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如何选择和使用正确的熱電偶溫度传感器

來源:www.rewenxiu.com作者:发表时间:2020-12-17 09:54:09

 介紹

       从事溫度传感器的设计,制造和应用已有20年,我参加了许多有关溫度传感器的培训研讨会。在对RTD(电阻溫度检测器)和熱電偶的構造和使用方式進行了冗長的解釋後,人們通常會問“好,那麽如何確定在我的應用中使用哪種傳感器呢?”。本文旨在回答該問題。
 
       在简要回顾了RTD和熱電偶的构造方式以及如何用于测量溫度之后,优发娱乐将讨论如何区分这些传感器。优发娱乐将讨论每种類型的溫度範圍,公差,精度,互换性以及相对优缺点的主题。复习了这些主题之后,您将对何时应使用每种類型的传感器以及原因有更好的了解。
 
RTD和熱電偶基础知识回顾
 
RTD:
       RTD包含一个感应元件,该感应元件是一个随溫度变化的电阻器。电阻的这种变化是众所周知的,并且是可重复的。RTD中的传感元件通常包含一个线圈或导电膜的网格,该网格中切有一个导体图案(见图1)。延长线连接到传感元件,因此可以在一定距离之外测量其电阻。然后包装传感元件,以便可以将其放置在过程中的某个位置,使其达到过程中存在的相同溫度(请参见图2)。
 
RTD元件结构,RTD传感器结构的插图熱電偶传感器结构图
 
熱電偶:
          另一方面,熱電偶包含两个由不同材料制成的电导体,它们的一端相连。将暴露于过程溫度的导体末端称为测量结。熱電偶导体的末端(通常是导体与测量设备的连接点)称为参考结(见图3)。
 
          当熱電偶的测量结和参考结处于不同溫度时,导体内会形成毫伏电位。知道所用熱電偶的類型,熱電偶内的毫伏电位的大小以及参考结的溫度后,用户就可以确定测量结的溫度。
 
          根据所使用的材料,在熱電偶导体中产生的毫伏电势会有所不同。某些材料比其他材料具有更好的熱電偶,因为这些材料产生的毫伏电势具有更高的可重复性和良好的建立性。这些熱電偶已经指定了特定的類型名称,例如E,J,K,N,T,B,R和S型。下面将说明这些熱電偶類型之间的差异。
 
RTD和熱電偶的溫度限制:
          RTD和熱電偶中使用的材料具有溫度限制,这可能是其使用中的重要考虑因素。
 
RTD的
          如前所述,RTD包括传感元件,将传感元件连接到测量仪器的电线以及在过程中放置??传感元件的某种支撑。这些材料中的每一种都设置了RTD可以承受的溫度极限。

表1:傳感元件材料和溫度極限

材料

可用溫度範圍

-450°F至1200°F

-150°F至600°F

-100°F至300°F

鎳/铁

32°F至400°F

          RTD中的传感元件通常包含鉑丝或薄膜,陶瓷外壳以及陶瓷胶或玻璃,以密封传感元件并支撑传感线。通常,鉑传感元件能够暴露在最高约1200°F的溫度下。也可以使用其他材料,例如鎳,銅和鎳/铁合金,但是它们的有用溫度範圍比鉑低很多。表1列出了所有这些材料的使用溫度。
 
          将传感元件连接至读数仪或控制仪器的导线通常由鎳,鎳合金,镀锡銅,镀银銅或镀鎳銅等材料制成。所用的电线绝缘也直接影响RTD所能承受的溫度。表2包含常用的电线和绝缘材料及其最大使用溫度。

表2:連接線溫度限制

電線/絕緣材料

最高使用溫度

镀锡銅/ PVC绝缘

221°華氏度

镀银銅/ FEP铁氟龙绝缘

400°華氏度

镀银銅/ TFE铁氟龙绝缘

500°華氏度

镀鎳銅/ TFE铁氟龙绝缘

500°華氏度

镀鎳銅/玻璃纤维绝缘

900°華氏度

实心鎳丝

1200°華氏度

 
          将传感元件放入过程中还需要使用材料。最常用的布置是将电阻器和连接的导线放入封闭的金属管中,用减振和/或传热材料(例如陶瓷粉)填充该管,并用环氧树脂或其他材料密封该管的开口端。陶瓷水泥。RTD中最常用的金属管是由不锈钢(约在900°F下使用)或铬鎳铁合金(约在1200°F下使用)制成。所使用的减振/传热材料在溫度範圍内变化很大。这些材料由制造商选择,以根据使用中预期的最高溫度提供最佳性能。环氧树脂密封剂通常从不超过400至500°F使用。陶瓷胶可以暴露于2000°F或更高的溫度下,
 
          鉑RTD中具有最低溫度能力的材料通常是用于将传感元件连接至仪器的电线和绝缘材料。制造商通常提供低温和高温两种结构。在低温结构中,使用聚四氟乙烯绝缘的鎳或镀银銅线以及环氧密封。这种结构通常限制在400至500°F。
 
          高温结构通常使用玻璃纤维绝缘,镀鎳銅线和最高溫度为900°F至1200°F的陶瓷水泥。一些制造商还提供了一系列RTD,它们使用的陶瓷绝缘鎳或鎳合金线的溫度高达1200°F。
 
熱電偶:
          熱電偶材料有E,J,K,N,T,R,S和B型。这些熱電偶類型可分为两类:贱金属和贵金属熱電偶。
 
          E,J,K,N和T型熱電偶被称为贱金属熱電偶,因为它们由常见的材料制成,例如銅,鎳,铝,铁,铬和硅。每种類型的熱電偶都有较好的使用条件,例如,裸露的J型熱電偶(鐵/康斯坦坦)的使用通常限于最高溫度为1000°F,并且由于铁的劣化,不建议在氧化或含硫气氛中使用导体。由于銅导体的劣化,T型熱電偶(銅/康士坦)在700°F以上不使用。这些熱電偶類型的溫度範圍包含在表3中,其他應用信息包含在表4中。
 
          由于R,S和B型熱電偶由鉑和铑制成,因此被称为贵金属熱電偶。这些熱電偶用于超出基本金属熱電偶功能的应用。R型和S型熱電偶的额定溫度範圍为1000°F至2700°F,B型额定为1000°F至3100°F。如果预期在2500°F以上的溫度下长期暴露,则建议使用B型熱電偶以延长熱電偶寿命。如果长时间将R&S型熱電偶保持在其使用上限附近,则会出现明显的晶粒长大。
 
          由于熱電偶没有感应元件,因此它们没有RTD所具有的许多溫度限制材料。熱電偶通常使用裸露的导体构造,然后将其绝缘在压实的陶瓷粉末或成型的陶瓷绝缘子中。这种结构允许熱電偶在比RTD更高的溫度下使用。
 
公差,精度和互換性:
          公差和精度是溫度测量中最容易被误解的术语。术语“公差”是指特定的要求,通常为正负一些。另一方面,精度是指在指定范围内的无数公差。
 
          例如,RTD包含一个感应元件,该感应元件被制造为在特定溫度下具有特定电阻。此要求最常见的示例是所谓的DIN標准。为了满足DIN標准的要求,RTD在32°F(0°C)下必须具有100欧姆的电阻– 0.12%(或0.12欧姆),才能被视为B级传感器(A级传感器为100 Ohms) – 0.06%)。– 0.12 Ohms的公差仅适用于32°F的电阻,不适用于任何其他溫度。

表3:熱電偶類型,溫度範圍,誤差極限

標准

特別

類型

用料

溫度範圍

誤差極限

溫度範圍

誤差極限

?

鐵/康斯坦坦

32至559F(0至293C)

4F(2.2C)

32至527F(0至275C)

2F(1.1C)

550至1400F(293至760C)

0.75%

527至1400F(275至760C)

0.40%

?

鉻/鋁

-328至-166F(-200至-110C)

2%

 

 

-166至32F(-110至0C)

4F(2.2C)

 

 

32至559F(0至293C)

4F(2.2C)

32至527F(0至275C)

2F(1.1C)

559至2282F(293至1250C)

0.75%

527至2282F(275至1250C)

0.40%

?

銅/康士坦

-328至-89F(-200至-67C)

1.50%

 

 

-89至32F(-67至0C)

1.8F(1C)

 

 

32至271F(0至133C)

1.8F(1C)

32至257F(0至125C)

0.9F(.05C)

271至662F(133至350C)

0.75%

257至662F(125至350C)

0.40%

Ë

Chromel /康斯坦坦

-328至-89F(-200至-67C)

1%

 

 

-274至32F(-170至0C)

3.1F(1.7攝氏度)

 

 

32至644F(0至340C)

3.1F(1.7攝氏度)

32至482F(0至250C)

1.8F(1C)

644至1652F(340至900C)

0.50%

482至1652F(250至900C)

0.40%

ñ

鎳铬硅/鎳硅

32至559F(0至293C)

4F(2.2C)

 

 

559至2300F(293至1260C)

0.75%

 

 

[R

鉑/鉑-13%铑

32至1112F(0至600C)

2.7F(1.5攝氏度)

32至1112F(0至600C)

1.1F(0.6攝氏度)

1112F至2642F(600至1450C)

0.25%

112F至2642F(600至1450C)

0.10%

小號

鉑/鉑-10%铑

32至1112F(0至600C)

2.7F(1.5攝氏度)

32至1112F(0至600C)

1.1F(0.6攝氏度)

1112F至2642F(600至1450C)

0.25%

112F至2642F(600至1450C)

0.10%

鉑/鉑-30%铑

1472至3092F(800至1700C)

0.50%

1472至3092F(800至1700C)

 

4:熱電偶的應用信息

類型

應用信息

Ë

建议用于连续氧化或惰性气氛。未建立低于零的错误限制。普通熱電偶類型中最高的热电输出。

?

適用于真空,還原性或惰性氣氛,減少壽命的氧化性氣氛。鐵在1000°F(538°C)以上時會迅速氧化,因此建議僅使用較粗的電線進行高溫處理。裸機不得暴露于1000°F(538°C)以上的含硫氣氛中。

?

建议用于连续氧化或中性气氛。通常在高于1000°F(538°C)的溫度下使用。如果暴露在硫中会失效。在某些低氧气浓度下,正极中铬的优先氧化会导致“绿腐”,并且较大的负极校准漂移在1500-1900°F(816 1038°C)范围内最为严重。保护管的通风或惰性密封可以防止这种情况。

ñ

可以用于由于氧化和“綠色腐爛”而導致K型元素壽命縮短和穩定性問題的應用中。

?

可用于氧化,还原或惰性气氛以及真空中。在潮湿的环境中不会腐蚀。低于零溫度範圍的誤差極限已发布。

研發

推荐用于高温。必须在非金属保护管和陶瓷绝缘子中进行保护。持续高温使用会导致晶粒长大,从而导致机械故障。铑扩散到鉑的纯支路以及铑挥发引起的负校准漂移。R型用于工业,S型用于实验室。

與R&S相同,但輸出較低。同樣,具有較高的最高溫度,並且不易受晶粒生長的影響。

 

RTD可爲用戶提供特定溫度下的公差表(請參見表5):

表5:典型RTD可交換性表

溫度

溫度公差

溫度

抵抗性

-200°攝氏度

–1.3°攝氏度

–0.56歐姆

-100°攝氏度

– 0.8°摄氏度

– 0.32欧姆

0°攝氏度

– 0.3°摄氏度

– 0.12欧姆

100°攝氏度

– 0.8°摄氏度

– 0.30欧姆

200°攝氏度

– 1.3°摄氏度

– 0.48欧姆

300°攝氏度

– 1.8°摄氏度

– 0.64欧姆

400°攝氏度

– 2.3°摄氏度

– 0.79欧姆

500°攝氏度

– 2.8°摄氏度

– 0.93欧姆

600°攝氏度

– 3.3°摄氏度

– 1.06欧姆

        另一方面,由于熱電偶的制造方式不同,其熱電偶的命名方式也不同。与RTD中的感应元件不同,熱電偶中产生的毫伏电势是导体的材料成分和冶金结构的函数。因此,没有为熱電偶分配特定溫度下的值,而是给其覆盖整个溫度範圍的误差限制。
 
        分配给熱電偶的这些极限称为標准誤差極限或特殊誤差極限。表3包含每种標准熱電偶類型的误差规格的標准和特殊限制。必须注意的是,表3中列出的误差值的限制适用于使用前的新熱電偶。一旦熱電偶暴露于过程条件下,熱電偶导体的变化可能会导致误差增加。鼓励用户定期进行测试,以确定在高可靠性或高精度应用中使用的熱電偶的状况。
 
優點,弱點
        每种類型的溫度传感器都有各自的优点和缺点。
 
RTD優勢:
        RTD通常用于需要重复性和准确性的应用中。正确构造的鉑RTD随时间推移具有非常可重复的电阻-溫度特性。如果某个过程将在特定溫度下运行,则可以在实验室中确定该溫度下RTD的电阻率,并且不会随时间变化很大。由于RTD的原始变化远低于熱電偶的变化,因此RTD的互换性也更容易。例如,在400°F下使用的K型熱電偶的標准誤差極限为– 4°F。在同一溫度下,100欧姆DIN B级鉑RTD的可互换性为– 2.2°F。
 
RTD弱點:
        在相同的配置中,RTD的价格要比贱金属熱電偶高4至10倍。RTD比熱電偶贵,因为制造RTD需要更多的结构,包括传感元件的制造,延长线的连接和传感器的组装。由于传感元件的结构,在高振动和机械冲击环境下,RTD的性能不如熱電偶。RTD的溫度也限制在大约1200°F,其中熱電偶可以使用高达3100°F的溫度
 
熱電偶优势:
        熱電偶可用于高达3100°F的溫度,通常比RTD的价格便宜,并且可以做得更小(直径最小至约.020英寸),以更快地响应溫度。熱電偶也比RTD更耐用,因此可用于高振动和冲击的应用中。
 
熱電偶缺点:
        当暴露于中等或高温条件下时,熱電偶的稳定性不如RTD。在关键应用中,应移除熱電偶并在受控条件下进行测试,以验证性能。熱電偶延长线必须用于将熱電偶传感器连接到熱電偶仪器或控制设备。当环境溫度变化时,使用仪表线(镀銅)会导致错误。
 
概要:
        熱電偶和RTD都是确定过程溫度的有用工具。RTD在其溫度範圍内比熱電偶提供更高的精度,因为鉑是比大多数熱電偶材料更稳定的材料。RTD还使用標准仪表线连接到测量或控制设备。
 
        熱電偶通常比RTD便宜,熱電偶在高振动或机械冲击应用中更耐用,并且可用于更高的溫度。可以使熱電偶的尺寸小于大多数RTD的尺寸,因此可以将它们制成以适合特定的应用。