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如何選擇和使用正確的熱電偶溫度傳感器

來源：www.kimmosasi.net作者：發表時間：2020-12-17 09:54:09【小中大】

 介紹

       從事溫度傳感器的設計，製造和應用已有20年，我參加了許多有關溫度傳感器的培訓研討會。在對RTD（電阻溫度檢測器）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。
 
       在簡要回顧了RTD和熱電偶的構造方式以及如何用於測量溫度之後，榴莲视频下载app视频免费將討論如何區分這些傳感器。榴莲视频下载app免费將討論每種類型的溫度範圍，公差，精度，互換性以及相對優缺點的主題。複習了這些主題之後，您將對何時應使用每種類型的傳感器以及原因有更好的了解。
 
RTD和熱電偶基礎知識回顧
 
RTD：
       RTD包含一個感應元件，該感應元件是一個隨溫度變化的電阻器。電阻的這種變化是眾所周知的，並且是可重複的。RTD中的傳感元件通常包含一個線圈或導電膜的網格，該網格中切有一個導體圖案（見圖1）。延長線連接到傳感元件，因此可以在一定距離之外測量其電阻。然後包裝傳感元件，以便可以將其放置在過程中的某個位置，使其達到過程中存在的相同溫度（請參見圖2）。
 
RTD元件結構，RTD傳感器結構的插圖熱電偶傳感器結構圖
 
熱電偶：
          另一方麵，熱電偶包含兩個由不同材料製成的電導體，它們的一端相連。將暴露於過程溫度的導體末端稱為測量結。熱電偶導體的末端（通常是導體與測量設備的連接點）稱為參考結（見圖3）。
 
          當熱電偶的測量結和參考結處於不同溫度時，導體內會形成毫伏電位。知道所用熱電偶的類型，熱電偶內的毫伏電位的大小以及參考結的溫度後，用戶就可以確定測量結的溫度。
 
          根據所使用的材料，在熱電偶導體中產生的毫伏電勢會有所不同。某些材料比其他材料具有更好的熱電偶，因為這些材料產生的毫伏電勢具有更高的可重複性和良好的建立性。這些熱電偶已經指定了特定的類型名稱，例如E，J，K，N，T，B，R和S型。下麵將說明這些熱電偶類型之間的差異。
 
RTD和熱電偶的溫度限製：
          RTD和熱電偶中使用的材料具有溫度限製，這可能是其使用中的重要考慮因素。
 
RTD的
          如前所述，RTD包括傳感元件，將傳感元件連接到測量儀器的電線以及在過程中放置​​傳感元件的某種支撐。這些材料中的每一種都設置了RTD可以承受的溫度極限。

表1：傳感元件材料和溫度極限

材料

可用溫度範圍

鉑

-450°F至1200°F

鎳

-150°F至600°F

銅

-100°F至300°F

鎳/鐵

32°F至400°F
          RTD中的傳感元件通常包含鉑絲或薄膜，陶瓷外殼以及陶瓷膠或玻璃，以密封傳感元件並支撐傳感線。通常，鉑傳感元件能夠暴露在最高約1200°F的溫度下。也可以使用其他材料，例如鎳，銅和鎳/鐵合金，但是它們的有用溫度範圍比鉑低很多。表1列出了所有這些材料的使用溫度。
 
          將傳感元件連接至讀數儀或控製儀器的導線通常由鎳，鎳合金，鍍錫銅，鍍銀銅或鍍鎳銅等材料製成。所用的電線絕緣也直接影響RTD所能承受的溫度。表2包含常用的電線和絕緣材料及其最大使用溫度。

表2：連接線溫度限製

電線/絕緣材料

最高使用溫度

鍍錫銅/ PVC絕緣

221°華氏度

鍍銀銅/ FEP鐵氟龍絕緣

400°華氏度

鍍銀銅/ TFE鐵氟龍絕緣

500°華氏度

鍍鎳銅/ TFE鐵氟龍絕緣

500°華氏度

鍍鎳銅/玻璃纖維絕緣

900°華氏度

實心鎳絲

1200°華氏度
 
          將傳感元件放入過程中還需要使用材料。最常用的布置是將電阻器和連接的導線放入封閉的金屬管中，用減振和/或傳熱材料（例如陶瓷粉）填充該管，並用環氧樹脂或其他材料密封該管的開口端。陶瓷水泥。RTD中最常用的金屬管是由不鏽鋼（約在900°F下使用）或鉻鎳鐵合金（約在1200°F下使用）製成。所使用的減振/傳熱材料在溫度範圍內變化很大。這些材料由製造商選擇，以根據使用中預期的最高溫度提供最佳性能。環氧樹脂密封劑通常從不超過400至500°F使用。陶瓷膠可以暴露於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於將傳感元件連接至儀器的電線和絕緣材料。製造商通常提供低溫和高溫兩種結構。在低溫結構中，使用聚四氟乙烯絕緣的鎳或鍍銀銅線以及環氧密封。這種結構通常限製在400至500°F。
 
          高溫結構通常使用玻璃纖維絕緣，鍍鎳銅線和最高溫度為900°F至1200°F的陶瓷水泥。一些製造商還提供了一係列RTD，它們使用的陶瓷絕緣鎳或鎳合金線的溫度高達1200°F。
 
熱電偶：
          熱電偶材料有E，J，K，N，T，R，S和B型。這些熱電偶類型可分為兩類：賤金屬和貴金屬熱電偶。
 
          E，J，K，N和T型熱電偶被稱為賤金屬熱電偶，因為它們由常見的材料製成，例如銅，鎳，鋁，鐵，鉻和矽。每種類型的熱電偶都有較好的使用條件，例如，裸露的J型熱電偶（鐵/康斯坦坦）的使用通常限於最高溫度為1000°F，並且由於鐵的劣化，不建議在氧化或含硫氣氛中使用導體。由於銅導體的劣化，T型熱電偶（銅/康士坦）在700°F以上不使用。這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。
 
          由於R，S和B型熱電偶由鉑和銠製成，因此被稱為貴金屬熱電偶。這些熱電偶用於超出基本金屬熱電偶功能的應用。R型和S型熱電偶的額定溫度範圍為1000°F至2700°F，B型額定為1000°F至3100°F。如果預期在2500°F以上的溫度下長期暴露，則建議使用B型熱電偶以延長熱電偶壽命。如果長時間將R＆S型熱電偶保持在其使用上限附近，則會出現明顯的晶粒長大。
 
          由於熱電偶沒有感應元件，因此它們沒有RTD所具有的許多溫度限製材料。熱電偶通常使用裸露的導體構造，然後將其絕緣在壓實的陶瓷粉末或成型的陶瓷絕緣子中。這種結構允許熱電偶在比RTD更高的溫度下使用。
 
公差，精度和互換性：
          公差和精度是溫度測量中最容易被誤解的術語。術語“公差”是指特定的要求，通常為正負一些。另一方麵，精度是指在指定範圍內的無數公差。
 
          例如，RTD包含一個感應元件，該感應元件被製造為在特定溫度下具有特定電阻。此要求最常見的示例是所謂的DIN標準。為了滿足DIN標準的要求，RTD在32°F（0°C）下必須具有100歐姆的電阻– 0.12％（或0.12歐姆），才能被視為B級傳感器（A級傳感器為100 Ohms） – 0.06％）。– 0.12 Ohms的公差僅適用於32°F的電阻，不適用於任何其他溫度。

表3：熱電偶類型，溫度範圍，誤差極限

標準

特別

類型

用料

溫度範圍

誤差極限

溫度範圍

誤差極限

Ĵ

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％

ķ

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％

Ť

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

鎳鉻矽/鎳矽

32至559F（0至293C）

4F（2.2C）

 

 

559至2300F（293至1260C）

0.75％

 

 

[R

鉑/鉑-13％銠

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％銠

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％

乙

鉑/鉑-30％銠

1472至3092F（800至1700C）

0.50％

1472至3092F（800至1700C）

 

表4：熱電偶的應用信息

類型

應用信息

Ë

建議用於連續氧化或惰性氣氛。未建立低於零的錯誤限製。普通熱電偶類型中最高的熱電輸出。

Ĵ

適用於真空，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。裸機不得暴露於1000°F（538°C）以上的含硫氣氛中。

ķ

建議用於連續氧化或中性氣氛。通常在高於1000°F（538°C）的溫度下使用。如果暴露在硫中會失效。在某些低氧氣濃度下，正極中鉻的優先氧化會導致“綠腐”，並且較大的負極校準漂移在1500-1900°F（816 1038°C）範圍內最為嚴重。保護管的通風或惰性密封可以防止這種情況。

ñ

可以用於由於氧化和“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。

Ť

可用於氧化，還原或惰性氣氛以及真空中。在潮濕的環境中不會腐蝕。低於零溫度範圍的誤差極限已發布。

研發

推薦用於高溫。必須在非金屬保護管和陶瓷絕緣子中進行保護。持續高溫使用會導致晶粒長大，從而導致機械故障。銠擴散到鉑的純支路以及銠揮發引起的負校準漂移。R型用於工業，S型用於實驗室。

乙

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可為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°攝氏度

– 0.32歐姆

0°攝氏度

– 0.3°攝氏度

– 0.12歐姆

100°攝氏度

– 0.8°攝氏度

– 0.30歐姆

200°攝氏度

– 1.3°攝氏度

– 0.48歐姆

300°攝氏度

– 1.8°攝氏度

– 0.64歐姆

400°攝氏度

– 2.3°攝氏度

– 0.79歐姆

500°攝氏度

– 2.8°攝氏度

– 0.93歐姆

600°攝氏度

– 3.3°攝氏度

– 1.06歐姆
        另一方麵，由於熱電偶的製造方式不同，其熱電偶的命名方式也不同。與RTD中的感應元件不同，熱電偶中產生的毫伏電勢是導體的材料成分和冶金結構的函數。因此，沒有為熱電偶分配特定溫度下的值，而是給其覆蓋整個溫度範圍的誤差限製。
 
        分配給熱電偶的這些極限稱為標準誤差極限或特殊誤差極限。表3包含每種標準熱電偶類型的誤差規格的標準和特殊限製。必須注意的是，表3中列出的誤差值的限製適用於使用前的新熱電偶。一旦熱電偶暴露於過程條件下，熱電偶導體的變化可能會導致誤差增加。鼓勵用戶定期進行測試，以確定在高可靠性或高精度應用中使用的熱電偶的狀況。
 
優點，弱點
        每種類型的溫度傳感器都有各自的優點和缺點。
 
RTD優勢：
        RTD通常用於需要重複性和準確性的應用中。正確構造的鉑RTD隨時間推移具有非常可重複的電阻-溫度特性。如果某個過程將在特定溫度下運行，則可以在實驗室中確定該溫度下RTD的電阻率，並且不會隨時間變化很大。由於RTD的原始變化遠低於熱電偶的變化，因此RTD的互換性也更容易。例如，在400°F下使用的K型熱電偶的標準誤差極限為– 4°F。在同一溫度下，100歐姆DIN B級鉑RTD的可互換性為– 2.2°F。
 
RTD弱點：
        在相同的配置中，RTD的價格要比賤金屬熱電偶高4至10倍。RTD比熱電偶貴，因為製造RTD需要更多的結構，包括傳感元件的製造，延長線的連接和傳感器的組裝。由於傳感元件的結構，在高振動和機械衝擊環境下，RTD的性能不如熱電偶。RTD的溫度也限製在大約1200°F，其中熱電偶可以使用高達3100°F的溫度
 
熱電偶優勢：
        熱電偶可用於高達3100°F的溫度，通常比RTD的價格便宜，並且可以做得更小（直徑最小至約.020英寸），以更快地響應溫度。熱電偶也比RTD更耐用，因此可用於高振動和衝擊的應用中。
 
熱電偶缺點：
        當暴露於中等或高溫條件下時，熱電偶的穩定性不如RTD。在關鍵應用中，應移除熱電偶並在受控條件下進行測試，以驗證性能。熱電偶延長線必須用於將熱電偶傳感器連接到熱電偶儀器或控製設備。當環境溫度變化時，使用儀表線（鍍銅）會導致錯誤。
 
概要：
        熱電偶和RTD都是確定過程溫度的有用工具。RTD在其溫度範圍內比熱電偶提供更高的精度，因為鉑是比大多數熱電偶材料更穩定的材料。RTD還使用標準儀表線連接到測量或控製設備。
 
        熱電偶通常比RTD便宜，熱電偶在高振動或機械衝擊應用中更耐用，並且可用於更高的溫度。可以使熱電偶的尺寸小於大多數RTD的尺寸，因此可以將它們製成以適合特定的應用。