選擇和使用溫度傳感器
選擇和使用溫度傳感器
熱電偶或電阻式溫度檢測(cè)器（RTD） - - emperature測(cè)量，大多數(shù)工業(yè)操作的一個(gè)重要部分，通常是由一個(gè)溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)在與固體表面接觸或浸沒在流體中。盡管這些傳感器具有重疊的溫度范圍，但每個(gè)傳感器都具 有特定于應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。
| 溫度傳感器選型指南 | ||
| 秒 | 熱電阻 | 熱電偶 |
| 溫度范圍 | ??200°C 至 850°C | ??190°C 至 1821°C |
| 秒 | ??328°F 至 1562°F | ??310°F 至 3308°F |
| 準(zhǔn)確性 | ±0.001°F 至 0.1°F | ±1°F 至 10°F |
| 響應(yīng)時(shí)間 | 中等 | 快速地 |
| 穩(wěn)定 | 長期穩(wěn)定 | 不太穩(wěn)定 |
| 秒 | <0.1% 誤差/5 年。 | 1°F 誤差/年。 |
| 線性度 | zui好 | 中等 |
| 靈敏度 | 高靈敏度 | 靈敏度低 |
在選擇用于特定應(yīng)用的傳感器類型時(shí)，必須考慮幾個(gè)因素：溫度范圍、精度、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、線性度和靈敏度。表 1 總結(jié)了這些。當(dāng)靈敏度和應(yīng)用靈活性是zui重要的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，RTD 是首選傳感器。但是，在組件成本方面，RTD 比熱電偶貴。因此，為特定應(yīng)用選擇完美的傳感器需要了解 RTD 和熱電偶的基礎(chǔ)知識(shí)。
RTD溫度傳感器 基礎(chǔ)知識(shí)
圖1。
電阻溫度檢測(cè)器有 2 線、3 線和 4 線配置，但它們的基本組件是相同的。這些傳感器測(cè)量由溫度變化引起的電阻變化。
RTD 的工作原理是電阻率隨溫度升高而增加。RTD 通常由鉑、鎳或銅制成。銅和鎳版本在較低的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，并且比鉑金便宜。鉑金是用途zui廣泛的材料，因?yàn)樗哂袑拸V的溫度范圍（??200°C 至 850°C）、出色的重復(fù)性、穩(wěn)定性以及耐化學(xué)品和耐腐蝕性。鉑 RTD 有 100 (omega)、200 (omega)、500 (omega) 和 1000 (omega) 在 0°C 時(shí)的標(biāo)稱電阻值，其中 100 (omega) zui受歡迎。
RTD 的基本結(jié)構(gòu)非常簡單。傳感元件連接到引線并由絕緣體（例如玻璃、云母或陶瓷）支撐，放置在保護(hù)套內(nèi)（見圖 1，）。檢測(cè)器提供 2 線、3 線和 4 線配置。
2 線版本非常適合傳感器直接連接到接收器以防止引線長度電阻誤差的應(yīng)用，該問題導(dǎo)致開發(fā)更精確的 3 線和 4 線配置。
圖 2.
熱電偶通過檢測(cè)兩種不同金屬結(jié)點(diǎn)處的電壓變化來測(cè)量溫度。電壓隨著溫度的升高而升高。
當(dāng)傳感器和接收儀器之間的距離很遠(yuǎn)時(shí)，使用 3 線制單元。它們的精度雖然低于 4 線檢測(cè)器，但足以滿足許多工業(yè)應(yīng)用的需求。
在 4 線配置中，一對(duì)引線為 RTD 提供激勵(lì)電流，另一對(duì)測(cè)量其兩端的電壓。這種技術(shù)顯著地zui大限度地減少了引線電壓降并提供了高精度。
熱電偶基礎(chǔ)知識(shí)
熱電偶由兩種不同的金屬組成，在一端連接在一起，隨著溫度的變化產(chǎn)生電壓（以毫伏表示）。兩種金屬的連接點(diǎn)稱為感應(yīng)連接點(diǎn)，連接到延長線（見圖 2）。任何兩種不同的金屬都可以用來制作熱電偶。在無數(shù)候選組合中，ISA 識(shí)別出 12 種。這些熱電偶類型中的大多數(shù)都以單字母命名；zui常見的是J、K、T和E。熱電偶的成分是國際標(biāo)準(zhǔn)的，但它們的電線顏色代碼不同。例如，在美國，負(fù)極引線始終為紅色，而世界其他地方則使用紅色來表示正極引線。
熱電偶很容易引入測(cè)量誤差。由于熱電偶產(chǎn)生的電壓是由于兩種不同金屬的結(jié)合，因此將其他結(jié)引入電路會(huì)導(dǎo)致電壓變化，稱為冷結(jié)誤差。如果確定了連接處的溫度，則可以通過稱為冷端補(bǔ)償的過程來糾正這些錯(cuò)誤。這是在接收設(shè)備（通常是信號(hào)調(diào)節(jié)器）上執(zhí)行的。
熱電偶還提供三種結(jié)類型：接地、不接地和外露。
圖 3.
熱電偶分為三種結(jié)類型。接地裝置的傳感結(jié)直接連接到探頭壁 (A)，確保從外部到結(jié)的良好傳熱。未接地類型 (B) 的連接點(diǎn)與探頭壁分離，導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間比接地設(shè)備提供的響應(yīng)時(shí)間慢。當(dāng)需要快速響應(yīng)時(shí)間時(shí)，外露熱電偶 (C) 的傳感結(jié)位于護(hù)套外部并暴露在環(huán)境中。
接地?zé)犭娕嫉膫鞲薪Y(jié)直接連接到探頭壁上。這導(dǎo)致從外部通過探頭壁到熱電偶結(jié)點(diǎn)的良好傳熱（見圖 3A）。
未接地的熱電偶的連接點(diǎn)與探頭壁分離。這種類型的響應(yīng)時(shí)間比接地類型慢（參見圖 3B）。當(dāng)響應(yīng)時(shí)間是選擇熱電偶探頭類型的決定因素時(shí)，zui好使用外露式熱電偶（見圖 3C）。在這種類型的探頭中，傳感結(jié)從護(hù)套尖端伸出并暴露在周圍環(huán)境中。未接地?zé)犭娕继峁﹝ui佳響應(yīng)時(shí)間，但不能用于腐蝕性或加壓應(yīng)用。
溫度測(cè)量決策可以決定過程的預(yù)期結(jié)果。為應(yīng)用選擇正確的傳感器可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但處理測(cè)量信號(hào)也非常關(guān)鍵。
信號(hào)調(diào)節(jié)器的作用
一旦選擇了溫度傳感器，就必須將其集成到控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)通常基于 DCS 或 PLC。一種集成方法是將 RTD 或熱電偶引線直接連接到控制器。該技術(shù)需要專用的溫度轉(zhuǎn)換卡。多通道溫度卡可用于不同的控制器，但價(jià)格昂貴且不提供系統(tǒng)靈活性。
另一種方法，溫度信號(hào)調(diào)節(jié)器，因其提供的優(yōu)點(diǎn)而在行業(yè)中變得非常普遍：精度、抗噪/隔離、系統(tǒng)靈活性/診斷和成本節(jié)約。
準(zhǔn)確性。溫度信號(hào)調(diào)節(jié)器的開發(fā)是為了保持傳感器輸出的完整性。它們的精度規(guī)格超過了 PLC 或 DCS 卡的規(guī)格。在測(cè)量點(diǎn)附近調(diào)節(jié)傳感器信號(hào)可防止由于熱電偶的熱梯度和 RTD 導(dǎo)線的電阻不平衡引起的誤差而導(dǎo)致信號(hào)劣化。
抗噪/隔離。熱電偶和 RTD 信號(hào)的電平非常低，因此非常容易受到噪聲的影響。信號(hào)調(diào)節(jié)器可以將這種低電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為 4??20 mA 輸出，該輸出更不受噪聲影響并且可以運(yùn)行更遠(yuǎn)的距離。調(diào)節(jié)器還提供低通濾波，可防止高頻噪聲通過控制器。信號(hào)調(diào)節(jié)器還提供隔離，可防止因溫度測(cè)量中非常常見的接地環(huán)路問題而導(dǎo)致的不準(zhǔn)確。
系統(tǒng)靈活性/診斷。信號(hào)調(diào)節(jié)器為控制系統(tǒng)提供了完全的靈活性。4??20 mA 測(cè)量信號(hào)可以直接發(fā)送到記錄儀或模擬卡。一些復(fù)雜的溫度調(diào)節(jié)器提供模擬和數(shù)字輸出，用于報(bào)警或緊急關(guān)閉。模塊還提供本地和遠(yuǎn)程指示，以防斷線。
節(jié)約成本。直接連接到溫度卡的熱電偶或 RTD 線很昂貴，尤其是當(dāng)人工、維護(hù)和故障排除會(huì)增加系統(tǒng)成本時(shí)。將溫度信號(hào)調(diào)節(jié)器與標(biāo)準(zhǔn)模擬和/或數(shù)字輸入卡結(jié)合使用可以顯著降低成本。
概括
溫度測(cè)量和控制從選擇合適的傳感器開始。通過在主控制器上游集成溫度信號(hào)調(diào)節(jié)器，傳感器信號(hào)變得有用且高度準(zhǔn)確。由于其靈活性和可靠性，這種溫度控制方法正變得非常流行。電話/微信15372379166 葉經(jīng)理 郵箱 yejuan@www.jjjthw.com
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