传感器（一次仪表）及其选型和使用 |
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一、 热电偶
1.热电偶工作原理
把两种不同材料导体的一端连接在一起，当连接点的温度和导体另一端的温度不同时，由于电子热运动的差异，会在导体内部产生热电势现象（塞贝克效应）。热电偶就是利用这个现象做成的把温度差量转化成电势量的温度传感器。
在输出端（冷端）温度恒定的情况下，热电偶的输出电势随着感温端的温度增高而增大，热电势的大小只与二支电极的材料及热电偶两端的温度有关，而与热电极的长度，直径，气压和空气湿度等无关。
2.常用热电偶的分度号、名称、允许偏差和使用范围
分度号 名称 等级 允差值（℃） 使用范围℃
K 镍铬/镍硅 2 -40℃～+333℃时±2.5℃;
333℃ ～1200℃时±0.0075.︱t︴ -40～+1200
3 -167℃～+40℃时±2.5℃;
-200℃ ～-167℃时±0.015.︱t︳ -200～+40
E 镍铬/铜镍 2 -40℃～+333℃时±2.5℃;
333℃ ～900℃时±0.0075.︱t︳ -40～+900
3 -167℃～+40℃时±2.5℃;
-200℃ ～-167℃时±0.015.︱t︴ -200～+40
T 铜/铜镍 2 -40℃～+133℃时±1℃;
133℃ ～350℃时±0.0075.︱t︴ -40～+350
J 铁/铜镍 2 -40℃～+333℃时±2.5℃;
333℃ ～750℃时±0.0075. ︱t︳ -40～+750
S 铂铑13％/铂 1 0℃～1100℃时±1℃;
1100℃ ～1600℃时±「1+0.003（t-1100）」 0～1600
2 0℃～600℃时±1.5℃;
600℃ ～1600℃时±0.0025. ︱t︳ 0～1600
R 铂铑13％/铂 2 0℃～600℃时±1.5℃;
600℃ ～1600℃时±0.0025. ︱t︳ 0～1600
B 铂铑30％/铂铑6％ 2 0℃～600℃时±1.5℃;
600℃ ～1600℃时±0.0025. ︱t︳ 600～1700
WRe 钨铼3-钨铼25 ∕ 0℃～400℃时±4.0℃400℃～2300℃时±1％t 0～2300
3.热电偶的冷端补偿
热电偶的输出电势取决于二端的温差，而在实际使用中，热电偶输出端所处的环境温度经产发生变化。如果不对这种变化进行补偿，既使测量端的温度恒定不变，由于输出端温度的变化，就会使输出电势发生相应的变化。一台优质的二次仪表，应对热电偶的这种误差作精确的自动补偿。旧式XCT-101、131、191等仪表因未考虑自动冷端补偿功能设计,故实用误差较大,有时可达50℃.
二.辐射高温计
测量高于1600℃的温度,或传感器不能插入到被测量对象物中时,经常使用WFT-202等型号的辐射高温计.分度号为F1的辐射高温计测量范围一般可达400-2000℃,测量误差通常在±16℃以下.分度号为F2的辐射高温计测温上限可达2000℃,测量误差通常在±20℃以下.
三.热电阻
1 .热电阻的工作原理
由于电子的热运动,使金属导体的电阻率随着温度的变化而变化,从而把外界温度的变化转化成金属电阻值的变化,热电阻及时利用这一现象,将温度量转化成电阻量的温度传感器.
由于热电阻使用容易提纯且化学性能较稳定的金属材料制作,故该类传感器稳定性好,测温度精度高,与热电偶比较,输出灵敏度也比较高,故适宜于制造高精度的温度测温控制系统.其缺点是机械强度较差,抗震动能力不如热电偶,测量的上限温度也不够高.
2.常用热电阻的分度号、精度及测量范围
分度号 名称 型号 等级 允许偏差±℃ 使用范围℃
Pt100 A等铂热电阻 WZP A 0.15+0.002︱t︱ -200～650
Pt100 B等铂热电阻 WZP B 0.3+0.005︱t︱ -200～850
Cu50 铜热电阻 WZC / 0.3+0.006︱t︱ -50～150
Cu100 铜热电阻 WZC / 0.3+0.006︱t︱ -50～150
四.温度传感器的热响应时间
传感器的热响应时间按达到被测物体温度的63.2%(瞬时阶跃变化)所需的时间来确定,一般可分为:
a. 普通型:热响应时间90～180秒;
b. 中速型:热响应时间30～90秒;
c. 快速型:热响应时间﹤30秒
在通常情况喜爱,传感器的响应时间越短越号,即反应速度越快越好,在控制精度要求高于0.1℃的场合,传感器的响应时间应在3秒以内.
五.温度传感器的绝缘电阻
根据系统设计的需要及二次仪表品质的优劣,传感器可分为芯材与保护管间绝缘或不绝缘(接壳)二类.绝缘的热响应速度慢,但对二次仪表的抗干扰能力要求低.接壳的热响应速度快,但对于二次仪表的抗干扰能力要求高.
当环境温度为20±5℃和相对湿度为80%以下时,绝缘型传感器的感温元件和保护管之间的绝缘电阻不低于100MΩ.
六.热电阻允许通过的电流
在静止的空气介质中,通过热电阻中的测量电流不能超过5Ma.在流动的液体介质中,通过热电阻中的测量电流可以稍大.测量电流过小将会降低热电阻的输出灵敏度,反之将会因流过热电阻的电流过大而造成热电阻的自热现象,测量精度也会降低.
七.温度传感器的规格与结构
1.标准型工业热电偶(热电阻)
其外形尺寸按照 “JB/T5219-91《工业热电偶形式,基本参数和尺寸《”标准.防溅或放水接线盒,1000℃及以下用不锈钢作保护管,用于1000℃以上时,测温区用高温陶瓷管作保护套.
该型产品具有使用温度高,抗腐蚀能力较强和使用寿命长的特点,一般用于400℃以上温度范围的测量,其不足之处是热响应速度没有其他型式的快.
该型产品常用的保护管长度L有0.3、0.4、0.75、1、1.25、1.5、2m等。
2.简易式工业热电偶
其感温头为不锈钢柱体，整支热电偶 均用偶丝本体制成，可直接连接至二次仪表，无必要使用补偿导线，系统精度相对可以提高，耐震动冲击，一般采用接壳方式，响应速度快，使用时只须将测温头端部与被测物紧贴，使得热量的传递尽量迅速，并对头部以后的引线部分进行固定，使测量头与被测物间位置固定不动，避免因工作的移动而折断偶丝内芯，即可获极好效果，用途广而灵活。
常用型号有：WRNJ-101 WREJ-101
长度L=0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、4m等。
3.密封探头式工业热电偶、热电阻
探头内部测温部分用钢玉瓷管保护，外金属保护管为镀烙钢管（400℃以下）或不锈钢管（600℃以下），可制成保护管接壳型或绝缘型，探头可用M12*1固定螺纹安装。
安装时应注意固定螺纹后部的绝缘手柄仅能耐受约180℃的温度。如果用普通三芯导线作引线的，仅能耐约250℃的温度（特殊订货）。
适用于各种电炉，烘箱，试验箱，制冷机械等设备。
4.露头型探头式工业热电偶
与前述密封探头式热电偶相比，此类传感器的测量头端部芯材有约3-5mm裸露于金属管外，其优点是既与保护管保持绝缘，有较好的抗干扰性能，又具有反映速度快的优点，特别适用于各种以无腐蚀性气体为介质的箱炉等。
常用型号有：WRNT-202 ; WRET-202
探头长1＝100、150、200、250、300、400m
总长L=0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、4m等。
5.露芯型探头式热电阻
此类传感器的测量头端部内置芯材的部分保护管钻有较密集的空气对流孔,使管内的热电阻可以尽量直接感受到测量对象的温度,而不必再由保护管传递,其优点是既与保护管保持绝缘,由较好的抗干扰性能,又具有反映速度快的优点,特别适用与各种以无腐蚀性气体为介质的高精度烘箱和试验箱等对象.
常用型号有:WZPT-202;WZCT-202
6.压簧式工业热电偶
由弹性测量头、螺纹接头、外套、弹簧、定位套、热电偶导线组成,弹性测量头伸缩范围为15—25MM.
该型传感器由于测量头与引线部分有较长的弹簧进行柔性过渡,因此比较适用于测量对象经常位移的对象,如热烫印机和服装机械等.该型传感器使用效果的优劣与测量头端部能否与被测物紧贴很有关系,使用时,要设法使工件的热量能尽量迅速地传递到测量头端部.另外定位套固定位的位置及挠度也要合适.
常用型号有：WRNY-301; WREY-301
总长L=0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、4m等。
7.螺钉式工业热电偶
该传感器由弹性测量头,螺纹街头,输出软导线等组成,安装固定位螺纹街头,一般为M6*13、M6*19、M8*20,适用于插入深度较小的场合.使用该型传感器时也要将测量头后部的引线连同测量头作固定处理,以尽量避免测量头后部处的引线无谓弯折断裂而影响使用寿命.
型号有: WRNL-301; WREL-302 WREJ-301 WREJ-302
总长L=0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、4m。
8.表面型圈型热电偶
该型传感器可用紧固圈直接将测量头固定在被测对象表面,故属表面型传感器,用来测量圆筒状物体表面的温度.其紧固圈内径d可根据用户要求制作,保护管为不锈钢管.主要用于注塑机的料筒等,由于表面温度与内芯温度有可能存在误差,故使用该型传感器时最好配有具有 “传感器误差修正功能”的二次仪表,如-7401,-7601等,使得显示的温度值尽量与目标真值相一致.
型号有: WRNM-701 WREM-701
总长L=0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、4m。
9.垫圈型表面热电偶
该型传感器的主要特点是安装非常简单,只须用一个M5或M4的螺钉即可将传感器安装在被测对象上,由于安装方式所决定,该型传感器也也属表面传感器,用来测量平面状物体表面的温度.为了获得尽量精确的结果,安装时须在传感器与被测对象之间涂上一层导热硅脂,并在传感器外部覆盖上玻璃丝棉等耐温绝热材料,以使测量结果尽可能地接近于实际值.
1 0.滚轮式表面热电偶
该型传感器主要用作滚动状园筒的表面温度测量
11.手持针式食品温度传感器
该型传感器主要用作加工过程中食品内部的温度测量.
八.温度传感器的选用和安装使用
1.选用
应根据不同的使用场合正确选用传感器的种类,测量范围,安装方式,外形尺寸,精度等级及品种规格:
镍铬-镍硅(K型)热电偶的热电势线性号,使用于氧化性和中型气氛中测温,对金属蒸汽的适应性强,但热电势值较小,宜用于较高温度下测温.
镍铬-铜镍(E型)热电偶的热电势大,耐腐蚀性较号,非磁性,适用于氧化及弱还原性气氛中测温.
铜热电阻价格低廉,可用于测量室温和热水器温度.
铂热电阻测量精度较高,适用于测温精度要求较高且无剧烈震动的场合.
简易型工业热电偶适用于多种场合,特别适用于原采用玻璃铂电阻,精度要求又一般的场合,可大幅度延长使用寿命.
螺钉式普通热电偶使用包装机械,服装机械,印刷机械等薄型加热对象温度测量.
探头式传感器使用各类烘箱,烤炉低温电炉,印刷机械等行业；
压簧式热电偶适用于加热对象需要经常移位的压盆机,餐具机械,注塑机等行业；
表面热电偶适用于旋转对象的表面温度测量,适用于印染,造纸,纺织等行业；
表面型圈形热电偶使用于注塑机出料口(料头)等小型薄壁腔式加热对象的测温；
垫圈型或鸭嘴型表面热电偶适用于对加热对象无法钻深孔的模具表面温度等测量；
针入式食品温度传感器主要用于肉类食品加工中的烘烤和消毒工序,其最大特点是温度反映速度快,可持手,耐弯折和符合国家食品卫生标准.
对液体和具有腐蚀性气体的对象进行测量时,应该选用密封型的探头式或标准型传感器,测量对象为无腐蚀性气氛的介质时,宜采用露头,露芯传感器,以尽量提高响应速度.
对强酸,碱性介质作温度测量,应采用特制的玻封或包氟保护管传感器.
2.安装使用
热电偶传感器的温度感知区域在端部约5-20MM处,热电阻传感器的温度感知区域在端部约5-70MM处,在计算插入深度值时应考虑到这点区别.
传感器应尽可能要安装在置放工件的位置上,避免安装在炉门旁边或应尽可能保持垂直,但在有流速的情况下则必须使测量头逆向倾斜安装.如果需要固定传感器,可在容器壁上开一个比传感器的安装螺纹外径略大的固定用孔,用所附的螺帽把传感器安装固定在容器上,在测量对象为非气体或液体时(如注塑机的料筒),务使传感器感温部分与被测物体紧密接触,以提高响应速度和降低传递误差.
如热电偶的输出线要加长,应使用与所用热电偶分度号相对应的补偿号线同极性加长,再与二次仪表连接.传感器连线或补偿导线应直接与仪表接线端连接,避免使用普通导线,否则会带来误差.连线要尽可能少弯折,以延长使用时间,必须频繁弯折窗内起连线的传感器应作专门设计(特殊订货).传感器引线应避免和动力导线,负载导线绷扎在一起走线,以免因引入干扰而降低系统的稳定性.
九.湿度传感器
1.双铂电阻干,湿温差型湿度传感器
这种湿度传感器属经典型的,唯一可以与二次仪表共同进行精确度验收的传感器,其测量湿度的原理是:
同一环境下,湿温的高低主要取决于蒸发量的大小,而蒸发量的大小又主要受环境空气湿度所影响,故同时分别测出干温值和湿温值九可以计算出湿度值:
e etw-A×P(T-TW)
U=------×100% =-----------------×100%
ew ew
式中:U-----相对湿度,%RH
e-----实际水气压,PA;
ew-----干球温度t所对应的纯水平面饱和水汽压,kPa;
A-----干湿表系数,℃;其值由干湿球湿度表类型和干湿球温度表球部处风速决定.P—实际大气压,kPa; T-TW ----干湿球温度差, ℃.
由于单片计算机在二次仪表中的成熟应用,过去使用干湿温度差型湿度仪表时必须的的查表和繁杂的计算工作均已由仪表自动完成,用户只需根据当地当时的工况输入风速和气压值即可直接读出湿度值,且测量精确度可达到±0.5% .
2.电容湿度传感器
特点是响应速度快,在长时间处于饱和状态后能快速脱湿而投入使用,对使用环境中的风速,气压等参数较不敏感.
HF3223湿度传感器特性参数(Ta=25℃,Vs=DC5.OV,RL﹥100K,除非特别说明)
参数 符号 最小值 典型值 最大值 单位
湿度量程 RH 10 95 %RH
相对湿度精度(10-90%) RH ±5 ±10 %RH
供电电压 Vs 4.75 5.0 5.25 VDC
典型输出@RH=55% Fout 8670 8670 8830 Hz
消耗电流 Ic 0.1 Ma
温度效应 Tcc ±0.1 %RH/℃
平均灵敏度(33—75%RH) Fout/RH -16 -18 -19 Hz/%RH
吸收电流容量 Is 100 uA
150小时结露的恢复时间 T 10 s
温度迟滞 ±0.5 %RH
长时间稳定性 0.5 %RH/yr
反应时间(33—76%RH,static, @63%) t 10 s
HM1500湿度传感器特性参数(Ta=23℃,Vs=5.0VDC,RL＞1M,除非特别注明)
参数 符号 最小值 典型值 最大值 单位
湿度量程 RH 1 99 %RH
相对湿度精度(10～90%) RH ±5 %RH
供电电压 Vs 4.75 ±3 5.25 VDC
典型输出%RH=55% Fout 2.42 5.0 2.54 V
消耗电流 Ic 2.48 0.8 mA
温度效应(0-60℃) Tcc 0.4 %RH/℃
平均灵敏度(33—75%RH) mV/%RH ±0.1 Hz/%RH
吸收电流容量 Is +25 uA
150小时结露的恢复时间 T 300 s
温度迟滞 10 %RH
长时间稳定性 ±1.5 %RH/yr
输出阻抗 Z 0.5 s
反应时间(33—76%RH,static, @63%) t 70 Ω
5 S
十一.CC-HE-1霍尔磁感应传感器
霍尔磁感应传感器根据半导体霍尔器件对磁场敏感的原理制成,具有对光线和电场不敏感、可靠性高、使用寿命长的特点.与本厂生产的J□□-系列计数器连接,可广泛使用于纺织、食品及各种需计数、计长度的装置中作无触点开关量输入之用.
主要性能:
1. 检测距离:≥3mm
2. 供电电压:DC 5～12V
3. 工作环境温度;0～12V
4. 固定形式;螺纹M12×1或开孔￠13
5. 配高磁性磁铁一块,配M12×1扁螺母二只
外形及接线方式;
十二.其他温度传感器
1. PN结温度传感器
利用半导体PN结制成的AD590、LM34、LM35等温度传感器在120℃以下也有一定的应用,其优点是输出信号大,一般可达10MV/℃;工作电流也仅为0.1MA以下,价格较低,线性度好,对由工作电流变化而导致的误差较小,还可采用二线制方式远传.不足是互换精度一般在±1℃左右,综合误差在±(1.5～3℃)左右.
2. 热敏电阻温度传感器
热敏电阻分正温度系数和负温系数二大类,主要用于电子电路某部分的温度补偿,其优点是价格低廉,响应速度快,输出信号大,弱点是温度—电阻线性度和互换性极差、时间漂移大,怕急冷急热和外力冲击、摔打,可用范围仅限于-20-300℃左右,目前己极少在重要系统中采用.
十三.其他输入量
1. 0～10mA电流输入:
主要配接以DDZ-II型变送器输出的电流讯号,负载电阻一般为800欧左右,最高不能超过1000欧.如果各记录、显示仪表及信号采集卡等输入电阻综合不超过上诉标准,而且系统各部分除了输入电路以外其余部分都实现了直流隔离和交流共地,那么DDZ-II型变送器输出的电流讯号可以被系统各部分仪表所共享
2. 4～20mA电流输入:
主要配接以DDZ-II型变送器输出的电流讯号,负载电阻一般为250欧左右,最高不能超过300欧.
3. 其他电压量
YBT压力变送器、YSH微差压变送器、CP型膜片式差压计、LC椭圆齿轮流量计、称重传感器及目前以霍尔器件、硅应变片等作转换器件的压力、称重传感器类一次仪表，输出大多是20～50mV左右的电压信号。也有的经过处理，输出1～5V或0～2V等的电压信号；有的非线性信号。因此，二次仪表的输入阻抗要尽可能高，仪表抗串模干扰和由工频及射频造成的工模干扰能力的性能要尽可能地好。
如果一次仪表的输出内阻较低（几百欧内），而配用的二次仪表输入阻抗较高（几兆欧），而且各二次仪表的输入端口无残存的消零电压，除了输入端口外，二次仪表的其他端口都作了直流隔离处理，在此前提下，调节仪、记录仪、报警仪等可以用并联方式共用一个电压信号源.
4.频率信号
产品计数、转速测量、高分子式或电容式湿度传感器、液位计等,也经常以频率信号作输出,对于频率输出的传感器,一般要求传感器源阻抗要比较低,有数伏的电压幅值,二次仪表的输入阻抗要与之匹配.这样对抗干扰较为有利.
5.电阻信号
YTZ-150等远传电阻式压力变送器输出的是从十余欧至数百欧的电阻变化信号,而且一般只能允许流过约一毫安的电流,有的产品需要在现场核正初始值核满度值,如果配用-7□□□智能型二次仪表,现场校正工作会变得轻而易举.
6. 电容传感器
利用二金属片之间距离改变而致的电容量改变现象,可制成压力、速度、称重等传感器；利用高分子介质吸湿后电容发生变化,可制成湿敏传感器.由于电容传感器一般都有容量变化小、输出阻抗高,对温度变化敏感等不足,因此一般都先进行内部温度补偿,再将电容量的变化转化称电压量或组成电容电桥以频率的方式输出.
7. 数字传感器
随着计算机技术的发展,能直接输出数字信号的温度、压力、湿度、扭距等传感器也已有应用,该型传感器的最大优点在于可以用三,四跟导线将几十上百各分布面积极广的传感器并联接至带微机处理的二次仪表,特别适用于超多路的巡回检测报警系统和平衡调节系统.数字传感器的抗干扰能力强,对连接导线造成的内阻、分布电容等不甚敏感，代表了一次仪表在信号传递方式上的发展趋势。
随着生物技术、材料制造及工艺水平的提高，绝对湿度传感器、温度超过100℃，湿度在10％以下的高温低湿度传感器、露点传感器、电化学生物传感器、气体传感器、压电效应传感器、光敏传感器、磁敏传感器、射线传感器、吸光型光纤传感器、电量传感器、流量或流速传感器、位置传感器及浓度、粒度和硬度传感器等已几无穷尽。但在精度、可重复性、应用环境、价格等方面的指标方面仍有很大离散性. |
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