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温度传感器选型技巧:如何选择热电阻和热电偶传感器

来源:2019年马会全年资料2019。07。31阅读 527

  温度测量是所有过程测量中的最大的组成部分之一,其准确性和可靠性通常会对设施的有效运行和安全产生重大影响。选择最合适的传感器类型,可以提高温度测量的准确性、可重复性和稳定性,并可以降低运营和维护成本。
  工业设施内,90%以上甚至更多的温度监测都由热电阻(RTD)和热电偶(T/C)完成,这意味着在为各种应用选择最佳传感器时CONTROL ENGINEERING China版权所有,每个具体细节,都可以帮助您做出最明智的决策。
  热电阻传感器概览
  温度范围:热电阻推荐的测量范围为 -200℃至850℃。购买新传感器时CONTROL ENGINEERING China版权所有,请告知供应商传感器的工作范围,以便其在该工作范围内选择最佳的材料和制造技术。
  操作:热电阻的工作原理是金属元件的电阻随温度的升高而增加。
  结构:常见的电阻材料有铂(Pt)、镍(Ni)和铜(Cu)。由于铂更稳定、线性度更好、测量温度范围更宽,因此它已成为当今的行业标准。虽然现有建筑物中仍然可见镍和铜热电阻的使用,但大多数新装置大都倾向于使用铂金。

除了各种热电阻和热电偶传感器外,还可选择不同的传感器结构类型:标准实心护套元件(图顶部和中部)或带有较短传感器封壳可以灵活调整长度的传感器(图下方),旨在加快响应、提供更好的振动弹性。图片来源:Moore工业

  通常情况下,高纯度铂主要用于制造线绕设计(铂丝缠绕在基板线轴上)或薄膜设计(纯铂沉积在陶瓷基板上)的热电阻传感元件。由于目前使用的基板材料在高温下可以保持稳定,因此现在的热电阻可以在更高的温度下使用。
  建议:在-40℃至850℃范围内使用薄膜传感器www.afflogin.com,在接近-200℃时使用线绕传感器。
  2线、3线或4线热电阻:热电阻可以采用2线,3线和4线结构。
  建议:在允许的情况下,尽可能使用热电阻代替热电偶,以获得更好的精度、可重复性和稳定性。
  只有当元件与周围的保护套绝缘/隔离时CONTROL ENGINEERING China版权所有,热电阻才能正常工作。典型的绝缘材料是氧化镁或氧化铝。如果由于潮湿和污染而导致绝缘层损坏,则必须更换热电阻。由于热电阻必须绝缘,使用非隔离的测量电路可以节省成本。
  当闭合温度变送器未与热电阻一起使用时CONTROL ENGINEERING China版权所有,热电阻通过铜线连接到测量电路。在准备选择热电阻时CONTROL ENGINEERING China版权所有,需要注意的事项包括:
  ●传感器名称暗示其在0℃时的电阻。例如:100ΩPt热电阻在0℃时CONTROL ENGINEERING China版权所有,测量为100Ω;500ΩPt热电阻在0℃时测量为500Ω等。
  ●现代测量电路使用恒流源产生激励电流。
  ●高阻抗电压测量值可归因于热电阻性能。高阻抗意味着没有电流流过电压表及其引线。
  ●使用欧姆定律计算电阻:V=IR 或 R=V/I。
  热电阻传感器的精度:为了获得更高的精度,在可能的情况下,最好使用热电阻而不是热电偶。最好的热电阻按IEC 60751标准制造,它要求的精度值如表1所示。

表1 :热电阻精度表

  优质/特级热电阻传感器:当制造商已经利用老化箱对热电阻进行老化处理后,在现场就可以最大限度地减少漂移。热电阻在0℃和600℃之间循环1000小时CONTROL ENGINEERING China版权所有, 5年以上可以确保保持较高精度。通常,只有A类传感器才进行热老化。
  热电偶传感器概览
  热电偶技术基于塞贝克效应,两种不同金属熔合在一起,两个结点中的一个温度与另一个结点的温度不同时CONTROL ENGINEERING China版权所有,将产生电流。
  温度范围:不同金属的各种组合都可以构成热电偶。成品称为热电偶类型。对于每种类型,都会提供mV与温度的关系表,并包含在本参考手册中(所有mV与温度的关系表均使用热电偶冷端在0℃下创建)。
  操作:热电偶传感器有两个接点。测量端(有时称为热端)是两种金属连接的地方。参考端(也称为冷端)连接到测量电路。
  当热端和冷端之间存在温差时CONTROL ENGINEERING China版权所有,产生与温度差成比例的mV信号。mV值随着温度的升高而增加。mV和温度之间的关系是非线性的。
  在实际使用中,热电偶测量电路可以测量除0℃以外的任何温度。测量电路必须测量冷端的温度2019年马会全年资料版权所有,并将温度恢复到0℃。这种2019年马会免费资料补偿称为冷端补偿(或参考端补偿)。大多数热电偶测量电路执行此操作。
  结构:热电偶接头可以通过热接点连接到外部护套进行接地或不接地(与护套绝缘)来构建。接地的热电偶响应更快,但热电偶会接触过程电压。因此,重要的是隔离测量电路以阻止接地回路的形成,避免导致测量误差。
  在温度组件内,热电偶通常嵌入到氧化镁(MgO)和金属护套中。然后将其插入热电偶套管或保护管中。这有助于保护传感器免受环境污染。当氧化镁被水和盐污染时CONTROL ENGINEERING China版权所有,即使未接地的热电偶也会最终接地。
  建议:使用隔离的测量电路测量热电偶。
  热电偶传感器精度:最好使用符合ASTM E230标准的热电偶传感器,该传感器规定了E、J、K和T型热电偶的精度。在ASTM E230/E230M-12标准规范和标准热电偶的温度-电动势(emf)表中,提供了热电偶参考表。
  特殊热电偶线:热电偶可以用优质或特级的导线构造,将不确定性降低一半。优质/特级基本上表明该线材具有更高纯度的合金混合物。
  优质热电偶线有助于热电偶测量;升级到A 类热电阻传感器可以将不确定性降低一半(参见表2)。

表2 :优质和特级电缆可降低热电偶的不确定性

  建议:如果应用需要热电偶而不是热电阻,请使用更高等级的热电偶;成本差异可以忽略不计,优质线材可以提供更高的稳定性。
  热电偶的电线污染问题由来已久。精度图表中的数值,是在假设电线未被过程或环境中的化学品污染的情况下得到的。当污染发生时CONTROL ENGINEERING China版权所有,误差通常会增加到需要更换传感器的程度。
  校准传感器以实现更高精度
  在传感元件之后,就应开始考虑应用。如果它要求尽可能好的精度www.afflogin.com,则需要为温度测量系统配置校准槽。A类热电阻传感器在校准槽中进行校准后连接到变送器或远程输入/输出(I/O)测量设备。此过程消除了每个传感器中存在的最终“竣工”偏移误差。传感器应提供美国国家标准与技术研究院(NIST)的可溯源校准报告,该报告表明传感器和温度变送器的组合不确定度通常优于±0.01°F。
  温度传感器选型的技巧
  为了优化测量性能,并最大限度地减少长期维护费用,在选择温度传感器时CONTROL ENGINEERING China版权所有,请使用以下技巧作为实用指南。
  1.测量温度范围在-40℃和850℃之间CONTROL ENGINEERING China版权所有,请选择热电阻。
  2.对于低至-200℃的温度,请使用绕线热电阻。
  3.最佳做法是使用4线制和A类热电阻。
  4.确保传感器经过温度变化循环和“老化”处理,以确保长期稳定性。
  5.在部署低于0℃和高于600℃的热电阻时CONTROL ENGINEERING China版权所有,您需要了解工艺条件以优化结构:温度范围、循环、压力、流量、介质、振动和周围环境条件(化学品/大气)。
  6.如果需要最高精度时CONTROL ENGINEERING China版权所有,使用传感器微调。
  7.如果使用长线路的3线制热电阻,并且无法将其转换为4线制热电阻,请将3线热电阻替换为PT1000Ω热电阻。
  8.如果监测温度高于850℃,请使用热电偶。
  9.如果使用热电偶,请使用优质热电偶和延长线。
  10.如果使用长热电偶延长线,请确保它具有噪声防护功能。
  11. 用远程I/O 替代受污染的热电偶延长线。
(作者:Gary Prentice)


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