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技术资料

温度测量实用准则

  温度可通过各式各样的传感器来测量。 所有传感器都是通过感知物理特性的某 些变化来判断温度。工程师有可能碰到 的6种传感器类型如下:热电偶、电阻温 度探测器(RTD与热敏电阻)、红外辐 射器、双金属器件、液体膨胀式器件以 及相变器件。首先,我们对每种传感器 进行简短回顾。

  热电偶主要由两种不同金属制成的金属 条或金属线组成,它们的一端连接在一 起。如后面所讨论的,该连接点处的温 度变化会引起另外两端之间电动势(emf) 的变化。随着温度升高,热电偶的这一输出电动势emf也会增大,但不一定呈 线性关系

  电阻温度探测器利用了材料电阻随材料 温度而变化这一事实。两种主要类型为 金属测温器件(通常称为RTD)和热敏 电阻。顾名思义,RTD依靠金属电阻的 变化,电阻的增加或多或少都与温度呈 线性关系。热敏电阻依据的是陶瓷半导 体中的电阻变化;电阻下降与温度升高 之间存在着非线性关系。

  红外传感器是非接触式测温设备。如后 面所讨论的,它们通过测量材料放射出 的热辐射来判断温度。

  双金属器件利用了不同金属之间热膨胀 率的差异。两条金属片联结在一起,受 热时,一侧金属片膨胀程度大于另一侧 金属片,由此造成的弯曲通过与指针相 连的金属杆系转变成温度读数。这些器 件便于携带并且不需要任何电源,然而 它们通常不如热电偶或RTD精确,并且 不太适合温度记录。

  以家用温度计为代表的液体膨胀式器件通常分为两类:水银类和有机液体类。 还有利用气体而非液体的类型。水银被 认为是一种对环境有害的物质,因而有 一些法规限制含水银器件的发运。液体 膨胀式传感器无需电源,不存在爆炸 隐患,并且即使多次重复使用也依然可 靠。另一方面,它们产生的数据通常不 易记录或传输,并且它们不能进行单点 测量或点测。

  相变温度传感器由在达到一定温度时外观会变化的标签、颗粒、颜料、油漆 或液晶构成。例如,它们可与汽阱配合使用,当汽阱超过一定温度时,附到汽 阱上的传感器片上的白色圆点将变成 黑色。

响应时间一般为几分钟,因而这类器件 通常不对温度瞬变做出响应,并且其 精度低于使用其它类型传感器进行的测量。而且,相变是不可逆的,液晶显示 器的情况例外。然而即便如此,如果在产品运输过程中,例如由于技术或法律 方面的原因,需要确认某件设备或材料 的温度尚未超过一定数值,相变传感器 还是比较方便。

主力设备

  在化工行业,最常用的温度传感器是热电偶、电阻温度探测器和红外器件。对于这些器件如何工作以及应该如何使用它们,存在着一种普遍的误解。

  热电偶: 首先看一下热电偶——也许是三者中最常用但最缺乏了解的器件。本质上,热电偶由两条一头连接在一起, 另一头打开的合金组成。输出端(开口端;图1a中的V 1)的电动势emf是闭合端温度 T 1的函数。在该温度增加时,电动势emf也随之升高。

  通常,热电偶带有金属或陶瓷护套,它 将热电偶与各种环境因素隔开。金属 护套热电偶还带有多种类型的涂层(例 如,聚四氟乙烯),以便在腐蚀性溶液 中无故障地使用。

  开口端电动势不但是闭合端温度(即 测量点处的温度)的函数,它也是开 口端温度(图1a中的T2 )的函数。只有使T2一直处于标准温度,测量的电 1变化的正函数。对 于T2,行业认可的标准是0°C;因此 大多数表和图表都假定T 2为这一数值。在工业仪表中,T2实际温度与0°C之间 的差异通常在仪表内部以电子方式校正。这种电动势emf调整称为冷端或CJ 校正。

  输入端与输出端之间导线的温度变化不 影响输出电压,前提是导线为热电偶合 金或热电等效材料(图1a)。例如,如果热电偶正在测量炉中温度,而且显示 读数的仪表在一段距离以外,两者之间 的导线可以从另一炉子附近经过并且不受炉子温度的影响,除非炉子变得足够 热而使导线熔化或者会永久地改变导线 的电热行为。

  只要温度T1在整个连接点处保持不变并 且连接点材料导电,连接点自身的成份 就不会对热电偶行为产生任何影响(图 1b)。同样,在任一条或者两条导线中添加非热电偶合金也不会影响读数,条 件是这种"掺假"金属两端的温度相同 (图1c)。

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  热电偶能够与传输路径中的"掺假"金 属一起使用,这种能力让我们能够使用很多专用设备,如热电偶开关。尽管传 输导线本身通常为热电偶合金的热电等 效材料,但若使热电偶开关正常工作, 它就必须由镀金或镀银铜合金制成并且 带有适当的钢弹簧来确保良好接触。 只要开关输入和输出连接点处的温度相 同,其成份变化就不会造成任何影响。

  了解连续热电偶定律很重要。在图1d的 上部分显示的两个元件中,一个热电偶的热端温度为T1,开口端温度为T2。第二个热电偶的热端温度为T2,开口端温 度为T3。测量T1的热电偶的电动势emf 大小为VF1;另一个热电偶的电动势大小 为V2。两个电动势emf之和,即V1+V2等于电动势V3V3是热电偶在温度T1T3 之间工作总共产生的电动势。根据此定律,为一个开口端参考温度指定的热电 偶可用于不同的开口端温度。

  RTD:典型的RTD由纤细的铂线缠绕在芯棒上组成,还包覆有保护性涂层。通常,芯棒和涂层采用玻璃或陶瓷。

  RTD的电阻与温度图的平均斜率通常称为α值(图2),α代表温度系数。给定 传感器的斜率在某些程度上取决于其中 铂的纯度。

最常用的标准斜率与特定纯度和成份的铂有关,其值为0.00385(假定电阻测量 单位是欧姆并且温度单位是摄氏度)。

  利用该斜率绘制的电阻与温度曲线即为所谓的欧洲曲线,其原因是这种成份的 RTD首先在欧洲大陆广泛使用。使图复杂化的是还有另一种标准斜率,它与另一种差别不大的铂成份有关。这种斜率的α值略高,为0.00392,它遵循所谓美 国曲线。

  如果没有规定一个给定RTD的α值,该值通常为0.00385。然而,谨慎的做法是 确定这一点,在要测量的温度比较高时 尤其如此。这一点在图2中表现出来,图 2中显示的是使用最为广泛(即0°C时电 阻为100欧姆)的RTD的欧洲曲线和美国曲线。

  热敏电阻:热敏电阻的电阻与温度呈反比关系,并且这种关系为高度非线性。 这给必须自行设计电路的工程师带来了 一个严重问题。但是,将热敏电阻成对能使其非线性相互抵消,可以缓解这种困难。另外,厂商提供的盘装仪表 和控制器可以在内部对热敏电阻缺乏线 性进行补偿。

通常,热敏电阻根据其在25°C的电阻值命名。最常用的额定电阻为2252欧姆,其它的还有5,000欧姆和10,000欧姆。如果没有另行指定,多数仪表可使用2252 型热敏电阻。

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1.假定已满足某些条件 (正文中),则热电偶性能不受导线温度变化(a)、 连接点成份(b)的影响,也 不受导线中增加非热电 偶 合金(c)的影响。正文中还 详述的一点是,热电偶的读数可以累加(d)

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2.给定RTD具有两种标准电阻与温度关系中的一种,这种关系通常称为a值。尤其是在进行 高温测量时,在不了解RTDa值之前 ,明智的工程师不会使用该RTD

  红外传感器:红外传感器测量表面放射 出的辐射量。所有物质不考虑其温度, 都会放射出电磁能量。在许多加工过程中,能量都属于红外区。随着温度升高,红外辐射量及其平均频率都在 增加。

不同材料以不同效率放射。这种效率被量 化成放射率,一个介于01之间的小数 或者介于0%100%之间的百分数。包括皮肤在内的大多数有机材料效率极高,其放射率经常为0.95。另一方面,大部分抛光金属在室温下往往是效率低下的放射体,其放射率或效率通常为20% 或更低。

  要正确发挥其功能,红外测量设备必须考虑被测量表面的放射率。通常可 以在参考表中查找到这种放射率。然而,请记住,该表无法 说 明氧化和表面粗糙度等具体状况。当放射率大小未知时,一种某些时候实用的温度测 量方法是"强行"使放射率达到已知水平,具体做法是在表面贴上遮蔽胶 带(放射率为95%)或者涂上放射性很强的油漆。

  一些传感器输入中可能确实包括一些并非 由测量面所在的设备或材料放射的能量,相反,这些能量是测量表面反射的其它设备或材料放射的能量。放射率与表面 放射出的能量有关,而"反射率"则与 另一源头反射的的能量有关。不透明材 料的放射率是其反射率的反指标,属于优良放射体的物质不会反射过多入射能量,因而不会给传感器确定表面温度造成太大问题。相反,当测量放射率很低 (例如只有20%)的目标表面时,到达 传感器的很多能量可能是反射能量,例如反射附近另一温度的炉子放射的能量。 简言之,是由高温的、伪反射目标放射 的能量。

  红外器件像照相机,因此具备一定的视场。例如,红外器件可以"看到"1度的视锥或100度的视锥。测量某一表面时,确保该表面完全占满视场。如果目标表面起初没有占满视场,请向近移动或者 使用视场更窄的仪器。或者在读取该仪 器时,将背景温度考虑在内就行了,即根据背景温度来调整。

选型指南

  RTD比热电偶更加稳定可靠。但另一方 面,作为一个类别,RTD的温度范围较 窄:RTD的工作范围为-250 ~ 850°C -418 ~ 1562°F),而热电偶的范围大 约是-270 ~ 2,300°C-457 ~ 4172°F)。 热敏电阻的工作范围更小,通常在-40 ~150°C-40 ~ 302°F)之间,但在该范围内其精度很高。

  热敏电阻和RTD共同存在着一个非常重 要的限制。它们都是电阻式器件,因此 它们是通过让电流流过传感器来工作的。 即使通常仅使用非常小的电流,但也会 产生一定的热量,因而可导致温度读数 出错。在测量静止液体(即不流动也未 被搅动的液体)时,电阻式传感器内的 这种自热效应很明显,因为不易散发产 生的热量。热电偶基本上是零电流器件, 因此不会出现这种问题。

  红外传感器虽然相对较贵,但很适合测量极高温度。它们可测量的最高温度达到3,000°C (5,400°F),远远超出了热电偶或其它接触型器件的范围。

  当不想接触要测温的表面时,红外测量 方式也很有吸引力。因此,易碎表面或 湿表面(例如刚从烘干箱中出来的油漆 表面)都可以用这种方法监测。具有化 学活性或者可产生电噪声的物质非常适 合红外测量。在测量需要大量热电偶或 RTD才能测量的超大表面(如墙壁)的温度时,红外方式也同样具有优势。

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点击次数:  更新时间:2018-11-19 17:42:23  【打印此页】  【关闭