温度测量在工业设计中的选择与应用

摘要:温度是工艺过程重要的测量变量之一，主要使用电子温度计监测。根据过程工艺的特点和环境条件确定电子温度计的选型原则和安装方式。
0引言
       温度是工艺生产过程介质重要的测量变量之一，主要使用电子温度计。检测仪表的正确选型和安装,能够提高测量精度,能够正确反应工艺介质的温度变化，满足工艺要求。但温度计的选择并不容易,选择合适的传感器需要有专业知识的支持,要求设计人员除了具有扎实的仪表检测等基础理论和较广泛的专业知识外,还要掌握工艺生产的相关知识。
工艺介质的化学和物理特性常常取决于温度，因此温度是至关重要的工艺参数。电子温度计是测量温度的仪器，由于生产过程的复杂性和差异性,必要的测量仪器很难--概而论。热电阻和热电偶的接触式测量方法是工业上的首位,因此本文主要探讨这两种类型测温仪表。
1基本原理
       热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻常采用铂电阻原件。例如P1100或Pt1000。金属材料以金属丝形式嵌入陶瓷体内或者以涂层形式涂于陶瓷基片上。温度是通过测定铂传感器的电阻来测量的。根据IEC60751中定义的特征曲线，电阻值随温度的变化而变化,并对应一个绝对的温度值。
       热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势一热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。这一-热电势可在金属导体的末端测量到,在一定范围内每摄氏度对应几μV。电压对应的是热端与冷端的温度差,为了提高测量的精度,应对电热偶进行温度补偿。
2电子温度计选择时需要考虑的几个要点
2.1測量精度和工作温度
       热电阻具有精度高和长期的稳定性。但是热电阻不能在较高温度下使用。根据IEC60751,陶瓷传感器的工作温度为-200℃-600℃.
虽然热电偶的长期稳定性相对较弱,除少數例外情况外,它们能够测量高达1700C的温度。常用的热电偶材料及测温范围见下表。还有钨铼、金铂等热电偶,能测量更高的温度。

       根据工作温度的不同，温度仪器的保护套管材质应选择能承受工作温度的材料,常用的保护管材质见下表:

       由于每种测量技术都有其自身优点,因此，难免要在精度和长期稳定性之间进行折衷选择,一定要根据所需测量范围进行选择，同时考虑相应温度对应的保护套管材质。也就是说同时要兼顾仪表的可靠性和实用性。
2.2传感器尺寸和抗震性
       由于传感器的尺寸和设计不同，热电阻的直径要大于热电偶。例如温度测量仪器的最小尺寸为2.0mm和0.5mm;而对于传感器的长度选择，以传感器处于被测介质温度变化灵敏区域为宜。由于结构形式简单,热电偶对于振动极不敏感,对于震动性强的温度测量采用铠装温度测量仪器。
2.3操作和安装条件
       除传感器尺寸外，整个温度测量点的尺寸也起着至关重要的作用,特别是考虑到模块化智能规模生产单元的趋势。测量技术制造商正在利用微型测量仪器来应对这一-发展。
      如果难以接近测量点，通过单独的绞合电缆连接会很复杂。带连接盒的传统温度计在电器接口处有一个电缆密封螺纹,可以保护设备免受异物或尘土和水的侵入。
       对于小型自控系统或温度传感器未连接到控制室的设备，建议使用带有现场显示的测量元件。显示器直接集成在连接盒的壳体中。如果由于安装位置而难以读取测量值,也可以使用远程显示器。
       焊接和卡箍安装的表面电子温度计可用于现有管道系统中获得表面的测量点。由于测量点位于外管壁上,因此只能近似地表示实际工艺温度，而不能进行在线测量,表面热电阻测量总是要在精度和响应方面进行折衷。
       为了减小温度仪器对工艺介质流动性的影响，提高温度测量的准确性,针对工艺管径≤DN50管道应要求工艺专业对温度仪器的安装位置局部扩径至DN80。
2.4温度阶跃变化的响应时间
       选择温度计时，还必须考虑热响应时间。測量仪器对过程温度阶跃变化的响应速度是这样定义的:温度计T0.9表示是在温度哭然变化后达到稳态值的90%所需的时间。响应时间受许多因素的影响。除了过程介质和流速之外,保护套管在保护测量元件免受过程环境的影响方面起着关键作用。例如在低流速下,过程相对稳定可以考虑使用锥形的或裸露式的护套。在高流速的过程中缩短热响应时间更为复杂。对此，一种可能的解决办法是减小插入深度,从而减小作用在护套上的力。然而，这也意味着过程中探杆的插入深度不能足够进入过程测量中，因此无法实现合格的温度测量。如果插入深度是固定的,则可以增加护套的直径以使护套更稳定，但不幸地是这会延长响应时间。
2.5环境条件的影响
       与内部过程-样,环境条件通常会对温度计和测量质量产生重大影响。測量值可能受到例如强烈的外部热量或未补偿的电缆阻值的影响。电磁场也会干扰信号并使温度测量失效。如果要在极端条件下使用温度计,建议要更加谨慎。用户必须确保设计和材料适合。设备必须具有适用于特定应用的认证。例如适用于危险区域等的认证。在极端环境条件下，温度计很快就会达到极限。由于安装在该环境条件下的电子和非金属部件,温度计的高工作温度通常为85C或105℃,最低通常为-40℃.温度计必须同样不受水或固体颗粒等环境因素的影响。根据IEC60529,最大保护程度由IP等级表示。带接线盒的温度计根据其版本符合IP65或IP68。
2.6信号处理和通信
       几十年来,测量信号通过电缆被传输到控制室,以便进行进一步处理。然而，采用这种传输方式,外部影响会降低测量精度。与此同时，温度计盒体中的变送器通常将模拟测量信号本地转换为不易发生故障的标准化工业信号。温度计的功能也可以通过数字电子设备扩展。因此,可以使用控制室中的软件来配置测量仪器。这里应用广泛的技术是4mA~20mA以及HART协议及各种现场总线。
必须定期验证温度计的测量精度,以确保达到要求的工艺质量。校准时必须卸下仪器。如果测点处有一个护套,则在移除传感器后，工序仍保持关闭状态。
       然而,在连续工序中校准可能成为问题，因为在校准期间没有可用的测量值。在这种情况下，可使用具有原位校准的测量点来解决这--问题。与固定安装的传感器类似,校准所用的温度计包含用于插入通道的校准仪器。通过比较两个传感器信号,可以在不中断工序的情况下了解测量点的精度。较高的成本被较低的经营成本和较长的服务间隔所抵消。
2.7市场准入的证书
       当选择测量仪器时，必须考虑使用后期可能需要的任何认证文件。全球使用者需要适合全球使用并且进行了相关认证的产品。并非每个制造商都能获得相应认证，特别是在防爆认证方面。在选择防爆认证产品时还需要确定产品具体使用的国家和地区,选择已取得当地防爆证书的合适产品。
3结束语
       正确选择和使用电子温度计,对于工艺生产过程是至关重要的。全面考虑工艺过程与生产环境要求，根据原则选择合适的温度计,对保证工艺生产和生产安全有重要的意义。