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　　“四大”過程變量的測(cè)量各自獨(dú)立，其中，溫度測(cè)量似乎爭(zhēng)議。事實(shí)上，這個(gè)貌似簡(jiǎn)單的任務(wù)經(jīng)常會(huì)變得非常復(fù)雜，本文將探尋此中緣由。

　　大約10年前，我負(fù)責(zé)一個(gè)污染控制系統(tǒng)的施工任務(wù)，此系統(tǒng)是我公司提供給一家石灰生產(chǎn)廠家的，其中涉及到測(cè)量廢氣溫度，這看似很簡(jiǎn)單，然而，我的團(tuán)隊(duì)、系統(tǒng)集成商、母公司、當(dāng)?shù)胤止尽⒖蛻舻墓こ淌┕し揭约翱蛻舻哪腹镜榷喾饺藛T對(duì)于選擇何種傳感器卻產(chǎn)生了諸多分歧，討論幾乎達(dá)到了白熱化的程度。在試車結(jié)束之前，我們就已經(jīng)嘗試安裝了兩種熱電偶和至少一種RTD（電阻溫度檢測(cè)設(shè)備），每次都為設(shè)備單獨(dú)鋪設(shè)電纜。這真是昂貴的一課！
　　雖然選擇很難，但是卻只有3種主要的電子溫度檢測(cè)技術(shù)：
　　■  熱電偶；
　　■  RTD；
　　■  電熱調(diào)節(jié)器。
　　這三種設(shè)備類型的特征都十分的明顯，在大多數(shù)場(chǎng)合下，這能幫助你選出的類型。有不少文章也借用了這種習(xí)慣性的認(rèn)識(shí)方式。然而，這種認(rèn)識(shí)方式并不適用于所有的情況，同時(shí)隨著技術(shù)的進(jìn)步，三者之間的界線也愈見模糊了。我們需要針對(duì)這些新形勢(shì)做些研究和思考，看看我們能從中得到些什么。在準(zhǔn)備本文的過程中，我咨詢了不少主

營溫度測(cè)量相關(guān)產(chǎn)業(yè)的小型企業(yè)內(nèi)的專業(yè)人員，大致了解了他們的商業(yè)活動(dòng)是如何進(jìn)行的。

　　資料來源：Moore Industries
　　典型的溫度傳感應(yīng)用使用熱電偶或者其他探頭，在過程中檢測(cè)溫度，
并使用變送器，減少電磁干擾之類所帶來的信號(hào)通訊損失。

　　傳統(tǒng)智慧？
　　在為傳感器選型時(shí)，以下這些基礎(chǔ)問題的答案是首先應(yīng)該弄清楚的：
　　■  測(cè)量區(qū)間——并不是特指正常工作的溫度區(qū)間，而是在關(guān)機(jī)、開機(jī)和過程紊亂時(shí)潛在可能出現(xiàn)的溫度區(qū)間。
　　■  穩(wěn)定性、精度和敏感度——這些都是相關(guān)的，這些要求的確定取決于過程的需要。一家制藥廠的生物反應(yīng)器可能需要高精度和高可重復(fù)性的讀數(shù)值，為滿足這個(gè)要求的解決策略與簡(jiǎn)單的儲(chǔ)罐監(jiān)控解決方案迥然不同。
　　■  響應(yīng)時(shí)間——某些過程的溫度變化十分迅速，如果有必要，傳感器可以設(shè)置成每分鐘刷新，用于滿足溫度快速變化的過程，然而代價(jià)是耐久度和穩(wěn)定性的降低。
　　傳感器有一些共同的特性，適用于大多數(shù)情況。例如，熱電偶是通過兩種不同金屬的結(jié)合點(diǎn)處所產(chǎn)生的微小電動(dòng)勢(shì)來測(cè)量溫度的。實(shí)際上測(cè)量的是測(cè)量點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的溫度差，參考點(diǎn)必須提供自身的溫度作為參考，所以熱電偶的安裝實(shí)際上包括了兩個(gè)溫度傳感器。
　　熱電偶也具有一些自身的特點(diǎn)：
　　■  具有寬廣的測(cè)量區(qū)間，能達(dá)到所有同類技術(shù)的高溫測(cè)量極限；
　　■  多樣的物理尺寸和規(guī)格；
　　■  響應(yīng)快速；
　　■  價(jià)格合理，設(shè)置簡(jiǎn)便；
　　■  中等的精度和敏感度；
　　■  須與特定電纜配用（例如K型熱電偶必須與K型電纜配用）；以及
　　■  信號(hào)強(qiáng)度低，易受EMI影響。
　　RTD的工作原理是某些金屬（通常是鉑）在受熱時(shí)，其電阻值會(huì)相應(yīng)改變的特點(diǎn)。傳感器輸出反饋回帶有參考電壓的惠思通電橋，以達(dá)到測(cè)量電阻值變化的目的。相比熱電偶，RTD具有以下特點(diǎn)：
　　■  更、穩(wěn)定，具有更高的復(fù)現(xiàn)性；
　　■  更好的敏感度和線性度；
　　■  更強(qiáng)抗*力的信號(hào)；
　　■  較窄的測(cè)量區(qū)間，特別是在測(cè)量上限；
　　■  更昂貴；以及
　　■  需要外接電源。
　　電熱調(diào)節(jié)器與RTD的工作方式類似，不同的是它采用了不同類型的元件。大多數(shù)型號(hào)具有溫度與電阻的反比關(guān)系，或NTC（負(fù)溫度系數(shù)），這意味著電阻隨著溫度的升高而降低。
　　■  測(cè)量區(qū)間是同類產(chǎn)品中zui窄的；
　　■   zui低的線性度；
　　■  與熱電偶同等級(jí)的精度和相應(yīng)時(shí)間；
　　■  來自于寬電阻變化區(qū)間的高解析度；以及
　　■   價(jià)格低廉。
　　GEC Instruments公司的總工程師Jerry Gaffney警告道：“所謂的習(xí)慣性認(rèn)識(shí)具有一定的誤導(dǎo)性，人們?nèi)菀滓蝗~障目，形成錯(cuò)誤觀點(diǎn)，甚至終生不變。如果人們抱著嚴(yán)肅的態(tài)度購買此類設(shè)備，他們應(yīng)該考量所有的不同因素：成本、精度、傳感器尺寸和所有此類參數(shù)，然后再確定zui終的選擇。而不應(yīng)該僅僅因?yàn)槟称恼抡f熱電偶不就認(rèn)為不應(yīng)該使用熱電偶。”
　　當(dāng)然，每一條規(guī)律都有例外情況，設(shè)備制造商可以生產(chǎn)出與標(biāo)準(zhǔn)性能截然相反的設(shè)備，這些設(shè)備主要用于實(shí)驗(yàn)室的特殊應(yīng)用。過程加工工廠中使用的設(shè)備通常比較普通，具有這些常見的特性。
　　然而，如果習(xí)慣性認(rèn)識(shí)具有誤導(dǎo)性，那么更具體的描述是否也是如此呢？讓我們繼續(xù)深入了解每一種傳感技術(shù)。

　　資料來源： Heraeus Sensor Technology
　　RTD的尺寸可以做到很小，

它使用陶瓷封裝來保護(hù)易損的鉑金線。
如果數(shù)量不是太多，它仍然能保持較短的響應(yīng)時(shí)間。

 

　　熱電偶
　　Data Translation公司總裁Fred Molinari說道：“工業(yè)市場(chǎng)上，大多數(shù)公司都愿意使用熱電偶，因?yàn)樗麄儗?duì)此有很多經(jīng)驗(yàn)，并且使用熱電偶無須供電——僅僅兩根線就夠了。”
　　由于熱電偶是自激勵(lì)的，導(dǎo)致其產(chǎn)生的電流較弱，這就意味著信號(hào)易受干擾，必須小心使用。Data Translation公司的設(shè)計(jì)工程師Steve Conners說道：“K型熱電偶上每攝氏度溫度變化帶來41μV的溫度變化，對(duì)于信號(hào)來說這確實(shí)太弱了點(diǎn)，但是通過使用現(xiàn)代技術(shù)，例如每點(diǎn)使用sigma-delta A/D變換器，結(jié)合50Hz和60Hz的陷波濾波器來去除噪聲，我們可以把工作完成得不錯(cuò)，熱電偶的讀數(shù)相當(dāng)準(zhǔn)確。”
　　對(duì)于這種信號(hào)特性，如何處理熱電偶輸出便成為了關(guān)鍵。但是，的信號(hào)處理并不能解決漂移帶來的傳感器特性改變的問題。Palmer Wahl Instruments公司的分部Alan Clark說道：“熱電偶校準(zhǔn)設(shè)備的市場(chǎng)相當(dāng)龐大，因?yàn)闊犭娕嫉奶匦砸恢痹谧兓?rdquo;
　　“例如，J型熱電偶的一條線是鐵質(zhì)

的，鐵線會(huì)生銹，導(dǎo)致熱導(dǎo)率改變，進(jìn)而導(dǎo)致漂移。熱電偶校準(zhǔn)這個(gè)說法并不合適，因?yàn)槟悴⒉皇钦嬲馗淖兞藷犭娕?，你所做的只是了解熱電偶到底漂移了多少，然后在你的儀表中引入一個(gè)校準(zhǔn)因子來修正漂移所帶來的誤差。這個(gè)任務(wù)必須周期性地重復(fù)，大概每3個(gè)月就要做一次校準(zhǔn)。”
　　而且，由于熱電偶產(chǎn)生的是差值讀數(shù)，所以一定有另外一個(gè)點(diǎn)用于對(duì)比。如果參考點(diǎn)改變了，那么哪怕過程保持不變，讀數(shù)也會(huì)變化。DWM & Associates公司的產(chǎn)品Bob Gliniecki說道：“熱電偶的一個(gè)固有缺點(diǎn)就是它需要冷端補(bǔ)償，現(xiàn)在冷端補(bǔ)償是通過電子手段來完成，但是會(huì)帶來額外花費(fèi)。我經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣一種有趣的現(xiàn)象，電子冷端補(bǔ)償通常都會(huì)使用電熱調(diào)節(jié)器。”

　　RTD
　　如果測(cè)量區(qū)間沒有超過RTD的測(cè)量區(qū)間上限，那么RTD就是一種得到普遍承認(rèn)的精密技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的費(fèi)用要高一點(diǎn)，無論是設(shè)備本身還是后續(xù)更精密的信號(hào)處理設(shè)備。Conners說道：“RTD需要更多的信號(hào)整形，但是你可以獲得1/100度的高精度。”
　　RTD具有多種標(biāo)準(zhǔn)，可以表示其性能。Gliniecki說道：“鉑金RTD有標(biāo)準(zhǔn)IEC60751，例如，標(biāo)準(zhǔn)定義的B級(jí)精度為0 °C時(shí)，誤差不超過±0.3 °C，還有一個(gè)公式，可以計(jì)算其在其它溫度時(shí)精度為多少。如果你從一個(gè)生產(chǎn)商處購買了一個(gè)B級(jí)RTD，那么它的性能和任何其它生產(chǎn)商處的B級(jí)RTD一樣。”
　　RTD的精度和穩(wěn)定性可以通過使用特殊變送器調(diào)制后達(dá)到更高。Moore Industries International公司的應(yīng)用工程師Gary Mathur提供建議道：“既然RTD是一個(gè)電阻，你可以將其置于浴槽內(nèi)，在一定數(shù)量的點(diǎn)處進(jìn)行校準(zhǔn)，并將讀數(shù)值存儲(chǔ)在變送器內(nèi)存中。如果某一個(gè)區(qū)間的溫度讀數(shù)很關(guān)鍵，那么你可以在這個(gè)讀數(shù)值附近進(jìn)行浴法校準(zhǔn)，并將讀到的歐姆值存儲(chǔ)在變送器內(nèi)存中，使變送器與RTD匹配，這樣一來，你就可以獲得熱電偶無法達(dá)到的高精度。”　

　資料來源： Omega Engineering
　　因?yàn)闊犭娕贾恍枰唤M線對(duì)就可以形成傳感點(diǎn)，所以熱電偶尺寸可以很小。
這種線對(duì)的響應(yīng)速度異乎尋常的塊，而代價(jià)則是耐用性的降低。

　　電熱調(diào)節(jié)器
　　Gliniecki說道：“對(duì)于室溫應(yīng)用場(chǎng)合，這里我指的是-40到100 °C，電熱調(diào)節(jié)器是合適的選擇。它們通常價(jià)格低廉，每攝氏度電阻溫度變化大，很容易就達(dá)到較高解析度。
　　電熱調(diào)節(jié)器通常被認(rèn)為是低端產(chǎn)品，具有較為狹窄的測(cè)量區(qū)間。當(dāng)穩(wěn)定時(shí)，它們的非線性（見圖）使他們很難與其他設(shè)備配合工作。Advanced Industrial Systems Inc公司的咨詢工程師David L. Neal說道：“電熱調(diào)節(jié)器的詬病在于其非線性和難以使用。但是現(xiàn)在的新型變送器，讓你可以得到一個(gè)4-20mA的線性信號(hào)。不過，很多I/O模塊可以直接與熱電偶和RTD相連工作，無須變送器。這就意味著如果使用了變送器，你的每個(gè)回路就增加了$200的成本，所以是否需要使用變送器，取決于你對(duì)更好測(cè)量結(jié)果的需要程度。”
　　解決線性問題真的那么復(fù)雜么？Neal補(bǔ)充道：“電熱調(diào)節(jié)器的線性化等式是三次的，我數(shù)學(xué)很在行，但如果讓我坐下來解這個(gè)等式，也會(huì)很困難。如果你可以在計(jì)算機(jī)上完成電熱調(diào)節(jié)器的測(cè)量，并且你處于0到70 °C的環(huán)境中，那么電熱調(diào)節(jié)器確實(shí)是一個(gè)不錯(cuò)的方案。”

　　典型的溫度調(diào)節(jié)器響應(yīng)曲線線性度并不好，因此，使用此技術(shù)的設(shè)備，若要獲得高精度，
就不得不選擇較窄的工作區(qū)間，或者使用復(fù)雜的電子設(shè)備，來使曲線線性化。
有些設(shè)備使用公式，有些使用參照表，用來將曲線轉(zhuǎn)換成直

線。

 

　　為什么如此困難？
　　為什么溫度測(cè)量看起來如此困難？Thermometrics公司的銷售工程師Dave King提供了如下的觀點(diǎn)：“大多數(shù)人遇到問題的原因是因?yàn)樗麄兪潞蟛趴紤]到溫度測(cè)量。這通常發(fā)生在過程工業(yè)中，但并不十分常見，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總有更富經(jīng)驗(yàn)的工程師。不過，偶爾還是會(huì)看到一個(gè)人試圖將一個(gè)帶法蘭的熱電偶安裝到管線上，卻發(fā)現(xiàn)法蘭尺寸大了點(diǎn)。如果他能稍微想得遠(yuǎn)一點(diǎn)，就可以將其安裝到彎頭上，并使其工作。不然，就只能看運(yùn)氣了。”
　　很多情況下，傳感器放置的問題和傳感器選型的問題一樣多。傳感器的外殼可以作為屏障或者散熱片，來保證傳感器不至于直接面臨過程溫度。如果傳感器的尺寸夠大，你甚至可以使用導(dǎo)線來為傳感器散熱。
　　因?yàn)闇囟葴y(cè)量所涉及到的傳感器技術(shù)較少，所以各種技術(shù)之間的差距甚微，很容易混淆，這會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤地使用設(shè)備。Weed Instruments公司負(fù)責(zé)銷售和市場(chǎng)的副總裁Joe Cheatham說道：“很多人常常明確地告訴我他們所需要的是什么：‘我們要熱電偶’，‘我們要RTD’。我實(shí)在不知道他們是參照了某本工程指南還是他們有某種使用偏好，或者他們根本就是將熱電偶作為一切溫度傳感器

的通稱。他們可能實(shí)際需要的并不是熱電偶，而僅僅是某種接觸式的測(cè)溫設(shè)備，只是他們把這種設(shè)備誤稱為熱電偶。”
　　“客戶需要和供應(yīng)商仔細(xì)溝通，他們需要明白傳感器是如何工作的，以及傳感器周圍的物理環(huán)境怎樣。是用于測(cè)量穩(wěn)定的溫度，還是溫度會(huì)成峰谷交替循環(huán)？傳感器周圍的電氣環(huán)境如何？傳感器與測(cè)量點(diǎn)的距離大概多少？” Cheatham說。
　　Omega Engineering公司的項(xiàng)目工程師Ron Desmarais將問題總結(jié)為當(dāng)前人們對(duì)更精密復(fù)雜領(lǐng)域的認(rèn)知下降的表現(xiàn)之一。“我認(rèn)為我們正在見證業(yè)內(nèi)正同時(shí)發(fā)生的一系列情況，”他觀察說，“越來越精密的過程控制系統(tǒng)正越來越多地出現(xiàn)，目的在于提高質(zhì)量、降低成本和提高過程效率。這導(dǎo)致對(duì)溫度和其他傳感器需求的激增。”
　　Desmarais說道，很多傳感器被置于相當(dāng)惡劣的環(huán)境中，可能無法正常工作。他補(bǔ)充道，急需找到一種用于傳感器安裝和使用中的方法，能根據(jù)其所處的環(huán)境，判斷傳感器是否能夠發(fā)揮正常的性能。這就要求設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)系統(tǒng)的人員能夠理解系統(tǒng)的使用極限，并知道如何應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的情況。評(píng)估所得的過程環(huán)境的惡劣程度決定了所需的監(jiān)督和理解等級(jí)。
　　Desmarais說道：“這一切都源于人們對(duì)不同種類溫度傳感器之間微妙差別的理解程度的降低。過去，經(jīng)常需要使用傳感器的公司會(huì)雇用一批了解不同種類傳感器及其使用方式的內(nèi)部專家。不幸的是，隨著有經(jīng)驗(yàn)的工程師不斷退休，工作量不斷增加和機(jī)構(gòu)不斷精簡(jiǎn)，那種專業(yè)程度和理解程度也已經(jīng)逐漸喪失到如今不得不引起重視的程度。當(dāng)前，更多工程師更偏向于以用了再說的態(tài)度對(duì)待溫度傳感器的選型和使用工作。因此，業(yè)界必須開始著手*知識(shí)斷層，以指導(dǎo)客戶作出正確的選擇。”
　　zui后的思考也許zui有說服力。儀器儀表和過程控制通常都要求細(xì)致和敏銳缺一不可。雖然精密的儀器和電子技術(shù)可以替代一部分的專業(yè)性因素，但是人的技術(shù)、智慧和對(duì)過程的全面理解不可能被替代。