温度传感的挑战

典型的温度传感器安装使用热电偶或其他证明在过程中，它可以感应到所需的温度。在设备上安装发射机可以最大限度地减少电磁干扰造成信号污染的可能性。来源:Moore Industries

大约十年前，我肩负着监督我们公司为一家石灰生产商提供的污染控制系统启动的任务。它包括测量烟气的温度，这看起来很简单。然而，在我的团队、我们的系统集成商、母公司、当地运营商、客户的工程承包商和客户的母公司之间，对于哪种类型的传感器是最好的，我们有很多不同的意见。讨论产生的热量几乎和烧窑一样多。在调试结束之前，我们安装了两种类型的热电偶和至少一个RTD(电阻温度设备)，包括为每种设备拉适当的电缆。这是一个代价高昂的教训。

选择是很困难的，即使只有三种主要的电子测量温度的技术:

• 热电偶;

• RTD;和

• 热敏电阻。

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也阅读理解棘手的热电偶，与图表。

很容易对这三种设备类型的特征进行概括，并且这些信息可能会在大多数应用程序中为您服务。许多文章都是基于这种假设而写的。然而，这些概括并不总是适用，而且技术正在以一种改变其相关性的方式发展。我们需要检查其中的一些观点，看看我们能从中得出什么结论。在准备这篇文章的过程中，我咨询了各种各样的人，他们通常代表着一些较小的公司，对他们来说，温度测量是他们业务活动的主要部分，如果不是最大的部分的话。

传统智慧?

在选择传感器时，您必须询问有关应用程序的几个基本问题，以指导选择:

• 测量范围-不仅是预期的特定工作温度，而且是在关闭，启动和过程中断期间可能经历的全部潜在范围。

• 稳定性、准确性和灵敏度——这些都是相关的，确定这些要求的组合很大程度上取决于工艺的需要。制药应用中的生物反应器可能需要非常精确和可重复的读数。这需要一种与简单的储罐监控情况截然不同的策略。

• 响应时间——有些过程温度变化非常快。如果有必要，可以对传感器进行配置，使其能够非常快速地捕获流程流中的微小变化，但通常以耐久性和稳定性为代价。

典型的热敏电阻响应曲线不是很线性。因此，使用这种技术并希望高精度的设备要么必须在窄范围内操作，要么必须使用复杂的电子设备来拉直曲线。有些设备使用公式，其他设备使用查找表进行转换。

传感器具有一些适用于大多数时间的一般特性。例如，热电偶通过提供由不同金属结产生的非常小的电压信号来指示温度。测量实际上是过程和参考点之间的温度差。参考点必须提供自己的温度作为比较的基础，因此热电偶安装实际上涉及两个温度传感器。

热电偶还具有许多关键优势:

• 多种测量范围，包括组内最高限值;

• 许多物理尺寸和配置;

• 可以有非常快的响应时间;

• 价格适中，配置简单;

• 准确度和灵敏度中等;

• 特定类型必须有匹配的电缆(例如，K型热电偶必须有K型电缆);和

• 信号强度很低，容易产生电磁干扰问题。

rtd利用了一些金属(通常是铂)随着温度升高而增加电阻的事实。为了测量这种变化，传感器的输出通过参考电压输入惠斯通电桥。rtd具有与热电偶相比良好的特性:

• 更准确、稳定、可重复;

• 更好的灵敏度和线性度;

• 信号更强;

• 较窄的测量范围，特别是在高端;

• 更贵;和

• 需要外部电源。

热敏电阻的工作原理与rtd大致相同，但使用不同类型的元件。大多数类型在温度和电阻之间有反比关系，或NTC(负温度系数)，这意味着电阻随着温度的升高而下降。

• 组内测量范围最窄;

• 线性度最低;

• 精度和响应时间可与热电偶媲美;

• 电阻范围宽，分辨率高;和

• 最便宜。

rtd可以非常小。这一个使用陶瓷封装来保护脆弱的铂线。如果质量不是太大，响应时间仍然可以保持较短。来源:贺利氏传感器技术

GEC仪器公司的总工程师杰里·加夫尼警告说:“概括是有误导性的。”“人们不把它当作一般的东西，他们形成的终身观点并不总是正确的。如果人们买东西是认真的，他们应该研究他们所寻找的所有不同因素，考虑成本、精度、传感器尺寸等所有这些因素，然后决定他们需要什么。他们不应该因为读到一篇说热电偶不准确的文章就决定不使用热电偶。”

当然，任何规则都有例外。仪器制造商可以制造具有与规范相反特性的设备。然而，这些通常是为专门应用或实验室使用而设计的。加工制造工厂常见的设备通常更普通，并且倾向于更密切地遵循这些特征。

不过，如果概括可能会产生误导，那么有哪些更具体的考虑呢?让我们再来看看每种传感器技术。

热电偶

Data Translation总裁Fred Molinari表示:“工业市场中的大多数公司都希望使用热电偶。“他们在这方面有很多经验，你不需要任何形式的刺激电压——只要两根电线。”

虽然热电偶是自激的，但它们产生的电流非常低，这意味着信号可能很微妙，必须小心处理。“当你用热电偶获得准确的读数时，通常会做得很好。”

由于热电偶只需要一对导线来形成感测点，因此它们可以非常小。如此细的电线使得反应速度非常快，但可能会牺牲耐用性。来源:Omega Engineering

鉴于信号特性，如何处理热电偶的输出是至关重要的。与此同时，这并不能解决一个问题，即由于传感器特性的变化，它们会漂移。Palmer Wahl Instruments的分销经理Alan Clark说:“热电偶校准设备有一个完整的行业，因为它们漂移得非常严重。”“热电偶导线会随着时间的推移而改变特性。

“例如，对于J型热电偶，其中一条电线是铁。因为铁生锈，它的导热性改变，导致它漂移。热电偶校准有点用词不当，因为你实际上并没有改变热电偶。你所做的就是读取它漂移了多少，然后你输入一个校正因子让你的仪表来校正这个误差。你必须定期这样做，可能每三个月左右。”

此外，由于热电偶产生差分读数，必须有其他点进行比较。如果参考点改变，即使过程相同，读数也会随之改变。“热电偶的固有缺点之一是它们需要冷端补偿，”DWM & Associates的产品经理Bob Gliniecki说。“现在这是通过电子方式完成的，但它增加了一些费用。我总觉得有点好笑的是，这种电子冷端电路通常包含一个热敏电阻。”

高压

只要温度范围不超过其最大值，rtd通常被认为是最复杂的技术。这通常会带来更高的成本，从字面上的费用和需要更复杂的信号处理。“rtd需要更多的信号调节，但你可以得到1/100度的精度，”康纳斯说。

rtd还具有广泛的标准化，这为性能提供了可预测性。Gliniecki说:“对于铂元素RTD，有一个国际标准IEC 60751。“例如，它定义了B级精度，即

rtd的精度和稳定性可以与特定的发射机相结合，并进行微调，以提供非常高的精度。Moore Industries International的应用工程师Gary Mathur给出了这样的建议:“由于RTD是一种电阻，你可以通过将其放入槽中，捕捉这些读数，并将它们放入发射机的存储器中，在多个点上校准它。如果你在你的读数最关键的范围内做一个槽校准，在这个值附近有一系列的读数，你可以把这些欧姆值放入变送器的存储器中，变送器就和那个RTD匹配了。然后你就有了一个高度精确的组装，这是热电偶无法做到的。”

热敏电阻

Gliniecki建议:“对于室温应用，我的意思是-40到100°C，热敏电阻往往是首选的传感器。”“它们通常非常便宜，而且每度电阻变化很大，很容易获得良好的分辨率。”

热敏电阻通常被认为是低端市场，具有最窄的测量范围。虽然稳定，但它们的非线性(见图)会使它们更难处理。“热敏电阻名声不好，”高级工业系统公司的咨询工程师大卫·l·尼尔说，“这主要是因为它们是非线性的，所以很难使用。但是使用现在可用的新发射机，您可以获得4-20 mA的线性信号。但前提是你要使用发射器。许多I/O模块被设置为直接与热电偶和rtd一起工作，而无需发送器。所以当你放一个发射器进去时，你给每个回路增加200美元。因此，根据你对更好的测量方法的兴奋程度，你可能不想这样做。”

解决线性问题真的那么复杂吗?“线性化热敏电阻的方程是一个三阶对数，”Neal补充道。“我的数学很好，但如果我必须坐下来推导这个方程，我就很难推导出来了。但如果你有能力在电脑中缩放热敏电阻，并且你的温度在0到70°C之间，热敏电阻是一个非常好的解决方案。”

为什么这么难?

为什么温度测量看起来如此困难?Thermometrics的销售工程师戴夫·金(Dave King)给出了他的评价:“大多数人陷入困境的地方是把温度测量视为事后的想法。这种情况发生在加工工业中，但不经常发生因为你在那个领域有更有经验的人，但每隔一段时间你就会看到有人试图把一个法兰的热电偶套管放在一个不够大的生产线上。如果你提前考虑一下，你可以把它融入到肘部或弯曲中，让它发挥作用。否则，也许就足够了。”

在许多情况下，问题不仅与传感器的选择有关，还与传感器的放置有关。外壳可以作为屏障或散热片，使传感器无法看到真实的工艺温度。即使你的引线可以吸走热量从传感器，如果它是足够大。

虽然温度测量具有相对较少的潜在传感器技术，但差异往往是微妙的，很容易被误解。这可能导致设备应用不当。“很多人告诉我们，他们知道自己想要什么，”Weed Instruments负责销售和营销的副总裁乔·切塔姆(Joe Cheatham)说。“他们想要一个热电偶。他们想要一个RTD。我不知道他们是否在看一些工程规范，或者只是习惯，或者他们对所有的温度传感器使用一个通用的术语，比如热电偶。他们实际上可能不需要热电偶，而只是需要某种类型的接触测量设备，这就是他们所说的。

“客户需要与潜在供应商进行非常清晰的沟通。他们需要了解传感器将如何应用，它周围的物理环境是什么。它是一个稳定的温度测量，还是一个上下波动的循环?它周围的电环境是什么?传感器离他们想要测量的地方有多远?”安德拉说。

欧米茄工程公司(Omega Engineering)的项目工程师Ron Desmarais将这个问题总结为，面对更复杂的部署，人们的理解能力不断下降。他指出:“我认为，我们正在看到该行业同时出现多种情况。“越来越复杂的过程控制系统越来越广泛地应用于提高质量、降低成本和提高过程效率。这导致温度和其他传感器的使用显著增加。”

Desmarais说，许多传感器被放置在相当恶劣的环境中，传感器是否正常工作可能并不容易看出。他补充说，有一种方法可以在安装时验证传感器的性能，以及在使用过程中定期验证传感器的性能，这一点非常重要，这取决于所经历的条件。这就要求设计、使用和维护系统的人员了解系统的局限性，以及如何发现可能发生的任何变化。所测量的工艺条件的临界程度决定了所需的监视和理解水平。

Desmarais说:“这一切都发生在对不同类型温度传感器的细微差别的理解正在减少的时候。在过去，定期使用传感器的组织会有内部专家来研究不同类型的传感器以及如何应用它们。不幸的是，随着许多更有经验的仪器工程师的退休，工作量的增加和组织的精简，这种水平的专业化和理解正在以惊人的速度消失。今天，似乎许多工程师正在开发更多的即插即用的方法来选择和使用温度传感器。这就要求油气行业加紧填补这一知识空白，并帮助客户做出正确的选择。”

这些最后的想法可能是最有说服力的。许多仪器和过程控制需要细微差别和技巧。虽然更复杂的设备和电子产品已经消除了对专业化的大量需求，但很难取代技能、独创性和对流程的深入了解。

作者信息

Peter Welander是过程工业编辑。打电话给他。PWelander@cfemedia.com．

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