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溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)與滯后,如何誤差避免?

發(fā)布時(shí)間:2017-06-08 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】溫度傳感器時(shí)間常數(shù)和滯后與溫度傳感器的熱容量和熱阻有關(guān),除選用時(shí)間常數(shù)、滯后小的溫度傳感器外,還應(yīng)保證合理插入深度和正確安裝方法,才能保證溫度測量準(zhǔn)確性、溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質(zhì)量。
 
溫度傳感器利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為可用輸出信號(hào)。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分,品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類,按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類?,F(xiàn)代的溫度傳感器外形非常得小,這樣更加讓它廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域中,也為我們的生活提供了無數(shù)的便利和功能。
 
溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)與滯后改善措施
 
溫度傳感器時(shí)間常數(shù)和滯后與溫度傳感器的熱容量和熱阻有關(guān),除選用時(shí)間常數(shù)、滯后小的溫度傳感器外,還應(yīng)保證合理插入深度和正確安裝方法,才能保證溫度測量準(zhǔn)確性、溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質(zhì)量。
 
 
溫度傳感器時(shí)間常數(shù)和滯后
 
實(shí)踐證明熱電偶、熱電阻、雙金屬溫度計(jì)當(dāng)被測溫度突然發(fā)生變化時(shí),其輸出會(huì)延遲一段時(shí)間,這段延遲時(shí)間△τ一般叫做純滯后或純時(shí)延。在延遲△τ后,會(huì)以近似于指數(shù)曲線的規(guī)律變化(如下圖所示),如忽略△τ,并以介質(zhì)溫度變化做計(jì)時(shí)起點(diǎn),則上述曲線符合T=△T(1-e-t/τ),此式中T為溫度;△T為溫度變化;t為時(shí)間;τ為時(shí)間常數(shù)。時(shí)間常數(shù)及時(shí)反應(yīng)曲線起點(diǎn)的切線與平衡溫度交點(diǎn)A所對(duì)應(yīng)的時(shí)間,也就是輸出變化63.2%△T所需要的時(shí)間。
 
 
正確認(rèn)識(shí)和對(duì)待溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)和滯后,是一個(gè)很重要的問題。其關(guān)系到能否正確測量溫度,及時(shí)反映被測量溫度的變化。其對(duì)溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制質(zhì)量好壞,具有舉足輕重的作用,所以是一個(gè)不容忽視的問題。
 
如何改善溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)和滯后
 
溫度傳感器時(shí)間常數(shù)和滯后的大小,取決于元件的熱容量和熱阻。因?yàn)闇囟葌鞲衅魃郎匦枰找欢ǖ臒崃浚渥兓?℃所需要的熱量就是溫度傳感器的熱容量,熱容量越小越好。溫度傳感器傳熱又需要克服熱阻,這和元件的結(jié)構(gòu)、大小都有直接的關(guān)系。金屬是熱的良導(dǎo)體,熱阻的大小常受溫度傳感器的氣隙、絕緣物、保護(hù)套管的影響。
 
溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)和滯后較大,通??傻綆资氲綆追昼?,因此對(duì)測量和控制溫度的影響是很大的,尤其是對(duì)溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。所以在現(xiàn)場應(yīng)用中,除應(yīng)該選擇時(shí)間常數(shù)和滯后較小的溫度傳感器外,還應(yīng)該注意溫度傳感器的安裝方式。即安裝時(shí)要有一定的插入深度,尤其是熱電阻,插入深度不夠往往會(huì)造成較大的誤差;再就是工藝管道較細(xì)時(shí),一定要局部加粗管道,或者盡量吧溫度傳感器安裝管道的彎頭上,要使溫度傳感器對(duì)著流體的流動(dòng)方向;測量氣液相介質(zhì)的溫度時(shí),最好測量液相溫度,因?yàn)橐合鄿囟鹊膭?dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定性優(yōu)于氣相溫度;必要時(shí)還可以采取在保護(hù)管與熱元件間填充金屬屑或其它導(dǎo)熱材料(鎧裝熱電偶或鎧裝鉑電阻就是在保護(hù)管和元件之間填充高純度氧化鋁粉),對(duì)于熱電偶還可以采用露端式或接殼式熱電偶。
 
影響溫度傳感器測溫效果的因素

1.插入測量介質(zhì)的深度
 
最重要的是測溫點(diǎn)的選擇,對(duì)于生產(chǎn)工藝的過程來說,測量溫度的位置,要具有典型性和代表性,不然就失去了測量的意義。在溫度傳感器插入被測量場所的時(shí)候,沿著傳感器的長度方向?qū)?huì)產(chǎn)生一些熱流。當(dāng)環(huán)境溫度比較低的時(shí)候就會(huì)有熱量損失。導(dǎo)致溫度傳感器與被測量介質(zhì)的溫度不一致從而會(huì)產(chǎn)生測溫誤差。因此,由于熱傳導(dǎo)而引起的測量誤差,跟插入的深度有關(guān)。而插入深度又與保護(hù)管的材質(zhì)有關(guān)系。
 
在不同的材質(zhì)中,由于金屬保護(hù)管的導(dǎo)熱性能好,它插入深度應(yīng)該深一些,而陶瓷材料絕熱性能好一些,可插入淺一些。有些方面,對(duì)于工程測溫,插入深度還跟測量對(duì)象是靜止還是流動(dòng)的等一些狀態(tài)有關(guān),例如流動(dòng)的液體或高速氣流溫度的測量,不會(huì)受上述限制,插入深度也可以淺一些,具體的數(shù)值應(yīng)由實(shí)驗(yàn)來確定
 
2.與測量介質(zhì)的響應(yīng)時(shí)間
 
溫度傳感器中接觸法測溫的基本原理是測溫元件要跟被測對(duì)象達(dá)到一個(gè)熱度的平衡。所以,在測溫的時(shí)候我們需要將他們保持一定時(shí)間,才能夠讓兩者達(dá)到一個(gè)熱度平衡。而保持時(shí)間的長或短,就跟測溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān)系了。而熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于溫度傳感器的結(jié)構(gòu)以及測量的條件,差別很大。因此,一般普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對(duì)象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后,而且還會(huì)因?yàn)檫_(dá)不到熱度平衡而產(chǎn)生一些測量誤差。
 
所以,我們最好選擇響應(yīng)速度比較快的傳感器。對(duì)溫度傳感器而言除了保護(hù)管影響外,還有就是感溫元件的測量端直徑大小也是其主要因素,即感溫元件越細(xì),測量端直徑越小,其熱響應(yīng)時(shí)間就會(huì)越短。
 
3.被測介質(zhì)會(huì)使熱阻抗增加
 
有種情況,在高溫下使用的溫度傳感器,如果被測量的介質(zhì)形態(tài)為氣態(tài)時(shí),那么保護(hù)管表面沉積的一些灰塵等將燒熔在保護(hù)管的表面上,使得保護(hù)管加厚,它的熱阻抗增大。如果被測介質(zhì)形態(tài)是熔體的時(shí)候,在使用的過程當(dāng)中會(huì)有爐渣沉積在上面,不僅增加了溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間,而且還會(huì)讓指示溫度偏低,從而出現(xiàn)偏差,所以,我們要定期檢定外,還要為了減少誤差,經(jīng)常抽查也是很有必要的,對(duì)溫度傳感器的使用時(shí)很有幫助。
 
 
如何避免溫度傳感器的誤差
 
我們要避免溫度傳感器誤差,就要了解引起溫度傳感器出現(xiàn)誤差的原因,才能更好的試用溫度傳感器讓它發(fā)揮自己的最大價(jià)值。接下來小編教大家如何避免誤差。
 
1:溫度傳感器安裝位置問題:安裝位置不能靠近們或者加熱的地方,至少插入深度要為保護(hù)管直徑的8~10倍。不該把溫度傳感器和動(dòng)力電纜線裝在同一根導(dǎo)管內(nèi)以免引入干擾造成誤差。
 
2:溫度傳感器的絕緣問題:如熱電偶絕緣了,保護(hù)管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良,在高溫下更為嚴(yán)重,這不僅會(huì)引起熱電勢(shì)的損耗而且還會(huì)引入干擾,由此引起的誤差有時(shí)可達(dá)上100度。
 
3、熱阻誤差:高溫時(shí),如保護(hù)管上有一層煤灰,塵埃附在上面,則熱阻增加,阻礙熱的傳導(dǎo),這時(shí)溫度示值比被測溫度的真值低。因此,應(yīng)保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔,以減小誤差。
 
4、熱惰性引入的誤差:由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化,在進(jìn)行快速測量時(shí)這種影響尤為突出。所以應(yīng)盡可能采用熱電極較細(xì)、保護(hù)管直徑較小的熱電偶。測溫環(huán)境許可時(shí),甚至可將保護(hù)管取去。由于存在測量滯后,用熱電偶檢測出的溫度波動(dòng)的振幅較爐溫波動(dòng)的振幅小。測量滯后越大,熱電偶波動(dòng)的振幅就越小,與實(shí)際爐溫的差別也就越大。
 
出現(xiàn)以上問題之后用戶對(duì)產(chǎn)品就可能會(huì)產(chǎn)生懷疑,可熟不知有可能是自己不正確安裝等操作失誤所導(dǎo)致,先不要懷疑溫度傳感器問題,按照以上幾點(diǎn)檢查溫度傳感器是否絕緣,安裝是否正確。
 
 
如何保證溫度傳感器的最佳測量
 
溫度傳感器在安裝和使用時(shí),其實(shí)只要多注意是可以保證最佳的測量的,下面小編就來具體介紹一下吧。
 
1、安裝不當(dāng)引入的誤差
 
如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實(shí)溫度等,換句話說,熱電偶不應(yīng)裝在太靠近門和加熱的地方,插入的深度至少應(yīng)為保護(hù)管直徑的8~10倍;熱電偶的保護(hù)套管與壁間的間隔未填絕熱物質(zhì)致使?fàn)t內(nèi)熱溢出或冷空氣侵入,因此熱電偶保護(hù)管和爐壁孔之間的空隙應(yīng)用耐火泥或石棉繩等絕熱物質(zhì)堵塞以免冷熱空氣對(duì)流而影響測溫的準(zhǔn)確性;熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100℃;熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避開強(qiáng)磁場和強(qiáng)電場,所以不應(yīng)把熱電偶和動(dòng)力電纜線裝在同一根導(dǎo)管內(nèi)以免引入干擾造成誤差;熱電偶不能安裝在被測介質(zhì)很少流動(dòng)的區(qū)域內(nèi),當(dāng)用熱電偶測量管內(nèi)氣體溫度時(shí),必須使熱電偶逆著流速方向安裝,而且充分與氣體接觸。
 
2、絕緣變差而引入的誤差
 
如熱電偶絕緣了,保護(hù)管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良,在高溫下更為嚴(yán)重,這不僅會(huì)引起熱電勢(shì)的損耗而且還會(huì)引入干擾,由此引起的誤差有時(shí)可達(dá)上百度。
 
3、熱惰性引入的誤差
 
由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化,在進(jìn)行快速測量時(shí)這種影響尤為突出。所以應(yīng)盡可能采用熱電極較細(xì)、保護(hù)管直徑較小的熱電偶。測溫環(huán)境許可時(shí),甚至可將保護(hù)管取去。由于存在測量滯后,用熱電偶檢測出的溫度波動(dòng)的振幅較爐溫波動(dòng)的振幅小。測量滯后越大,熱電偶波動(dòng)的振幅就越小,與實(shí)際爐溫的差別也就越大。當(dāng)用時(shí)間常數(shù)大的熱電偶測溫或控溫時(shí),儀表顯示的溫度雖然波動(dòng)很小,但實(shí)際爐溫的波動(dòng)可能很大。為了準(zhǔn)確的測量溫度,應(yīng)當(dāng)擇時(shí)間常數(shù)小的熱選電偶。時(shí)間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比,與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比,如要減小時(shí)間常數(shù),除增加傳熱系數(shù)以外,最有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中,通常采用導(dǎo)熱性能好的材料,管壁薄、內(nèi)徑小的保護(hù)套管。在較精密的溫度測量中,使用無保護(hù)套管的裸絲熱電偶,但熱電偶容易損壞,應(yīng)及時(shí)校正及更換。
 
4、熱阻誤差
 
高溫時(shí),如保護(hù)管上有一層煤灰,塵埃附在上面,則熱阻增加,阻礙熱的傳導(dǎo),這時(shí)溫度示值比被測溫度的真值低。因此,應(yīng)保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔,以減小誤差。
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