在温度测量中实现高精度和可靠性的关键

温度是过程工业中最广泛测量的变量，通常是工业加工中的一个关键因素。如果温度测量因任何原因不准确、不可重复和不可靠，就会对过程效率、能源消耗、产品质量和可能的过程安全等方面产生不利影响。

在某些过程中，即使是一个很小的测量误差也可能是破坏性的或非常昂贵的。药品加工就是一个例子，不准确的温度测量可能会毁掉一批价值数十万美元的产品。另一个例子是在安全循环中，糟糕的性能可能是昂贵的，致命的，或两者兼而有之。例如，如果温度没有被准确测量和控制，一个过程可能会放热并可能爆炸。这些例子强调了每个测量系统都需要仔细地评估和设计以满足过程的需求。

测量链中的环节

测量通常使用传感器，通常是TC(热电偶)或RTD(电阻温度检测器)，以及信号调节电路(发射机或DCS或PLC输入卡的通道)来将传感器的低电平(欧姆或mV)信号放大为更强的4-20 mA电流信号。这些组件，当与现场连接头和温度计套管结合时，被称为温度测量系统或组件。本系列的文章已经单独讨论了这些问题，但是现在重要的是考虑更大的集成。

系统可满足各种测量精度和稳定性要求。有些应用只看趋势，绝对的准确性不是很重要。另一方面，由于温度测量误差，其他人可能会产生巨大的财务影响。例如，可能需要重新处理的不符合规格的生产、需要昂贵的流程重新启动的讨厌的流程关闭、降低的生产率和频繁的重新校准成本。

作为一种见解，高精度系统的精度潜力比设计松散的系统精确几个数量级。过度或欠设计的系统可能是一个非常昂贵的疏忽。

确定系统需求

对于新手或经验不足的工程师来说，为应用选择合适的温度测量系统似乎是一项艰巨的任务。为了设计一个可靠的温度测量系统，需要回答一系列的问题，以深入了解应用。因此，可以做出系统组件的最佳选择，包括热电偶、传感器和信号调理装置。测量的性能要求也必须确定。启动时的运行条件、稳态和潜在的异常条件都必须考虑在内。

与任何任务一样，逻辑和系统的方法通常从理解测量应用程序的性能和物理需求开始:

• 审核过程p&id
• 将图与实际安装进行比较
• 评估可能的安装位置
• 在部件选择过程中咨询工艺、机械和环境工程师
• 与项目经理一起计划范围和进度。

这种方法通常会为精心设计的解决方案提供最佳路径。

识别测量性能因素

在报告过程温度测量时，温度测量系统的性能受到许多因素的影响。其中最重要的定义和解释如下。

温度测量系统的精度是指温度测量值与该温度的实际(真)值的接近程度。

测量系统的可重复性，也称为精度，是指在不变条件下重复测量显示相同结果的程度。例如，一台仪器每次都可以显示相同的温度值(在相同的测量条件下)，但该值与正确值有偏移。这是可重复的，但不准确。理想的测量既准确又可重复(图1)。

稳定性是指发射机在一段时间内避免漂移以保持精度的能力。它与传感器的测量信号有关，该信号可能受到湿度和长时间暴露在高温下的影响。通过使用发射器中的参考元件来维持稳定性，与传感器输入进行比较。领先的变送器制造商，为了提高精度和稳定性，充分表征每个变送器在其整个温度范围内的特性，以补偿数字-模拟转换器(D/A)和模拟-数字转换器(A/D)的温度依赖性。

变送器的稳定性通常以每种传感器类型在指定时间内读数的百分比或测量温度的预期最大变化(℃或F)来表示。数据通常以年为间隔，如一年、两年或五年。高端发射器的典型例子有:

• rtd:读数的±0.25%，或±0.25°C(0.45°F) 5年，以较大者为准。
• tc:读数的±0.5%，或±0.5°C(0.9°F) 5年，以较大者为准。

这里的稳定性规格是指发射机性能，不包括传感器本身。制作精良的RTD通常被认为是高度稳定的，不会随着时间的推移而显著退化。然而，即使是制作精良的TC也会随着时间的推移而显著降解，在高温下降解得更快。

从所有这些讨论中得到的重要教训是，您的设计必须认识到整个测量系统的性能，而不仅仅是发射器或传感器。量化误差叠加的一种方法是使用总可能误差(TPE)计算。根据预期的安装条件，分析了发射机和传感器系统可能出现的误差。该计算的组成部分包括发射机和传感器精度效应的平方根(图2)。

耐用性和可靠性创造信心

我们有理由认为一个耐用的设备或系统是可靠的。您可以依赖它来执行预期的功能。就像您希望汽车上的耐用电池能够在所有合理的条件下可靠地启动发动机和运行配件一样，您也希望耐用的温度测量系统能够在指定的条件下正常工作。信心建立在可靠业绩的历史之上。

在设计温度测量系统时，应选择每个组件以提供应用所需的可靠性。例如，如果处理高精度测量要求，则不会选择漂移期望过高的传感器。如果你的环境有电噪声，你就不会使用不提供智能过滤功能的发射机。同样，在高速流动应用中，如果不进行尾流频率计算，就不会选择热井。共同的元素是，您必须了解流程才能知道最关键的需求是什么。

最大限度提高准确性和可靠性

在选择变送器时，有许多功能和选项可以一起工作，以建立您的读数信心:

•智能过滤-在大多数工厂环境中，闪电或其他静态放电产生的电涌是常见的，来自本地电网的电涌和下降也是常见的。振动、高湿度、极端环境温度、腐蚀性大气等可能会引起其他不利条件，这些条件会对发射机性能产生不利影响。幸运的是，高质量的制造商具有设计特性和配置选项，可以解决这些问题，并有助于提供可靠的温度测量。

•发射器-传感器匹配-所有RTD传感器都有固有的误差或与理想理论性能曲线的偏移。发射器-传感器匹配可以对这些不准确性进行精确补偿。一些变送器使用Callendar-Van Dusen (CVD)方程程序将其作为内置功能提供。该方程描述了特定rtd电阻与温度之间的关系。匹配过程允许用户在变送器中输入四个传感器特定的CVD常数。发射器解决方程，使发射器与特定传感器匹配，从而提供出色的精度。传感器匹配的精度提高通常为7:1，系统精度可达±0.025°F(±0.014°C)。

•热设备切换-使用双传感器系统，发射器可以编程，当主传感器故障时，发射器输入自动从主传感器切换到次要传感器。该特性允许组件保持测量连续性(图3)。

传感器漂移检测-当两个传感器并行工作并连接到同一个发射机时，发射机可以通过编程来比较两个传感器的读数，并在读数开始偏离时通知控制系统，因为其中一个传感器的退化导致其测量信号漂移远离实际值(图4)。

无论在测量点可能存在何种恶劣条件，配置了上述选项和功能的适当指定的温度测量系统都可以在很大程度上确保向接收系统连续报告准确和可靠的测量结果。

大卫·安德森是艾默生过程管理公司的高级营销工程师。

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这是温度级数的第四部分。阅读下面所附的早期文章。

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关键概念:

• 温度测量链中的所有设备都会影响整体的准确性和可靠性。
• 所有设备的精度都需要相似，否则你可能会浪费钱。
• 诸如发射机之类的设备可以提供使任务更容易、更可靠的功能。

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