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温度测量误差源的描述以及最小化对应误差的最佳措施

来源:作者:上海自动化仪表三厂发表时间:2018-11-09

    温度是最常测量的参数,但在许多方面它是最不被理解的。用一个人可能合理预期的精度测量这是一个非常困难的参数。

    为了获得优于0.2°C(0.4°F)的精度,需要非常小心。由于存在温度梯度,气流,传感器非线性,热接触不良,校准漂移,辐射能量和传感器自热,会发生错误。

    通常,通过单独校准可以极大地提高所有传感器类型的精度。有关更多信息,请参阅我们上海自动化仪表三厂的传感器类型的相应页面。

    本节中的信息面向电子温度计 - 电子温度计可以连接到测量仪器,例如:数据采集系统,数据记录器,控制系统或图表记录仪。

    但是,还有各种各样的温度计可用于手动温度测量。这些包括:玻璃温度计,各种气体温度计,压力温度计,双金属温度计和温度敏感涂料或薄膜温度计。

温度测量困难吗?

    答案取决于温度,被测材料和您对精度的期望。下表总结了在一系列温度范围内测量温度的难度:


    在具有适当标准和设备的实验室中,可以将温度测量为0.001°C(1°C)或甚至更好。这通常通过使用优质铂温度传感器和/或S型热电偶在两个标准之间插值(估计值)来完成。

    在测量温度时,牢记您的目标非常重要。准确识别要测量的内容和所需的准确度。如果准确的温差是最重要的,那么考虑使用热电堆以避免需要紧密匹配的传感器。


温度测量误差的来源

    在使用温度传感器时,考虑热量流动的位置是有帮助的。这适用于护套和未护套传感器。了解热阻及其位置对于识别潜在的误差来源特别有用。

    下图显示了温度测量的一些复杂性。注意被测材料中存在热梯度。当测量导热性差的材料时,例如塑料甚至不锈钢,这些梯度会特别麻烦。



以下是温度测量误差源的描述以及有关最小化这些误差的一些建议。

1.传感器校准

    传感器校准误差可能是由于偏移,比例和线性误差造成的。此外,这些误差中的每一个都会随着时间和温度循环而漂移。滞后(其值取决于接近的方向)可以通过一些传感器注意到,但是除了双金属条之外,其效果通常很小,其中它可以是几度。Platinum RTD被认为是最准确和最稳定的标准传感器。但是,单独校准的热电偶可以在相同的温度范围内接近。铂基热电偶可以像铂RTD一样稳定,并且覆盖更高的温度范围。

    传感器互换性通常是决定性因素。它指的是在不重新校准系统的情况下用另一个相同类型的传感器更换传感器时可能发生的最大温度读数误差。

    选择实用的校准参考可能是一个问题。对于专业用途,最好使用高质量的铂RTD(A级,5级)以及适当的指示器。其他参考文献包括冰水浴,传统玻璃温度计(特别是实验室级)和医用温度计。通常,ITS-90的定义参考点对于常规校准目的不实用。


2.热梯度

    热梯度通常是测量误差的主要来源。在测量导热性差的材料时尤其如此:空气,大多数液体和非金属固体。

    在流体的情况下,重要的是搅拌流体。未搅拌的冰浴(冰和水的混合物)可具有几度的垂直温度梯度。如果搅拌不实用,可以通过对被测系统进行绝缘来最小化梯度,以防止热量传入或传出系统。采用多个传感器实现空间分集并平均读数是另一种解决方案。


3.传感器引线中的热传导

    除非接触式和光纤类型之外的所有传感器都需要将导线连接到传感器。这些电线通常是铜,是一种优良的导热体。这些电线的放置会对精度产生重大影响。

    导线允许热量流入或流出传感器主体,从而需要传感元件与被测材料更好地热接触,否则将需要。在测量隔热材料的温度时,这可能是误差的主要来源。

有三种解决方案,所有这些都是良好的标准做法:

    用作传感器连接的实用细线。(注意:这与高温热电偶测量的优良做法相矛盾,其中反向规则适用 - 使用最实用的最粗线)

   将电线放入或靠着被测材料,这样它们实际上有助于将材料的温度传递到传感器中。



    通过将导线与渐变成一定角度,尝试最小化传感器导线的热梯度。由于较长的导线长度,这确保了更高的热阻。


4.辐射

    辐射热可能是测量空气温度的主要误差来源。阳光下的传感器几乎肯定会读取明显高于实际空气温度的传感器。为避免此错误,必须屏蔽传感器以免受辐射能量源的影响。太阳是最明显的来源,然而几乎任何与空气温度不同的物体都是麻烦的辐射能量的潜在来源(或下沉)。


最佳解决方案如下:

    确保传感器的外表面高度反射红外辐射(即涂成白色或具有明亮的金属表面)

    通过具有良好的表面积与体积比,确保传感器与空气热连接良好。小型传感器通常更好。

    将传感器放置在通风的辐射屏蔽中,该屏蔽在外部和内部也具有高反射表面

    确保传感器具有较高的表面积与体积比,以确保与空气的良好热接触

    测量高温时,辐射热损失可能是传感器误差的根源。同样,适用相同的规则。在传感器上使用反射表面涂层,尽可能屏蔽传感器,并确保与被测介质的良好热接触。


5. 传感器自热

    热敏电阻,RTD和半导体传感器需要施加激励功率以便可以进行读取。该功率可以加热传感器,从而导致高读数。效果取决于传感元件的尺寸和功率水平。通常,自加热效应的大小在0.1°C和1.5°C之间。


最佳解决方案如下:

    校准自热效应。这可能是最简单的解决方案。但是,设备必须有时间“预热”,并且对于具有不同热特性的介质(例如空气和水)需要不同的校准

    使用尽可能低的激励功率。但是,必须在自加热和灵敏度(以及信噪比)之间进行折衷

    避免不必要的小型传感元件 - 它们比大型元件更能自热

    在读数之间切断激励电源。如果在传感器有时间加热之前可以快速读数,并且在读数之间有足够的时间进行冷却,这是最好的解决方案

    避免自加热传感器类型 - 使用热电偶。然而,这并不是那么简单,因为测量装置可能使用本身易于自加热的参考结温度传感器。


6.热接触

    显然,与被测材料的热接触很重要,但所需的接触程度取决于与周围环境的其他寄生热连接,这可能对热流产生显着影响。这些寄生效应包括:铅传导,与其他材料(例如空气)的直接接触和辐射能量传递。

    如果传感器附近没有温度梯度,传感器的热接触可能很差,传感器仍能提供准确的读数。


7.热时间常数

    当温度变化时,传感器需要时间来响应。有些传感器响应很快,有些传感器响应不到一秒钟,而其他传感器则需要几分钟甚至几小时

    达到新温度63%的时间被称为“热时间常数”。大多数传感器有一个主导时间常数。然而,有时,存在较小但较长的时间常数会使测量过程混乱。有关详细信息,请参阅“ 测量方法”部分

    显然,如果温度变化比传感器能够跟踪的更快,则测量将是错误的。

最佳解决方案包括:

    使用响应速度更快的传感器

    改善热接触

    通过最小化与感测元件接触的材料来减少传感器的热质量,这与改善热接触无关

    使用反向匹配滤波器补偿读数。如果系统的热特性是恒定且已知的,则可以动态地预测温度。

    时长时间常数可用于对快速波动的温度提供平均效果。如果要利用这种效果,需要注意补偿响应中的相位(时间)延迟。


8.读出错误

    连接到传感器的测量设备永远不是完美的。测量设备,无论是:仪表,图表记录仪,数据采集板或数据记录仪,都可能具有校准,线性和温度相关的误差。

这些错误可以减少:

    根据已知参考校准读出设备

    使用参考温度或精密温度计(玻璃或RTD +读数)校准总传感器 - 读数系统

    温度对读出设备的影响可能是一个微妙的错误来源。建议在传感器温度保持恒定的情况下进行测试,但将读出装置放在烤箱或冷冻室中。这对于热电偶读出设备尤为重要,因为它们的性能会受到温度梯度和内部参考结感应质量的极大影响。


9.电噪声或干扰

    电噪声会在噪声抑制较差的系统中产生误差。使用“ 测量方法”部分中描述的标准程序将影响降至最低。其中包括:

    使用屏蔽双绞线

    远离电力电缆,变压器和电机

    将低通滤波器安装到测量设备中

    避免接地回路

    在某些工业过程中,电噪声可能非常强烈,以至于非接触式或光纤传感器是唯一的选择。


10.冷凝

    有时,在温度经常在露点循环的情况下,传感器和接线中的冷凝会聚集并成为漏电路径,从而导致错误。预防胜于治疗。

预防措施包括以下内容:

    确保传感器及其接线已密封。密封空气量时,确保空气干燥

    水分可通过毛细管作用沿着导线芯吸。这可以通过在传感器端密封导线,使用中等粘度的超级胶水,或使用两端的渗透油来抑制。

    冷凝可能是间歇性错误的根源,并且可能长时间未被识别。它还会导致腐蚀,由传感器激发功率加速,最终导致完全失效。半导体传感器特别容易透过水分渗透塑料封装的金属 - 塑料界面。

    蒸发冷凝也会导致蒸发冷却效应导致测量误差 - 这是一个微妙但真实的误差来源。


11.传感器机械应力

    许多温度传感器元件可以响应机械应力。例如,薄膜型RTD具有应变仪的外观,并且在机会的情况下表现得像一个。再次,预防胜于治疗。


预防措施包括:

    确保传感元件在安装时不会发生变形

    避免使用粘合剂将传感器连接到待测表面。线性膨胀的热系数的差异将引起机械应力

    使用对压力不太敏感的传感器 - 例如热电偶

    伤口(与薄膜相对)RTD可能容易受到振动损坏。在高振动环境中选择和安装传感器时要特别小心

    使用润滑脂优先于粘合剂以确保热连接。避免将传感器元件灌封在环氧树脂中

校准

    如果有资金,可以购买专用温度校准器。然而,这些都很昂贵,并不总是像人们预期的那样准确。

    为了在正常环境范围内进行校准,有两种低成本标准可以有效地用于实现0.2°C的精度。这些是由蒸馏水和??标准医用温度计制成的冰水混合物。这些点(0.0°C和约37°C)相距足够远,可在-20°C至+ 60°C范围内提供有用的校准。


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