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        RTD和熱電偶的應用和故障的解決方案

        發布時間:2019-07-30 08:50:54來源:


              電阻溫度檢測器和熱電偶可用于某些相同的測量,但每個都有優點和缺點。必須仔細匹配手頭的應用。溫度是工業自動化中測量最多的過程變量。用于測量它的兩個主要傳感器是電阻溫度檢測器(RTD)和熱電偶(T/C)。對于相對窄的溫度范圍,可以采用各種其他溫度傳感器。例子包括:二極管或晶體管結,它們具有相對較窄的測量范圍,通常用于測量電子設備的溫度:熱電阻,正或負溫度系數電阻,可提供最大約200-300的測量范圍。由于RTD和熱電偶在溫度測量中的重要性,因此,我們就來了解一下他們的工作原理和一些基本知識:
        1.RTD和熱電偶的應用:
              由于其寬溫度范圍(高達約800°C)和相對均勻的特性,鉑是構建RTD的最常見材料。在成本是一個因素的情況下,有時會使用鎳或銅RTD,但這些傳感器提供相對較低的溫度測量范圍。
              通過將一段純鉑(或其他金屬)線纏繞在小陶瓷管上,在測量點插入,構建RTD。繞組緊密地完成,但是在溫度變化下不會產生物理應力的形式。導線的厚度和長度決定了總電阻。標準是100,在0°C,雖然更靈敏的RTD可能高達1000或更多,以獲得更大的信號。
              當RTD連接到信號調節器或控制器時,它作為橋的一個臂連接,激勵電流通過該臂產生隨溫度變化的電壓信號。最大激勵電流由RTD內的自加熱決定,這將導致測量誤差。這限制了所需測量溫度范圍的最大信號。即:簡單地增加激勵不會產生更大的信號。為了產生用于指示,記錄,報警或控制的更高級信號,需要單獨的信號調節器。一些PLC和PC I/O允許通過集成信號調節直接進行RTD連接。請注意,由于導線電阻的變化,RTD連接引線本身會導致錯誤,尤其是在使用非常長的引線長度時。通過使用三線和四線,RTD連接可以最大限度地減少或消除這種情況。
              所有RTD的電阻隨溫度的變化是非線性的。為了準確轉換為溫度,良好的信號調理器或雙線發送器包括某種形式的線性化,通常是第一近似模擬反饋技術,或者,如果儀器是數字的,則是一個分段查找表,可直接轉換輸入電壓讀數到溫度。良好的信號調理器,控制器或RTD I/O可以在相當寬的測量范圍內將溫度測量精度提供到一度的一小部分,與使用良好的鉑RTD可獲得的精度相當。
              無論材料和結構如何,RTD仍然相對笨重,因此無法測量某一點的溫度。另一方面,該技術通過在表面上鋪設電阻絲提供了測量表面平均溫度的極好方法:當要求溫度測量精度優于1°F或1°C時,可優選使用鉑RTD。但是,對于溫度高于約800°C(可使用鉑RTD的最高溫度)的接觸測量,熱電偶是主要選擇。
        1.1熱電偶溫度測量:
              T/C通過產生與兩種不同金屬的結之間的溫度差成比例的毫伏信號來測量溫度。一個接頭通常在測量點處包含在傳感器探頭中,另一個接頭連接到測量或控制儀器。
              由于環境溫度在測量儀器所在的現場或控制室(通常是冷端)中發生變化,因此T/C產生的實際毫伏信號會相應地波動,從而導致“冷端誤差”。為了抵消這個誤差,測量儀器端子的溫度并插入補償信號,即冷端補償(CJC)。整體測量精度取決于在正常儀器工作溫度范圍內環境溫度變化的冷端補償精度。
        問題出現是因為典型的電子儀器(例如,信號調節器,記錄儀,顯示器和控制器)無法真正測量實際的冷端溫度。他們只是盡可能地盡可能接近,但不能足夠接近以消除至少幾度的不準確性。端子塊和插入式連接器的使用通常會加劇問題,因為實際的熱電偶冷端變得更加物理地與冷端傳感器分離。環境溫度和其他變化的累積效應可以是五到十度,這可能是顯著的。
        1.2.預熱延長校準程序:
              當環境溫度發生變化時,大多數T/C測量儀器可能會漂移幾度。典型的T/C輸入儀器需要幾分鐘到半小時才能穩定在幾度之內。在某些應用中,幾度的漂移并不重要,但是當校準數百臺儀器時,長時間的預熱時間使得工作變得更加困難。
        1.3.轉換為直接溫度讀數:
              最常見的T/C是E,J,K,R,S和T型。但是,還有許多其他的T/C,它們都具有特殊的特性,可用于各種應用:高溫或低溫,材料是最適合特定環境,等等。所有T/C都具有某種非線性特性(即,相對于溫度的毫伏輸出),直接讀出溫度將僅在約20-30°C內提供精度,具體取決于溫度范圍。要讀取熱電偶整個范圍內的溫度,測量儀器需要線性化。使用傳統的模擬儀器,傳輸特性可以在5到10個段中線性化,從而在幾度內提供改進。數字信號調節器使用查找表,可以提供直接數字讀數,精度分數為1°F或°C。用于PLC或PC的多點I/O卡通常將所有輸入調節和線性化,并且通常僅針對一種類型的T/C進行設計。通用信號調節器已編程。
        1.4.隔離:
              RTD和T/C通常與其護套隔離,但長引線長度可能會無意中接地,并且提供與地面和電源的完全隔離非常重要。接地回路,輸入和輸出在不同的地方接地,可能導致嚴重錯誤甚至損壞。因此,最好確保溫度傳感器所連接的儀器完全隔離電源和接地。對于多點測量,大多數PLC和數據記錄器不提供一個傳感器輸入與另一個傳感器輸入之間的隔離(它們通常僅使用一個公共電源)。因此,單獨的四路隔離信號調節器(輸入/輸出/電源/接地)可以通過消除未來,無意的接地問題的可能性來節省很多麻煩。
        1.5.該怎么選擇RTD或熱電偶?
              如果在低于約800°C的溫度下需要高于1°F或°C的精度,并且能夠承擔額外的成本,那么鉑RTD應該是您測量溫度的首選。但是,如果您只需要幾度的精度,您可能更喜歡低成本,點接觸尺寸和熱電偶的多功能性。除非您需要非接觸式紅外設備,否則如果您測量的溫度高于約800°C,則需要使用T/C。但是,如果您使用T/ C,請確保您連接的儀器具有應用程序所需的冷端特性。
        2.冷端故障的一種解決方案:
              為了最大限度地減少冷端誤差,儀器工程師和技術人員通常在測量儀器通電幾分鐘后執行儀器校準,以便在預熱后冷端穩定。但這只能在測試臺上完成。在現場,測量精度仍受外部溫度瞬變的影響。例如,當可編程控制器,記錄儀和電源控制器等相鄰儀器打開或關閉時,或系統的機柜門打開時。為了克服這些錯誤,儀器工程師通常需要等待幾分鐘才能使整個機柜或系統機箱穩定,然后再進行現場熱電偶測量校準。任何變化或干擾都會導致進一步的延誤。在許多應用中,至少每年需要可追溯的設備校準,可能涉及數千臺儀器。如果每臺儀器需要幾分鐘的時間來預熱或穩定,熱電偶輸入儀器的校準可能非常耗時。這突出了熱電偶輸入設計的重要性,該設計在系統開啟后提供良好的準確性和最短的預熱時間,以及長時間的良好重復精度。
              這是它的工作原理。您無法測量終端的準確溫度,但您可以通過測量溫度變化路徑上的兩個點并計算第三個點,冷端的溫度來預測測量結果。這幾乎就像冷壁不可測量。當然,對于不同的物理幾何形狀,計算可能不同,但在任何具有固定幾何形狀的儀器中,計算保持不變,并且整體熱電偶測量精度得到顯著提高。
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