热传感器可用于确保工业设备的最佳性能，监控可能限制功能的温度变化。
热传感器和设备性能监控
热传感器主要是一种可以通过检测传感器材料的电性能变化来测量系统/空间中的温度变化的设备。在工业环境中，温度控制和测量对于监测工业过程至关重要，因为多种工业应用需要精确和连续的温度控制，而这可以使用热传感器有效地实现。最佳工作温度可以提高工业流程的效率、可靠性和性能以及最终产品的质量，确保安全，并节省大量成本。热电偶广泛用作不同应用中的热传感器，包括工业和汽车。
热电偶
热电偶是基于塞贝克效应原理工作的非线性热传感器，其中两条不同金属线之间的温差产生电压差，该电压差与温度的变化成正比。使用查找表将电压差转换为温度测量值。热电偶的温度范围和灵敏度根据结合在一起的金属类型而变化。尽管热电偶的精度较低，但它们可以在-200℃至1750℃的广泛温度范围内工作。
电阻温度检测器 (RTD)
RTD 根据传感材料电阻的变化来测量温度变化。因此，这些类型的热传感器需要具有明确的温度-电阻关系的材料。由于温度变化和电阻变化之间存在线性关系，铂是最适合 RTD 的材料。此外，铂热电阻在-270℃至850℃温度范围内测量准确、稳定且具有重复性。尽管铜和镍可用于 RTD，但使用这些材料获得的精度低于铂。
热敏电阻
热敏电阻还根据电阻的变化来测量温度。这些设备使用陶瓷或聚合物材料代替铂，这使得它们比 RTD 更便宜。然而，使用此类材料也使得热敏电阻的精度不如 RTD。负温度系数 (NTC) 热敏电阻和正温度系数 (PTC) 热敏电阻是关键的热敏电阻类型。在NTC中，电阻变化与温度变化成反比，而在PTC中，电阻变化与温度变化成正比。热敏电阻的工作温度范围为 -200 °C 至 500 °C。
红外 (IR) 传感器
红外传感器主要是一种通过发射红外辐射来检测温度的电子传感器。这些传感器是非接触式热传感器。与便宜的红外传感器相比，昂贵的红外传感器通常显示出更高的精度。
为什么温度监测在工业中很重要？
当保持在可接受的温度范围内时，机械和设备将发挥最佳功能。技术人员可以通过监控温度水平提前预防性能问题，因为过热和过热都会严重影响设备/机械的效率、性能和使用寿命，并导致昂贵的维修费用。化学加工、发电、食品加工、药品生产和半导体制造是一些现实世界的工业过程，其中温度控制是至关重要的要求。
将热传感器集成到设备性能监控系统中
热传感器可以通过直接连接、无线连接、网络连接和基于云的连接集成到设备性能监控系统中。直接连接时，使用电缆将热传感器直接连接到监控系统。直接连接是集成热传感器最简单的方法，广泛用于集成热传感器。
无线连接涉及使用蓝牙或射频（RF）连接将热传感器与监控系统连接，这允许在无法使用直接连接的远程位置安装热传感器。在网络连接中，热传感器通过网络（例如 Wi-Fi 或以太网）连接到系统。这种集成允许从任何位置访问热传感器。基于云的连接涉及将热传感器连接到基于云的监控系统。因此，该方法使得能够远程监控热传感器。Modbus、以太网、Wi-Fi 和蓝牙是用于将温度数据传输到监控系统进行分析的通信协议。
热传感器与现代工业物联网 (IIoT) 框架兼容。这些传感器可以通过直接连接或连接到将传感器收集的数据传输到框架的网关来集成到框架中。将传感器连接到IIoT框架后，可以利用从传感器获得的数据来监控目标物体的温度并检测潜在问题，以避免设备损坏。
热传感器性能监控的优点和挑战
温度监控可以通过早期故障检测来识别表明工业设备中潜在问题的温度波动，从而降低代价高昂的设备故障和停机的风险。设备故障会导致生产延误、维护费用增加和产量减少。
因此，使用热传感器数据进行预测性维护对于确保工业设备的寿命、性能和效率至关重要。此外，当设备保持在最佳温度时，通过最大限度地减少能源支出和使用，可以大大减少能源支出。然而，与传感器校准、传感器放置优化以及传感器承受恶劣工业环境的能力相关的挑战是热传感器监控面临的主要问题。
虽然热传感器校准对于确保测量精度至关重要，但由于温度的无形性，校准难度很大，需要对传感器进行重复校准。同样，传感器放置优化也具有挑战性，因为在决定传感器位置时，特别是当传感器用于基于状态的维护时，必须考虑多个因素，例如传感器精度、成本和系统的可观测性。
最近的发展
在最近发表在《传感器》杂志上的一篇论文中，研究人员开发了一种使用碳化硅 (SiC) 肖特基二极管作为水泥行业传感元件的高温探头。
合成、封装了具有退火镍 (Ni)/4H-SiC 肖特基触点的四六面体 SiC (4H-SiC) 器件，并在高达 400 °C 的温度下进行了测量，并进行了完全参数化，以评估温度传感特性并检测最佳性能工业环境中的设备。
对于 100 nA–100 µA 偏置电流，在 1.8 mV/°C 和 2.54 mV/°C 之间观察到出色的二极管温度灵敏度。此外，在该电流间隔内还表现出了出色的传感线性度。此外，处理电路实现了117°C/μs的高响应时间，远高于操作环境中的温度变化速度。
使用高温探头和基于热电偶的替代方案选择生料厂的低温点和高温点进行温度监测。在 40 °C 至 400 °C 范围内，传统温度传感解决方案与建议的温度传感解决方案之间观察到非常接近的一致性，最佳探头的使用寿命为六个月，明显高于传统解决方案。因此，该研究证明了在工业环境（特别是水泥行业）中使用所提出的高温探头来提高生料磨机效率并降低能耗的可行性。
未来的趋势
最近，东京大学的一个团队研究了包含特殊磁性材料和电极的热通量传感器在复杂热流模式下的行为。基于镓和铁的磁性材料表现出反常能斯特效应（ANE）现象，其中热能转化为电信号。通过识别合适的电极和磁性材料，然后以重复模式应用它们，开发出了灵活、易于生产、廉价且坚固的微观电路。具体来说，该团队设计了电路来增加 ANE，同时抑制塞贝克效应，该效应会干扰 ANE 数据收集潜力。大多数电路都显示了其在实时提供热通量数据方面的有效性。
总而言之，热传感器在确保工业设备的最佳效率和性能以及工人的安全，同时减少能源使用和设备故障方面发挥着关键作用。使用这些传感器进行主动温度管理可以提高工业过程效率。
