热电偶与RTD-选择合适的温度传感器

热电偶 (TC) 和电阻温度检测器 (RTD) 是自动化和过程控制中使用最广泛的温度传感器。它们被嵌入在电机、阀门、涡轮机、轴承和许多其他设备中。大多数智能仪表，如流量计、压力变送器和液位变送器，也有一个嵌入式温度传感器——用于校正主要测量变量或用于过程控制。

单独使用时，温度传感器通常安装在插入罐、容器和管道中的热电偶套管中。热套管保护传感器免受环境影响，但会减慢响应时间并降低精度。在热电偶套管中安装传感器是一个不同的主题，这里不会介绍。相反，本文讨论的是直接浸入式传感器；即，直接插入并暴露于过程中而没有热套管保护的 TC温度传感器 和 RTD温度传感器。

操作理论

热电偶由两根不同金属的导线组成，两端连接 - 在过程外的参考点（冷端）和测量点的连接点（热端）。金属对温度变化的反应不同，并根据结之间的温差（塞贝克效应）产生电动势 (EMF) 电压。电阻温度检测器基于电线中的电阻随温度增加的原理。

在这两种情况下，传感器都连接到经过校准的传感器或信号调节器，以接受输入电压或电阻，计算正确的温度，并将其作为 4-20 mA、mV 或数字信号输出到自动化系统.

以上内容非常基础，但它提出了选择传感器时要考虑的第一个问题：如何将传感器连接到传感器、信号调节器或自动化系统？此类设备和系统本质上是电子的，需要安装在合理安全的位置，远离高温。

TC 必须使用热电偶延长线接线，与 TC 中使用的电线相同。例如，K 型 TC温度传感器使用一根镍铬线，该线在传感结处连接到一根镍-铝镍线。延长线必须是相同的成分，即一根镍铬丝和一根镍铝丝。通常，不鼓励使用更长的延长线，因为这些延长线充当天线，使测量更容易受到电磁和射频干扰。在处理长延长线时，成本也可能是一个问题，尤其是那些使用特殊材料（例如 R 型 TC）的延长线。在某些情况下，可以使用由具有与 TC 相似 EMF 特性的较便宜材料制成的补偿电缆。

绕线 RTD温度传感器元件易碎，因此它们被放置在保护套中。

另一方面，RTD温度传感器可以使用标准电缆连接更远的距离；然而，它们通常受到与自热错误相关的问题的限制。在这两种情况下，必须对延长线进行屏蔽以防止设备中的电噪声。请注意，TC 延长线比 RTD温度传感器电缆更容易受到噪声的影响。

传感器结构
绕线 RTD 由缠绕在陶瓷或玻璃元件上的细线圈线组成，然后放置在带护套的探头中进行保护（见图 1）。薄膜 RTD 在陶瓷基板上具有铂涂层。薄膜 RTD温度传感器不像绕线式 RTD温度传感器那样易受振动影响，但通常在其适用温度范围内受到更多限制。

绕线 RTD温度传感器通常由铜、镍或铂合金制成。铂金是最受欢迎的，因为它具有更好的精度并且可以在更宽的温度范围内工作。RTD温度传感器可以用胶带或胶粘到表面上，安装在探头中，或通过螺纹孔嵌入设备中。

热电偶不像 RTD温度传感器那样脆弱，通常由金属覆盖物保护，金属覆盖物可以用螺栓固定、焊接、钎焊或粘在表面上。在某些情况下，温度结点可以暴露在环境中，从而缩短响应时间（见图 2）。

接地可能是一个问题。TC 会积聚静电荷，影响其精度，因此可能需要接地。但是，当接地到电气设备或机器时，TC 也会拾取电路噪声。确定是否将 TC 接地取决于特定应用的具体情况，例如测量环境和接地电路中存在的电噪声量。

恶劣的环境
温度传感通常在“不友好”的环境中进行，例如腐蚀性、氧化性或还原性气氛，通常伴随着剧烈的振动和电噪声。选择 RTD 或 TC 时，必须考虑环境。如果过程环境造成传感器故障的风险很高，则应考虑使用适合过程环境的材料制成的热套管。

振动- 绕线 RTD 最容易受到振动的影响。在高振动应用中，线绕 RTD 可能会因机械应力而失效，因此不应使用。薄膜 RTD 对振动的耐受性更高，但不如 TC，后者具有最高的抗振性。

电噪声- 如上所述，RTD 和 TC 的延长线都容易受到电噪声的影响。在高噪声环境中，延长线应进行护套、屏蔽、接地并尽可能短。RTD 是高噪声环境中更好的选择。

恶劣环境- 在处理恶劣环境时，请检查 RTD 或 TC 传感器制造商是否提供针对不利条件的保护。保护外壳中的绕线 RTD 非常坚固，并且不受大多数​​环境问题的影响。为了提供额外保护，RTD 可以涂上全氟烷氧基 (PFA) 聚四氟乙烯，用于电镀浴、高压系统或类似应用。RTD 延长线可使用聚氯乙烯、PFA 或玻璃纤维绝缘材料进行保护。

TC，尤其是那些带有金属外壳的 TC，比 RTD 坚固得多，并且能够更好地处理腐蚀性或氧化性环境。当使用暴露的 TC 结时，必须在恶劣的环境中特别小心。

TC 按类型分类，即 E、J、K、N、T、S、R 和 B 型。每种类型适用于从 -201°C 到 1700°C 的特定温度范围，每种类型的构造使其适用于各种环境：

●E型：适用于真空、惰性、轻度氧化或还原气氛
●J型：可以使用，暴露或未暴露，在缺乏游离氧的情况下
●K 型：通常需要金属或陶瓷保护
●N 型：在存在硫的情况下抗氧化
●T型：可用于氧化或还原气氛
●S、R、B 型：应始终使用陶瓷管、瓷辅助管和碳化硅或金属外管根据条件进行保护

其他注意事项

测量范围： RTD 可以测量高达 1000°C 的温度，但在 400°C 以上的温度下很难从 RTD 获得准确的测量值。TC 的测量温度最高可达 1700°C。普遍接受的规则是：对于低于 850°C 的温度，使用 RTD 以确保准确性；对于高于 850°C 的温度，请使用 TC。工业测量通常为 200°C 至 400°C，因此 RTD 可能是该范围内的最佳选择。

响应时间：虽然两个传感器都能快速响应温度变化，但 TC 更快。然而，在某些情况下，制造工艺允许生产响应时间大大缩短的薄膜 RTD。

尺寸： 两个传感器都相当小，直径约为 0.5 毫米。如果安装传感器的空间有问题，请与供应商联系以了解尺寸和安装选项。

振动：通常，TC 比 RTD 对振动更不敏感。然而，在某些制造工艺中，可以生产出比标准 RTD 具有更高抗振性的薄膜 RTD。

自加热： RTD 由非常细的线或非常细的涂层制成，需要来自电源的电压 - TC 不需要电源。虽然所需的功率只有 1 mA 到 10 mA，但它会导致 RTD 中的铂元素“升温”，从而影响测量的准确性。如果使用长延长线，可能需要更多功率来克服电线中的电阻，从而增加自热问题。

稳定性：RTD 的长期稳定性非常好，这意味着它的读数将在很长一段时间内具有可重复性和稳定性。另一方面，TC 倾向于漂移。由于传感元件的氧化、腐蚀和其他冶金特性的变化，TC 产生的 EMF 会随时间发生变化。TC 漂移是不可逆的，需要一些措施来检测它，例如软件或测试环路电阻。

准确度：一般来说，RTD 比 TC 更准确。RTD 可以产生 0.1C 的精度，而 TC 通常只能精确到 1C。

虽然不是技术问题，但 TC 比 RTD 便宜得多，主要是因为生产成本较低。根据特定应用所需的传感器数量，这可能是一个主要因素。

仔细选择正确的温度传感技术对于确保最佳性能、可靠性和成本效益至关重要。在决定使用哪种类型的传感器时，同时销售 TC 和 RTD 的供应商通常是很好的信息来源，就像以前在各种应用中使用不同类型传感器的经验一样。

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