与温度接触

关键字 过程控制和仪表 温度传感器 热电偶 高压 热敏电阻

温度是最容易测量的物理变量之一。然而，定义温度并不是那么容易。人类对温度的感受主要是一种热或冷的感觉。

我们感受到的温度是一种客观的品质，我们感觉到的是热还是冷。正是这种特性使我们体验到热或冷的感觉。

我们对冷热的感觉是由分子运动引起的，温度是一种物质分子平均动能的量度。“动力学”一词的意思是“与运动有关”，所以另一种说法是这样的。温度是对物质中分子运动所产生的平均能量的度量。随着平均运动的增加，温度也随之增加。温度随着平均运动的减小而减小。

理解温度测量需要知道两个物体在不同温度下如何相互作用。当两个物体热接触时，一种能量形式叫做热从较热的物体流向较冷的物体。这种能量传递一直持续到两个物体的温度相等为止。热能的传递在那一点停止。

测量方法

测量温度的方法多种多样。所有的温度测量方法都使用某种类型的传感器。温度传感器具有一个或多个属性，随着温度的变化以可预测的方式变化。温度传感器的变化特性被解释为温标、电压表、温度计或类似设备的温度变化。

在工业应用中，经常遇到四种类型的温度传感器:

• 热电偶;

• 电阻温度检测器(rtd);

• 热敏电阻;和

• 红外(非接触式)设备。

热电偶是工业制造环境中应用最广泛的温度传感器。热电偶由两根由不同金属制成的导线组成，一端连接在一起，称为测量结。在导体的另一端，形成一个参考结。当测量结和参考结的温度不同时，电路中就会有连续的电流流过。得到的电压是测量点和参考点之间温度差的函数。电压的大小取决于所用金属的种类。需要电压表或其他设备将电压读数解释为温度值。

电阻温度检测器(rtd)利用了导线中电流阻力随温度变化的事实。铂是最常用的线材。rtd有两种类型:线绕式和薄膜式。

线绕式rtd由缠绕在玻璃内的线轴上的线组成。对于薄膜rtd，将薄膜蚀刻到陶瓷基板上并密封。rtd比热电偶更精确和稳定，但不能用于测量极高的温度。

就像高压,热敏电阻也会随着温度的变化而改变电阻，但它们比rtd或热电偶更敏感。随着温度的变化，热敏电阻的电阻变化比rtd要明显得多。然而，这种变化是高度非线性的。由于热敏电阻具有极高的灵敏度和非线性，因此只能测量几百摄氏度的温度。它们不如rtd坚固，进一步限制了它们的应用。

红外温度计当不能使用热电偶、rtd或热敏电阻进行接触式测量时，使用热电偶、rtd或热敏电阻来测量温度。例如，它们被用来测量移动物体的温度，如移动的机械或传送带。它们也用于存在污染的地方，因为危险的原因，或者距离太大而不能接触传感器的地方。红外传感器探测材料发出的红外能量。最常见的设计包括一个透镜，将红外能量聚焦到探测器上。然后，根据指定的单位将红外能量转换成温度测量值。

最古老的技术主宰着世界
温度传感器市场。

确定安装底座

Flow Research(马萨诸塞州韦克菲尔德)和Ducker Research(密歇根州布卢姆菲尔德希尔斯)在1999年的大部分时间里对132名用户和250家供应商进行了采访，并进行了一项研究，以确定工业温度传感器的安装基数。根据调查结果，温度传感器的安装基数分布如图1所示。

由于调查的重点是传感器，而不是机械或手抄温度计，因此手动设备不属于调查的一部分。因此，6%的“Other”值不应作为所有其他类型温度测量设备的测量值。事实上，这项调查并没有试图量化制造工厂中使用的双金属或玻璃内液体温度计或集成电路温度传感器的数量。

调查中最引人注目的是构成温度传感器安装基础的大比例热电偶(64%)。如此庞大的热电偶安装基数产生了非常大的需求来源。虽然一些热电偶用户正在改为rtd，但这更有可能发生在新建或工厂改造期间，而不是在常规更换期间。热电偶的庞大安装基础通过确保对热电偶的持续需求的稳定来源来锚定热电偶市场。

传感器类型的忠诚度强。当被问及控制工程师在过去一年中是否用一种温度传感器替换了另一种温度传感器时，只有13%的受访者表示有。这意味着，当更换传感器时，87%的情况下，一个传感器被另一个相同类型的传感器所取代。考虑到64%的热电偶安装基数的响应，很容易理解热电偶的巨大而稳定的需求。

看看信用证类型

根据结金属的组合，热电偶分为几种类型。这些字母指定的类型为给定的温度范围提供不同的毫伏输出，为不同的工业应用提供灵活性。

根据第二张图，K型和J型比其他结型(如T型和e型)使用的数量要多得多。其他结型包括更专业的类型，如S型、R型和b型。K型和J型的更多使用可能是因为它们的高线性度和在给定温度范围内提供高mV的能力。

转向rtd

终端用户正在从热电偶转向rtd。这种趋势已经持续了好几年，而且还在继续。

rtd使用的变化是由几个因素驱动的。其一是rtd比热电偶更精确。传感器的精度在优化过程中变得越来越重要，这对企业效率和竞争力至关重要。其次，rtd比热电偶更稳定，并且随着时间的推移更不容易漂移。传感器的维护和校准既昂贵又耗时。

从热电偶到RTD的切换可能不会影响温度传感器的单位增长，因为它通常需要一个RTD来取代一个热电偶。然而，它可能会增加温度传感器市场的收入增长，因为rtd平均成本高于热电偶。这种逐渐的转变很可能在未来几年继续下去。热电偶和RTD技术已经存在了很长时间，两者都将继续得到广泛应用。

尽管转向了rtd，但以单位为基础的热电偶出货量仍然比rtd多。

rtd对热电偶影响的一个限制与应用有关。在可预见的未来，rtd在超过1200度的温度下不能正常工作。

在rtd中，从线绕到薄膜器件的转换正在发生。线绕式rtd由绕在某种铁芯上的线圈组成，通常是陶瓷的。对于薄膜rtd，将薄膜蚀刻到陶瓷基板上并密封。终端用户正在转向薄膜rtd;技术进步提高了性能，降低了成本。

寻求新方法

人们很容易产生这样的印象:关于温度测量的一切都是已知的。这是因为温度传感技术已经存在了很多年，并没有很多新的方法出现在地平线上。

热电偶和rtd的发明是在19世纪中期，红外技术的起源可以追溯到1900年左右。

然而，温度传感器技术的进步仍在继续。从热电偶到RTD的迁移源于RTD技术的改进，以及对精度的高度关注。

从线绕到薄膜RTD技术的转变是后一种新技术改进的结果。一种名为“细线”的技术已经被开发出来，它可以将温度传感器放置在恶劣的位置，比如涡轮叶片，并提供实时温度数据，以提高发动机的性能。在测量极高温和低温方面也取得了突破。

在温度测量领域，研究重点是开发用于极端应用的新型传感器。随着温度传感器制造商专注于基础传感器的研究，可能会发现全新的温度测量方法。

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接触式温度传感器的相对优势

质量	热电偶	高压	热敏电阻
温度范围	-400到4200	-200年to1,475	-176到392
精度	不如RTD准确	比热电偶更精确	比RTD更准确
强度	高度的	对震动敏感	不坚固的
线性	高度非线性	有些非线性	高度非线性
漂移	受漂移影响	比信用证受漂移的影响小	比信用证受漂移的影响小
冷端补偿	要求	没有一个	没有一个
响应	快	相对较慢	比rtd快
成本	低，贵金属器件除外	高于热电偶	低
来源:控制工程与信息从流动研究

作者信息

Jesse Yoder在过程控制方面有13年的分析师和作家经验。在创立Flow Research之前，他曾担任其他几家市场研究公司的分析师。Yoder先生持有the University of Massachusetts Amherst的哲学博士学位。给他发邮件至

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