温度传感的挑战

　　“四大”过程变量的测量各自独立，其中，温度测量似乎争议。事实上，这个貌似简单的任务经常会变得非常复杂，本文将探寻此中缘由。

　　大约10年前，我负责一个污染控制系统的施工任务，此系统是我公司提供给一家石灰生产厂家的，其中涉及到测量废气温度，这看似很简单，然而，我的团队、系统集成商、母公司、当地分公司、客户的工程施工方以及客户的母公司等多方人员对于选择何种传感器却产生了诸多分歧，讨论几乎达到了白热化的程度。在试车结束之前，我们就已经尝试安装了两种热电偶和至少一种RTD（电阻温度检测设备），每次都为设备单独铺设电缆。这真是昂贵的一课！
　　虽然选择很难，但是却只有3种主要的电子温度检测技术：
　　■  热电偶；
　　■  RTD；
　　■  电热调节器。
　　这三种设备类型的特征都十分的明显，在大多数场合下，这能帮助你选出的类型。有不少文章也借用了这种习惯性的认识方式。然而，这种认识方式并不适用于所有的情况，同时随着技术的进步，三者之间的界线也愈见模糊了。我们需要针对这些新形势做些研究和思考，看看我们能从中得到些什么。在准备本文的过程中，我咨询了不少主

营温度测量相关产业的小型企业内的专业人员，大致了解了他们的商业活动是如何进行的。

　　资料来源：Moore Industries
　　典型的温度传感应用使用热电偶或者其他探头，在过程中检测温度，
并使用变送器，减少电磁干扰之类所带来的信号通讯损失。

　　传统智慧？
　　在为传感器选型时，以下这些基础问题的答案是首先应该弄清楚的：
　　■  测量区间——并不是特指正常工作的温度区间，而是在关机、开机和过程紊乱时潜在可能出现的温度区间。
　　■  稳定性、精度和敏感度——这些都是相关的，这些要求的确定取决于过程的需要。一家制药厂的生物反应器可能需要高精度和高可重复性的读数值，为满足这个要求的解决策略与简单的储罐监控解决方案迥然不同。
　　■  响应时间——某些过程的温度变化十分迅速，如果有必要，传感器可以设置成每分钟刷新，用于满足温度快速变化的过程，然而代价是耐久度和稳定性的降低。
　　传感器有一些共同的特性，适用于大多数情况。例如，热电偶是通过两种不同金属的结合点处所产生的微小电动势来测量温度的。实际上测量的是测量点与参考点之间的温度差，参考点必须提供自身的温度作为参考，所以热电偶的安装实际上包括了两个温度传感器。
　　热电偶也具有一些自身的特点：
　　■  具有宽广的测量区间，能达到所有同类技术的高温测量极限；
　　■  多样的物理尺寸和规格；
　　■  响应快速；
　　■  价格合理，设置简便；
　　■  中等的精度和敏感度；
　　■  须与特定电缆配用（例如K型热电偶必须与K型电缆配用）；以及
　　■  信号强度低，易受EMI影响。
　　RTD的工作原理是某些金属（通常是铂）在受热时，其电阻值会相应改变的特点。传感器输出反馈回带有参考电压的惠思通电桥，以达到测量电阻值变化的目的。相比热电偶，RTD具有以下特点：
　　■  更、稳定，具有更高的复现性；
　　■  更好的敏感度和线性度；
　　■  更强抗*力的信号；
　　■  较窄的测量区间，特别是在测量上限；
　　■  更昂贵；以及
　　■  需要外接电源。
　　电热调节器与RTD的工作方式类似，不同的是它采用了不同类型的元件。大多数型号具有温度与电阻的反比关系，或NTC（负温度系数），这意味着电阻随着温度的升高而降低。
　　■  测量区间是同类产品中zui窄的；
　　■   zui低的线性度；
　　■  与热电偶同等级的精度和相应时间；
　　■  来自于宽电阻变化区间的高解析度；以及
　　■   价格低廉。
　　GEC Instruments公司的总工程师Jerry Gaffney警告道：“所谓的习惯性认识具有一定的误导性，人们容易一叶障目，形成错误观点，甚至终生不变。如果人们抱着严肃的态度购买此类设备，他们应该考量所有的不同因素：成本、精度、传感器尺寸和所有此类参数，然后再确定zui终的选择。而不应该仅仅因为某篇文章说热电偶不就认为不应该使用热电偶。”
　　当然，每一条规律都有例外情况，设备制造商可以生产出与标准性能截然相反的设备，这些设备主要用于实验室的特殊应用。过程加工工厂中使用的设备通常比较普通，具有这些常见的特性。
　　然而，如果习惯性认识具有误导性，那么更具体的描述是否也是如此呢？让我们继续深入了解每一种传感技术。

　　资料来源： Heraeus Sensor Technology
　　RTD的尺寸可以做到很小，

它使用陶瓷封装来保护易损的铂金线。
如果数量不是太多，它仍然能保持较短的响应时间。

 

　　热电偶
　　Data Translation公司总裁Fred Molinari说道：“工业市场上，大多数公司都愿意使用热电偶，因为他们对此有很多经验，并且使用热电偶无须供电——仅仅两根线就够了。”
　　由于热电偶是自激励的，导致其产生的电流较弱，这就意味着信号易受干扰，必须小心使用。Data Translation公司的设计工程师Steve Conners说道：“K型热电偶上每摄氏度温度变化带来41μV的温度变化，对于信号来说这确实太弱了点，但是通过使用现代技术，例如每点使用sigma-delta A/D变换器，结合50Hz和60Hz的陷波滤波器来去除噪声，我们可以把工作完成得不错，热电偶的读数相当准确。”
　　对于这种信号特性，如何处理热电偶输出便成为了关键。但是，的信号处理并不能解决漂移带来的传感器特性改变的问题。Palmer Wahl Instruments公司的分部Alan Clark说道：“热电偶校准设备的市场相当庞大，因为热电偶的特性一直在变化。”
　　“例如，J型热电偶的一条线是铁质

的，铁线会生锈，导致热导率改变，进而导致漂移。热电偶校准这个说法并不合适，因为你并不是真正地改变了热电偶，你所做的只是了解热电偶到底漂移了多少，然后在你的仪表中引入一个校准因子来修正漂移所带来的误差。这个任务必须周期性地重复，大概每3个月就要做一次校准。”
　　而且，由于热电偶产生的是差值读数，所以一定有另外一个点用于对比。如果参考点改变了，那么哪怕过程保持不变，读数也会变化。DWM & Associates公司的产品Bob Gliniecki说道：“热电偶的一个固有缺点就是它需要冷端补偿，现在冷端补偿是通过电子手段来完成，但是会带来额外花费。我经常会发现这样一种有趣的现象，电子冷端补偿通常都会使用电热调节器。”

　　RTD
　　如果测量区间没有超过RTD的测量区间上限，那么RTD就是一种得到普遍承认的精密技术。该项技术的费用要高一点，无论是设备本身还是后续更精密的信号处理设备。Conners说道：“RTD需要更多的信号整形，但是你可以获得1/100度的高精度。”
　　RTD具有多种标准，可以表示其性能。Gliniecki说道：“铂金RTD有标准IEC60751，例如，标准定义的B级精度为0 °C时，误差不超过±0.3 °C，还有一个公式，可以计算其在其它温度时精度为多少。如果你从一个生产商处购买了一个B级RTD，那么它的性能和任何其它生产商处的B级RTD一样。”
　　RTD的精度和稳定性可以通过使用特殊变送器调制后达到更高。Moore Industries International公司的应用工程师Gary Mathur提供建议道：“既然RTD是一个电阻，你可以将其置于浴槽内，在一定数量的点处进行校准，并将读数值存储在变送器内存中。如果某一个区间的温度读数很关键，那么你可以在这个读数值附近进行浴法校准，并将读到的欧姆值存储在变送器内存中，使变送器与RTD匹配，这样一来，你就可以获得热电偶无法达到的高精度。”　

　资料来源： Omega Engineering
　　因为热电偶只需要一组线对就可以形成传感点，所以热电偶尺寸可以很小。
这种线对的响应速度异乎寻常的块，而代价则是耐用性的降低。

　　电热调节器
　　Gliniecki说道：“对于室温应用场合，这里我指的是-40到100 °C，电热调节器是合适的选择。它们通常价格低廉，每摄氏度电阻温度变化大，很容易就达到较高解析度。
　　电热调节器通常被认为是低端产品，具有较为狭窄的测量区间。当稳定时，它们的非线性（见图）使他们很难与其他设备配合工作。Advanced Industrial Systems Inc公司的咨询工程师David L. Neal说道：“电热调节器的诟病在于其非线性和难以使用。但是现在的新型变送器，让你可以得到一个4-20mA的线性信号。不过，很多I/O模块可以直接与热电偶和RTD相连工作，无须变送器。这就意味着如果使用了变送器，你的每个回路就增加了$200的成本，所以是否需要使用变送器，取决于你对更好测量结果的需要程度。”
　　解决线性问题真的那么复杂么？Neal补充道：“电热调节器的线性化等式是三次的，我数学很在行，但如果让我坐下来解这个等式，也会很困难。如果你可以在计算机上完成电热调节器的测量，并且你处于0到70 °C的环境中，那么电热调节器确实是一个不错的方案。”

　　典型的温度调节器响应曲线线性度并不好，因此，使用此技术的设备，若要获得高精度，
就不得不选择较窄的工作区间，或者使用复杂的电子设备，来使曲线线性化。
有些设备使用公式，有些使用参照表，用来将曲线转换成直

线。

 

　　为什么如此困难？
　　为什么温度测量看起来如此困难？Thermometrics公司的销售工程师Dave King提供了如下的观点：“大多数人遇到问题的原因是因为他们事后才考虑到温度测量。这通常发生在过程工业中，但并不十分常见，因为现场总有更富经验的工程师。不过，偶尔还是会看到一个人试图将一个带法兰的热电偶安装到管线上，却发现法兰尺寸大了点。如果他能稍微想得远一点，就可以将其安装到弯头上，并使其工作。不然，就只能看运气了。”
　　很多情况下，传感器放置的问题和传感器选型的问题一样多。传感器的外壳可以作为屏障或者散热片，来保证传感器不至于直接面临过程温度。如果传感器的尺寸够大，你甚至可以使用导线来为传感器散热。
　　因为温度测量所涉及到的传感器技术较少，所以各种技术之间的差距甚微，很容易混淆，这会导致错误地使用设备。Weed Instruments公司负责销售和市场的副总裁Joe Cheatham说道：“很多人常常明确地告诉我他们所需要的是什么：‘我们要热电偶’，‘我们要RTD’。我实在不知道他们是参照了某本工程指南还是他们有某种使用偏好，或者他们根本就是将热电偶作为一切温度传感器

的通称。他们可能实际需要的并不是热电偶，而仅仅是某种接触式的测温设备，只是他们把这种设备误称为热电偶。”
　　“客户需要和供应商仔细沟通，他们需要明白传感器是如何工作的，以及传感器周围的物理环境怎样。是用于测量稳定的温度，还是温度会成峰谷交替循环？传感器周围的电气环境如何？传感器与测量点的距离大概多少？” Cheatham说。
　　Omega Engineering公司的项目工程师Ron Desmarais将问题总结为当前人们对更精密复杂领域的认知下降的表现之一。“我认为我们正在见证业内正同时发生的一系列情况，”他观察说，“越来越精密的过程控制系统正越来越多地出现，目的在于提高质量、降低成本和提高过程效率。这导致对温度和其他传感器需求的激增。”
　　Desmarais说道，很多传感器被置于相当恶劣的环境中，可能无法正常工作。他补充道，急需找到一种用于传感器安装和使用中的方法，能根据其所处的环境，判断传感器是否能够发挥正常的性能。这就要求设计、使用和维护系统的人员能够理解系统的使用极限，并知道如何应对可能发生的情况。评估所得的过程环境的恶劣程度决定了所需的监督和理解等级。
　　Desmarais说道：“这一切都源于人们对不同种类温度传感器之间微妙差别的理解程度的降低。过去，经常需要使用传感器的公司会雇用一批了解不同种类传感器及其使用方式的内部专家。不幸的是，随着有经验的工程师不断退休，工作量不断增加和机构不断精简，那种专业程度和理解程度也已经逐渐丧失到如今不得不引起重视的程度。当前，更多工程师更偏向于以用了再说的态度对待温度传感器的选型和使用工作。因此，业界必须开始着手*知识断层，以指导客户作出正确的选择。”
　　zui后的思考也许zui有说服力。仪器仪表和过程控制通常都要求细致和敏锐缺一不可。虽然精密的仪器和电子技术可以替代一部分的专业性因素，但是人的技术、智慧和对过程的全面理解不可能被替代。