溫度測量在工業設計中的選擇與應用

摘要:溫度是工藝過程重要的測量變量之一，主要使用電子溫度計監測。根據過程工藝的特點和環境條件確定電子溫度計的選型原則和安裝方式。
0引言
       溫度是工藝生產過程介質重要的測量變量之一，主要使用電子溫度計。檢測儀表的正確選型和安裝,能夠提高測量精度,能夠正確反應工藝介質的溫度變化，滿足工藝要求。但溫度計的選擇并不容易,選擇合適的傳感器需要有專業知識的支持,要求設計人員除了具有扎實的儀表檢測等基礎理論和較廣泛的專業知識外,還要掌握工藝生產的相關知識。
工藝介質的化學和物理特性常常取決于溫度，因此溫度是至關重要的工藝參數。電子溫度計是測量溫度的儀器，由于生產過程的復雜性和差異性,必要的測量儀器很難--概而論。熱電阻和熱電偶的接觸式測量方法是工業上的首位,因此本文主要探討這兩種類型測溫儀表。
1基本原理
       熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻常采用鉑電阻原件。例如P1100或Pt1000。金屬材料以金屬絲形式嵌入陶瓷體內或者以涂層形式涂于陶瓷基片上。溫度是通過測定鉑傳感器的電阻來測量的。根據IEC60751中定義的特征曲線，電阻值隨溫度的變化而變化,并對應一個絕對的溫度值。
       熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過,此時兩端之間就存在電動勢一熱電動勢,這就是所謂的塞貝克效應。這一-熱電勢可在金屬導體的末端測量到,在一定范圍內每攝氏度對應幾μV。電壓對應的是熱端與冷端的溫度差,為了提高測量的精度,應對電熱偶進行溫度補償。
2電子溫度計選擇時需要考慮的幾個要點
2.1測量精度和工作溫度
       熱電阻具有精度高和長期的穩定性。但是熱電阻不能在較高溫度下使用。根據IEC60751,陶瓷傳感器的工作溫度為-200℃-600℃.
雖然熱電偶的長期穩定性相對較弱,除少數例外情況外,它們能夠測量高達1700C的溫度。常用的熱電偶材料及測溫范圍見下表。還有鎢錸、金鉑等熱電偶,能測量更高的溫度。

       根據工作溫度的不同，溫度儀器的保護套管材質應選擇能承受工作溫度的材料,常用的保護管材質見下表:

       由于每種測量技術都有其自身優點,因此，難免要在精度和長期穩定性之間進行折衷選擇,一定要根據所需測量范圍進行選擇，同時考慮相應溫度對應的保護套管材質。也就是說同時要兼顧儀表的可靠性和實用性。
2.2傳感器尺寸和抗震性
       由于傳感器的尺寸和設計不同，熱電阻的直徑要大于熱電偶。例如溫度測量儀器的最小尺寸為2.0mm和0.5mm;而對于傳感器的長度選擇，以傳感器處于被測介質溫度變化靈敏區域為宜。由于結構形式簡單,熱電偶對于振動極不敏感,對于震動性強的溫度測量采用鎧裝溫度測量儀器。
2.3操作和安裝條件
       除傳感器尺寸外，整個溫度測量點的尺寸也起著至關重要的作用,特別是考慮到模塊化智能規模生產單元的趨勢。測量技術制造商正在利用微型測量儀器來應對這一-發展。
      如果難以接近測量點，通過單獨的絞合電纜連接會很復雜。帶連接盒的傳統溫度計在電器接口處有一個電纜密封螺紋,可以保護設備免受異物或塵土和水的侵入。
       對于小型自控系統或溫度傳感器未連接到控制室的設備，建議使用帶有現場顯示的測量元件。顯示器直接集成在連接盒的殼體中。如果由于安裝位置而難以讀取測量值,也可以使用遠程顯示器。
       焊接和卡箍安裝的表面電子溫度計可用于現有管道系統中獲得表面的測量點。由于測量點位于外管壁上,因此只能近似地表示實際工藝溫度，而不能進行在線測量,表面熱電阻測量總是要在精度和響應方面進行折衷。
       為了減小溫度儀器對工藝介質流動性的影響，提高溫度測量的準確性,針對工藝管徑≤DN50管道應要求工藝專業對溫度儀器的安裝位置局部擴徑至DN80。
2.4溫度階躍變化的響應時間
       選擇溫度計時，還必須考慮熱響應時間。測量儀器對過程溫度階躍變化的響應速度是這樣定義的:溫度計T0.9表示是在溫度哭然變化后達到穩態值的90%所需的時間。響應時間受許多因素的影響。除了過程介質和流速之外,保護套管在保護測量元件免受過程環境的影響方面起著關鍵作用。例如在低流速下,過程相對穩定可以考慮使用錐形的或裸露式的護套。在高流速的過程中縮短熱響應時間更為復雜。對此，一種可能的解決辦法是減小插入深度,從而減小作用在護套上的力。然而，這也意味著過程中探桿的插入深度不能足夠進入過程測量中，因此無法實現合格的溫度測量。如果插入深度是固定的,則可以增加護套的直徑以使護套更穩定，但不幸地是這會延長響應時間。
2.5環境條件的影響
       與內部過程-樣,環境條件通常會對溫度計和測量質量產生重大影響。測量值可能受到例如強烈的外部熱量或未補償的電纜阻值的影響。電磁場也會干擾信號并使溫度測量失效。如果要在極端條件下使用溫度計,建議要更加謹慎。用戶必須確保設計和材料適合。設備必須具有適用于特定應用的認證。例如適用于危險區域等的認證。在極端環境條件下，溫度計很快就會達到極限。由于安裝在該環境條件下的電子和非金屬部件,溫度計的高工作溫度通常為85C或105℃,最低通常為-40℃.溫度計必須同樣不受水或固體顆粒等環境因素的影響。根據IEC60529,最大保護程度由IP等級表示。帶接線盒的溫度計根據其版本符合IP65或IP68。
2.6信號處理和通信
       幾十年來,測量信號通過電纜被傳輸到控制室,以便進行進一步處理。然而，采用這種傳輸方式,外部影響會降低測量精度。與此同時，溫度計盒體中的變送器通常將模擬測量信號本地轉換為不易發生故障的標準化工業信號。溫度計的功能也可以通過數字電子設備擴展。因此,可以使用控制室中的軟件來配置測量儀器。這里應用廣泛的技術是4mA~20mA以及HART協議及各種現場總線。
必須定期驗證溫度計的測量精度,以確保達到要求的工藝質量。校準時必須卸下儀器。如果測點處有一個護套,則在移除傳感器后，工序仍保持關閉狀態。
       然而,在連續工序中校準可能成為問題，因為在校準期間沒有可用的測量值。在這種情況下，可使用具有原位校準的測量點來解決這--問題。與固定安裝的傳感器類似,校準所用的溫度計包含用于插入通道的校準儀器。通過比較兩個傳感器信號,可以在不中斷工序的情況下了解測量點的精度。較高的成本被較低的經營成本和較長的服務間隔所抵消。
2.7市場準入的證書
       當選擇測量儀器時，必須考慮使用后期可能需要的任何認證文件。全球使用者需要適合全球使用并且進行了相關認證的產品。并非每個制造商都能獲得相應認證，特別是在防爆認證方面。在選擇防爆認證產品時還需要確定產品具體使用的國家和地區,選擇已取得當地防爆證書的合適產品。
3結束語
       正確選擇和使用電子溫度計,對于工藝生產過程是至關重要的。全面考慮工藝過程與生產環境要求，根據原則選擇合適的溫度計,對保證工藝生產和生產安全有重要的意義。