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如何选择和使用正确的热电偶温度传感器

来源:www.mms-cn.com作者:发表时间:2020-12-17 09:54:09

 介绍

       从事温度传感器的设计,制造和应用已有20年,我参加了许多有关温度传感器的培训研讨会。在对RTD(电阻温度检测器)和热电偶的构造和使用方式进行了冗长的解释后,人们通常会问“好,那么如何确定在我的应用中使用哪种传感器呢?”。本文旨在回答该问题。
 
       在简要回顾了RTD和热电偶的构造方式以及如何用于测量温度之后,我们将讨论如何区分这些传感器。我们将讨论每种类型的温度范围,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类型的传感器以及原因有更好的了解。
 
RTD和热电偶基础知识回顾
 
RTD:
       RTD包含一个感应元件,该感应元件是一个随温度变化的电阻器。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温度(请参见图2)。
 
RTD元件结构,RTD传感器结构的插图热电偶传感器结构图
 
热电偶:
          另一方面,热电偶包含两个由不同材料制成的电导体,它们的一端相连。将暴露于过程温度的导体末端称为测量结。热电偶导体的末端(通常是导体与测量设备的连接点)称为参考结(见图3)。
 
          当热电偶的测量结和参考结处于不同温度时,导体内会形成毫伏电位。知道所用热电偶的类型,热电偶内的毫伏电位的大小以及参考结的温度后,用户就可以确定测量结的温度。
 
          根据所使用的材料,在热电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热电偶,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。这些热电偶已经指定了特定的类型名称,例如E,J,K,N,T,B,R和S型。下面将说明这些热电偶类型之间的差异。
 
RTD和热电偶的温度限制:
          RTD和热电偶中使用的材料具有温度限制,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可以承受的温度极限。

表1:传感元件材料和温度极限

材料

可用温度范围

-450°F至1200°F

-150°F至600°F

-100°F至300°F

镍/铁

32°F至400°F

          RTD中的传感元件通常包含铂丝或薄膜,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,铂传感元件能够暴露在最高约1200°F的温度下。也可以使用其他材料,例如镍,铜和镍/铁合金,但是它们的有用温度范围比铂低很多。表1列出了所有这些材料的使用温度。
 
          将传感元件连接至读数仪或控制仪器的导线通常由镍,镍合金,镀锡铜,镀银铜或镀镍铜等材料制成。所用的电线绝缘也直接影响RTD所能承受的温度。表2包含常用的电线和绝缘材料及其最大使用温度。

表2:连接线温度限制

电线/绝缘材料

最高使用温度

镀锡铜/ PVC绝缘

221°华氏度

镀银铜/ FEP铁氟龙绝缘

400°华氏度

镀银铜/ TFE铁氟龙绝缘

500°华氏度

镀镍铜/ TFE铁氟龙绝缘

500°华氏度

镀镍铜/玻璃纤维绝缘

900°华氏度

实心镍丝

1200°华氏度

 
          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)或铬镍铁合金(约在1200°F下使用)制成。所使用的减振/传热材料在温度范围内变化很大。这些材料由制造商选择,以根据使用中预期的最高温度提供最佳性能。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或更高的温度下,
 
          铂RTD中具有最低温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镍或镀银铜线以及环氧密封。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,镀镍铜线和最高温度为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镍或镍合金线的温度高达1200°F。
 
热电偶:
          热电偶材料有E,J,K,N,T,R,S和B型。这些热电偶类型可分为两类:贱金属和贵金属热电偶。
 
          E,J,K,N和T型热电偶被称为贱金属热电偶,因为它们由常见的材料制成,例如铜,镍,铝,铁,铬和硅。每种类型的热电偶都有较好的使用条件,例如,裸露的J型热电偶(铁/康斯坦坦)的使用通常限于最高温度为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。由于铜导体的劣化,T型热电偶(铜/康士坦)在700°F以上不使用。这些热电偶类型的温度范围包含在表3中,其他应用信息包含在表4中。
 
          由于R,S和B型热电偶由铂和铑制成,因此被称为贵金属热电偶。这些热电偶用于超出基本金属热电偶功能的应用。R型和S型热电偶的额定温度范围为1000°F至2700°F,B型额定为1000°F至3100°F。如果预期在2500°F以上的温度下长期暴露,则建议使用B型热电偶以延长热电偶寿命。如果长时间将R&S型热电偶保持在其使用上限附近,则会出现明显的晶粒长大。
 
          由于热电偶没有感应元件,因此它们没有RTD所具有的许多温度限制材料。热电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。这种结构允许热电偶在比RTD更高的温度下使用。
 
公差,精度和互换性:
          公差和精度是温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温度下具有特定电阻。此要求最常见的示例是所谓的DIN标准。为了满足DIN标准的要求,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,不适用于任何其他温度。

表3:热电偶类型,温度范围,误差极限

标准

特别

类型

用料

温度范围

误差极限

温度范围

误差极限

?

铁/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%

?

铬/铝

-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%

?

铜/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摄氏度)

 

 

32至644F(0至340C)

3.1F(1.7摄氏度)

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

镍铬硅/镍硅

32至559F(0至293C)

4F(2.2C)

 

 

559至2300F(293至1260C)

0.75%

 

 

[R

铂/铂-13%铑

32至1112F(0至600C)

2.7F(1.5摄氏度)

32至1112F(0至600C)

1.1F(0.6摄氏度)

1112F至2642F(600至1450C)

0.25%

112F至2642F(600至1450C)

0.10%

小号

铂/铂-10%铑

32至1112F(0至600C)

2.7F(1.5摄氏度)

32至1112F(0至600C)

1.1F(0.6摄氏度)

1112F至2642F(600至1450C)

0.25%

112F至2642F(600至1450C)

0.10%

铂/铂-30%铑

1472至3092F(800至1700C)

0.50%

1472至3092F(800至1700C)

 

4:热电偶的应用信息

类型

应用信息

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。普通热电偶类型中最高的热电输出。

?

适用于真空,还原性或惰性气氛,减少寿命的氧化性气氛。铁在1000°F(538°C)以上时会迅速氧化,因此建议仅使用较粗的电线进行高温处理。裸机不得暴露于1000°F(538°C)以上的含硫气氛中。

?

建议用于连续氧化或中性气氛。通常在高于1000°F(538°C)的温度下使用。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“绿色腐烂”而导致K型元素寿命缩短和稳定性问题的应用中。

?

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。低于零温度范围的误差极限已发布。

研发

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。铑扩散到铂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。

与R&S相同,但输出较低。同样,具有较高的最高温度,并且不易受晶粒生长的影响。

 

RTD可为用户提供特定温度下的公差表(请参见表5):

表5:典型RTD可交换性表

温度

温度公差

温度

抵抗性

-200°摄氏度

–1.3°摄氏度

–0.56欧姆

-100°摄氏度

– 0.8°摄氏度

– 0.32欧姆

0°摄氏度

– 0.3°摄氏度

– 0.12欧姆

100°摄氏度

– 0.8°摄氏度

– 0.30欧姆

200°摄氏度

– 1.3°摄氏度

– 0.48欧姆

300°摄氏度

– 1.8°摄氏度

– 0.64欧姆

400°摄氏度

– 2.3°摄氏度

– 0.79欧姆

500°摄氏度

– 2.8°摄氏度

– 0.93欧姆

600°摄氏度

– 3.3°摄氏度

– 1.06欧姆

        另一方面,由于热电偶的制造方式不同,其热电偶的命名方式也不同。与RTD中的感应元件不同,热电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,没有为热电偶分配特定温度下的值,而是给其覆盖整个温度范围的误差限制。
 
        分配给热电偶的这些极限称为标准误差极限或特殊误差极限。表3包含每种标准热电偶类型的误差规格的标准和特殊限制。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热电偶。一旦热电偶暴露于过程条件下,热电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热电偶的状况。
 
优点,弱点
        每种类型的温度传感器都有各自的优点和缺点。
 
RTD优势:
        RTD通常用于需要重复性和准确性的应用中。正确构造的铂RTD随时间推移具有非常可重复的电阻-温度特性。如果某个过程将在特定温度下运行,则可以在实验室中确定该温度下RTD的电阻率,并且不会随时间变化很大。由于RTD的原始变化远低于热电偶的变化,因此RTD的互换性也更容易。例如,在400°F下使用的K型热电偶的标准误差极限为– 4°F。在同一温度下,100欧姆DIN B级铂RTD的可互换性为– 2.2°F。
 
RTD弱点:
        在相同的配置中,RTD的价格要比贱金属热电偶高4至10倍。RTD比热电偶贵,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的性能不如热电偶。RTD的温度也限制在大约1200°F,其中热电偶可以使用高达3100°F的温度
 
热电偶优势:
        热电偶可用于高达3100°F的温度,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),以更快地响应温度。热电偶也比RTD更耐用,因此可用于高振动和冲击的应用中。
 
热电偶缺点:
        当暴露于中等或高温条件下时,热电偶的稳定性不如RTD。在关键应用中,应移除热电偶并在受控条件下进行测试,以验证性能。热电偶延长线必须用于将热电偶传感器连接到热电偶仪器或控制设备。当环境温度变化时,使用仪表线(镀铜)会导致错误。
 
概要:
        热电偶和RTD都是确定过程温度的有用工具。RTD在其温度范围内比热电偶提供更高的精度,因为铂是比大多数热电偶材料更稳定的材料。RTD还使用标准仪表线连接到测量或控制设备。
 
        热电偶通常比RTD便宜,热电偶在高振动或机械冲击应用中更耐用,并且可用于更高的温度。可以使热电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。