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英國CAL溫度控制器測量實用準則

閱讀:744        發(fā)布時間:2021-1-4

溫度可通過各式各樣的傳感器來測量。 所有傳感器都是通過感知物理特性的某 些變化來判斷溫度。工程師有可能碰到 的6種傳感器類型如下:熱電偶、電阻溫 度探測器(RTD與熱敏電阻)、紅外輻 射器、雙金屬器件、液體膨脹式器件以 及相變器件。首先,我們對每種傳感器 進行簡短回顧。

熱電偶主要由兩種不同金屬制成的金屬 條或金屬線組成,它們的一端連接在一 起。如后面所討論的,該連接點處的溫 度變化會引起另外兩端之間電動勢(emf) 的變化。隨著溫度升高,熱電偶的這一輸出電動勢emf也會增大,但不一定呈 線性關系

電阻溫度探測器利用了材料電阻隨材料 溫度而變化這一事實。兩種主要類型為 金屬測溫器件(通常稱為RTD)和熱敏 電阻。顧名思義,RTD依靠金屬電阻的 變化,電阻的增加或多或少都與溫度呈 線性關系。熱敏電阻依據(jù)的是陶瓷半導 體中的電阻變化;電阻下降與溫度升高 之間存在著非線性關系。

紅外傳感器是非接觸式測溫設備。如后 面所討論的,它們通過測量材料放射出 的熱輻射來判斷溫度。

雙金屬器件利用了不同金屬之間熱膨脹 率的差異。兩條金屬片聯(lián)結在一起,受 熱時,一側金屬片膨脹程度大于另一側 金屬片,由此造成的彎曲通過與指針相 連的金屬桿系轉變成溫度讀數(shù)。這些器 件便于攜帶并且不需要任何電源,然而 它們通常不如熱電偶或RTD精que,并且 不太適合溫度記錄。

以家用溫度計為代表的液體膨脹式器件 通常分為兩類:水銀類和有機液體類。 還有利用氣體而非液體的類型。水銀被 認為是一種對環(huán)境有害的物質(zhì),因而有 一些法規(guī)限制含水銀器件的發(fā)運。液體 膨脹式傳感器無需電源,不存在爆炸 隱患,并且即使多次重復使用也依然可 靠。另一方面,它們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通常不 易記錄或傳輸,并且它們不能進行單點 測量或點測。

相變溫度傳感器由在達到一定溫度時 外觀會變化的標簽、顆粒、顏料、油漆 或液晶構成。例如,它們可與汽阱配合 使用,當汽阱超過一定溫度時,附到汽 阱上的傳感器片上的白色圓點將變成 黑色。

響應時間一般為幾分鐘,因而這類器件 通常不對溫度瞬變做出響應,并且其 精度低于使用其它類型傳感器進行的測 量。而且,相變是不可逆的,液晶顯示 器的情況例外。然而即便如此,如果在 產(chǎn)品運輸過程中,例如由于技術或法律 方面的原因,需要確認某件設備或材料 的溫度尚未超過一定數(shù)值,相變傳感器 還是比較方便。

 

主力設備

在化工行業(yè),chang用的溫度傳感器是熱 電偶、電阻溫度探測器和紅外器件。對 于這些器件如何工作以及應該如何使用 它們,存在著一種普遍的誤解。

熱電偶: 首先看一下熱電偶——也許是 三者中chang用但缺乏了解的器件。本 質(zhì)上,熱電偶由兩條一頭連接在一起, 另一頭打開的合金組成。輸出端(開口端;圖1a中的V 1)的電動勢emf是閉合 端溫度 T 1的函數(shù)。在該溫度增加時,電 動勢emf也隨之升高。

通常,熱電偶帶有金屬或陶瓷護套,它 將熱電偶與各種環(huán)境因素隔開。金屬 護套熱電偶還帶有多種類型的涂層(例 如,聚四氟乙烯),以便在腐蝕性溶液 中*地使用。

開口端電動勢不但是閉合端溫度(即 測量點處的溫度)的函數(shù),它也是開 口端溫度(圖1a中的T2 )的函數(shù)。只 有使T2一直處于標準溫度,測量的電 1變化的正函數(shù)。對 于T2,行業(yè)認可的標準是0°C;因此 大多數(shù)表和圖表都假定T 2為這一數(shù)值。在工業(yè)儀表中,T2實際溫度與0°C之間 的差異通常在儀表內(nèi)部以電子方式校 正。這種電動勢emf調(diào)整稱為冷端或CJ 校正。

輸入端與輸出端之間導線的溫度變化不 影響輸出電壓,前提是導線為熱電偶合 金或熱電等效材料(圖1a)。例如,如 果熱電偶正在測量爐中溫度,而且顯示 讀數(shù)的儀表在一段距離以外,兩者之間 的導線可以從另一爐子附近經(jīng)過并且不 受爐子溫度的影響,除非爐子變得足夠 熱而使導線熔化或者會永jiu地改變導線 的電熱行為。

只要溫度T1在整個連接點處保持不變并 且連接點材料導電,連接點自身的成份 就不會對熱電偶行為產(chǎn)生任何影響(圖 1b)。同樣,在任一條或者兩條導線中 添加非熱電偶合金也不會影響讀數(shù),條 件是這種"摻假"金屬兩端的溫度相同 (圖1c)。

 

 

熱電偶能夠與傳輸路徑中的"摻假"金 屬一起使用,這種能力讓我們能夠使用 很多設備,如熱電偶開關。盡管傳 輸導線本身通常為熱電偶合金的熱電等 效材料,但若使熱電偶開關正常工作, 它就必須由鍍金或鍍銀銅合金制成并且 帶有適當?shù)匿搹椈蓙泶_保良好接觸。 只要開關輸入和輸出連接點處的溫度相 同,其成份變化就不會造成任何影響。

了解連續(xù)熱電偶定律很重要。在圖1d的 上部分顯示的兩個元件中,一個熱電偶 的熱端溫度為T1,開口端溫度為T2。第 二個熱電偶的熱端溫度為T2,開口端溫 度為T3。測量T1的熱電偶的電動勢emf 大小為VF1;另一個熱電偶的電動勢大小 為V2。兩個電動勢emf之和,即V1+V2等 于電動勢V3,V3是熱電偶在溫度T1與T3 之間工作總共產(chǎn)生的電動勢。根據(jù)此定 律,為一個開口端參考溫度指ding的熱電 偶可用于不同的開口端溫度。

RTD:典型的RTD由纖細的鉑線纏繞在 芯棒上組成,還包覆有保護性涂層。通 常,芯棒和涂層采用玻璃或陶瓷。

RTD的電阻與溫度圖的平均斜率通常稱 為α值(圖2),α代表溫度系數(shù)。給定 傳感器的斜率在某些程度上取決于其中 鉑的純度。

chang用的標準斜率與特定純度和成份的 鉑有關,其值為0.00385(假定電阻測量 單位是歐姆并且溫度單位是攝氏度)。

利用該斜率繪制的電阻與溫度曲線即為 所謂的歐洲曲線,其原因是這種成份的 RTD首先在歐洲大陸廣泛使用。使圖復 雜化的是還有另一種標準斜率,它與另 一種差別不大的鉑成份有關。這種斜率 的α值略高,為0.00392,它遵循所謂美 國曲線。

如果沒有規(guī)定一個給定RTD的α值,該 值通常為0.00385。然而,謹慎的做法是 確定這一點,在要測量的溫度比較高時 尤其如此。這一點在圖2中表現(xiàn)出來,圖 2中顯示的是使用w廣泛(即0°C時電 阻為100歐姆)的RTD的歐洲曲線和美 國曲線。

熱敏電阻:熱敏電阻的電阻與溫度呈反 比關系,并且這種關系為高度非線性。 這給必須自行設計電路的工程師帶來了 一個嚴重問題。但是,將熱敏電阻成對 使用能使其非線性相互抵消,可以緩解 這種困難。另外,廠商提供的盤裝儀表 和控制器可以在內(nèi)部對熱敏電阻缺乏線 性進行補償。

通常,熱敏電阻根據(jù)其在25°C的電阻值 命名。chang用的額定電阻為2252歐姆,其它的還有5,000歐姆和10,000歐姆。如 果沒有另行指ding,多數(shù)儀表可使用2252 型熱敏電阻。

 

 

圖1.假定已滿足某些條件 (正文中),則熱電偶性 能不受導線溫度變化(a)、 連接點成份(b)的影響,也 不受導線中增加非熱電 偶 合金(c)的影響。正文中還 詳述的一點是,熱電偶的 讀數(shù)可以累加(d)。

 

 

圖2.給定RTD具有兩種標準電阻與溫度關系中的一種,這種關系通常稱為a值。尤其是在進行 高溫測量時,在不了解RTD的a值之前 ,明 智 的 工程 師 不 會使用該RTD。

紅外傳感器:紅外傳感器測量表面放射 出的輻射量。所有物質(zhì)不考慮其溫度, 都會放射出電磁能量。在許多加工過 程中,能量都屬于紅外區(qū)。隨著溫 度

紅外傳感器:紅外傳感器測量表面放射 出的輻射量。所有物質(zhì)不考慮其溫度, 都會放射出電磁能量。在許多加工過 程中,能量都屬于紅外區(qū)。隨著溫度 升高,紅外輻射量及其平均頻率都在 增加。

不同材料以不同效率放射。這種效率被量 化成放射率,一個介于0和1之間的小數(shù) 或者介于0%與100%之間的百分數(shù)。包 括皮膚在內(nèi)的大多數(shù)有機材料效率*, 其放射率經(jīng)常為0.95。另一方面, 大部分拋光金屬在室溫下往往是效率低下 的放射體,其放射率或效率通常為20% 或更低。

要正確發(fā)揮其功能,紅外測量設備必 須考慮被測量表面的放射率。通???以在參考表中查找到這種放射率。然而, 請記住,該表 無 法 說 明 氧 化 和 表 面粗糙度等具體狀況。當放射率大小 未知時,一種某些時候實用的溫度測 量方法是"強行"使放射率達到 已 知 水平,具體做法是在表面貼上遮蔽膠 帶(放射率為95%)或者涂上放射性 很強的油漆。

一些傳感器輸入中可能確實包括一些并非 由測量面所在的設備或材料放射的能量, 相反,這些能量是測量表面反射的其它 設備或材料放射的能量。放射率與表面 放射出的能量有關,而"反射率"則與 另一源頭反射的的能量有關。不透明材 料的放射率是其反射率的反指標,屬于 優(yōu)良放射體的物質(zhì)不會反射過多入射能 量,因而不會給傳感器確定表面溫度造 成太大問題。相反,當測量放射率很低 (例如只有20%)的目標表面時,到達 傳感器的很多能量可能是反射能量,例 如反射附近另一溫度的爐子放射的能量。 簡言之,是由高溫的、偽反射目標放射 的能量。

紅外器件像照相機,因此具備一定的視 場。例如,紅外器件可以"看到"1度的 視錐或100度的視錐。測量某一表面時, 確保該表面*占滿視場。如果目標表 面起初沒有占滿視場,請向近移動或者 使用視場更窄的儀器。或者在讀取該儀 器時,將背景 溫度考慮在內(nèi)就行了,即根據(jù)背景溫度來調(diào)整。

 

選型指南

RTD比熱電偶更加穩(wěn)定可靠。但另一方 面,作為一個類別,RTD的溫度范圍較 窄:RTD的工作范圍為-250 ~ 850°C (-418 ~ 1562°F),而熱電偶的范圍大 約是-270 ~ 2,300°C(-457 ~ 4172°F)。 熱敏電阻的工作范圍更小,通常在-40 ~150°C(-40 ~ 302°F)之間,但在該范 圍內(nèi)其精度很高。

熱敏電阻和RTD共同存在著一個非常重 要的限制。它們都是電阻式器件,因此 它們是通過讓電流流過傳感器來工作的。 即使通常僅使用非常小的電流,但也會 產(chǎn)生一定的熱量,因而可導致溫度讀數(shù) 出錯。在測量靜止液體(即不流動也未 被攪動的液體)時,電阻式傳感器內(nèi)的 這種自熱效應很明顯,因為不易散發(fā)產(chǎn) 生的熱量。熱電偶基本上是零電流器件, 因此不會出現(xiàn)這種問題。

紅外傳感器雖然相對較貴,但很適合測 量*溫度。它們可測量的gao溫度達 到3,000°C (5,400°F),遠遠超出了熱電 偶或其它接觸型器件的范圍。

當不想接觸要測溫的表面時,紅外測量 方式也很有吸引力。因此,易碎表面或 濕表面(例如剛從烘干箱中出來的油漆 表面)都可以用這種方法監(jiān)測。具有化 學活性或者可產(chǎn)生電噪聲的物質(zhì)非常適 合紅外測量。在測量需要大量熱電偶或 RTD才能測量的超大表面(如墻壁)的 溫度時,紅外方式也同樣具有優(yōu)勢。

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