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　　“四大”過程變量的測量各自獨立，其中，溫度測量似乎爭議。事實上，這個貌似簡單的任務經常會變得非常復雜，本文將探尋此中緣由。

　　大約10年前，我負責一個污染控制系統(tǒng)的施工任務，此系統(tǒng)是我公司提供給一家石灰生產廠家的，其中涉及到測量廢氣溫度，這看似很簡單，然而，我的團隊、系統(tǒng)集成商、母公司、當?shù)胤止?、客戶的工程施工方以及客戶的母公司等多方人員對于選擇何種傳感器卻產生了諸多分歧，討論幾乎達到了白熱化的程度。在試車結束之前，我們就已經嘗試安裝了兩種熱電偶和至少一種RTD（電阻溫度檢測設備），每次都為設備單獨鋪設電纜。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技術：
　　■  熱電偶；
　　■  RTD；
　　■  電熱調節(jié)器。
　　這三種設備類型的特征都十分的明顯，在大多數(shù)場合下，這能幫助你選出的類型。有不少文章也借用了這種習慣性的認識方式。然而，這種認識方式并不適用于所有的情況，同時隨著技術的進步，三者之間的界線也愈見模糊了。我們需要針對這些新形勢做些研究和思考，看看我們能從中得到些什么。在準備本文的過程中，我咨詢了不少主

營溫度測量相關產業(yè)的小型企業(yè)內的專業(yè)人員，大致了解了他們的商業(yè)活動是如何進行的。

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

　　傳統(tǒng)智慧？
　　在為傳感器選型時，以下這些基礎問題的答案是首先應該弄清楚的：
　　■  測量區(qū)間——并不是特指正常工作的溫度區(qū)間，而是在關機、開機和過程紊亂時潛在可能出現(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器可能需要高精度和高可重復性的讀數(shù)值，為滿足這個要求的解決策略與簡單的儲罐監(jiān)控解決方案迥然不同。
　　■  響應時間——某些過程的溫度變化十分迅速，如果有必要，傳感器可以設置成每分鐘刷新，用于滿足溫度快速變化的過程，然而代價是耐久度和穩(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合點處所產生的微小電動勢來測量溫度的。實際上測量的是測量點與參考點之間的溫度差，參考點必須提供自身的溫度作為參考，所以熱電偶的安裝實際上包括了兩個溫度傳感器。
　　熱電偶也具有一些自身的特點：
　　■  具有寬廣的測量區(qū)間，能達到所有同類技術的高溫測量極限；
　　■  多樣的物理尺寸和規(guī)格；
　　■  響應快速；
　　■  價格合理，設置簡便；
　　■  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
　　■  信號強度低，易受EMI影響。
　　RTD的工作原理是某些金屬（通常是鉑）在受熱時，其電阻值會相應改變的特點。傳感器輸出反饋回帶有參考電壓的惠思通電橋，以達到測量電阻值變化的目的。相比熱電偶，RTD具有以下特點：
　　■  更、穩(wěn)定，具有更高的復現(xiàn)性；
　　■  更好的敏感度和線性度；
　　■  更強抗*力的信號；
　　■  較窄的測量區(qū)間，特別是在測量上限；
　　■  更昂貴；以及
　　■  需要外接電源。
　　電熱調節(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)型號具有溫度與電阻的反比關系，或NTC（負溫度系數(shù)），這意味著電阻隨著溫度的升高而降低。
　　■  測量區(qū)間是同類產品中zui窄的；
　　■   zui低的線性度；
　　■  與熱電偶同等級的精度和相應時間；
　　■  來自于寬電阻變化區(qū)間的高解析度；以及
　　■   價格低廉。
　　GEC Instruments公司的總工程師Jerry Gaffney警告道：“所謂的習慣性認識具有一定的誤導性，人們容易一葉障目，形成錯誤觀點，甚至終生不變。如果人們抱著嚴肅的態(tài)度購買此類設備，他們應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。而不應該僅僅因為某篇文章說熱電偶不就認為不應該使用熱電偶。”
　　當然，每一條規(guī)律都有例外情況，設備制造商可以生產出與標準性能截然相反的設備，這些設備主要用于實驗室的特殊應用。過程加工工廠中使用的設備通常比較普通，具有這些常見的特性。
　　然而，如果習慣性認識具有誤導性，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。

　　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時間。

 

　　熱電偶
　　Data Translation公司總裁Fred Molinari說道：“工業(yè)市場上，大多數(shù)公司都愿意使用熱電偶，因為他們對此有很多經驗，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的，導致其產生的電流較弱，這就意味著信號易受干擾，必須小心使用。Data Translation公司的設計工程師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，對于信號來說這確實太弱了點，但是通過使用現(xiàn)代技術，例如每點使用sigma-delta A/D變換器，結合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，熱電偶的讀數(shù)相當準確。”
　　對于這種信號特性，如何處理熱電偶輸出便成為了關鍵。但是，的信號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：“熱電偶校準設備的市場相當龐大，因為熱電偶的特性一直在變化。”
　　“例如，J型熱電偶的一條線是鐵質

的，鐵線會生銹，導致熱導率改變，進而導致漂移。熱電偶校準這個說法并不合適，因為你并不是真正地改變了熱電偶，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校準因子來修正漂移所帶來的誤差。這個任務必須周期性地重復，大概每3個月就要做一次校準。”
　　而且，由于熱電偶產生的是差值讀數(shù)，所以一定有另外一個點用于對比。如果參考點改變了，那么哪怕過程保持不變，讀數(shù)也會變化。DWM & Associates公司的產品Bob Gliniecki說道：“熱電偶的一個固有缺點就是它需要冷端補償，現(xiàn)在冷端補償是通過電子手段來完成，但是會帶來額外花費。我經常會發(fā)現(xiàn)這樣一種有趣的現(xiàn)象，電子冷端補償通常都會使用電熱調節(jié)器。”

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

　資料來源： Omega Engineering
　　因為熱電偶只需要一組線對就可以形成傳感點，所以熱電偶尺寸可以很小。
這種線對的響應速度異乎尋常的塊，而代價則是耐用性的降低。

　　電熱調節(jié)器
　　Gliniecki說道：“對于室溫應用場合，這里我指的是-40到100 °C，電熱調節(jié)器是合適的選擇。它們通常價格低廉，每攝氏度電阻溫度變化大，很容易就達到較高解析度。
　　電熱調節(jié)器通常被認為是低端產品，具有較為狹窄的測量區(qū)間。當穩(wěn)定時，它們的非線性（見圖）使他們很難與其他設備配合工作。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4-20mA的線性信號。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，取決于你對更好測量結果的需要程度。”
　　解決線性問題真的那么復雜么？Neal補充道：“電熱調節(jié)器的線性化等式是三次的，我數(shù)學很在行，但如果讓我坐下來解這個等式，也會很困難。如果你可以在計算機上完成電熱調節(jié)器的測量，并且你處于0到70 °C的環(huán)境中，那么電熱調節(jié)器確實是一個不錯的方案。”

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

線。

 

　　為什么如此困難？
　　為什么溫度測量看起來如此困難？Thermometrics公司的銷售工程師Dave King提供了如下的觀點：“大多數(shù)人遇到問題的原因是因為他們事后才考慮到溫度測量。這通常發(fā)生在過程工業(yè)中，但并不十分常見，因為現(xiàn)場總有更富經驗的工程師。不過，偶爾還是會看到一個人試圖將一個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。如果他能稍微想得遠一點，就可以將其安裝到彎頭上，并使其工作。不然，就只能看運氣了。”
　　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，你甚至可以使用導線來為傳感器散熱。
　　因為溫度測量所涉及到的傳感器技術較少，所以各種技術之間的差距甚微，很容易混淆，這會導致錯誤地使用設備。Weed Instruments公司負責銷售和市場的副總裁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。他們可能實際需要的并不是熱電偶，而僅僅是某種接觸式的測溫設備，只是他們把這種設備誤稱為熱電偶。”
　　“客戶需要和供應商仔細溝通，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。是用于測量穩(wěn)定的溫度，還是溫度會成峰谷交替循環(huán)？傳感器周圍的電氣環(huán)境如何？傳感器與測量點的距離大概多少？” Cheatham說。
　　Omega Engineering公司的項目工程師Ron Desmarais將問題總結為當前人們對更精密復雜領域的認知下降的表現(xiàn)之一。“我認為我們正在見證業(yè)內正同時發(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)，目的在于提高質量、降低成本和提高過程效率。這導致對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惡劣的環(huán)境中，可能無法正常工作。他補充道，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。這就要求設計、使用和維護系統(tǒng)的人員能夠理解系統(tǒng)的使用極限，并知道如何應對可能發(fā)生的情況。評估所得的過程環(huán)境的惡劣程度決定了所需的監(jiān)督和理解等級。
　　Desmarais說道：“這一切都源于人們對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，經常需要使用傳感器的公司會雇用一批了解不同種類傳感器及其使用方式的內部專家。不幸的是，隨著有經驗的工程師不斷退休，工作量不斷增加和機構不斷精簡，那種專業(yè)程度和理解程度也已經逐漸喪失到如今不得不引起重視的程度。當前，更多工程師更偏向于以用了再說的態(tài)度對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*知識斷層，以指導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致和敏銳缺一不可。雖然精密的儀器和電子技術可以替代一部分的專業(yè)性因素，但是人的技術、智慧和對過程的全面理解不可能被替代。