如何選擇合適的溫度傳感器使用

1、淺論溫度傳感器的選用上海自動化儀表股份有限公司吳順林測溫控制儀表系統(tǒng)中的溫度傳感器在各類需要溫控介質(zhì)的測溫過程中起著非常重要的角色和作用。它已廣泛的被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的各個領(lǐng)域，如火電廠、核電廠、冶金、石油、化工、軌道交通、造紙、塑料制品、食品加工、科研領(lǐng)域等，尤其是在火電廠、核電廠、線纜行業(yè)的擠塑、擠橡、等相關(guān)設(shè)備的加熱系統(tǒng)中是不可缺少的重要部件之一。在電廠的發(fā)電過程中、在產(chǎn)品的生產(chǎn)或試驗過程中，溫控儀表系統(tǒng)對設(shè)備加熱系統(tǒng)的溫度控制，對工藝參數(shù)的正確執(zhí)行，保證發(fā)電設(shè)備的正常高效運轉(zhuǎn)、保證產(chǎn)品的高效高質(zhì)量的生產(chǎn)，以及保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，都具有非常重要的作用。涉及到溫度傳感器的選型是否正確合理

2、，將直接對被測介質(zhì)溫度的準(zhǔn)確性、測量介質(zhì)溫度所達到精度的長期穩(wěn)定性、使用過程中的安全可靠性、被測介質(zhì)溫度變化的反應(yīng)靈敏度、使用壽命、安裝、溫度傳感器使用方便與否、以及溫度傳感器的性價比等都有著重要的影響作用，本文就被測介質(zhì)溫度的工況條件如何選用溫度傳感器作一淺論。在現(xiàn)有的測溫控制儀表系統(tǒng)中的溫度傳感器最常用的是熱電偶、熱電阻。因熱電偶、熱電阻結(jié)構(gòu)簡單，往往被誤認為：“熱電偶兩根線，熱電阻一根絲，只要接上就完事”，其實并非如此。熱電偶、熱電阻的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但在選型和使用中仍然會出現(xiàn)許多問題，例如：發(fā)電廠的主蒸汽管道上高溫高壓測溫?zé)犭娕既邕x用不當(dāng)，將會造成測溫不準(zhǔn)確，影響發(fā)電效率；在溫度傳感器的

3、保護套管上選用不當(dāng)，甚至?xí)疠^大的安全事故。或者在選型時，若對被測介質(zhì)的物理、化學(xué)特性、工況條件不了解或掌握情況不多，就無法正確選型。如在滲碳等還原性的介質(zhì)氣氛中，如果不注意保護，熱電偶偶絲也會因化學(xué)變化而電勢變異導(dǎo)致超差，使得熱電偶的測溫精度不準(zhǔn)確。為了正確選型溫度傳感器，所以我們應(yīng)考慮以下幾個方面的問題。一.溫度傳感器的基本結(jié)構(gòu)及其作用溫度傳感器主要有三個部件：感溫元件部件、保護套管部件和接線盒部件。感溫元件部份是測量溫度的關(guān)鍵性部件，具測溫精度、測溫范圍、穩(wěn)定性、熱響應(yīng)時間等是重要的幾個參數(shù)指標(biāo)，是在選型中主要考慮的問題。保護套管部件的主要作用，第一是為測溫元件提供穩(wěn)定的測溫環(huán)境，第二

4、是保護測溫元件免遭惡劣工況介質(zhì)的破壞，第三是保證測溫元件各項測溫指標(biāo)的正確性，第四是決定溫度儀表在設(shè)備上如何安裝。接線盒部件是測溫電信號輸出裝置，如何正確選用接線盒：第一要考慮電信號輸出地點的環(huán)境，第二要考慮電信號輸出的方式、第三要考慮電信號如何到達測溫控制儀表系統(tǒng)。二.測溫介質(zhì)的工況及控溫要求在選用溫度傳感器儀表前應(yīng)深入了解設(shè)備運轉(zhuǎn)的工藝過程，掌握工藝對溫度傳感器提出的要求：被測的溫度范圍及變化的快慢：被測對象的物理和化學(xué)性質(zhì)。如腐蝕性、氧化性；是否易燃、易爆、有毒等；被測對象是靜止還是運動的，是氣態(tài)還是固態(tài)的溫度，是點溫還是平均溫度等；儀表安裝現(xiàn)場的環(huán)境溫度、濕度、電磁場、振動等。而且各工

5、業(yè)部門被測量對象及環(huán)境條件也是不同的，對溫度儀表的測溫要求也不同。在冶金工業(yè)：鋼鐵工業(yè)被測量對象的特點是溫度高，例如鋼水的溫度高達16001700C;現(xiàn)場的環(huán)境條件也是溫度高，例如鋼錠、鋼板加熱爐周圍的環(huán)境溫度高達100c以上。冶金工業(yè)還包括有色金屬的冶煉，它除了高溫外，還有金屬的腐蝕，以及環(huán)境中的塵埃和水汽等。由于氧化煉鋼的日益發(fā)展，制氧設(shè)備還有測量低溫一200c的要求。在電力工業(yè)：火力發(fā)電中隨著大機組汽輪發(fā)電機制造成功，對于主蒸汽管道溫度的測量提出更高的要求，例如30萬千瓦、100萬千瓦汽輪發(fā)電機組的主蒸汽管道的壓力將分別達17MP劑40MPa過熱蒸汽白流速可達60米/秒，同時也要求測量精

6、度高和熱響應(yīng)時間快。在原子能發(fā)電站中，由于中子的撞擊，對于某些熱電偶材料將造成姬變而引起其熱電勢特性的變化，在沿海地區(qū)的發(fā)電廠要使用耐腐性能好的溫度傳感器保護管。在石油和化學(xué)工業(yè)：石油化工部門對于熱電偶和熱電阻的使用環(huán)境來說是有代表性的。其溫度測量范圍很寬，從低溫(-200C左右)到高溫(+1300C左右)；被測量的介質(zhì)有固體、液體和氣體，其特性有酸性、中性、堿性，以及易燃和易爆；其環(huán)境條件有露天和具有腐蝕性氣氛。因此要求熱電偶和熱電阻的結(jié)構(gòu)及材料應(yīng)能適應(yīng)上述的條件。在機械工業(yè)：機械工業(yè)的溫度測量主要是在材料的熱處理方面應(yīng)用，例如退火、淬火等。溫度測量范圍通常是在1300c以下，但被測量的介質(zhì)

7、往往具有很大的腐蝕性。三.按工況條件選用溫度傳感器元件1.熱電偶和熱電阻的常用選型：工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的熱電偶型號有RS、K、E型和熱電阻型號有PT10OCu50等幾種溫度傳感器元件。它們的各性能比較及應(yīng)用領(lǐng)域：熱電偶測溫元件測溫范圍C測溫精度應(yīng)用領(lǐng)域K01100(1300)I級(士1.5或士0.4%|t|)II級(土2.5或士0.75%|t|)可以直接測量各種生產(chǎn)過程中從0c1300c范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)及固體的表面溫度。E0-600(750)I級(士1.5或士0.4%|t|)II級(土2.5或士0.75%|t|)可以直接測量各種生產(chǎn)過程中從0c750c范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)及

8、固體的表面溫度。600c以下的測溫特性優(yōu)于K型。B01600(1800)±1.5或士0.0025|t|主要用于氧化性氣氛中高溫段(500c-1600C)的溫度測量，在真空中可短期使用。S01300(1600)±1.5或士0.0025|t|主要用于氧化性氣氛中高溫段(500c-1300C)的溫度測量，在真空中可短期使用。熱電阻測溫元件測溫范圍C測溫精度應(yīng)用領(lǐng)域Pt100200-420(500)A級：±(0.15+0.002|t|)B級：±(0.30+可以直接測量各種生產(chǎn)過程中從-200C至420c范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面溫度20.005|t

9、|)Cu5050100(150)士(0.3+0.006|t|)可以直接測量各種生產(chǎn)過程中控溫精度不高的從-50C至100c范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面溫度注：測溫范圍C,僅對熱電偶絲材及熱電阻元件而言，不同的套管材質(zhì)，結(jié)構(gòu)和使用場合,實際使用溫度各有不同，括號內(nèi)的溫度值為短期使用溫度。2.應(yīng)該選擇與測量儀表分度號相同的測溫元件。在滿足工藝規(guī)程要求的情況下，同時使用多臺測溫儀表，應(yīng)盡可能選擇分度號相同的測溫元件，以防止由于人為的原因造成不同分度號的熱電偶與測量儀表混用，出現(xiàn)質(zhì)量事故。3 .測溫元件插入深度：熱電偶插入被測場所時，沿著傳感器的長度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當(dāng)環(huán)境溫度低時就會有熱損

10、失。致使熱電偶與被測對象的溫度不一致而產(chǎn)生測溫誤差?？傊?由熱傳導(dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插入深度又與保護管材質(zhì)及管徑有關(guān)。金屬保護管因其導(dǎo)熱性能好，具插入深度應(yīng)該深一些（約為直徑的1520倍），陶瓷材料絕熱性能好，可插入淺一些，具體數(shù)值應(yīng)由試驗確定，最少不小于熱電偶保護管外徑的10倍。為了防止熱損失，熱電偶保護管露在設(shè)備外部要盡可能短，并加保溫層。4 .熱響應(yīng)時間的影響：接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達到熱平衡。因此，在測溫時需要保持一定時間，才能使兩者達到熱平衡。而保持時間的長短，同測溫元件的熱響應(yīng)時間有關(guān)。而熱響應(yīng)時間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測量元件，不同的結(jié)構(gòu)差別極

11、大。對于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30min以上才能達到平衡；對于液體而言，最快也要在5min以上。對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，全過程僅1s,則要求傳感器的響應(yīng)時間在毫秒級。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會因達不到熱平衡而產(chǎn)生測量誤差。最好選擇響應(yīng)快的傳感器。對熱電偶而言除受保護管影響外，熱電偶的測量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細，測量端直徑越小，其熱響應(yīng)時間越短（即測量端熱容量愈小，熱響應(yīng)時間越快）。5 .溫度傳感器的安裝位置：溫度傳感器的測量端應(yīng)處于能夠真正代表被測介質(zhì)溫度的位置。在容器或箱體內(nèi)安裝溫度傳感器時，如果條

12、件允許，應(yīng)使保護管末端盡可能靠近其中心位置；在管道上安裝溫度傳感器時，應(yīng)使保護管末端超過管道中心線約（510）mm四.按工況條件選用溫度傳感器的保護套管不同的工況條件對溫度傳感器的保護套管要求不盡相同，為了延長熱電極的使用壽命以及提高測溫的準(zhǔn)確度，根據(jù)特定的使用環(huán)境及工況條件選用合適的溫度傳感器保護套管就顯得相當(dāng)重要。1.選材的原則及常用材料的優(yōu)缺點1） 材料的氣密性好（即氣孔率小）；2） 應(yīng)有足夠的強度和穩(wěn)定性，抗熱沖擊性能好；3） 材料的紅硬性好，要求材料必須耐磨；4） 耐化學(xué)腐蝕性能好，因為燃煤介質(zhì)中含有S0SO、NaQ&O等腐蝕性氣體；5） 導(dǎo)熱性好。6） 安裝焊接性能好。7）

13、 加工性能及性價比好等以上幾個基本原則。目前已在工業(yè)上應(yīng)用的熱電偶保護套管材料按其材質(zhì)主要分金屬材料、非金屬材料、金屬材料和非金屬材料的復(fù)合材料三大類。金屬保護管材料：應(yīng)用較多的有不銹鋼和高溫合金鋼，這類材料的優(yōu)點是機械強度高,耐腐蝕性能與導(dǎo)熱性能好，但其高溫?zé)釓娦圆?，故高溫耐磨性較差。非金屬保護管材料：常用的材料有石英、高溫陶瓷、氧化鎂、氧化鋁等。同金屬材料相比，這類材料的優(yōu)點是高溫耐磨性好、耐腐蝕性能良好，缺點是導(dǎo)熱率差，熱響應(yīng)敏感性差，因此管壁不能做得很厚，而管壁的減薄又給應(yīng)用帶來一系列的問題。陶瓷類材料一般較脆，抗熱震性能差，抗熱劇變性能差，在使用過程中由于沖擊和熱震容易導(dǎo)致脆裂。復(fù)合

14、材料保護套管：近年來發(fā)展較快的有金屬陶瓷復(fù)合材料和特殊復(fù)合涂層材料保護套管。金屬陶瓷復(fù)合材料是由金屬基體、陶瓷成分和潤滑劑等組成的多元復(fù)合材料。2.保護管材料的選用工業(yè)部門被測量介質(zhì)或場所被測溫度保護管材料酸類醋酸1050%20C1Cr18Ni9Ti50%90CCr18Ni12Mo2Ti90%2090c2Cr13硫酸550%2090c鍥鋁合金（B）90%90C鍥鋁合金（D）96100%90C普通鋼硝酸550%20C1Cr18Ni9Ti50%90C1Cr18Ni9Ti65%Z上90CCr18Ni12Mo2Ti鹽酸15%20C鍥鋁合金（C）15%90C或含1416%勺高建鑄鐵鍥鋁合金（B）25%9

15、0C鍥鋁合金（C）化學(xué)工業(yè)磷酸15%20C1Cr18Ni9Ti10%20CCr18Ni12Mo2Ti10%90C鍥鋁合金（C）3085%2090c鍥鋁合金（B）乳酸5%20C1Cr18Ni9Ti5%60CCr18Ni12Mo2Ti10%90C含鈕不銹鋼檸檬酸15%20C1Cr18Ni9Ti15%90CCr18Ni12Mo2Ti銘酸1050%90CCr18Ni12Mo2Ti鹽類氫氧化鈉10%以上90C1Cr18Ni9Ti75%100c普通鋼氯化鈉5%以上2090cCr18Ni12Mo2Ti碳酸鈉5%以上2090c1Cr18Ni9Ti硫酸鈉5%以上20cCr18Ni12Mo2Ti亞硫酸鈉5%以上2

16、0c1Cr18Ni9Ti鋼水16001700C金屬陶瓷管銅熔液10001100C金屬陶瓷管4鋁熔液9001000c氮化硅管鋅熔液400500c高銘鋼冶金工業(yè)錫熔液200300c高銘鋼鉛熔液300-400C碳鋼鋼板加熱爐800-900C1Cr18Ni9Ti鍛造爐11001200c高銘鋼高爐爐頂10001300c碳化硅管鋼錠加熱爐13001400c氧化鋁管主蒸汽管道400-600C1Cr18Ni9Ti普通蒸汽管道300-500C1Cr18Ni9Ti熱電站P91P92WB323.保護管設(shè)計與強度計算（一般采用經(jīng)驗法）。設(shè)計要求：用于測量溫度的熱電偶或熱電阻，一般要求它既能迅速準(zhǔn)確測溫，又有足夠的強度

17、。這是矛盾的兩個方面，相輔相成的。沒有后者，則前者就無從談起，可是，如果只有后者，而卻不能達到前者的目的，則后者也失去了其存在的意義，通常，后者常表現(xiàn)為矛盾的主要方面，但在一定的條件上，它們也是可以互相轉(zhuǎn)化的。強度核算：靜態(tài)壓力所產(chǎn)生的垂直應(yīng)力：對于圓柱形保護套管，在溫度測量的實際中，通常由于它的壁厚與其外徑相比一般較小，故可認為是薄壁容器。根據(jù)材料力學(xué)的有關(guān)理論，其計算應(yīng)力為：P0D25式中：P。一保護套管所承受的靜態(tài)壓力；D1保護套管外徑；6保護套管壁厚；振動強度核算：任何一個有質(zhì)量的物體，均有其固有頻率或稱自然頻率，保護套管當(dāng)然也不例外，也有它本身的自然頻率。當(dāng)受振動荷載后（外來的簡諧力

18、）后，根據(jù)前面的假定，它將產(chǎn)生無阻尼的強迫振動，此時保護套管被迫以外力頻率振動。其振動方程可寫為：X=CiSin。nt+C2Cos。n°+Xo.Sinwnt1- 323n五.按工況條件選用溫度傳感器的接線盒部件溫度傳感器的接線盒是用于測溫電信號變送及信號輸出的聯(lián)接點。有些簡易溫度傳感器是沒有接線盒的，而在許多場合要使用有接線盒的溫度傳感器。它的選用要注意以下幾點：1 .根據(jù)溫度傳感器被安裝地點的環(huán)境污染，決定采用什么防護等級的接線盒。2 .根據(jù)溫度傳感器被安裝地點的環(huán)境中存在哪些易燃易爆的介質(zhì)，決定采用什么防爆等級的接線盒。3 .根據(jù)溫度傳感器的溫度電信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號（4-20m

19、A1-5V）,決定采用可安裝溫度變送器的接線盒。4 .根據(jù)溫度傳感器的熱電偶電信號是通過補償導(dǎo)線連接到溫度控制儀表系統(tǒng)的，所以要正確選用補償導(dǎo)線。補償導(dǎo)線有二種，一種是延長線、另一種是補償導(dǎo)線。必須使用與溫度傳感器配套的補償導(dǎo)線，熱電偶與補償導(dǎo)線的正負極應(yīng)正確連接，否則，不但起不到補償作用，而且還會給測量結(jié)果帶來更大的誤差。溫度傳感器選型舉例：超臨界、超超臨界發(fā)電機組中溫度傳感器的選型。測量精度：熱電阻為A級：±（0.15+0.002|t|）C熱電阻其常溫絕緣電阻100M。熱電偶為I級：±1.5C或±0.4%|t|C；熱電偶應(yīng)為絕緣式，其常溫絕緣電阻1000Mm繾

20、裝式）；常溫絕緣電阻100Mm（裝配式）；熱電偶精確度符合下列最小誤差極限：在0c316c溫度范圍內(nèi)，1.7C;在316C817c溫度范圍內(nèi)，0.5%;在817c1260c溫度范圍內(nèi)，0.75%。用于測量煙塵等有沖刷的場合，測溫元件應(yīng)選用耐磨熱電偶/熱電阻。部分位置選型情況:測點名稱設(shè)備名稱型式及規(guī)范型號汽機右側(cè)主汽溫度2熱電偶雙支K分度，0-610C,27MPa,54m/s,插入式焊接1CU8Ni9Ti錐型保護管，插深100mmWRNR2-93UC汽機右側(cè)主汽溫度3熱電偶雙支K分度，0-610C,27MPa,54m/s,插入式焊接1CU8Ni9Ti錐型保護管，插深100mmWRNR2-93UC汽機左側(cè)再熱汽溫度熱電偶雙支K分度，0-610C,27MPa,54m/s,插入式焊接1CU8Ni9Ti錐型保護管，插深100mmWRNR2-93UC汽機右側(cè)再熱汽溫度2熱電偶雙支K分度，0-610C,27MPa,54m/s,插入式焊接1CU8Ni9Ti錐型保護管，插深100mmWRNR2-93UC3B高壓加熱器進汽管管底溫度熱電偶雙支K分度，0-300C,35MPa,5m/s,管座式焊接1CU8Ni9Ti錐型保護管，插深30mmWRNR2-143B高壓加熱器進汽溫度熱電偶雙支K分度，0-300C,35MPa,5m/s,管座式焊接1CU8Ni9Ti錐型保護管，插深