溫度測(cè)量在工業(yè)設(shè)計(jì)中的選擇與應(yīng)用

摘要:溫度是工藝過程重要的測(cè)量變量之一，主要使用電子溫度計(jì)監(jiān)測(cè)。根據(jù)過程工藝的特點(diǎn)和環(huán)境條件確定電子溫度計(jì)的選型原則和安裝方式。
0引言
       溫度是工藝生產(chǎn)過程介質(zhì)重要的測(cè)量變量之一，主要使用電子溫度計(jì)。檢測(cè)儀表的正確選型和安裝,能夠提高測(cè)量精度,能夠正確反應(yīng)工藝介質(zhì)的溫度變化，滿足工藝要求。但溫度計(jì)的選擇并不容易,選擇合適的傳感器需要有專業(yè)知識(shí)的支持,要求設(shè)計(jì)人員除了具有扎實(shí)的儀表檢測(cè)等基礎(chǔ)理論和較廣泛的專業(yè)知識(shí)外,還要掌握工藝生產(chǎn)的相關(guān)知識(shí)。
工藝介質(zhì)的化學(xué)和物理特性常常取決于溫度，因此溫度是至關(guān)重要的工藝參數(shù)。電子溫度計(jì)是測(cè)量溫度的儀器，由于生產(chǎn)過程的復(fù)雜性和差異性,必要的測(cè)量?jī)x器很難--概而論。熱電阻和熱電偶的接觸式測(cè)量方法是工業(yè)上的首位,因此本文主要探討這兩種類型測(cè)溫儀表。
1基本原理
       熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)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(nèi)或者以涂層形式涂于陶瓷基片上。溫度是通過測(cè)定鉑傳感器的電阻來測(cè)量的。根據(jù)IEC60751中定義的特征曲線，電阻值隨溫度的變化而變化,并對(duì)應(yīng)一個(gè)絕對(duì)的溫度值。
       熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過,此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)一熱電動(dòng)勢(shì),這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。這一-熱電勢(shì)可在金屬導(dǎo)體的末端測(cè)量到,在一定范圍內(nèi)每攝氏度對(duì)應(yīng)幾μV。電壓對(duì)應(yīng)的是熱端與冷端的溫度差,為了提高測(cè)量的精度,應(yīng)對(duì)電熱偶進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
2電子溫度計(jì)選擇時(shí)需要考慮的幾個(gè)要點(diǎn)
2.1測(cè)量精度和工作溫度
       熱電阻具有精度高和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。但是熱電阻不能在較高溫度下使用。根據(jù)IEC60751,陶瓷傳感器的工作溫度為-200℃-600℃.
雖然熱電偶的長(zhǎng)期穩(wěn)定性相對(duì)較弱,除少數(shù)例外情況外,它們能夠測(cè)量高達(dá)1700C的溫度。常用的熱電偶材料及測(cè)溫范圍見下表。還有鎢錸、金鉑等熱電偶,能測(cè)量更高的溫度。

       根據(jù)工作溫度的不同，溫度儀器的保護(hù)套管材質(zhì)應(yīng)選擇能承受工作溫度的材料,常用的保護(hù)管材質(zhì)見下表:

       由于每種測(cè)量技術(shù)都有其自身優(yōu)點(diǎn),因此，難免要在精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性之間進(jìn)行折衷選擇,一定要根據(jù)所需測(cè)量范圍進(jìn)行選擇，同時(shí)考慮相應(yīng)溫度對(duì)應(yīng)的保護(hù)套管材質(zhì)。也就是說同時(shí)要兼顧儀表的可靠性和實(shí)用性。
2.2傳感器尺寸和抗震性
       由于傳感器的尺寸和設(shè)計(jì)不同，熱電阻的直徑要大于熱電偶。例如溫度測(cè)量?jī)x器的最小尺寸為2.0mm和0.5mm;而對(duì)于傳感器的長(zhǎng)度選擇，以傳感器處于被測(cè)介質(zhì)溫度變化靈敏區(qū)域?yàn)橐?。由于結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單,熱電偶對(duì)于振動(dòng)極不敏感,對(duì)于震動(dòng)性強(qiáng)的溫度測(cè)量采用鎧裝溫度測(cè)量?jī)x器。
2.3操作和安裝條件
       除傳感器尺寸外，整個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)的尺寸也起著至關(guān)重要的作用,特別是考慮到模塊化智能規(guī)模生產(chǎn)單元的趨勢(shì)。測(cè)量技術(shù)制造商正在利用微型測(cè)量?jī)x器來應(yīng)對(duì)這一-發(fā)展。
      如果難以接近測(cè)量點(diǎn)，通過單獨(dú)的絞合電纜連接會(huì)很復(fù)雜。帶連接盒的傳統(tǒng)溫度計(jì)在電器接口處有一個(gè)電纜密封螺紋,可以保護(hù)設(shè)備免受異物或塵土和水的侵入。
       對(duì)于小型自控系統(tǒng)或溫度傳感器未連接到控制室的設(shè)備，建議使用帶有現(xiàn)場(chǎng)顯示的測(cè)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(cè)量值,也可以使用遠(yuǎn)程顯示器。
       焊接和卡箍安裝的表面電子溫度計(jì)可用于現(xiàn)有管道系統(tǒng)中獲得表面的測(cè)量點(diǎn)。由于測(cè)量點(diǎn)位于外管壁上,因此只能近似地表示實(shí)際工藝溫度，而不能進(jìn)行在線測(cè)量,表面熱電阻測(cè)量總是要在精度和響應(yīng)方面進(jìn)行折衷。
       為了減小溫度儀器對(duì)工藝介質(zhì)流動(dòng)性的影響，提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性,針對(duì)工藝管徑≤DN50管道應(yīng)要求工藝專業(yè)對(duì)溫度儀器的安裝位置局部擴(kuò)徑至DN80。
2.4溫度階躍變化的響應(yīng)時(shí)間
       選擇溫度計(jì)時(shí)，還必須考慮熱響應(yīng)時(shí)間。測(cè)量?jī)x器對(duì)過程溫度階躍變化的響應(yīng)速度是這樣定義的:溫度計(jì)T0.9表示是在溫度哭然變化后達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間受許多因素的影響。除了過程介質(zhì)和流速之外,保護(hù)套管在保護(hù)測(cè)量元件免受過程環(huán)境的影響方面起著關(guān)鍵作用。例如在低流速下,過程相對(duì)穩(wěn)定可以考慮使用錐形的或裸露式的護(hù)套。在高流速的過程中縮短熱響應(yīng)時(shí)間更為復(fù)雜。對(duì)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(hù)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(jìn)入過程測(cè)量中，因此無法實(shí)現(xiàn)合格的溫度測(cè)量。如果插入深度是固定的,則可以增加護(hù)套的直徑以使護(hù)套更穩(wěn)定，但不幸地是這會(huì)延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。
2.5環(huán)境條件的影響
       與內(nèi)部過程-樣,環(huán)境條件通常會(huì)對(duì)溫度計(jì)和測(cè)量質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。測(cè)量值可能受到例如強(qiáng)烈的外部熱量或未補(bǔ)償?shù)碾娎|阻值的影響。電磁場(chǎng)也會(huì)干擾信號(hào)并使溫度測(cè)量失效。如果要在極端條件下使用溫度計(jì),建議要更加謹(jǐn)慎。用戶必須確保設(shè)計(jì)和材料適合。設(shè)備必須具有適用于特定應(yīng)用的認(rèn)證。例如適用于危險(xiǎn)區(qū)域等的認(rèn)證。在極端環(huán)境條件下，溫度計(jì)很快就會(huì)達(dá)到極限。由于安裝在該環(huán)境條件下的電子和非金屬部件,溫度計(jì)的高工作溫度通常為85C或105℃,最低通常為-40℃.溫度計(jì)必須同樣不受水或固體顆粒等環(huán)境因素的影響。根據(jù)IEC60529,最大保護(hù)程度由IP等級(jí)表示。帶接線盒的溫度計(jì)根據(jù)其版本符合IP65或IP68。
2.6信號(hào)處理和通信
       幾十年來,測(cè)量信號(hào)通過電纜被傳輸?shù)娇刂剖?以便進(jìn)行進(jìn)一步處理。然而，采用這種傳輸方式,外部影響會(huì)降低測(cè)量精度。與此同時(shí)，溫度計(jì)盒體中的變送器通常將模擬測(cè)量信號(hào)本地轉(zhuǎn)換為不易發(fā)生故障的標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)信號(hào)。溫度計(jì)的功能也可以通過數(shù)字電子設(shè)備擴(kuò)展。因此,可以使用控制室中的軟件來配置測(cè)量?jī)x器。這里應(yīng)用廣泛的技術(shù)是4mA~20mA以及HART協(xié)議及各種現(xiàn)場(chǎng)總線。
必須定期驗(yàn)證溫度計(jì)的測(cè)量精度,以確保達(dá)到要求的工藝質(zhì)量。校準(zhǔn)時(shí)必須卸下儀器。如果測(cè)點(diǎn)處有一個(gè)護(hù)套,則在移除傳感器后，工序仍保持關(guān)閉狀態(tài)。
       然而,在連續(xù)工序中校準(zhǔn)可能成為問題，因?yàn)樵谛?zhǔn)期間沒有可用的測(cè)量值。在這種情況下，可使用具有原位校準(zhǔn)的測(cè)量點(diǎn)來解決這--問題。與固定安裝的傳感器類似,校準(zhǔn)所用的溫度計(jì)包含用于插入通道的校準(zhǔn)儀器。通過比較兩個(gè)傳感器信號(hào),可以在不中斷工序的情況下了解測(cè)量點(diǎn)的精度。較高的成本被較低的經(jīng)營(yíng)成本和較長(zhǎng)的服務(wù)間隔所抵消。
2.7市場(chǎng)準(zhǔn)入的證書
       當(dāng)選擇測(cè)量?jī)x器時(shí)，必須考慮使用后期可能需要的任何認(rèn)證文件。全球使用者需要適合全球使用并且進(jìn)行了相關(guān)認(rèn)證的產(chǎn)品。并非每個(gè)制造商都能獲得相應(yīng)認(rèn)證，特別是在防爆認(rèn)證方面。在選擇防爆認(rèn)證產(chǎn)品時(shí)還需要確定產(chǎn)品具體使用的國(guó)家和地區(qū),選擇已取得當(dāng)?shù)胤辣C書的合適產(chǎn)品。
3結(jié)束語
       正確選擇和使用電子溫度計(jì),對(duì)于工藝生產(chǎn)過程是至關(guān)重要的。全面考慮工藝過程與生產(chǎn)環(huán)境要求，根據(jù)原則選擇合適的溫度計(jì),對(duì)保證工藝生產(chǎn)和生產(chǎn)安全有重要的意義。