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温度传感器的发展方向和牵引变电所的应用构想

一、关于温度

 温度是基本的物理量。温度的宏观概念是冷热程度的表示,或者相互具有热平衡的两个物体的温度相等。温度的微观概念表示分子运动平均的强度。分子运动越激烈,温度表现越强。温度只能根据物体的温度而变化的特性进行间接测量,但用于测量物体温度的刻度被称为温度刻度。这是指定温度的测定开始点(零点)和测定温度的基本单位。现在国际上广泛使用的温度标准有华氏、摄氏、热力学温度标准。自然界的大部分物理化学过程都与温度密切相关,因此温度是农业生产、科学实验、日常生活中一般需要测量和控制的重要物理量。另外,温度是冶金、机械、食品、化学工业等成为工业对象主要参数之一,要求对广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等工件的处理温度进行严格的控制。 随着技术的发展,各种惯性设备的性能不断提高,体积也在小型化。为了提高加速度计和陀螺仪等惯性设备的性能,温度补偿作为重要的补偿方式备受关注,在惯性设备极小的空间内正确地测定、传递、处理温度信息成为进一步提高性能和体积优越性的重要问题。

 二、传感器的概念和分类

 随着现代技术的发展,传感器技术的应用越来越广泛。其中,在传感器系列中承担重要作用的温度传感器的应用也在各种领域中得到了广泛应用。

 1.传感器概念:

 广义上,传感器是能够感知外部信息,并根据一定规则将这些信息转换成可利用的信号的装置。传感器只是将外部信号转换成电信号的装置。因此,传感器由信号接收器和半导体传感器构成,所述信号接收器能够感知某个信号并转换为信息处理系统中的接收和处理容易的信号(电信号和光信号等),所述半导体传感器能够直接输出电信号。传感器部件多种多样,根据感知其外部信息的原理,可以分为以下几类。

 ①基于物理系统、力、热、光、电、磁、和声等物理效果。

 ②化学类、化学反应的原理。

 ③生物类、酶、抗体、激素等分子识别功能。

  通常,作为其基本感知功能,有热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件10种。

 2.传感器的分类:

 传感器分类的方法很多,一般有两种,一种是被测量参数,另一种是转换原理。通常根据测量的参数进行分类,分为热参数:温度、比热、压力、流量、液位等。机械量参数:位移、力、加速度、重量等物性参数:比重、浓度、计算出监查度等状态量参数:颜色、裂纹、磨损等。 温度传感器是热工学参数。

 温度传感器根据传感器与被测定介质的接触方式,分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器2种,接触式温度传感器的测温元件与被测定对象物良好地热接触,根据热传导及对流原理得到热平衡,此时的显示值与被测定对象物的温度。这样的测温方法,精度高,在某种程度上也可以测定物体内部的温度分布,但对于运动的热容量比较小,或者对感温元件有腐蚀作用的对象物产生较大的误差。

 非接触测温的测温元件与被测量对象不接触。 现在最常用的是放射热交换。该测温方法的主要特征是,运动状态小的目标和热容量小,即使是变化快的对象,也可以测定温度场的温度分布,但对环境的影响大。

 三、温度传感器

 温度传感器是最早开发的,最广泛使用的传感器。 根据美国机器学会的调查,1990年温度传感器的市场份额远远超过了其他传感器。从17世纪初伽利略发明的温度计。 德国物理学家伊莎贝尔于1821年发明了将温度转换成电信号的传感器。50年后,另一位德国人西门子发明了白金电阻温度计。在本世纪,在半导体技术支持下,半导体热电偶传感器、pn结温度传感器、集成温度传感器的开发相继发展。与此相对应,根据波浪和物质的相互作用规则,音响温度传感器、红外线传感器、微波传感器陆续开发出来。

 智能温度传感器(也称为数字温度传感器)是在20世纪90年代中期开发出来的。微电子、计算机技术、自动测试技术( ate _ )的结晶。现在,国际上正在开发多种智能热敏电感系列。智能温度传感器在内部包括温度传感器、a/d传感器、信号处理部、存储器(或寄存器)及接口电路。也有配备多选择器、中央控制器( CPU )、随机存取存储器( ram )、只读存储器( rom )的产品。智能温度传感器输出与温度数据相关的温度控制量,适合各种微控制器( MCU ),根据软件的开发水平实现智能软件测试功能。

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 四、温度传感器的发展阶段

 温度传感器的使用范围广,数量多,因此位于各种传感器的开头。温度传感器的发展大致经过以下3个阶段。

 (1)以往的分立式温度传感器(包括传感器元件)主要可在非通电时和通电时进行切换。传统的纵置式温度传感器热电偶传感器。 热电偶传感器是工业测量中最广泛使用的温度传感器,与被测量物直接接触,不受中间介质的影响,具有高精度。测量范围广,可从- 50~1600℃连续测量,特殊的热电偶,例如金铁-镍铬,最低- 269℃,钨-铼-最高2800℃。

 (2)模拟量内置温度传感器/控制器。模拟集成温度传感器是使用硅半导体集成工艺制作的,因此也称为硅传感器或单片集成温度传感器。模拟内置温度传感器是20世纪80年代开发的,将温度传感器整合为一个芯片,实现温度测量和模拟信号输出等功能。模拟IC温度传感器的主要特征是功能单一(仅测温)、测温误差小、低价格、响应速度快、传输距离远、小型、低功耗等,适合远程测温,无需非线性校准,周边电路简单。

 (3)智能热敏电感器。现在,国际上新的温度传感器正从模拟式向数字化、集成化、智能化、网络化的方向发展。

  温度传感器根据传感器与被测定介质的接触方式,分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器2种。接触式温度传感器的测温元件与被测量物的热接触良好,通过热传导和对流原理实现热平衡。该测温方法精度高,可以测定物体内部的温度分布。但是,运动热容量比较小,对于感温元件具有腐蚀作用的对象会产生大的误差。

 非接触测温的测温元件与被测量对象不接触。放射热交换的原理经常使用。这样的测定方法的主要特征是能够测定运动状态小的目标和热容量小、变化快的对象,还能够测定温度场的温度分布,但对环境的影响大。

 五、智能温度传感器在牵引变电所的应用构想

 现在牵引变电站多采用综合自动化系统,将现代计算机、信息管理、网络通信等技术与现场的实际设备有机组合起来,实现信息共享,提高设备利用率,并大大提高运用可靠性和自动化程度。但是,对设备通电的设备状态进行实时监视的方法和手段是有限的。特别是,实际的运转变电所,在各高压设备的连接设备的运转检查中,依然有人力的肉眼观察方式。利用智能温度传感器的特性,如果能够与实际的变电站设备进行有机协作,则观察各带电设备在运转状态下的微妙变化,将这些信息及时传送到综合自动化控制系统,进行综合性指标分析,正确分析设备的变化。


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