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全面解说关于如何提高温度测量准确性的全部基础内容

来源:发表时间:2019-06-01


抽象
      温度测量领域的技术进步已经导致各种传感器和测量仪器可用于以相对低的成本进行精确测量。
      上海自动化仪表三厂对三种最流行的温度传感器技术进行了“回归基础”研究,并提供了如何避免经常破坏温度测量系统精度的许多陷阱和建议。
      介绍
      做出正确的衡量标准
      热电偶
      热电阻
      热敏电阻
      测量设备和校准
介绍
      高精度的温度测量设备现在可以以非常合理的成本广泛使用,但是,虽然这应该使得温度测量变得容易,但是许多用户犯了简单的错误,否定了使用高规格传感器和测量设备的好处。
      当大多数人需要测量温度时,他们的第一反应是购买他们能够承受的最高规格,最昂贵的传感器和测量仪器。作为制造商,这是一个我们鼓掌的反应,因为它销售大量设备。然而,这是制定准确测量的错误方法。
做出正确的衡量标准

 


      考虑一下你要测量的温度。最初看起来很简单的一个例子是将室温测量到1°C的精度。这里的问题是室温不是一个温度,而是很多。
      图1显示了三个不同高度的传感器记录了Pico Technology的一个储藏室的温度。传感器读数相差至少1°C,因此无论各个传感器的准确度如何,我们都无法将室温测量到1°C的精度。
      另一个看似明显但经常被忽视的观点是,您只记录传感器的温度。传感器温度与您尝试测量的温度之间的任何差异都将是直接误差。例如,如果您将温度传感器夹在管道周围(图2),那么假设您正在测量管道中流动的温度是错误的。

 


      在图2中,管道的内表面和外表面之间存在温差,并且环境空气温度和传感器周围的气流将导致额外的误差。但是,出于实际和/或安全原因,您可能别无选择,只能以这种方式进行测量 - 在这种情况下,可以通过热传感器和传感器所连接的管道部分进行热滞后来减少误差。
此外,请考虑传感器的存在可能如何影响测量。图3展示了这一点。

 


图3:在该实验中,使用高精度和低精度传感器和仪器对来观察被加热的等体积水的上升温度。将大型,昂贵且精确的Pt100传感器连接到PT-104(均具有0.01°C精度)并部分浸入一个烧杯中,同时使用低成本热电偶连接到TC-08(0.5°C精度),沉浸在第二个烧杯中。由于“热分流”,以这种方式使用Pt100传感器使传感器和仪器的精度无效。从较大的,部分浸入的探头向大气中散发的热量降低了水被加热的速率。此外,在该实验中,即使水沸腾,PT100的温度也从未达到100℃。价格低廉,
      在考虑了要测量的内容之后,下一步是确定要使用哪种类型的传感器。研究和工业中最常用的三种传感器是:热电偶; 电阻温度检测器(RTD或'电阻温度计'); 和热敏电阻。表1比较并对比了三者。
表1 - 最常用的温度传感器及其特性


      如果使用现代数字测量仪器,线性不是问题,因为存储在存储器中的查找表提供补偿。
      仅对测量元件考虑热响应,而不考虑其外壳。
热电偶
      1822年,一位名叫Thomas Seebeck的爱沙尼亚医生(意外地)发现两种金属之间的连接产生的电压是温度的函数,所有热电偶都依赖于所谓的“塞贝克效应”。但是,热电偶不是精密传感器:典型的误差为2°C。然而,热电偶具有宽的温度范围(-200至2000℃)并且通常仅需要因为替代装置不在所需温度下操作而需要。此外,它们相对低成本且功能多样。
      尽管几乎任何两种类型的金属都可用于制造热电偶,但使用了许多标准类型(见表2),因为它们具有可预测的输出电压和大的温度梯度。
      标准表显示了热电偶在任何给定温度下产生的电压。例如,300°C的K型热电偶(最受欢迎)将产生12.2 mV。这一产生的电压虽然很小,但确实意味着热电偶(与RTD和热敏电阻不同)是自供电的,不需要激励电流。遗憾的是,不可能简单地将电压表连接到热电偶以测量该电压,因为这样做会产生第二个不希望的热电偶结。为了进行精确测量,采用称为冷端补偿(CJC)的技术。所有标准热电偶表都允许第二个热电偶连接,假设它保持在0°C。传统上,这是通过精心构造的冰浴完成的。然而,维持冰浴对于大多数应用来说是不实际的; 相反,记录并补偿热电偶线连接到测量仪器的实际温度。通常,冷结温度由精密热敏电阻检测,与测量仪器的输入连接器良好热接触。测量仪器使用该第二温度读数以及热电偶本身的读数来计算热电偶尖端的真实温度。理解CJC很重要,因为冷端温度测量中的任何误差都会导致热电偶尖端的测量温度出现相同的误差。通过与测量仪器的输入连接器良好热接触的精密热敏电阻检测冷端温度。测量仪器使用该第二温度读数以及热电偶本身的读数来计算热电偶尖端的真实温度。理解CJC很重要,因为冷端温度测量中的任何误差都会导致热电偶尖端的测量温度出现相同的误差。通过与测量仪器的输入连接器良好热接触的精密热敏电阻检测冷端温度。测量仪器使用该第二温度读数以及热电偶本身的读数来计算热电偶尖端的真实温度。理解CJC很重要,因为冷端温度测量中的任何误差都会导致热电偶尖端的测量温度出现相同的误差。
      一般说来,避免使热电偶连接 - 实际上是测量仪器 - 经受温度的突然变化,例如由气流产生的温度变化,因为这会导致错误。
      如上所述,热电偶两个导体的不同金属选择产生了具有不同特性的传感器。表2总结了最流行的类型。
表2 - 流行的热电偶类型


      除非另有说明,否则为0°C。许多制造商提供“特殊”热电偶,其精度可提高至0.5°C
      热电偶由细线制成,以最大限度地减少热分流并延长响应时间。这根细线导致热电偶具有高电阻,可能由于测量仪器的输入阻抗而导致误差。具有32 AWG电线(直径0.25 mm)的典型外露结热电偶将具有大约15Ω/ m的电阻。如果需要带有细导线或长电缆的热电偶,则值得保持热电偶引线短路,然后使用热电偶延长线(厚度更厚且电阻更低)在热电偶和测量仪器之间运行。在使用热电偶进行精确测量之前,最好先检查测量仪器的输入阻抗以及每个热电偶的电阻。
      如果需要增加热电偶引线的长度,请仅使用正确类型的热电偶延长线。使用任何其他类型的导线将引入不期望的热电偶结。确保用于连接延长线的任何插头,插座或端子块均由与热电偶相同的金属制成,并且必须始终遵守正确的极性。
      由于热电偶的信号电平仅测量微伏,噪声拾取可能是一个问题。来自杂散电场和磁场的噪声通常比信号电平高几个数量级。大多数测量仪器都会抑制任何共模噪声(两根导线上的信号相同) - 但这种抑制并不完美,因此尽可能减少噪声是有意义的。这可以通过将电线从嘈杂区域布线并将热电偶电缆的两根(绝缘)引线扭绞在一起来完成,以帮助确保两根电线拾取相同的噪声。如果在极其嘈杂的环境中操作(例如靠近大型电机),则值得考虑使用屏蔽延长电缆。
      关于热电偶的最后一点说明:去校准。这是无意中改变热电偶组成的过程。通常的原因是在工作温度范围的极端情况下大气颗粒扩散到金属中。另一个原因是来自绝缘体的杂质和化学物质扩散到热电偶线中。如果在高温下操作,请检查探头绝缘的规格。此外,使用带有绝缘接头的热电偶始终是一个好习惯,因为这有助于防止氧化和污染。
热电阻
      另一种常见类型的温度测量装置是电阻温度检测器 - 本文讨论的三种传感器类型中最稳定和准确(尽管价格昂贵且易碎)。任何金属的电阻都根据其温度而变化 - 在大多数情况下,电阻随温度升高而增加,据说具有正温度系数(PTC)。
      也许最常见的RTD类型是铂电阻温度计(PRT),其实际工作温度范围为-250至850°C。根据类型,RTD的精度在0.03到0.3°C之间。最常用的PRT是Pt100 - 因为它在0°C时具有100Ω的电阻。
      PRT是线绕或金属膜电阻器。其中,后者表现出更快的响应时间。由于Pt100传感器基本上是一个电阻器,其值可以用欧姆表测量,如图4所示。但是,传感器的低电阻及其低灵敏度(0.385Ω/°C)使得由于引线电阻而难以进行精确测量。将Pt100连接到仪表的每根引线中的1Ω电阻将导致误差超过5°C。
为避免引线电阻误差问题,大多数Pt100测量均采用4线配置(图4)。这里,两根导线用于提供激励电流,另外两根导线连接PRT上的电压表。如果电压表的阻抗很高,则电缆中的几欧姆电阻不会导致错误。
      所示的2线和4线配置之间的折衷是所谓的3线测量。将此折扣用于高精度测量,因为它经常错误地假设所有三根导线具有相同的电阻。实际上,精确测量需要4线配置。此外,热敏电阻通常比3线或4线Pt100测量具有更好的精度。

 


      图4:4线配置(右)提供最佳精度,但要注意:RTD的低电阻和低灵敏度对测量仪器提出了相当大的要求,并且必须在激励电流,噪声和分辨率之间进行折衷。
      激励电流应尽可能低(<1 mA),以尽量减少传感器的自热。这降低了传感器的输出电压,信噪比(通过增加的噪声拾取)和仪器的分辨率。幸运的是,先进的仪器可以提供。例如,Pico Technology的新型PT-104使用的驱动电流仅为0.25 mA - 由于采用了新颖的设计并使用了24位模数转换器,因此仍可提供0.001°C的分辨率。
      对于高精度测量,应始终考虑自热误差 - 应为制造商提供给定传感器的驱动电流和自热值。物理上小的传感器在自由空气中具有高达1°C / mW的自热误差。100 mA的1 mA驱动电流消耗0.1 mW,因此会产生0.1°C的误差。使用物理上较大的传感器可以最大限度地减少自热误差,但可能导致热分流误差(如图2中的实验所示)。
      来自Pt100传感器的小信号导致噪声拾取问题类似于热电偶遇到的问题,应采用相同的拾取预防措施。
      经常捕捉到不警情的最后一个陷阱是存在两种不同的补偿曲线。DIN 43760标准,也称为“欧洲曲线”,对于Pt100传感器为0.385Ω/°C。然而,还有一种“美国曲线”基于更高纯度的铂丝(通常用于参考标准),这将温度系数定义为0.392Ω/°C。在这两者中,欧洲曲线占主导地位(即使在美国),大多数测量工具都会对其进行补偿。但是,如果PRT具有美国曲线且仪器正在补偿欧洲传感器,则会产生小误差。
热敏电阻
      许多人不公平地认为热敏电阻是不准确的传感器。过去可能是这样,当热敏电阻最多具有5%的容差时。为了获得极高的精度,RTD仍然是最佳选择,但现代热敏电阻并不落后。现在可以广泛获得具有0.1°C精度的热敏电阻,并且成本非常合理。与RTD相比,它们具有快速响应时间和更高的每°C输出。
与RTD一样,热敏电阻也利用了材料电阻随温度变化的事实。然而,大多数热敏电阻采用金属氧化物并具有负温度系数(NTC)。热敏电阻提供相对较高的精度(0.1至1.5°C),但仅在有限的温度范围内工作:-100至+ 300°C。此外,没有一个热敏电阻能够覆盖这个范围,缺乏标准意味着通常需要一起购买传感器和测量设备。热敏电阻的响应是非线性的,与RTD一样,由于自热,我们必须避免通过热敏电阻提供过大的激励电流。
      与仪器的连接是一种简单的2线配置,因为 - 与RTD不同 - 我们不需要补偿引线电阻:与热敏电阻的电阻(通常在1到100kΩ之间)相比,这是很小的。
      热敏电阻由于其高灵敏度,非常适合检测温度的微小变化 - 特别是在变化时,而不是重要的绝对值。
测量设备和校准
      选择了上海自动化仪表三厂的温度传感器,并确保我们以这样的方式使用它以获得所有的好处,剩下的就是从我们的测量设备中获得最大收益。在这里,检查仪器的精度规格,因为仪器类型和制造商之间的差异很大。在某些情况下,例如,当使用RTD时,大多数系统错误可能来自仪器。但是,使用热电偶时,与传感器相比,测量仪器通常会出现小误差。对于热敏电阻,由于它们具有特定于设备的查找曲线,因此通常从同一制造商一起购买匹配的传感器和仪器。
      为了进行精确测量,必须进行校准,并且应尽可能将仪器和传感器作为一个系统进行校准。
结论
      通过使用明确且经过适当校准的传感器和仪器,可以实现高精度的温度测量。但是,除非正确使用设备和传感器,否则这些测量的准确性将毫无意义。

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