A3温度传感器原理

1温度测量仪表基础内容提要Topics: SlideNo:为什么要测量温度? 3-5温度的定义 6-8温度测量技术14-40传感器的附件 41-52温度变送器 53-64 2为什么要测量温度?因为温度影响许多物质的属性: 3同时,温度是影响以下工艺过程的关键因素: 物理及化学反应的速率

粘度

物质的状态

材料的强度

食品的质量及品味

工业过程的安全

纸浆与造纸

乳品工业的巴氏灭菌消毒

真空包装

化学反应为什么要测量温度?

4个常见的原因安全效率例如空分工业产品的质量及产出率温度偏离优化值会导致;产出率极低产生废物精确的控温将带来高的出率:炼厂常压分馏催化裂化4为什么要测量温度?

4个常见的原因贸易交接买卖双方的交易量确定气体的标态体积时,温度测量极为重要给定体积气体中的物质含量将随温度升高而减少将随温度降低而增加温度测量误差将导致:用户的支出将有很大的误差5温度控制回路温度控制回路通常的问题是:

液体对加热输入的反应有很大的滞后

因此需要某些先进控制策略例如前馈控制6SteamColdWaterHotWaterLoadDisturbance

TTTICI/P温度测量的刻度单位7373 100° 672 212273 0° 492 32 0 -273° 0 -460

°C=5/9(°F-32)°F=9/5(°C)+32K=273+°CR=460+°FKelvin&RankineareabsolutescalesBOILINGPOINTOFWATERICEPOINTABSOLUTEZEROkELVINCELSIUSRANKINEFAHRENHEIT温度测量的刻度单位8DifferentialTemperature°C=5/9°F°F=9/5°CK=°C°R=°FExample:2pointsinaprocessdifferintemperatureby100°C.These2pointsdifferby180°Fi.e.180=9/5(100)Whereas,theyalsodifferby100KExample#120°C =20+273 =293K20°C =9/5*(20)+32 =68°F温度测量技术之一/双金属温度计

使用不同温度膨胀系数的双金属片及连杆齿轮系统组成的温度指示仪表.9温度测量技术之二/膨胀液体压力温度计例如:蒸汽温度计

基本原理是利用可挥发性液体受热后产生汽化,汽化压力经毛细管传导至指示机构.其压力与温度成正比!10 利用液体的汽化膨胀特性制成的温度计测温探头导压毛细管压力指示温度测量技术之三/石英晶体传感器Example: 石英晶体温度计

外形类似于RDT热电阻的封装,可以实现高精度的直接数字测温,但价格昂贵!11 利用晶体的谐振频率与温度之间的关系制成的温度仪表.温度测量技术之四/非接触式辐射温度传感器例如:光电式红外线辐射温度计/非接触式测温仪. 12 原理基于任何物体均有温度的热辐射,例如红外线辐射.温度测量技术之五/热敏电阻/RTD温度传感器Example: 半导体温度敏感元件 RTD金属热电阻

13 基本原理:利用导体的温度与电阻的相关关系进行温度测量.

分为负温度系数NTC及正温度系数PTC两种半导体热敏电阻Thermistor热电阻温度传感器

RTDs什么是RTD?Resistance

TemperatureDetector

14PlatinumresistancechangeswithtemperatureRosemount’sSeries78,88Rosemount’sSeries68,58Series65两种常见的制造工艺:线绕式或薄膜式Wire-woundsensingelementThin-filmsensingelement 铂电阻 (Platinumusually):

元件的温度常数/PT100TypicalTc=9s@50%FS!

热电阻温度传感器

RTDsRTD的工作原理?重复性精度好IEC751/PT100铂电阻的特性曲线(Ro=100Ohms)15Resistance(Ohms)Temperature(oC)oC Ohms0 100.0010 103.9020 107.7930 111.67InternationalResistancevs.TemperatureChart:IEC751IEC751IEC751Constantsare:-A=0.0039083,B=-5.775x10-7,

Ift>=0,C=0,Ift<0,C=-4.183x10-12Example:RT=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3] =103.90C为负温度段修正系数

RTD热电阻温度传感器的对比16°C-1000100200300400500600700°F-1483221239257276293211121292TemperatureRelativeResistance(RT/R0)0123456PlatinumBalcoNickelThermistor

MostlinearMostRepeatableMostStablePositiveSlope金属铂vsotherRTDmaterials通常不超过600C!3种接线形式Whyusea2-,3-,or4-wireRTD?2-wire:

低成本但高引线误差3-wire:

可以补偿引线误差4-wire:

成本较高但精度最好.17SensingElement(i.e.wire-wound,thinfilm)RedRedWhiteRedWhiteWhiteBlackGreenGreenWhite4-wireRTD其引线通常为铜导线2-wireor4-wireRTD?20°C时6米引线的最终测量误差对比:18RedWhite2-wireRTD6metresofcopperextensionwire,leadresistance=0.06ohms/metre(1ohm=2.5degCapprox)SensingElement(I.e.wire-wound,thinfilm)RTD热电阻温度传感器RTDs两线制热电阻产生1.8C的误差!4线制则可以完全没有误差!*PT100的温度系数=0.385欧/C

RTD热电阻温度传感器RTDs双传感器封装19支持热备份功能仅$5的价格差!适合用于关键点的测量支持差分温度测量RedRedWhiteBlackRedRedGreenBlueBlueWhite双元件通常为3线制罗斯蒙特3144P温度变送器RTD热电阻温度传感器RTDs20IEC751CurveTheIEC751标准是专门针对Pt100=0.00385RTDs.的理想温度/电阻转换曲线!TEMPERATURE(oC)RESISTANCE(OHMS)ClassBToleranceStandardIEC751CurveClassBTolerance0.8oCat-100oC0.3oCat0oC0.8oCat100oC1.3oCat200oC1.8oCat300oC2.3oCat400oC(B级传感器的互换性误差!)问题是如何生成一根理想的”特定”曲线!实际的RTD元件总是要有一定的偏差RTD热电阻温度传感器RTDsEN60751A级B级的允许误差!Pt100,=0.0038521RTD热电阻温度传感器RTDs22一个PT100传感器在100C时的潜在误差?+/-0.35degCforClassA,+/-0.8degCforClassB降低或消除误差的办法是建议使用带传感匹配的变送器!SensorMatching.Quiz: - 传感器的互换性误差

RTD热电阻温度传感器RTDs什么是RTD的标定?生成特定的RTD温度转换关系!TemperatureRangeCharacterizationCalibrationcertificateprovidedwithsensorTemperaturePointCharacterizationCalibrationcertificateprovidedwithsensor23oC Ohms0.0 99.9971.0 100.382.0 100.773.0 101.16用户得到的标定结果:经RTD特征化处理标准温度恒温槽

-

单点-多点

什么是传感器匹配?24TransmitterreadingdoesNOT

equalprocesstemperature.212°FProcessTemperature138.8W138.8WRTDResistance:TransmitterInput:Rvs.TCurveofREALRTD传感器匹配可以显著提高测量的精度!ThecurveprogrammedintoeveryxmtristheIEC751-the“Ideal”RTDcurve由于实际使用的传感器的特性曲线不可能与变送器内的曲线完全一致!TheTransmitterTranslates138.8Winto213.4°FUsingtheIEC751TransmittercurvedoesNOT

matchRTDcurve.Outcome??具有传感器匹配选项的传感器!0065/V10/V11/X8选项

AfourthorderequationcanbeprogrammedintoSmartTransmitterstofollownon-idealsensorcurvature;simplyenterfourconstantsusing275.25Pt100a385TempvsResistancerealsensorcurvestandardIEC751curvesensormatchedcurveintxResistanceTemperatureTransmitterreadingequalsprocesstemperatureTransmittercurveisperfectlymatchedto“ideal”RTDcurveOutcome??Ro=99.9717a=0.00385367b=0.172491d=1.61027TagSensorMatching-eliminatessensorinterchangeabilityerror具有传感器匹配选项的铭牌!CVD系数具有传感器匹配选项的变送器的温度转换公式CVD!Rt=Ro+Roa[t-d(0.01t-1)(0.01t)-b(0.01t-1)(0.01t)3]26Rt =ResistanceatTemperaturet(°C)Ro

=Sensor-SpecificConstant(Resistanceatt=0°C)

=Sensor-SpecificConstant

=Sensor-SpecificConstant

=Sensor-SpecificConstant(Ift>=0°C,thenb=0)IEC751CurveTemperature(oC)Resistance(W)ClassBToleranceThetransmitterdoesnotusetheIEC751standardcurve.Instead,theCallendar-VanDusenconstantscanbeusedintheequationbelowtocreatethetruesensorcurve.Or,theactualIEC751constantsA,B,andCcanbeusedintheIEC751equationifknown.SensorMatching-MappingtheRealRTDCurve4thOrderCallendar-VanDusenEquation热电偶测温27ProcessTemperatureHotjunction两种异型金属形成的结点.Coldjunction+-MV只要引自该结点的导线的另一端的温度与结点温度有所不同,该温度差将会在这一点的导线间产生与温度成正比的MV电势!温度高的一端称之为热端,反之为冷端.DT该MV数可以由标准化的标度表格查到!作为实用性测温技术,冷端的温度必须知道!什么是热电偶?热电偶测温

28+-MVHeatHotjunctionColdjunctionoCMillivolts0 0.00010 0.59120 1.19230 1.801ThermoelectricVoltagevs.TemperatureChart:TYPEETHERMOCOUPLEDTVoltage(mV)Temperature(oC)IEC584MeasurementJunctionT2ReferenceJunctionT1IEC584---热电偶的温度/MV转换标准参考温度热电偶测温元件热端的结构-1GroundedimprovedthermalconductivityquickestresponsetimessusceptibletoelectricalnoiseUngroundedslightlyslowerresponsetimenotsusceptibletoelectricalnoise29SingleGroundedDualGroundedSingleUngroundedHot-JunctionConfigurations热电偶测温元件热端的结构-2UnisolatedjunctionsatthesametemperaturebothjunctionswilltypicallyfailatthesametimeIsolatedjunctionsmay/maynotbeatthesametemperatureincreasedreliabilityforeachjunctionfailureofonejunctiondoesnotaffecttheother30Hot-JunctionConfigurationsDualUngrounded,Un-isolatedDualUngrounded,Isolated冷端补偿的方法-1,保持冷端恒温?WhyisColdJunctionCompensationneeded?参考端,通常为冷端温度要保持恒定.31ICEBATHT1=10°CMeasureReferenceIronConstantan+_VoltMeterT2=100+10°C5.812mV

2种方法:

将冷端置于冰浴桶中

NOTPractical!

°C -100 -0 +0 100 MILLIVOLTS0 -4.632 0.000 0.000 5.2682 -4.550 -0.995 1.019 5.3766 -4.876 -0.301 0.303 5.594 10 -5.036 -0.501 0.507 5.81214 -5.194 -0.699 0.711 6.031T=110°C热电偶分度表冷端补偿的方法-2,对冷端温度进行补偿!32MeasureReferenceJunctionIronConstantan+_TransmitterT2=110°C4.186mV另一种方法:冷端补偿.

ElectronicCircuitry

passingcurrentthroughaThermistor通常的做法!T=80°CConnectionHeadExtensionWiresExample:

AmbientTemp=30°C

°C -100 -0 +0 100 MILLIVOLTS0 -4.632 0.000 0.000 5.26810 -5.036 -0.501 0.507 5.81230 -5.801 -1.481 1.536 6.907 60 -6.821 -2.892 3.115 8.56080 -7.402 -3.785 4.186 9.667+1.536mV=5.722mV<110°C仪表测量出的MV仅代表T

=80然后利用内部RTD测出的冷端温度进行补偿!该MV数通常低于110C的分度值!补偿导线热电偶测温元件的分度号J,K,T…….TypeJIron/ConstantanWhite,Red0to760°CLeastExpensive33TypesofThermocoupleTypeKChromel/AlumelYellow,Red0to1150°CMostLinearTypeTCopper/ConstantanBlue,Red-180to371°CHighlyresistanttocorrosionfrommoisture+-+-+-热电偶测温元件的分度号J,K,T…….OtherTypes34TypeBPt,6%Rh/Pt,30%Rh38to1800°CTypeSPt,10%Rh/Pt-50to1540oCTypeRPt,13%Rh/Pt-50to1540°CHightemperaturerangeIndustrial/laboratorystandardsLOWEMFoutput!(Notverysensitive)Expensive!热电偶测温元件的分度号J,K,T…….Temperaturerange Cost35

Whyuseonetypeoveranother?TypeETypeKTypeJTypeTSignallevelLinearityoftherangeMillivoltsTemperature(C)TypeJTypeR补偿导线的使用36Correct!Wrong!补偿导线必需是同一材质或专用的导线!AnotherHotJunctioniscreated…notgood!热电偶与热电阻的对比较高的精度及低的干扰信号RTD较低的信号噪音线性好RTD可以进行传感器匹配无须CJC37为什么选用RTD?较好的稳定性T/C的温度漂移是随机的而RTD为可预测的.T/C’s不可以标定!GreaterFlexibility无须专用信号线无须考虑冷端的处理热电偶与热电阻的对比高温应用Above1100°F低成本较快的反应时间较坚固耐用38为什么使用热电偶?39

RANGE OFFER

-200to500ºC RTD500to1100ºC ThermocoupleTypeK>1100ºC SpecialThermocoupleR,SorB热电偶与热电阻的对比/温度范围传感器的附件/延长段的选择为什么要延长段?降低由过程传导的温度延伸探头的插入深度将探头拆除时教方便两种类型:螺母及对丝/Couplingandnipple.联结器及对丝/Unionandnipple.4001020304050603456789815°COvenTemp.540°COvenTemp.250°COvenTemp.ExtensionLength,InchesHousingTemp.RiseAboveAmbient°CTransmitterHousingTemperatureRisevs.ExtensionLengthforatestInstallation传感器的附件/延长段的选择及降温效果Example#14inchextension4101020304050603456789815°COvenTemp.ExtensionLength,InchesHousingTemp.RiseAboveAmbient°CExampleofApplicationTransmitterHousingTemperatureRisevs.ExtensionLengthforatestInstallationLetssay:TempLimitofTransmitteris70°CAmb.Tempis32°C

62°CCeiling32°C+30°CExample#26inchextension

52°CCeiling32°C+20°C传感器的附件/热套管什么是热套管?对传感器进行保护方便超出传感很大的时间常数(一般为传感器的5倍)42不同的材质?考虑到腐蚀温压等级三种外形的热套管比较43ProcessPressureTimeResponseWakeFrequencyPriceDragForceRating:1=BestThermowellDesignStyles-ComparisonTable311or21211311231or212TaperedSteppedStraight三种外形的热套管比较螺纹连接最常见的安装容易拆卸焊接式永久性安装高流速高温高压用于无泄漏场合法兰安装防腐要求高流速高温44热套管的尾流振动及共震频率损坏原因-1冯-卡尔曼效应及尾流振动.热套管的自然谐振频率.45热套管的尾流振动及共震频率流体的牵拽作用引起套管的折断!46FLOWSTRESS热套管的静压损坏

过高的静压引起套管的变形.47热套管的选型考虑外形材质尺寸流速及流量过程压力温度密度和粘度管道尺寸T型套的计算:

1.尾流频率

2.自然谐振频率

3.牵拽力

4.静压力48LookonthebackofyourSensorPDS!影响温度测量的时间常数49Sensor <7to10secSensorinThermowell 60to120secTransmitter .5to.9secProcess SecondstoHoursExercise50

A4-20mAtransmitterisspanned50to150°C.Expressthespaninthefollowingunits: 1. [ ]