温度传感器选型技巧：如何选择热电阻和热电偶传感器

　　温度测量是所有过程测量中的最大的组成部分之一，其准确性和可靠性通常会对设施的有效运行和安全产生重大影响。选择最合适的传感器类型，可以提高温度测量的准确性、可重复性和稳定性，并可以降低运营和维护成本。

　　工业设施内，90％以上甚至更多的温度监测都由热电阻（RTD）和热电偶（T/C）完成，这意味着在为各种应用选择最佳传感器时，每个具体细节，都可以帮助您做出最明智的决策。

　　热电阻传感器概览

　　温度范围：热电阻推荐的测量范围为-200℃至850℃。购买新传感器时，请告知供应商传感器的工作范围，以便其在该工作范围内选择最佳的材料和制造技术。

　　操作：热电阻的工作原理是金属元件的电阻随温度的升高而增加。

　　结构：常见的电阻材料有铂（Pt）、镍（Ni）和铜（Cu）。由于铂更稳定、线性度更好、测量温度范围更宽，因此它已成为当今的行业标准。虽然现有建筑物中仍然可见镍和铜热电阻的使用，但大多数新装置大都倾向于使用铂金。

除了各种热电阻和热电偶传感器外，还可选择不同的传感器结构类型：标准实心护套元件（图顶部和中部）或带有较短传感器封壳可以灵活调整长度的传感器（图下方），旨在加快响应、提供更好的振动弹性。图片来源：Moore工业

　　通常情况下，高纯度铂主要用于制造线绕设计（铂丝缠绕在基板线轴上）或薄膜设计（纯铂沉积在陶瓷基板上）的热电阻传感元件。由于目前使用的基板材料在高温下可以保持稳定，因此现在的热电阻可以在更高的温度下使用。

　　建议：在-40℃至850℃范围内使用薄膜传感器，在接近-200℃时使用线绕传感器。

　　2线、3线或4线热电阻：热电阻可以采用2线，3线和4线结构。

　　建议：在允许的情况下，尽可能使用热电阻代替热电偶，以获得更好的精度、可重复性和稳定性。

　　只有当元件与周围的保护套绝缘/隔离时，热电阻才能正常工作。典型的绝缘材料是氧化镁或氧化铝。如果由于潮湿和污染而导致绝缘层损坏，则必须更换热电阻。由于热电阻必须绝缘，使用非隔离的测量电路可以节省成本。

　　当闭合温度变送器未与热电阻一起使用时，热电阻通过铜线连接到测量电路。在准备选择热电阻时，需要注意的事项包括：

　　●传感器名称暗示其在0℃时的电阻。例如：100ΩPt热电阻在0℃时，测量为100Ω；500ΩPt热电阻在0℃时测量为500Ω等。

　　●现代测量电路使用恒流源产生激励电流。

　　●高阻抗电压测量值可归因于热电阻性能。高阻抗意味着没有电流流过电压表及其引线。

　　●使用欧姆定律计算电阻：V=IR 或R=V/I。

　　热电阻传感器的精度：为了获得更高的精度，在可能的情况下，最好使用热电阻而不是热电偶。最好的热电阻按IEC 60751标准制造，它要求的精度值如表1所示。

表1 ：热电阻精度表

　　优质/特级热电阻传感器：当制造商已经利用老化箱对热电阻进行老化处理后，在现场就可以最大限度地减少漂移。热电阻在0℃和600℃之间循环1000小时，5年以上可以确保保持较高精度。通常，只有A类传感器才进行热老化。

　　热电偶传感器概览

　　热电偶技术基于塞贝克效应，两种不同金属熔合在一起，两个结点中的一个温度与另一个结点的温度不同时，将产生电流。

　　温度范围：不同金属的各种组合都可以构成热电偶。成品称为热电偶类型。对于每种类型，都会提供mV与温度的关系表，并包含在本参考手册中（所有mV与温度的关系表均使用热电偶冷端在0℃下创建）。

　　操作：热电偶传感器有两个接点。测量端（有时称为热端）是两种金属连接的地方。参考端（也称为冷端）连接到测量电路。

　　当热端和冷端之间存在温差时，产生与温度差成比例的mV信号。mV值随着温度的升高而增加。mV和温度之间的关系是非线性的。

　　在实际使用中，热电偶测量电路可以测量除0℃以外的任何温度。测量电路必须测量冷端的温度，并将温度恢复到0℃。这种电气补偿称为冷端补偿（或参考端补偿）。大多数热电偶测量电路执行此操作。

　　结构：热电偶接头可以通过热接点连接到外部护套进行接地或不接地（与护套绝缘）来构建。接地的热电偶响应更快，但热电偶会接触过程电压。因此，重要的是隔离测量电路以阻止接地回路的形成，避免导致测量误差。

　　在温度组件内，热电偶通常嵌入到氧化镁（MgO）和金属护套中。然后将其插入热电偶套管或保护管中。这有助于保护传感器免受环境污染。当氧化镁被水和盐污染时，即使未接地的热电偶也会最终接地。

　　建议：使用隔离的测量电路测量热电偶。

　　热电偶传感器精度：最好使用符合ASTM E230标准的热电偶传感器，该传感器规定了E、J、K和T型热电偶的精度。在ASTM E230/E230M-12标准规范和标准热电偶的温度-电动势（emf）表中，提供了热电偶参考表。

　　特殊热电偶线：热电偶可以用优质或特级的导线构造，将不确定性降低一半。优质/特级基本上表明该线材具有更高纯度的合金混合物。

　　优质热电偶线有助于热电偶测量；升级到A 类热电阻传感器可以将不确定性降低一半（参见表2）。

表2 ：优质和特级电缆可降低热电偶的不确定性

　　建议：如果应用需要热电偶而不是热电阻，请使用更高等级的热电偶；成本差异可以忽略不计，优质线材可以提供更高的稳定性。

　　热电偶的电线污染问题由来已久。精度图表中的数值，是在假设电线未被过程或环境中的化学品污染的情况下得到的。当污染发生时，误差通常会增加到需要更换传感器的程度。

　　校准传感器以实现更高精度

　　在传感元件之后，就应开始考虑应用。如果它要求尽可能好的精度，则需要为温度测量系统配置校准槽。A类热电阻传感器在校准槽中进行校准后连接到变送器或远程输入/输出（I/O）测量设备。此过程消除了每个传感器中存在的最终“竣工”偏移误差。传感器应提供美国国家标准与技术研究院（NIST）的可溯源校准报告，该报告表明传感器和温度变送器的组合不确定度通常优于±0.01°F。

　　温度传感器选型的技巧

　　为了优化测量性能，并最大限度地减少长期维护费用，在选择温度传感器时，请使用以下技巧作为实用指南。

　　1.测量温度范围在-40℃和850℃之间，请选择热电阻。

　　2.对于低至-200℃的温度，请使用绕线热电阻。

　　3.最佳做法是使用4线制和A类热电阻。

　　4.确保传感器经过温度变化循环和“老化”处理，以确保长期稳定性。

　　5.在部署低于0℃和高于600℃的热电阻时，您需要了解工艺条件以优化结构：温度范围、循环、压力、流量、介质、振动和周围环境条件（化学品/大气）。

　　6.如果需要最高精度时，使用传感器微调。

　　7.如果使用长线路的3线制热电阻，并且无法将其转换为4线制热电阻，请将3线热电阻替换为PT1000Ω热电阻。

　　8.如果监测温度高于850℃，请使用热电偶。

　　9.如果使用热电偶，请使用优质热电偶和延长线。

　　10.如果使用长热电偶延长线，请确保它具有噪声防护功能。

　　11. 用远程I/O 替代受污染的热电偶延长线。

（作者：Gary Prentice  来源：控制工程网）