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熱電偶與RTD-選擇合適的溫度傳感器
熱電偶 (TC) 和電阻溫度檢測器 (RTD) 是自動化和過程控制中使用最廣泛的溫度傳感器。它們被嵌入在電機、閥門、渦輪機、軸承和許多其他設(shè)備中。大多數(shù)智能儀表，如流量計、壓力變送器和液位變送器，也有一個嵌入式溫度傳感器——用于校正主要測量變量或用于過程控制。
單獨使用時，溫度傳感器通常安裝在插入罐、容器和管道中的熱電偶套管中。熱套管保護傳感器免受環(huán)境影響，但會減慢響應(yīng)時間并降低精度。在熱電偶套管中安裝傳感器是一個不同的主題，這里不會介紹。相反，本文討論的是直接浸入式傳感器；即，直接插入并暴露于過程中而沒有熱套管保護的 TC溫度傳感器 和 RTD溫度傳感器。
操作理論
熱電偶由兩根不同金屬的導(dǎo)線組成，兩端連接 - 在過程外的參考點（冷端）和測量點的連接點（熱端）。金屬對溫度變化的反應(yīng)不同，并根據(jù)結(jié)之間的溫差（塞貝克效應(yīng)）產(chǎn)生電動勢 (EMF) 電壓。電阻溫度檢測器基于電線中的電阻隨溫度增加的原理。
在這兩種情況下，傳感器都連接到經(jīng)過校準的傳感器或信號調(diào)節(jié)器，以接受輸入電壓或電阻，計算正確的溫度，并將其作為 4-20 mA、mV 或數(shù)字信號輸出到自動化系統(tǒng).
以上內(nèi)容非常基礎(chǔ)，但它提出了選擇傳感器時要考慮的第一個問題：如何將傳感器連接到傳感器、信號調(diào)節(jié)器或自動化系統(tǒng)？此類設(shè)備和系統(tǒng)本質(zhì)上是電子的，需要安裝在合理安全的位置，遠離高溫。
TC 必須使用熱電偶延長線接線，與 TC 中使用的電線相同。例如，K 型 TC溫度傳感器使用一根鎳鉻線，該線在傳感結(jié)處連接到一根鎳-鋁鎳線。延長線必須是相同的成分，即一根鎳鉻絲和一根鎳鋁絲。通常，不鼓勵使用更長的延長線，因為這些延長線充當(dāng)天線，使測量更容易受到電磁和射頻干擾。在處理長延長線時，成本也可能是一個問題，尤其是那些使用特殊材料（例如 R 型 TC）的延長線。在某些情況下，可以使用由具有與 TC 相似 EMF 特性的較便宜材料制成的補償電纜。
繞線 RTD溫度傳感器元件易碎，因此它們被放置在保護套中。
另一方面，RTD溫度傳感器可以使用標準電纜連接更遠的距離；然而，它們通常受到與自熱錯誤相關(guān)的問題的限制。在這兩種情況下，必須對延長線進行屏蔽以防止設(shè)備中的電噪聲。請注意，TC 延長線比 RTD溫度傳感器電纜更容易受到噪聲的影響。
傳感器結(jié)構(gòu)繞線 RTD溫度傳感器通常由銅、鎳或鉑合金制成。鉑金是最受歡迎的，因為它具有更好的精度并且可以在更寬的溫度范圍內(nèi)工作。RTD溫度傳感器可以用膠帶或膠粘到表面上，安裝在探頭中，或通過螺紋孔嵌入設(shè)備中。
熱電偶不像 RTD溫度傳感器那樣脆弱，通常由金屬覆蓋物保護，金屬覆蓋物可以用螺栓固定、焊接、釬焊或粘在表面上。在某些情況下，溫度結(jié)點可以暴露在環(huán)境中，從而縮短響應(yīng)時間（見圖 2）。
接地可能是一個問題。TC 會積聚靜電荷，影響其精度，因此可能需要接地。但是，當(dāng)接地到電氣設(shè)備或機器時，TC 也會拾取電路噪聲。確定是否將 TC 接地取決于特定應(yīng)用的具體情況，例如測量環(huán)境和接地電路中存在的電噪聲量。
惡劣的環(huán)境
溫度傳感通常在“不友好”的環(huán)境中進行，例如腐蝕性、氧化性或還原性氣氛，通常伴隨著劇烈的振動和電噪聲。選擇 RTD 或 TC 時，必須考慮環(huán)境。如果過程環(huán)境造成傳感器故障的風(fēng)險很高，則應(yīng)考慮使用適合過程環(huán)境的材料制成的熱套管。
振動- 繞線 RTD 最容易受到振動的影響。在高振動應(yīng)用中，線繞 RTD 可能會因機械應(yīng)力而失效，因此不應(yīng)使用。薄膜 RTD 對振動的耐受性更高，但不如 TC，后者具有最高的抗振性。
電噪聲- 如上所述，RTD 和 TC 的延長線都容易受到電噪聲的影響。在高噪聲環(huán)境中，延長線應(yīng)進行護套、屏蔽、接地并盡可能短。RTD 是高噪聲環(huán)境中更好的選擇。
惡劣環(huán)境- 在處理惡劣環(huán)境時，請檢查 RTD 或 TC 傳感器制造商是否提供針對不利條件的保護。保護外殼中的繞線 RTD 非常堅固，并且不受大多數(shù)??環(huán)境問題的影響。為了提供額外保護，RTD 可以涂上全氟烷氧基 (PFA) 聚四氟乙烯，用于電鍍浴、高壓系統(tǒng)或類似應(yīng)用。RTD 延長線可使用聚氯乙烯、PFA 或玻璃纖維絕緣材料進行保護。
TC，尤其是那些帶有金屬外殼的 TC，比 RTD 堅固得多，并且能夠更好地處理腐蝕性或氧化性環(huán)境。當(dāng)使用暴露的 TC 結(jié)時，必須在惡劣的環(huán)境中特別小心。
TC 按類型分類，即 E、J、K、N、T、S、R 和 B 型。每種類型適用于從 -201°C 到 1700°C 的特定溫度范圍，每種類型的構(gòu)造使其適用于各種環(huán)境：
●E型：適用于真空、惰性、輕度氧化或還原氣氛
●J型：可以使用，暴露或未暴露，在缺乏游離氧的情況下
●K 型：通常需要金屬或陶瓷保護
●N 型：在存在硫的情況下抗氧化
●T型：可用于氧化或還原氣氛
●S、R、B 型：應(yīng)始終使用陶瓷管、瓷輔助管和碳化硅或金屬外管根據(jù)條件進行保護
其他注意事項
測量范圍： RTD 可以測量高達 1000°C 的溫度，但在 400°C 以上的溫度下很難從 RTD 獲得準確的測量值。TC 的測量溫度最高可達 1700°C。普遍接受的規(guī)則是：對于低于 850°C 的溫度，使用 RTD 以確保準確性；對于高于 850°C 的溫度，請使用 TC。工業(yè)測量通常為 200°C 至 400°C，因此 RTD 可能是該范圍內(nèi)的最佳選擇。
響應(yīng)時間：雖然兩個傳感器都能快速響應(yīng)溫度變化，但 TC 更快。然而，在某些情況下，制造工藝允許生產(chǎn)響應(yīng)時間大大縮短的薄膜 RTD。
尺寸： 兩個傳感器都相當(dāng)小，直徑約為 0.5 毫米。如果安裝傳感器的空間有問題，請與供應(yīng)商聯(lián)系以了解尺寸和安裝選項。
振動：通常，TC 比 RTD 對振動更不敏感。然而，在某些制造工藝中，可以生產(chǎn)出比標準 RTD 具有更高抗振性的薄膜 RTD。
自加熱： RTD 由非常細的線或非常細的涂層制成，需要來自電源的電壓 - TC 不需要電源。雖然所需的功率只有 1 mA 到 10 mA，但它會導(dǎo)致 RTD 中的鉑元素“升溫”，從而影響測量的準確性。如果使用長延長線，可能需要更多功率來克服電線中的電阻，從而增加自熱問題。
穩(wěn)定性：RTD 的長期穩(wěn)定性非常好，這意味著它的讀數(shù)將在很長一段時間內(nèi)具有可重復(fù)性和穩(wěn)定性。另一方面，TC 傾向于漂移。由于傳感元件的氧化、腐蝕和其他冶金特性的變化，TC 產(chǎn)生的 EMF 會隨時間發(fā)生變化。TC 漂移是不可逆的，需要一些措施來檢測它，例如軟件或測試環(huán)路電阻。
準確度：一般來說，RTD 比 TC 更準確。RTD 可以產(chǎn)生 0.1C 的精度，而 TC 通常只能精確到 1C。
雖然不是技術(shù)問題，但 TC 比 RTD 便宜得多，主要是因為生產(chǎn)成本較低。根據(jù)特定應(yīng)用所需的傳感器數(shù)量，這可能是一個主要因素。
仔細選擇正確的溫度傳感技術(shù)對于確保最佳性能、可靠性和成本效益至關(guān)重要。在決定使用哪種類型的傳感器時，同時銷售 TC 和 RTD 的供應(yīng)商通常是很好的信息來源，就像以前在各種應(yīng)用中使用不同類型傳感器的經(jīng)驗一樣。
