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傳感器(一次儀表)及其選型和使用

2008年8月4日  

    一、 熱電偶
    1.熱電偶工作原理
    把兩種不同材料導體的一端連接在一起,當連接點的溫度和導體另一端的溫度不同時,由于電子熱運動的差異,會在導體內部產生熱電勢現象(塞貝克效應)。熱電偶就是利用這個現象做成的把溫度差量轉化成電勢量的溫度傳感器。
    在輸出端(冷端)溫度恒定的情況下,熱電偶的輸出電勢隨著感溫端的溫度增高而增大,熱電勢的大小只與二支電極的材料及熱電偶兩端的溫度有關,而與熱電極的長度,直徑,氣壓和空氣濕度等無關。
    2.常用熱電偶的分度號、名稱、允許偏差和使用范圍
    分度號 名稱 等級 允差值(℃) 使用范圍℃
   
    K 鎳鉻/鎳硅 2 -40℃~+333℃時±2.5℃;
    333℃ ~1200℃時±0.0075.︱t︴ -40~+1200
    3 -167℃~+40℃時±2.5℃;
    -200℃ ~-167℃時±0.015.︱t︳ -200~+40
   
    E 鎳鉻/銅鎳 2 -40℃~+333℃時±2.5℃;
    333℃ ~900℃時±0.0075.︱t︳ -40~+900
    3 -167℃~+40℃時±2.5℃;
    -200℃ ~-167℃時±0.015.︱t︴ -200~+40
   
    T 銅/銅鎳 2 -40℃~+133℃時±1℃;
    133℃ ~350℃時±0.0075.︱t︴ -40~+350
    J 鐵/銅鎳 2 -40℃~+333℃時±2.5℃;
    333℃ ~750℃時±0.0075. ︱t︳ -40~+750
    S 鉑銠13%/鉑 1 0℃~1100℃時±1℃;
    1100℃ ~1600℃時±「1+0.003(t-1100)」 0~1600
    2 0℃~600℃時±1.5℃;
    600℃ ~1600℃時±0.0025. ︱t︳ 0~1600
    R 鉑銠13%/鉑 2 0℃~600℃時±1.5℃;
    600℃ ~1600℃時±0.0025. ︱t︳ 0~1600
    B 鉑銠30%/鉑銠6% 2 0℃~600℃時±1.5℃;
    600℃ ~1600℃時±0.0025. ︱t︳ 600~1700
    WRe 鎢錸3-鎢錸25 ∕ 0℃~400℃時±4.0℃400℃~2300℃時±1%t 0~2300
   
    3.熱電偶的冷端補償
    熱電偶的輸出電勢取決于二端的溫差,而在實際使用中,熱電偶輸出端所處的環境溫度經產發生變化。如果不對這種變化進行補償,既使測量端的溫度恒定不變,由于輸出端溫度的變化,就會使輸出電勢發生相應的變化。一臺優質的二次儀表,應對熱電偶的這種誤差作精確的自動補償。舊式XCT-101、131、191等儀表因未考慮自動冷端補償功能設計,故實用誤差較大,有時可達50℃.
    二.輻射高溫計
    測量高于1600℃的溫度,或傳感器不能插入到被測量對象物中時,經常使用WFT-202等型號的輻射高溫計.分度號為F1的輻射高溫計測量范圍一般可達400-2000℃,測量誤差通常在±16℃以下.分度號為F2的輻射高溫計測溫上限可達2000℃,測量誤差通常在±20℃以下.
    三.熱電阻
    1 .熱電阻的工作原理
    由于電子的熱運動,使金屬導體的電阻率隨著溫度的變化而變化,從而把外界溫度的變化轉化成金屬電阻值的變化,熱電阻及時利用這一現象,將溫度量轉化成電阻量的溫度傳感器.
    由于熱電阻使用容易提純且化學性能較穩定的金屬材料制作,故該類傳感器穩定性好,測溫度精度高,與熱電偶比較,輸出靈敏度也比較高,故適宜于制造高精度的溫度測溫控制系統.其缺點是機械強度較差,抗震動能力不如熱電偶,測量的上限溫度也不夠高.
    2.常用熱電阻的分度號、精度及測量范圍
    分度號 名稱 型號 等級 允許偏差±℃ 使用范圍℃
    Pt100 A等鉑熱電阻 WZP A 0.15+0.002︱t︱ -200~650
    Pt100 B等鉑熱電阻 WZP B 0.3+0.005︱t︱ -200~850
    Cu50 銅熱電阻 WZC / 0.3+0.006︱t︱ -50~150
    Cu100 銅熱電阻 WZC / 0.3+0.006︱t︱ -50~150
   
    四.溫度傳感器的熱響應時間
    傳感器的熱響應時間按達到被測物體溫度的63.2%(瞬時階躍變化)所需的時間來確定,一般可分為:
    a. 普通型:熱響應時間90~180秒;
    b. 中速型:熱響應時間30~90秒;
    c. 快速型:熱響應時間﹤30秒
    在通常情況喜愛,傳感器的響應時間越短越號,即反應速度越快越好,在控制精度要求高于0.1℃的場合,傳感器的響應時間應在3秒以內.
    五.溫度傳感器的絕緣電阻
    根據系統設計的需要及二次儀表品質的優劣,傳感器可分為芯材與保護管間絕緣或不絕緣(接殼)二類.絕緣的熱響應速度慢,但對二次儀表的抗干擾能力要求低.接殼的熱響應速度快,但對于二次儀表的抗干擾能力要求高.
    當環境溫度為20±5℃和相對濕度為80%以下時,絕緣型傳感器的感溫元件和保護管之間的絕緣電阻不低于100MΩ.
    六.熱電阻允許通過的電流
    在靜止的空氣介質中,通過熱電阻中的測量電流不能超過5Ma.在流動的液體介質中,通過熱電阻中的測量電流可以稍大.測量電流過小將會降低熱電阻的輸出靈敏度,反之將會因流過熱電阻的電流過大而造成熱電阻的自熱現象,測量精度也會降低.
    七.溫度傳感器的規格與結構
    1.標準型工業熱電偶(熱電阻)
    其外形尺寸按照 “JB/T5219-91《工業熱電偶形式,基本參數和尺寸《”標準.防濺或放水接線盒,1000℃及以下用不銹鋼作保護管,用于1000℃以上時,測溫區用高溫陶瓷管作保護套.
    該型產品具有使用溫度高,抗腐蝕能力較強和使用壽命長的特點,一般用于400℃以上溫度范圍的測量,其不足之處是熱響應速度沒有其他型式的快.
    該型產品常用的保護管長度L有0.3、0.4、0.75、1、1.25、1.5、2m等。
    2.簡易式工業熱電偶
    其感溫頭為不銹鋼柱體,整支熱電偶 均用偶絲本體制成,可直接連接至二次儀表,無必要使用補償導線,系統精度相對可以提高,耐震動沖擊,一般采用接殼方式,響應速度快,使用時只須將測溫頭端部與被測物緊貼,使得熱量的傳遞盡量迅速,并對頭部以后的引線部分進行固定,使測量頭與被測物間位置固定不動,避免因工作的移動而折斷偶絲內芯,即可獲極好效果,用途廣而靈活。
    常用型號有:WRNJ-101 WREJ-101
    長度L=0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、4m等。
    3.密封探頭式工業熱電偶、熱電阻
    探頭內部測溫部分用鋼玉瓷管保護,外金屬保護管為鍍烙鋼管(400℃以下)或不銹鋼管(600℃以下),可制成保護管接殼型或絕緣型,探頭可用M12*1固定螺紋安裝。
    安裝時應注意固定螺紋后部的絕緣手柄僅能耐受約180℃的溫度。如果用普通三芯導線作引線的,僅能耐約250℃的溫度(特殊訂貨)。
    適用于各種電爐,烘箱,試驗箱,制冷機械等設備。
    4.露頭型探頭式工業熱電偶
    與前述密封探頭式熱電偶相比,此類傳感器的測量頭端部芯材有約3-5mm裸露于金屬管外,其優點是既與保護管保持絕緣,有較好的抗干擾性能,又具有反映速度快的優點,特別適用于各種以無腐蝕性氣體為介質的箱爐等。
    常用型號有:WRNT-202 ; WRET-202
    探頭長1=100、150、200、250、300、400m
    總長L=0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、4m等。
    5.露芯型探頭式熱電阻
    此類傳感器的測量頭端部內置芯材的部分保護管鉆有較密集的空氣對流孔,使管內的熱電阻可以盡量直接感受到測量對象的溫度,而不必再由保護管傳遞,其優點是既與保護管保持絕緣,由較好的抗干擾性能,又具有反映速度快的優點,特別適用與各種以無腐蝕性氣體為介質的高精度烘箱和試驗箱等對象.
    常用型號有:WZPT-202;WZCT-202
    6.壓簧式工業熱電偶
    由彈性測量頭、螺紋接頭、外套、彈簧、定位套、熱電偶導線組成,彈性測量頭伸縮范圍為15—25MM.
    該型傳感器由于測量頭與引線部分有較長的彈簧進行柔性過渡,因此比較適用于測量對象經常位移的對象,如熱燙印機和服裝機械等.該型傳感器使用效果的優劣與測量頭端部能否與被測物緊貼很有關系,使用時,要設法使工件的熱量能盡量迅速地傳遞到測量頭端部.另外定位套固定位的位置及撓度也要合適.
    常用型號有:WRNY-301; WREY-301
    總長L=0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、4m等。
   
    7.螺釘式工業熱電偶
    該傳感器由彈性測量頭,螺紋街頭,輸出軟導線等組成,安裝固定位螺紋街頭,一般為M6*13、M6*19、M8*20,適用于插入深度較小的場合.使用該型傳感器時也要將測量頭后部的引線連同測量頭作固定處理,以盡量避免測量頭后部處的引線無謂彎折斷裂而影響使用壽命.
    型號有: WRNL-301; WREL-302 WREJ-301 WREJ-302
    總長L=0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、4m。
    8.表面型圈型熱電偶
    該型傳感器可用緊固圈直接將測量頭固定在被測對象表面,故屬表面型傳感器,用來測量圓筒狀物體表面的溫度.其緊固圈內徑d可根據用戶要求制作,保護管為不銹鋼管.主要用于注塑機的料筒等,由于表面溫度與內芯溫度有可能存在誤差,故使用該型傳感器時最好配有具有 “傳感器誤差修正功能”的二次儀表,如-7401,-7601等,使得顯示的溫度值盡量與目標真值相一致.
    型號有: WRNM-701 WREM-701
    總長L=0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、4m。
    9.墊圈型表面熱電偶
    該型傳感器的主要特點是安裝非常簡單,只須用一個M5或M4的螺釘即可將傳感器安裝在被測對象上,由于安裝方式所決定,該型傳感器也也屬表面傳感器,用來測量平面狀物體表面的溫度.為了獲得盡量精確的結果,安裝時須在傳感器與被測對象之間涂上一層導熱硅脂,并在傳感器外部覆蓋上玻璃絲棉等耐溫絕熱材料,以使測量結果盡可能地接近于實際值.
   
    1 0.滾輪式表面熱電偶
    該型傳感器主要用作滾動狀園筒的表面溫度測量
    11.手持針式食品溫度傳感器
    該型傳感器主要用作加工過程中食品內部的溫度測量.
    八.溫度傳感器的選用和安裝使用
    1.選用
    應根據不同的使用場合正確選用傳感器的種類,測量范圍,安裝方式,外形尺寸,精度等級及品種規格:
    鎳鉻-鎳硅(K型)熱電偶的熱電勢線性號,使用于氧化性和中型氣氛中測溫,對金屬蒸汽的適應性強,但熱電勢值較小,宜用于較高溫度下測溫.
    鎳鉻-銅鎳(E型)熱電偶的熱電勢大,耐腐蝕性較號,非磁性,適用于氧化及弱還原性氣氛中測溫.
    銅熱電阻價格低廉,可用于測量室溫和熱水器溫度.
    鉑熱電阻測量精度較高,適用于測溫精度要求較高且無劇烈震動的場合.
    簡易型工業熱電偶適用于多種場合,特別適用于原采用玻璃鉑電阻,精度要求又一般的場合,可大幅度延長使用壽命.
    螺釘式普通熱電偶使用包裝機械,服裝機械,印刷機械等薄型加熱對象溫度測量.
    探頭式傳感器使用各類烘箱,烤爐低溫電爐,印刷機械等行業;
    壓簧式熱電偶適用于加熱對象需要經常移位的壓盆機,餐具機械,注塑機等行業;
    表面熱電偶適用于旋轉對象的表面溫度測量,適用于印染,造紙,紡織等行業;
    表面型圈形熱電偶使用于注塑機出料口(料頭)等小型薄壁腔式加熱對象的測溫;
    墊圈型或鴨嘴型表面熱電偶適用于對加熱對象無法鉆深孔的模具表面溫度等測量;
    針入式食品溫度傳感器主要用于肉類食品加工中的烘烤和消毒工序,其最大特點是溫度反映速度快,可持手,耐彎折和符合國家食品衛生標準.
    對液體和具有腐蝕性氣體的對象進行測量時,應該選用密封型的探頭式或標準型傳感器,測量對象為無腐蝕性氣氛的介質時,宜采用露頭,露芯傳感器,以盡量提高響應速度.
    對強酸,堿性介質作溫度測量,應采用特制的玻封或包氟保護管傳感器.
    2.安裝使用
    熱電偶傳感器的溫度感知區域在端部約5-20MM處,熱電阻傳感器的溫度感知區域在端部約5-70MM處,在計算插入深度值時應考慮到這點區別.
    傳感器應盡可能要安裝在置放工件的位置上,避免安裝在爐門旁邊或應盡可能保持垂直,但在有流速的情況下則必須使測量頭逆向傾斜安裝.如果需要固定傳感器,可在容器壁上開一個比傳感器的安裝螺紋外徑略大的固定用孔,用所附的螺帽把傳感器安裝固定在容器上,在測量對象為非氣體或液體時(如注塑機的料筒),務使傳感器感溫部分與被測物體緊密接觸,以提高響應速度和降低傳遞誤差.
    如熱電偶的輸出線要加長,應使用與所用熱電偶分度號相對應的補償號線同極性加長,再與二次儀表連接.傳感器連線或補償導線應直接與儀表接線端連接,避免使用普通導線,否則會帶來誤差.連線要盡可能少彎折,以延長使用時間,必須頻繁彎折窗內起連線的傳感器應作專門設計(特殊訂貨).傳感器引線應避免和動力導線,負載導線繃扎在一起走線,以免因引入干擾而降低系統的穩定性.
    九.濕度傳感器
    1.雙鉑電阻干,濕溫差型濕度傳感器
    這種濕度傳感器屬經典型的,唯一可以與二次儀表共同進行精確度驗收的傳感器,其測量濕度的原理是:
    同一環境下,濕溫的高低主要取決于蒸發量的大小,而蒸發量的大小又主要受環境空氣濕度所影響,故同時分別測出干溫值和濕溫值九可以計算出濕度值:
    e etw-A×P(T-TW)
    U=------×100% =-----------------×100%
    ew ew
    式中:U-----相對濕度,%RH
    e-----實際水氣壓,PA;
    ew-----干球溫度t所對應的純水平面飽和水汽壓,kPa;
   
    A-----干濕表系數,℃;其值由干濕球濕度表類型和干濕球溫度表球部處風速決定.P—實際大氣壓,kPa; T-TW ----干濕球溫度差, ℃.
    由于單片計算機在二次儀表中的成熟應用,過去使用干濕溫度差型濕度儀表時必須的的查表和繁雜的計算工作均已由儀表自動完成,用戶只需根據當地當時的工況輸入風速和氣壓值即可直接讀出濕度值,且測量精確度可達到±0.5% .
    2.電容濕度傳感器
    特點是響應速度快,在長時間處于飽和狀態后能快速脫濕而投入使用,對使用環境中的風速,氣壓等參數較不敏感.
    HF3223濕度傳感器特性參數(Ta=25℃,Vs=DC5.OV,RL﹥100K,除非特別說明)
    參數 符號 最小值 典型值 最大值 單位
    濕度量程 RH 10 95 %RH
    相對濕度精度(10-90%) RH ±5 ±10 %RH
    供電電壓 Vs 4.75 5.0 5.25 VDC
    典型輸出@RH=55% Fout 8670 8670 8830 Hz
    消耗電流 Ic 0.1 Ma
    溫度效應 Tcc ±0.1 %RH/℃
    平均靈敏度(33—75%RH) Fout/RH -16 -18 -19 Hz/%RH
    吸收電流容量 Is 100 uA
    150小時結露的恢復時間 T 10 s
    溫度遲滯 ±0.5 %RH
    長時間穩定性 0.5 %RH/yr
    反應時間(33—76%RH,static, @63%) t 10 s
   
    HM1500濕度傳感器特性參數(Ta=23℃,Vs=5.0VDC,RL>1M,除非特別注明)
    參數 符號 最小值 典型值 最大值 單位
    濕度量程 RH 1 99 %RH
    相對濕度精度(10~90%) RH ±5 %RH
    供電電壓 Vs 4.75 ±3 5.25 VDC
    典型輸出%RH=55% Fout 2.42 5.0 2.54 V
    消耗電流 Ic 2.48 0.8 mA
    溫度效應(0-60℃) Tcc 0.4 %RH/℃
    平均靈敏度(33—75%RH) mV/%RH ±0.1 Hz/%RH
    吸收電流容量 Is +25 uA
    150小時結露的恢復時間 T 300 s
    溫度遲滯 10 %RH
    長時間穩定性 ±1.5 %RH/yr
    輸出阻抗 Z 0.5 s
    反應時間(33—76%RH,static, @63%) t 70 Ω
    5 S
   
    十一.CC-HE-1霍爾磁感應傳感器
    霍爾磁感應傳感器根據半導體霍爾器件對磁場敏感的原理制成,具有對光線和電場不敏感、可靠性高、使用壽命長的特點.與本廠生產的J□□-系列計數器連接,可廣泛使用于紡織、食品及各種需計數、計長度的裝置中作無觸點開關量輸入之用.
    主要性能:
    1. 檢測距離:≥3mm
    2. 供電電壓:DC 5~12V
    3. 工作環境溫度;0~12V
    4. 固定形式;螺紋M12×1或開孔¢13
    5. 配高磁性磁鐵一塊,配M12×1扁螺母二只
    外形及接線方式;
    十二.其他溫度傳感器
    1. PN結溫度傳感器
    利用半導體PN結制成的AD590、LM34、LM35等溫度傳感器在120℃以下也有一定的應用,其優點是輸出信號大,一般可達10MV/℃;工作電流也僅為0.1MA以下,價格較低,線性度好,對由工作電流變化而導致的誤差較小,還可采用二線制方式遠傳.不足是互換精度一般在±1℃左右,綜合誤差在±(1.5~3℃)左右.
    2. 熱敏電阻溫度傳感器
    熱敏電阻分正溫度系數和負溫系數二大類,主要用于電子電路某部分的溫度補償,其優點是價格低廉,響應速度快,輸出信號大,弱點是溫度—電阻線性度和互換性極差、時間漂移大,怕急冷急熱和外力沖擊、摔打,可用范圍僅限于-20-300℃左右,目前己極少在重要系統中采用.
    十三.其他輸入量
    1. 0~10mA電流輸入:
    主要配接以DDZ-II型變送器輸出的電流訊號,負載電阻一般為800歐左右,最高不能超過1000歐.如果各記錄、顯示儀表及信號采集卡等輸入電阻綜合不超過上訴標準,而且系統各部分除了輸入電路以外其余部分都實現了直流隔離和交流共地,那么DDZ-II型變送器輸出的電流訊號可以被系統各部分儀表所共享
    2. 4~20mA電流輸入:
    主要配接以DDZ-II型變送器輸出的電流訊號,負載電阻一般為250歐左右,最高不能超過300歐.
    3. 其他電壓量
    YBT壓力變送器、YSH微差壓變送器、CP型膜片式差壓計、LC橢圓齒輪流量計、稱重傳感器及目前以霍爾器件、硅應變片等作轉換器件的壓力、稱重傳感器類一次儀表,輸出大多是20~50mV左右的電壓信號。也有的經過處理,輸出1~5V或0~2V等的電壓信號;有的非線性信號。因此,二次儀表的輸入阻抗要盡可能高,儀表抗串模干擾和由工頻及射頻造成的工模干擾能力的性能要盡可能地好。
    如果一次儀表的輸出內阻較低(幾百歐內),而配用的二次儀表輸入阻抗較高(幾兆歐),而且各二次儀表的輸入端口無殘存的消零電壓,除了輸入端口外,二次儀表的其他端口都作了直流隔離處理,在此前提下,調節儀、記錄儀、報警儀等可以用并聯方式共用一個電壓信號源.
    4.頻率信號
    產品計數、轉速測量、高分子式或電容式濕度傳感器、液位計等,也經常以頻率信號作輸出,對于頻率輸出的傳感器,一般要求傳感器源阻抗要比較低,有數伏的電壓幅值,二次儀表的輸入阻抗要與之匹配.這樣對抗干擾較為有利.
    5.電阻信號
    YTZ-150等遠傳電阻式壓力變送器輸出的是從十余歐至數百歐的電阻變化信號,而且一般只能允許流過約一毫安的電流,有的產品需要在現場核正初始值核滿度值,如果配用-7□□□智能型二次儀表,現場校正工作會變得輕而易舉.
    6. 電容傳感器
    利用二金屬片之間距離改變而致的電容量改變現象,可制成壓力、速度、稱重等傳感器;利用高分子介質吸濕后電容發生變化,可制成濕敏傳感器.由于電容傳感器一般都有容量變化小、輸出阻抗高,對溫度變化敏感等不足,因此一般都先進行內部溫度補償,再將電容量的變化轉化稱電壓量或組成電容電橋以頻率的方式輸出.
    7. 數字傳感器
    隨著計算機技術的發展,能直接輸出數字信號的溫度、壓力、濕度、扭距等傳感器也已有應用,該型傳感器的最大優點在于可以用三,四跟導線將幾十上百各分布面積極廣的傳感器并聯接至帶微機處理的二次儀表,特別適用于超多路的巡回檢測報警系統和平衡調節系統.數字傳感器的抗干擾能力強,對連接導線造成的內阻、分布電容等不甚敏感,代表了一次儀表在信號傳遞方式上的發展趨勢。
    隨著生物技術、材料制造及工藝水平的提高,絕對濕度傳感器、溫度超過100℃,濕度在10%以下的高溫低濕度傳感器、露點傳感器、電化學生物傳感器、氣體傳感器、壓電效應傳感器、光敏傳感器、磁敏傳感器、射線傳感器、吸光型光纖傳感器、電量傳感器、流量或流速傳感器、位置傳感器及濃度、粒度和硬度傳感器等已幾無窮盡。但在精度、可重復性、應用環境、價格等方面的指標方面仍有很大離散性.
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