记录仪测量不准确。相较而言,外置探头形式的温度记录仪不存在以上问题。
 
综合以上,在冷链应用中温度相对恒定的环境且对温度时延性要求不高的环境可以使用内置形式的温度记录仪;温度变化大且对温度较为敏感的环境,需要优先使用探头外置形式的温度记录仪,如果实在因为结构问题无法使用外置形式的温度记录仪,也必须考虑对设备预先制冷。



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