【非标自动化】2、认识元器件（温度传感器） 温度传感器温度传感器在非标自动化设备中用来检测设备、工件、液体、气体、电机、加热器、控制柜等位置的温度并把温度转换为PLC、温控器或采集模块能够识别的电信号。温度传感器与普通接近传感器最大的区别是接近传感器通常只输出“有/无”两种状态温度传感器通常输出连续变化的温度数值因此温度传感器多数属于模拟量传感器而不是普通开关量传感器。一、温度传感器在设备中的作用常见作用包括1. 温度监测只负责读取温度不直接控制设备。例如检测烘箱内部温度检测水箱温度检测电机外壳温度检测轴承温度检测控制柜内部温度检测气缸、模具或工件温度。PLC读取温度后可以在触摸屏上显示。2. 温度控制PLC或温控器根据检测到的温度控制加热管加热棒电热丝固态继电器接触器冷却风扇冷水机电磁阀。例如设定温度为80℃温度低于78℃时启动加热温度达到80℃时停止加热温度超过85℃时触发报警。3. 过温保护当温度超过安全值时停止加热停止电机切断设备输出启动散热风扇发出声光报警在触摸屏显示过温故障。4. 工艺判断有些自动化流程必须在达到指定温度后才能继续。例如加热模具温度达到120℃PLC允许压合动作保温30秒完成后进入下一工序。因此温度不仅是显示数据也可能是设备流程中的启动条件。二、温度传感器的输入和输出1. 输入是什么温度传感器的输入不是电信号而是被测对象的实际温度。例如空气温度液体温度金属表面温度管道内部温度加热板温度电机绕组温度。温度变化会使传感器内部的电阻、电压或热电势发生变化。2. 输出是什么不同温度传感器的输出方式不同常见有电阻信号毫伏电压信号010V420mA开关量信号RS485通信信号IO-Link通信信号。其中最常见的工业温度检测方式包括热电阻例如PT100、PT1000热电偶例如K型热电偶温度变送器例如420mA输出一体式温度开关。三、常见温度传感器类型1. PT100热电阻PT100是一种铂热电阻。“PT”代表铂材料“100”表示它在0℃时的电阻约为100Ω。温度升高时PT100的电阻通常也会增大。常见近似关系0℃约100Ω50℃约119Ω100℃约138.5Ω200℃约175.8Ω。PLC或温度采集模块通过测量其电阻值再换算成温度。PT100的特点测量精度较高稳定性较好适合中低温测量常用于水箱、模具、管道、加热板常见三线制接法一般需要专用RTD温度模块。PT100本身通常不是普通24V传感器不能直接把它当成PNP传感器接到PLC普通数字量输入点。2. PT1000热电阻PT1000与PT100原理基本相同。区别在于PT100在0℃时约为100ΩPT1000在0℃时约为1000Ω。PT1000的电阻变化更容易测量导线电阻对结果的相对影响也较小。常用于暖通系统空调设备环境温度检测楼宇控制电池温度检测。3. 热电偶热电偶由两种不同金属材料连接而成。当测量端与参考端存在温差时会产生很小的热电势通常是毫伏级电压。常见热电偶类型K型J型T型E型S型R型。非标自动化设备中最常见的是K型热电偶。K型热电偶特点测温范围较宽能测较高温度响应速度较快价格相对较低常用于烘箱、热压机、加热炉、封口机输出信号非常小需要专用热电偶模块或温控器。热电偶有正负极接反后温度可能下降、显示异常或出现负温。热电偶补偿线也不能随意使用普通铜线代替否则会产生测量误差。4. NTC热敏电阻NTC的意思是负温度系数热敏电阻。温度升高时它的电阻减小。常见阻值有10kΩ50kΩ100kΩ。NTC常用于电池温度充电器空调小型加热设备电子产品内部电机温度保护。NTC价格低、体积小但不同厂家使用的阻值和B值可能不同不能只看“10kΩ”就直接替换。5. PTC热敏电阻PTC是正温度系数热敏电阻。温度升高时其电阻增大。部分PTC并不是为了精确测温而是为了过温保护。例如电机绕组中埋入PTC当电机温度超过某个值后PTC电阻会迅速增大保护继电器检测到后切断电机。因此PTC可能用于电机绕组过热保护变压器过温保护加热器保护电气柜保护。6. 红外温度传感器红外温度传感器不需要直接接触被测物体而是根据物体发出的红外辐射测量温度。适合运动中的工件高温物体不允许接触的表面传送带上的产品薄膜、纸张、玻璃或金属表面。红外测温需要特别注意测量距离光斑大小物体表面材质发射率安装角度灰尘、蒸汽、油污环境反射。红外温度传感器检测到的通常是表面温度而不是物体内部温度。7. 一体式温度变送器一体式温度变送器内部已经完成温度采集和信号转换直接输出标准工业信号。常见输出420mA010VRS485IO-Link。例如测量范围为0200℃输出420mA0℃对应4mA100℃对应12mA200℃对应20mA。这种传感器接PLC比较方便尤其适合远距离传输。8. 温度开关温度开关通常不输出连续温度值而是在温度达到设定值后输出一个开关量。例如低于60℃时输出断开高于60℃时输出接通。它类似一个由温度控制的接近开关。输出可能是PNPNPN继电器常开触点常闭触点。有些数字式温度开关同时具备温度显示两路开关量输出一路模拟量输出参数设置功能。四、使用电压和电流1. PT100、PT1000、热电偶这类属于原始温度元件。它们通常不需要外部24V供电检测模块会向传感器提供微小测量电流或检测其热电势。不能把24V直接接到PT100或热电偶两端否则可能测量错误烧坏采集模块损坏传感器引起设备故障。2. 温度变送器常见供电DC 24VDC 1230VDC 1030V。输出电流一般是420mA测量信号。这里的420mA不是说传感器只能消耗这么多电流而是它通过电流大小表示温度。3. 数字温度传感器或温度开关常见供电DC 24VDC 1224VDC 1030V。开关输出允许电流可能为50mA100mA200mA。这个输出一般只用于PLC输入不适合直接驱动大功率加热器、接触器或电磁阀。如需控制大负载应通过中间继电器固态继电器接触器功率调节器。五、温度传感器与PLC的连接方式1. PT100连接PLCPT100一般连接到PLC的RTD温度采集模块。常见接法两线制三线制四线制。两线制只有两根导线。优点是接线简单缺点是导线自身电阻会被计算到PT100电阻中测量误差较大。适合距离短精度要求不高成本敏感的场合。三线制工业设备中最常见。通过第三根导线补偿导线电阻从而减小测量误差。三线制PT100通常有两根同颜色导线一根不同颜色导线。两根同颜色导线通常连接在PT100同一端。但接线时仍应以厂家说明书为准不能只凭颜色判断。四线制精度最高能够更准确地消除导线电阻影响。一般用于实验室高精度测量校准设备精密温控。2. 热电偶连接PLC热电偶连接PLC专用热电偶输入模块。接线时注意正负极不能接反热电偶类型必须与模块设置一致K型热电偶不能把模块设置成J型延长线应使用对应类型的补偿导线屏蔽层应按照设计要求接地强电和热电偶线尽量分开布置。热电偶输入模块一般还需要进行冷端补偿。3. 420mA温度变送器连接PLC420mA温度变送器通常接到PLC模拟量电流输入模块。典型两线制接法DC 24V正极 │ ├── 温度变送器正极 │ 温度变送器负极 │ ├── PLC模拟量输入AI │ PLC模拟量输入AI- │ └── DC 24V负极两线制温度变送器的供电线和信号线共用同一个电流回路。三线制或四线制变送器则可能分别有电源正极电源负极模拟量输出信号公共端。4. 010V温度传感器连接PLC一般接法棕线DC 24V正极 蓝线DC 0V 黑线010V信号接PLC AI PLC AI-接DC 0VPLC模拟量通道必须设置为电压输入模式。如果PLC通道设置成420mA而传感器输出010V就无法正确读取。5. 温度开关连接PLC如果温度开关输出PNP信号棕线DC 24V 蓝线DC 0V 黑线PLC输入点 PLC输入公共端DC 0V如果输出NPN信号棕线DC 24V 蓝线DC 0V 黑线PLC输入点 PLC输入公共端DC 24V六、温度传感器是否区分PNP和NPN要看具体输出形式。不涉及PNP/NPN的类型以下信号一般不谈PNP或NPNPT100PT1000热电偶NTC420mA010VRS485。因为这些不是普通晶体管开关量输出。涉及PNP/NPN的类型以下设备可能区分PNP和NPN数字温度开关带报警输出的温度传感器带上下限输出的温度控制器一体式温度传感器的开关量输出。例如一个温度传感器可能同时具有OUT1PNP开关输出OUT2PNP开关输出模拟量420mA。其中只有OUT1、OUT2需要讨论PNP或NPN。七、源型和漏型PNP输出传感器动作后输出端向PLC输入点提供正电压。也就是传感器“送出正电”。因此PLC输入公共端通常接0V。NPN输出传感器动作后输出端把PLC输入点拉向0V。也就是传感器提供通向负极的回路。因此PLC输入公共端通常接24V。对于温度检测源型和漏型只适用于温度开关的开关量输出不适用于PT100、热电偶和模拟量温度信号。八、温度传感器的输出类型温度传感器常见输出可以分为五类。1. 电阻型例如PT100PT1000NTCPTC。温度变化导致电阻变化。2. 热电势型例如K型热电偶J型热电偶T型热电偶。温度变化产生毫伏级电压。3. 模拟量型例如010V05V15V420mA020mA。PLC通过模拟量模块读取连续温度。4. 开关量型例如PNP常开PNP常闭NPN常开NPN常闭继电器触点。达到设定温度后输出状态改变。5. 通信型例如RS485 Modbus RTUIO-LinkCANEthernetPROFINET。通信型传感器可以传输温度值也可能传输报警状态传感器故障参数配置设备诊断信息。九、重要选型参数1. 测温范围必须先确定实际温度范围。例如环境温度-2080℃水箱0100℃模具0300℃烘箱0500℃高温炉01200℃。不要只看正常工作温度还要考虑异常状态下可能达到的最高温度。2. 精度常见精度±0.1℃±0.3℃±0.5℃±1℃满量程的±0.5%。精度越高价格通常越高对安装和接线要求也越高。3. 分辨率分辨率表示温度最小能够变化多少。例如1℃0.1℃0.01℃。分辨率高不等于精度高。一个传感器可能显示到0.1℃但实际精度只有±1℃。4. 响应时间响应时间决定温度变化后传感器多久能够反映出来。影响响应速度的因素包括探头直径保护管厚度探头长度测量介质安装方式是否使用保护套管传感器是否与被测物充分接触。细探头响应快但机械强度可能较低。粗探头更结实但响应较慢。5. 探头直径和长度常见探头直径2mm3mm4mm5mm6mm8mm10mm。常见长度30mm50mm100mm150mm200mm300mm。探头必须能够伸入真正需要测量的位置。6. 安装螺纹常见螺纹M6M8M10G1/8G1/4G1/2NPT1/4NPT1/2。G螺纹、NPT螺纹和普通公制螺纹不能混用。7. 探头材质常见材质304不锈钢316L不锈钢黄铜陶瓷耐高温合金。如果测量腐蚀性液体需要确认耐酸碱能力食品卫生要求防腐要求是否允许与介质直接接触。8. 输出信号需要根据PLC或控制器选择PT100K型热电偶420mA010VPNPNPNRS485。不能只说“需要一个温度传感器”必须明确PLC能够接收什么信号。9. 引线方式常见形式固定电缆M8插头M12插头接线盒航空插头接线端子。还需要确定电缆长度是否耐高温是否耐油是否需要屏蔽是否需要拖链线是否需要防水。10. 防护等级常见IP54IP65IP67IP68。如果用于水箱、清洗设备或潮湿环境要特别关注探头和接头部位的防水性能。11. 是否需要防爆如果设备用于易燃气体环境粉尘环境化工生产油气区域可能需要选择防爆型温度传感器并确认防爆等级。十、正常状态是什么温度传感器正常时不一定有一个固定的“导通”或“断开”状态需要根据类型判断。PT100正常状态电阻值稳定电阻随温度变化而变化0℃附近约100Ω室温25℃附近约109110Ω不应开路不应接近0Ω短路。K型热电偶正常状态两线之间通常有较小电阻加热探头时毫伏电压发生变化PLC或温控器显示温度随加热上升正负极连接正确。420mA变送器正常状态电流在420mA范围内温度变化时电流连续变化未出现0mA未长期固定在4mA或20mA之外。部分设备会用小于4mA或大于20mA表示故障例如3.6mA表示低端故障21mA以上表示高端故障。具体要看厂家定义。温度开关正常状态需要根据常开、常闭和设定温度判断。例如常开型未达到设定温度输出OFF达到设定温度输出ON。十一、常见故障现象1. PLC显示温度一直不变可能原因探头没有接触到被测物传感器损坏PLC程序没有刷新数据模拟量通道配置错误温度模块通道未启用传感器接错通道数值换算程序错误。2. 显示最大值或超量程可能原因PT100断线热电偶断线输入信号超过量程传感器类型配置错误模块设置错误接线端子松动。3. 显示最小值或负温可能原因热电偶正负极接反模拟量线接反输入信号低于量程变送器没有供电420mA回路断开。4. 温度跳动很大可能原因电磁干扰屏蔽线接地不正确温度线与电机线并行接线端子接触不良热电偶补偿线使用错误模块滤波参数过小接地电位差传感器内部接触不良。5. 温度偏差固定例如实际100℃显示一直为110℃。可能原因传感器精度问题导线电阻PT100两线制距离过长传感器类型设置错误模块校准错误安装位置不合理探头未充分插入温度补偿参数错误。6. 温度变化很慢可能原因探头太粗保护套管太厚探头与工件接触不良安装孔内有空气间隙传感器安装位置离热源太远被测介质流动性差。7. 加热温度严重超过设定值不一定是温度传感器损坏也可能是固态继电器击穿接触器触点粘连PLC输出点常通PID参数不合适加热惯性过大传感器安装离加热区域太远温度采样周期过长控制程序没有设置回差或上限保护。十二、使用万用表定位故障1. 检测PT100先断开传感器与PLC模块的连接再测量电阻。室温下PT100通常约为107112Ω具体取决于当前温度。判断方法显示无穷大可能断线接近0Ω可能短路室温下约109Ω基本合理用手握住探头阻值缓慢上升传感器大概率正常。对于三线制PT100两根同色线之间的电阻通常很小不同端之间测得的是PT100阻值加导线电阻。2. 检测热电偶可以先测通断和电阻开路表示可能断线有较小电阻表示线路基本连通。将万用表调到毫伏直流档加热探头电压应发生变化K型热电偶在高温时输出为几十毫伏级若电压方向相反可能正负极接反。普通万用表只能做初步判断不能精确模拟热电偶的冷端补偿。3. 检测420mA输出万用表切换到直流电流档串联到回路中。注意电流档必须串联不能像测电压一样并联。例如0100℃对应420mA4mA约等于0℃12mA约等于50℃20mA约等于100℃。温度换算公式为温度 温度下限 当前电流 - 4mA÷16mA ×温度上限 - 温度下限4. 检测010V输出万用表调到直流电压档黑表笔接0V红表笔接模拟量输出线测量输出电压。例如0200℃对应010V0V约等于0℃5V约等于100℃10V约等于200℃。十三、通过PLC定位故障1. 查看模块诊断状态检查PLC是否报告断线超量程欠量程通道故障模块错误电源故障参数配置错误。2. 查看原始值不要只看换算后的温度还要看PLC模拟量原始值。例如西门子模拟量中可能使用027648对应010V553027648对应420mA。不同PLC的原始值范围不同应以模块说明书为准。如果原始值正常而温度错误通常是程序换算问题。如果原始值本身异常则更可能是接线传感器模块供电信号类型配置。3. 使用标准信号测试模块可以暂时断开温度传感器使用电阻箱模拟PT100热电偶校验仪420mA信号发生器010V信号源。如果给PLC模块输入标准信号后显示正常说明PLC模块和程序大概率正常故障在传感器或现场接线。4. 交叉替换法将正常通道和故障通道交换传感器跟着故障走传感器或线路问题故障留在原通道PLC模块或通道配置问题。交换前必须确认信号类型、量程和接线完全相同。十四、安装位置和机械结构要求1. 探头必须接触真正需要测量的位置例如检测加热板温度时不能把探头随意悬空在旁边否则测到的是空气温度不是加热板温度。2. 避免与加热源距离过远如果传感器距离加热管太远会造成控制延迟。结果可能是加热管已经很热传感器还未检测到PLC继续加热温度最终严重过冲。3. 插入深度要足够测量液体或管道温度时探头应伸入介质内部。如果只安装在管壁附近测量值可能受环境温度影响。4. 保证良好热接触测量金属表面时可以使用螺纹压紧弹簧压紧导热硅脂金属压块专用表面探头。如果探头与工件之间存在空气间隙温度响应会明显变慢。5. 注意机械碰撞探头通常比较细长容易被工件撞弯机械手撞坏操作人员踩坏运动机构拉断。设计时要考虑保护套、限位结构和走线固定。6. 线缆远离强干扰线路温度信号线尤其是热电偶和PT100线路应尽量远离伺服电机动力线变频器输出线加热主回路线接触器电磁阀线圈高频设备。弱电和强电最好分线槽布置。7. 不要随意接地屏蔽层通常在控制柜侧单端接地但具体要根据系统设计。探头外壳、设备机架、信号负极和屏蔽层如果多点连接可能形成地环路导致温度跳动。十五、同类温度传感器型号繁多的原因温度传感器型号多是因为它不仅要确定“测温”还要确定以下参数PT100还是热电偶两线、三线还是四线K型、J型还是T型测温范围精度等级探头直径探头长度螺纹规格保护管材质电缆长度电缆是否耐高温是否防水是否防腐是否防爆输出420mA还是010V输出PNP还是NPN插头还是固定线是否带显示是否带报警输出是否支持RS485或IO-Link响应速度安装方式使用环境。因此同样叫“PT100温度传感器”实际可能存在几百种组合。十六、温度传感器、温度变送器和温控器的区别温度传感器负责感知温度。例如PT100热电偶NTC。温度变送器把传感器的原始信号转换成标准信号。例如PT100电阻信号 ↓ 温度变送器 ↓ 420mA温控器读取温度并根据设定值执行控制。例如K型热电偶 ↓ 温控器 ↓ SSR控制信号 ↓ 固态继电器 ↓ 加热管PLC也可以承担温控器的功能但需要温度输入模块控制程序PID算法输出执行元件超温保护逻辑。十七、典型加热控制回路一个常见的PLC加热控制系统如下PT100温度传感器 ↓ PLC温度输入模块 ↓ PLC温度控制程序或PID ↓ PLC数字量输出 ↓ 固态继电器SSR ↓ 加热管但不能只依靠PLC软件控制。更可靠的系统还会增加独立超温保护独立温控器或温度开关 ↓ 安全继电器或接触器线圈 ↓ 切断加热主回路这样即使PLC程序失控、输出点损坏或固态继电器击穿独立超温保护仍能切断加热。十八、选型示例设备需要检测水箱温度范围0100℃距离控制柜15米PLC具有420mA输入模块。比较适合选择类型一体式温度变送器 内部元件PT100 测温范围0100℃ 输出420mA 供电DC 24V 探头材质316L不锈钢 安装G1/2螺纹 防护等级IP67 接线两线制选择420mA而不是直接把PT100接15米远是因为抗干扰能力更强长距离传输误差较小容易使用万用表测量断线更容易诊断PLC接线和程序更统一。