在几乎所有的化学过程中都需要测量温度，但工程师们常常难以实现。这里有一些避免常见陷阱的建议
可以说，在化学加工应用中测量温度仍然是四个主要过程变量(流量、液位、压力和温度)中最容易被误解的。复杂性来自应用程序的工艺要求——例如在哪里以及如何定位传感器——以及传感技术本身。
在本文中，我们将研究一个特别具有挑战性的应用程序，该应用程序包含许多应用程序方面的问题，然后深入研究传感器和发射机的功能和权衡。
在哪里测量?
温度测量的挑战之一是处理过程不一致。温度很少是均匀的。例如，想象一个装有液体的大容器:自然对流将导致分层，这样靠近底部的内容物可能会比顶部的内容物更冷。那么，测量温度的理想场所是哪里呢?
在现实世界中，答案可能无处不在。假设容器是一个反应器，原料在催化剂床上混合，以产生放热反应。试图优化反应的工艺工程师将想要确定整个内容物的温度分布，因为它表明了原料如何以及在哪里相互作用。温度细节有助于确定是否可以使反应更有效，是否需要改变进料速率，或是否需要修改一些其他配置元素。
在这些条件下，温度无法从远处测量，单个温度传感器只能测量其周围环境。如果在整个容器的不同位置(如蒸馏塔或反应堆)需要许多读数，则在这些战略点需要多个传感器。这意味着，如果需要在容器内一米的位置，就必须有一米长的探测器。如果流体在内部流动，或流经管道，探针必须承受这种运动。考虑到这些机械挑战，加上搅拌器或液位测量设备可能的干扰，难怪复杂的多点测量挑战是最难解决的。
解决多点测量问题
有效的多点解决方案必须满足以下流程要求:
•伸入容器内部的探针必须有足够的机械强度以避免断裂，并且它们必须由能够承受温度和化学环境的材料制成
图1所示。一些应用要求单个探针起源于一个公共底座，可以根据需要弯曲以覆盖空间
探头可以并且通常应该包括多个温度传感器(图1)沿其跨度，以尽量减少穿透数，同时增加测量点。探头也可以在实际的地方弯曲，以改善放置选项
•每个位置必须使用相同的传感器，加上探头壁厚也必须均匀，以在相似的响应时间内提供一致和准确的读数。只有在这些条件下，才能确定准确和动态的温度分布
将这些要求付诸实践意味着要平衡多方面的权衡，具体如下:
•虽然电阻温度检测器(RTD)通常比热电偶(TC)具有更高的一致性和准确性，但由于TC的耐用性、快速响应以及能够使用最小的绝缘材料封装成紧凑的封装，因此在多点应用中往往胜出
探针材料必须耐腐蚀。然而，不锈钢和其他外来合金通常具有低导热性，减慢响应时间。增加壁厚的强度和内部保护绝缘使问题更严重，所以仔细的探头设计是至关重要的
探针位置必须尽量减少内部堵塞，特别是在靠近催化剂层的区域
•将探针构建为热电偶套管可以移除传感器，但通常也会导致更厚的壁和内部间隙。这会导致反应变慢
有效的结果
构建高效的探针需要专业知识和最佳的组件选择，但积极的结果不言自明。一家炼油厂想要在加氢处理装置的催化剂床上建立一个温度分布，该装置通常处理硫化氢含量高的原油(图2)。在这种恶劣的环境下，探头和电线的腐蚀是一个经常性的问题，导致温度测量不一致和传感器故障。
图2。使用多点温度探头(右)，一家石油炼油厂创造了精确的温度
催化剂床层的剖面(左)，没有引起阻塞问题
在对最佳传感器位置进行检查后，可以设计探针，使其达到所有战略测量位置，同时将催化剂床堵塞最小化。巧妙的探头设计——除了内部导线保护外，还使用了抗硫化氢合金——使得能够提供能够承受恶劣环境的传感器，同时提供一致和直接可比的读数，能够生成过程建模和分析所需的真实温度分布。
传感器的特点
关于TC和RTD作为理想的通用传感器技术的争论仍在继续，但幸运的是，没有必要做出非此即彼的决定。尽管传统讨论的参数一直在变化，但根据过程需求，每种方法都有自己的细分领域。这两种方法在概念上是不同的，值得简单地看一看(图3)。
图3。rtd(左)和tc(右)在概念上是不同的。tc调节电压，rtd调节电阻。两者都需要专门的电缆将测量值传输到任何距离
TC的工作原理是，受温度梯度影响的导线也会产生相应的电压梯度，而不同的合金对相同的温度梯度的反应不同。因此，一个TC使用两个不同的合金，连接在一端，作为传感器。温度是根据电压差计算的，但要确定传感器上的绝对温度，必须有一个已知的温度参考。这就是术语“传感”(热)结和“参考”(冷)结的来源，它们是电路的两端。
tc易于制造，并且可以使用特定的合金组合(指定为类型)进行优化，以覆盖不同的范围。一般来说，tc的价值在于快速响应和持久性。然而，在精度和可重复性方面，它们往往处于次要地位，因为电线电气特性的任何变化都可能导致读数偏移或漂移。漂移通常是腐蚀的结果在某些点沿着漫长的电路径。
RTD的工作原理是各种金属根据温度改变电阻。铂非常适合这个用途，传感器使用了一根细铂丝的微小线圈作为传感器。电路测量电阻，为了避免与引线电阻相关的变化，多根引线(通常是三根或四根)在电上抵消了这个元件。rtd因其准确性和可重复性而受到重视。然而，他们更脆弱，他们所需要的保护减缓了他们的反应时间。
新的制造技术导致了更坚固的rtd，不需要太多的保护绝缘，提供更快的响应时间。对于tc，改进的电气绝缘可以更好地保护导线免受腐蚀，从而减少严重的漂移。
图4。由于重保护，封装在热阱中的传感器在移动的液体流中进行测量往往很慢，但现代的变化，如图中的探头，在不牺牲响应的情况下提供了耐用性和强度
例如，一个食品加工机切换到现代的、快速响应的rtd(图4)进行超高温处理过程。经过一系列测试，工厂工程师发现，与之前安装的传感器相比，这些新传感器将响应时间缩短了50%以上。这样可以更严格地控制温度，将工艺保持在优化生产所需的非常窄的范围内。
避免信号退化
rtd和tc产生的信号不是很健壮，而且它们很难在不退化的情况下长距离传输。事实上，大多数与漂移有关的问题更多地归因于布线和终止问题，而不是传感器问题。此外，温度传感器需要专用的、均匀的电缆，通常非常昂贵。
由于这个和其他原因，通常最实用的方法是在尽可能靠近传感器的地方安装一个温度变送器，将原始电压或电阻信号转换为更易于传输的格式。例如，在测量中等温度时，大多数tc产生的信号小于15至20 mV，因此非常小的变化可以代表显著的温度变化。
发射器将传感器的原始模拟输出转换为更可靠的信号，例如4 - 20 ma电流环路或数字现场总线。一些变送器专门用于rtd或tc，但大多数是通用的，可以处理电阻或毫伏输入。当使用TC时，发射器提供一个内部参考结，并可以设置为转换多种TC类型。这些多功能的内部功能还有助于提供仪器诊断信息。
发射器有多种选择，在最基本的层面上，只需将传感器输出转换为通信优化格式。对于许多应用程序来说，这可能是所有必需的，而且这通常比购买将多个传感器连接到自动化主机系统所需的专用电缆线轴的成本要低。
安装在传感器上的“冰球”结构在化工厂中很常见。但对于危险地点，通常需要单独的外壳，通常带有本地显示。
大多数发射器可以与rtd或tc一起工作，并且可以使用叠加在4 - 20 ma模拟电流环路上的HART通信协议进行配置，或通过另一种数字协议，如基金会现场总线或Profibus PA。此外，现代“智能”发射器可以通过蓝牙进行无线配置，只需要设置智能手机或平板电脑应用程序。
诊断功能
如今，复杂的现场仪器提供了诊断功能，但这些仪器在制造商之间的工作方式几乎没有一致性。一些公司采用了NAMUR 107标准，以在呈现诊断信息时实现更高程度的一致性，因此可靠性团队和操作人员可以更容易地理解设备正在通信的内容。这包括当传感器需要检查时，当需要维护时，当测量精度超出规格时，或当仪器完全故障时，通知用户。
图5。先进的变送器监测传感器的健康状况，甚至可以在信号进入主机自动化系统之前在现场执行信号调理
温度变送器有专门的诊断，不同于压力或流量仪表。高度复杂的变送器，如图5所示，可以在将过程值测量发送到主机自动化系统之前，检查传感器健康状况并在现场执行信号调理。
以下是诊断特性的示例:
•单个发射机可以接受两个相同的传感器作为冗余对安装的信号。它会对两者进行比较，如果数值开始偏离，就可以通知操作人员出现问题
•当两个传感器在使用时，如果其中一个故障，发射器可以保持运行传感器，同时提醒操作员另一个故障传感器
•如果在回路的任何地方检测到泄漏到地面，发射器可以创建警报
•在使用TC时，发射机可以使用其电阻测量能力定期检查线路。如果检测到电阻变化，则测量可能有问题
•一些变送器可以记录多天的读数，帮助排除读数变化而没有工艺相关原因的情况
创建更好的应用程序
在分析一个新的温度测量应用程序或试图改进现有的应用程序时，考虑各种问题是很重要的。这些通常包括以下内容:
•测量有多重要?它是用于控制，还是仅仅用于监视?这有助于确定是否需要冗余传感器、复杂的诊断和其他可靠性考虑因素。
•测量必须有多精确，还是一致性同样有用?
•工艺温度变化有多快，移动了多少?如果流程不能快速进行并避免大范围波动，则可能没有必要确保快速响应。
•该测量是否附加报警或安全元件?许多传感器和变送器都经过安全认证，但它们的使用并不能自动产生适当的安全仪表功能。
通过与知识渊博的供应商合作，处理器可以对这些问题进行分类，确定相对重要性并平衡取舍。这些考虑可以增强对温度测量这一复杂主题的理解，有助于优化产品质量、工厂可持续性和生产盈利能力的应用。
编辑:斯科特·詹金斯
作者
Greg Pryor是Endress+Hauser USA (2350 Endress Place, Greenwood, IN 46143;电话:888-363-7377邮箱:info.us@endress.com)．他在全国范围内负责温度业务部门的战略方向，包括产品组合管理，技术和应用支持，以及温度和系统产品的营销和业务发展。他拥有德州农工大学(Texas A&M University)市场营销工商管理学士学位。Pryor公司总部位于德克萨斯州休斯顿，在温度测量仪器方面拥有超过20年的经验。
Kris Worfe是Endress+Hauser美国公司(地址与上文相同)的化学工业经理。他在全国范围内负责化工业务的战略方向，包括产品组合管理、技术和应用支持，以及化工行业的营销和业务发展。他拥有德州农工大学的工商管理学士学位。Worfe总部位于休斯顿，拥有超过22年的过程自动化经验。