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作者: 发布时间:2009-12-09 来源:ABB(中国)有限公司自动化产品部--仪器仪表部 繁体版
监测与控制关键流程参数(如压力、温度、液位及流量),可以优化工厂的绩效。随着自动化水平的提高,客户需要测量仪器具有更强大的功能、更高的可靠性以及精度。关于重要参数的准确信息对于流程工程师十分重要,有助于他
监测与控制关键流程参数(如压力、温度、液位及流量),可以优化工厂的绩效。随着自动化水平的提高,客户需要测量仪器具有更强大的功能、更高的可靠性以及精度。关于重要参数的准确信息对于流程工程师十分重要,有助于他们做出正确决定,并实现安全的工作环境。这些要求同样适合所有测量指标中最为经典的一项温度。

在不断变化的环境条件下准确地测量温度,这是工业测量专家所面临的最为严峻的挑战。例如,钢厂是非常经典的、近乎无法测量的情况。带材及棒材热轧厂中再热炉的背景温度可能会比测量对象高许多。炼钢流程(如镀锌层退火处理,在钢板上形成一个抗锈蚀层)中如缺少精密的温度测量,钢铁工业每年的损失将以百万美元计。

目前最为重要的趋势之一是从独立的机械式温度监视器转移到数字式网络化集成系统。机械式系统将继续用于电子系统无法工作的特殊应用,如极高的温度条件。不过,光学纤维、声学及振荡晶体技术的最新进展将推动新装置的开发,这些装置能够抵抗最为恶劣的环境,同时具有最高的测量精度。

用于温度测量的新老技术
温度是最常测量的环境物理量。这并不奇怪,因为它能影响大多数物理、化学、电子、机械与生物系统。某些流程仅在狭窄的温度范围内才能正常工作。在需要优化这些流程时,控制系统通过来自温度传感器的反馈而把温度保持在指定的极限内。

几种温度感测装置已得到广泛使用,例如电阻温度检测器(RTD)、热电偶、热敏电阻以及传感器集成电路(IC)。不过,非线性、不敏感性、自加热、长期稳定性不足、信号强度低以及对磁场的依赖等不利因素都会影响温度测定的精度。传统的测量技术至少具有其中的一项缺点。

更高的产品质量、更严格的环保规定、对生产率优化的更大需求都迫使工厂逼近最大极限。这反过来对所有传感器(包括温度)的精度和耐用性提出了挑战。

此外,ISO 9000所要求的强制性文献编制及可追溯性刺激了新材料的开发工作,并进一步提高了微系统技术。

新型传感器(光纤传感器、振荡晶体温度传感器和声学传感器)的使用目前仅限于特殊应用和实验室。对于工业用途,基于铂电阻温度计或热电偶的接触式温度计仍体现了耐用性、精度和经济性的最佳结合。

接触式温度计包含一个对温度敏感的元件,后者被集成在一个所谓的保护管中。它能保护传感器不受恶劣运行条件的影响,并使其不必中断流程便可更换。提供标准化保护管设计,用于不同的测量应用,如气体、蒸汽及液体。尽管用于严酷工业应用的测温元件外观相似,它们的长期稳定性和使用寿命实际上却有显著差异。组装、连接技术和材料品质的正确组合是实现温度测量精度和稳定性的关键。

变送器设计是温度测量技术领域中最为重大的创新。数字信号处理技术实现了故障补偿与自控功能,还能灵活地调整变送器,使其完成实际测量任务。

用回路供电的变送器模块(位于温度计的接线盒内)在世界各地得到使用,因为它能减少对电缆布线的要求,并且不易受到干扰的影响。目前,由于成本更低、更为强大的智能化HART转换器的出现,对流程工程中模拟仪器的需求正日渐减少。变送器可以与大多数常见的网络架构(如Foundation Fieldbus,PROFIBUS 及 HART)实现无缝对接。这给未来的温度测量技术带来了众多的诊断机会。1
1 温度变送器的演变


尽管变送器领域涌现了众多创新,人们对温度测量本身仍缺乏了解。误差来自于生产容错很高的测量元件,或是由于测量对象、保护管与测温传感器之间的热耦合不足。误差常常大于变送器的精度规格。例如,如果插入深度被错误理解、或安装情况不利,则有可能产生高达10 °C的测量偏差。

SensyTemp TSP100 及 TSP300系列温度计
在过程工业中,即便是易于使用的温度计也有可能引起问题,造成高昂的使用费用,并有时引起设施停运。唯一可行的保护方式是包含所有影响因素(从制造到安装及运行)的详细设计理念。

测温传感器是 SensyTemp TSP 系列温度计的核心 2 。在适当的 RTD(如常用的 PT 100)中,指定温度范围内元件的长期稳定性已得到验证。为了确保热元件的长期稳定性,生产过程必须遵循一定的程序。
2 温度探头


经过认可的激光焊接(具有参数可重复的特殊优点)保证了高品质的机械与电气连接,以及在极端运行条件下的可靠性。坚固的结构接受过耐用性测试,其中的抗振动值是德国标准化所 DIN1;要求数字的30 倍。

温度计的安装环境可以从室温条件直至可能引发爆炸的气氛。
SensyTemp TSP100 与 TSP300系列温度计满足与这些区域有关的所有要求。在测量具有不同压力和不同流速的气体、蒸汽及液体时,可以在一系列设计中选出最适合这一任务的保护管 3 。具有焊接保护管的温度计主要用于受到较低化学及机械压力的储罐与管道结构。在高压下,应采用具有钻孔材料的温度传感器。TSP121系列可用于过程工业中的所有标准应用。TSP331系列用于需要特殊坚固外壳或抗压外壳时。ABB还提供多种特殊解决方案,来满足客户的具体要求。这些被作为经过认可的客户定制标准而通行全球。
3 设计用于不同测试条件的保护管


一体化温度变送器模块TTH300新型TTH300温度变送器的功能是紧凑式模块设计变送器所无法企及的:两个真实输入,信号传输(420 mA),HART通信,以及用于连接本地操作与显示单元的串行接口 4 。变送器接线端便于从中心或外侧进行连接。这些适合用于直接铜焊信号线路,或并联手操器。只需把本地操作及显示单元扣在TTH300顶部,它们能自动连接。因此,TTH300具有更好的适应性与使用方便性

过去,一定程度的测量误差或温度差是可以接受的,因为其他方法(例如最佳的容差,或由工厂提供的、经过校验的传感器)过于昂贵。从而,在更换传感器后,客户能够接受一定的可重复性偏差。例如,对于 B 级 PT100 传感器,在测量温度为 100°C 时,偏差可达 1.6°C。
4 新一代温度变送器 TTH300,具有HART 通信


通过 TTH300,可以轻松地补偿这种偏差。变送器必须与测量元件连接,然后浸没在具有准确已知温度的温度浴中。达到温度平衡后,测温元件的测量偏差会在变送器的校验例程开始时立即得到自动补偿。当所测温度与温度浴一致时,误差调节完成。如果在整个允许量程内进行误差调节,TTH300 可以对传感器的具体曲线进行参数化。对于较宽的温度范围,测量精度可达 0.1°C以下。

TTH300 确立了未来的使用标准。之前,如果发生元件故障,必须用单频道变送器人工重新连接,以便启动。采用 TTH300 后,可以按照3 线技术直接连接两个独立的PT100 测试点。当一个测量元件失灵时,这种故障得到识别并立即予以报告,而变送器则切换至冗余元件。这得益于集成的“热交换”功能,使测试点的可用性得到保障。因此只需在下次例行维护时进行修理。如果维护之间的间隔很长,可以采用 TTH300 的自动漂移检测功能。测温元件采用一个 PT 100传感器和一个热元件。使用相同的传感器时,可能发生不易察觉的平行漂移。除了实际的测量任务外,变送器还会连续比较两个测试点之间的差值。如果偏差大于预定值,变送器会自动报警。由于只在实际需要时才进行校验,因此人工测试工作减少。TTH300 减少了保养与维护工作,从而削减拥有成本。

TTH300 的另一项突出特点是,如用在新型 Sensy- Temp TSP100 及TSP300 系列温度计的接线盒中,可以通过 TTH300 的可插式操作及显示单元来进行本地启动。所有测量值及诊断信息都可使用,并可对配置和参数进行本地调节。无需单独的手操器。相同的操作及显示理念确保了所有新型 ABB 变送器都易于使用。
5 高性能 TTF300 温度变送器


现场安装式温度变送器 TTF300
TTF300(用于远程安装在现场外壳保护等级 IP66 中)用于需要良好的本地操作性和测量装置适应性的场合。TTF300 把 TTH300 的所有性能特点与坚固的外壳及大接线端结合起来适合远程现场安装来适用于远程现场安装传感器电缆和4-20mA回路均从下方插入,因此不受湿度的影响。坚固的 2.52端子便于从各个方向接入。大型操作及显示单元易于和终端级连接。由于终端和显示单元面向同一侧,因此不再需要旋转外壳,以接近它的正面和背面。变送器电子器件经过电磁封装,因此即使在外壳打开时也能受到保护。

对工业标准的需求
必须满足不断变化的工业温度测量要求,而标准化的迫切需求是一项特别的难题。事实上,测量系统接口的不兼容是人们谨慎接受现场总线的主要原因。尽管标准化的实施可能需要较长的时间,这最终是无可避免的。过程工业无法为每一种测量传感器单独提供培训。因此,制造商有责任提供统一、标准化、与制造商无关的机械及电子接口和用户环境。在 ABB 中,人们强烈地意识到,需要从公司内部开始遵循同一标准。所有开发工作都采用公司统一的标准化部件,例如外壳、操作与显示单元、以及HART 或现场总线通信平台。ABB新推出的温度测量装置系列结合了坚固耐用、精度高、维护成本低等特点。它为大家带来双赢!

Ralf Huck
ABB 自动化
德国 Alzenau
ralf.huck@de.abb.com

脚注
1)Deutsches Institut fü r Normung (DIN)是德国标准化所,总部位于柏林。1975年以来,DIN一直得到德国政府的认可,作为国家标准机构,在欧洲及全球代表德国利益。

坚固而可靠的温度感测装置
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