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重点讲解如何为工业高温测量系统选择最佳传感器

来源:发表时间:2019-07-08


      温度是过程工业中测量最广泛的变量,它通常是工业加工中的关键因素。如果温度测量不准确或不可靠,则会对过程效率,能耗和产品质量产生不利影响。800°C(1,472°F)或更高温度范围内的高温测量存在特殊问题,将成为本文的重点。
      这些高温应用广泛应用于金属加工,电力,炼油等行业。在此测量范围内,传感器类型通常是热电偶,选择正确的类型是设计高温测量系统的第一步。
热电偶选择
      热电偶是由不同的金属的两条线的一个闭路热电温度感测设备连接在两端。当一端或结的温度与另一端的温度不同时,产生电流。这种现象称为  塞贝克效应,它是热电偶温度测量的基础。
      一端称为  热结,另一端称为冷端  。热结测量元件放置在传感器护套内并暴露于该过程。冷结或  参考结是在温度已知且测量电压的过程之外的终止点。该端接点通常是控制系统输入卡或  温度变送器。
      有许多类型的热电偶由各种金属组合构成。这些组合具有不同的输出特性,其定义了适用的温度范围和相应的电压输出。电压输出幅度越大,测量分辨率越高,这提高了重复性和精度(图1)。


      图1. T / C EMF与温度曲线。通过选择每度测量具有更高电压输出的热电偶,可以提高重复性和精度。
      图2显示了各种热电偶类型的温度范围以及其他重要特性,如熔点和金属成分。K型是最常见的通用热电偶之一,灵敏度约为41μV/°C。它便宜; 其潜在范围为-270°C至+ 1,372°C; 它是相对线性的。


      图2.热电偶数据图表。已发现N型热电偶在长时间测量高温时表现特别好。
      在-200°C至+ 1,200°C范围内,J型热电偶的电位范围比K型更受限制,但灵敏度更高,约为50μV/°C。这些热电偶在149°C至427°C的范围内非常线性。
      E型热电偶的电位范围为-270°C至1,000°C,在68μV/°C时,任何标准热电偶类型的输出与温度变化最高。
      N型热电偶是一种相对较新的设计,其热电稳定性远高于E,J,K和T型基本金属.N型热电偶的灵敏度为39μV/°C,电位范围为-270° C至1,300°C,在高达至少1200°C的温度下可长期可靠使用。R型和S型热电偶的电位范围为-50°C至1,768°C,但长期高温暴露可能导致机械故障和负校准漂移。B型热电偶的电位范围约为0°C至1,820°C,并且受到影响R型和S型热电偶的高温暴露问题的影响较小。
      鉴于这些参数,K型热电偶通常是测量高达约1,000°C温度的最佳选择。由于在较高温度范围内的非线性,通常不使用J型热电偶。E型热电偶通常应用于高达1,000°C的环境中,具有高精度和可重复性要求,因为它们的输出与68μV/°C的温度变化相比非常高。
      所有这些贱金属在某种程度上都受到高温下热电稳定性差的影响,导致N型热电偶在高温下的广泛使用
      应用。与R,S和B型热电偶相比,N型设计具有更高的输出与温度变化的程度,因此通常更精确并且产生更可重复的测量。选择正确的热电偶类型后,下一步是选择热电偶套管。
热套管选择
      温度传感器很少直接插入工业过程中,而是安装在热电偶套管中,以将其与流动引起的应力,高压和腐蚀性化学效应的潜在破坏性工艺条件隔离开来。
      热电偶套管  是安装在处理容器或管道中的封闭式金属管。它们成为加工容器或管道的压力密封的不可分割的一部分。要选择合适的热套管,必须确定工艺条件,因为它们会影响有关结构材料,井设计,插入长度和所需滞后的决策。
      对于高温测量应用,热电偶套管的结构材料非常重要。图3显示了各种材料的最高工作温度,可用作为应用选择合适的热电偶套管的指南。


变送器选择
      热电偶可以直接连接回控制系统上的输入模块,但这种方法并不常见。毫伏热电偶信号非常容易受到电噪声的影响,热电偶布线非常昂贵。
      由于这些原因和其他原因,最好将热电偶接线连接到本地变送器,将传感器的低电平mV信号放大到更强大的4-20 mA电流信号,或者将其放大到数字等效信号。智能变送器。
      在高温测量应用中使用的变送器与用于测量较低温度的变送器没有什么不同,因为变送器不像热电偶套管那样受到过程介质的影响,并且在较小程度上不受热电偶的影响。但是,温度测量应用通常需要在短管或单个容器中的多个点进行测量。对于这些应用,高密度变送器通常用于接受多个热电偶输出并将一个数字输出信号发送到控制系统。
      例如,图4所示的变送器可以接受多达8个热电偶输入,并通过单个基金会现场总线电缆传输每个热电偶输入的测量信息。同一个变送器的不同型号最多可接受四个热电偶输入,并通过WirelessHART网络传输其测量信息。这些变送器中最多可以互连16个,允许通过FOUNDATIONFieldbus将128个测量值发送到控制系统,或通过WirelessHART发送64个测量值。


      图4.温度变送器最多可接受8个热电偶输入,并通过单个FOUNDATION Fieldbus电缆传输每个热电偶输入的测量信息。
其他选择
      安装在热电偶套管中的热电偶是测量过程工厂中高温的最常用方法,但也可提供各种非接触式温度测量方法。这些方法不需要工艺穿透或热套管,并且由于这些原因可以更容易地设计,安装和维护。资源五详细描述了这些非接触式温度测量方法。
      尽管这些方法具有优点,但它们的使用仅限于不需要快速响应或高精度的应用。但是,一种新的非接触式温度测量方法为传统的非接触式温度测量技术提供了快速响应和高精度的插入方法。虽然该技术的高温版本尚未推出,但预计将在未来的产品发布中使用。
      选择正确的高温测量解决方案可能具有挑战性,但是存在许多在线资源以帮助完成工作,其中一些资源列在资源部分中。这些系统的供应商在许多情况下也可以提供帮助。


 

 

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