Merjenje temperature s pomočjo temperaturnih tipal in pretvornikov oziroma transmiterjev
Temperatura je eden najpogostejših parametrov, ki se merijo v industriji. Za zagotavljanje kakovosti, varnosti in pravilnega delovanja pri različnih procesih je bistvenega pomena merjenje, nadzor in spremljanje temperature. Pri razvoju sistema za merjenje temperature je treba upoštevati različne spremenljivke, kot so nelinearnost, natančnost in stabilnost, da se zagotovi zanesljivo merjenje temperature. Upoštevati je treba spremenljivke, kot so stroški vzdrževanja in ožičenja, da bo sistem čim bolj stroškovno učinkovit.
Čeprav so strokovnjaki za instrumentacijo v preteklih letih uvedli več sistemov za merjenje temperature, je na tem področju še vedno veliko dvomov, ko gre za odločitev, kateri tip senzorja je treba uporabiti za določen merilni sistem ali izbrati med neposrednim ožičenjem senzorja in uporaba temperaturnih pretvornikov za merjenje temperature.
Ta sestavek bo obravnaval osnove merjenja temperature in spremenljivke, ki jih je treba upoštevati pri pravilni odločitvi za pravi postopek, ki ga je treba meriti.
Temperaturni senzorji
Najpogostejši senzorji v industriji so upornovni ali RTD (angleško resistance temperature detector) in termoelementi ali TC (angleško thermocouples). Spodaj jih bomo opredelili in primerjali njihove prednosti in slabosti.
RTD – uporovno temperaturno tipalo
V bistvu je RTD uporovni termometer, ki spreminja svojo električno upornost glede na temperaturo, ki ji je izpostavljen. To spremembo upora je mogoče izmeriti za določitev temperature elementa. Najpogosteje uporabljeni RTD senzorji v industriji so Pt100, Pt1000 in NTC.
Uporovna senzorji so krhki in občutljivi na vibracije in udarce. Običajno so nameščeni v zaščitno sondo. RTD imajo višjo natančnost in ponovljivost v primerjavi s termoelementi, zato se pogosto uporabljajo, kadar je potrebna bolj zanesljiva meritev. Običajno se uporabljajo v temperaturnih področjih od -200 do 650°C, posebne izvedbe tudi do 850°C.
Termoelementi
Termoelement je sestavljen iz dveh žic iz različnih vrst kovin, ki sta združeni na enem koncu, kar ustvari stičišče, imenovano "vroč spoj". Ko zaznamo temperaturno nihanje na tem spoju, pride do spremembe napetosti na drugem koncu, ki se imenuje "hladni spoj". Ta napetost se meri oziroma interpretira glede na kovine, uporabljene v spoju, in se odraža v temperaturni vrednosti.
Na trgu so na voljo različne vrste termočlenov, ki so najpogosteje uporabljene vrste K, J, E, T in N zaradi nižje cene in večje razpoložljivosti v primerjavi s termoelementi iz dragih kovin, kot so tipi S, B in R, ki se uporabljajo za bolj specifične aplikacije.
Termoelementi so primerni za visokotemperaturne aplikacije, so cenejši od RTD in jih je mogoče izdelati manjše. Imajo tudi hitrejši odzivni čas in so bolj trpežni, ko so izpostavljeni vibracijam.
Temperaturni pretvornik v primerjavi z neposrednim ožičenjem
Običajno se pri razvoju rešitve za merjenje temperature upoštevata dva načina povezave senzorjev: neposredno ožičenje temperaturnih senzorjev na PLC-je ali zapisovalnike podatkov, ki lahko berejo specifične temperaturne senzorje, ali z uporabo temperaturnih pretvornikov za pretvorbo majhnih signalov temperaturnih senzorjev v močnejše analogne signale, kot je 4-20 mA tokovni signal.
Nekateri terenski inženirji in električarji zmotno verjamejo, da neposredno ožičenje prihrani stroške in ne vpliva na kakovost izmerjene temperature. Tukaj je nekaj razlogov, zakaj se pri odločanju ne bi smeli v celoti zanašati na to teorijo in upoštevati nekatere druge spremenljivke.
Prihranite stroške pri ožičenju
Podaljški in kompenzacijski kabli so dragi in včasih krhki. Pri merjenju termoelementa je treba signal prenašati s kompenzacijskimi kabli. Par kompenzacijskih kablov lahko stane od 5 do 10-krat več kot par bakrenih žic z enako dolžino, zato se prihranki povečujejo z razdaljo med procesom in opremo, ki bere signal.
Pri merjenju 4-žičnega Pt100 pretvrnikom signala je za prenos signala potreben le par bakrenih žic, namesto treh ali štirih žic pri neposrednem ožičenju. Ker se RTD razlikujejo po upornosti, se bo vpliv na meritev povečal, ko se bo dolžina žice povečala in posledično povečala upornost kabla. Običajno lahko temperaturni oddajnik sam kompenzira to upornost.
Spodnji graf je simulacija ožičenja v treh različnih pogojih: neposredno ožičenje termoelementa J, direktno ožičenje PT100 s 3 žicami RTD in kateri koli senzor, ki se meri preko temperaturnega oddajnika. Omeniti je treba, da se s povečanjem razdalje žice znatno zmanjšajo stroški. To znižanje stroškov je lahko še višje, če je potreben kakšen poseben termoelement, ko so podaljški dražji.
Zmanjšajte stroške sistema
Večina naprav višjega razreda, kot so PLC-ji ali zapisovalniki podatkov, sprejema samo standardne analogne vhode (tj. 0-10V ali 4-20mA). Razširitveni moduli so široko na voljo, čeprav so njihovi stroški višji v primerjavi z enotočkovnimi temperaturnimi oddajniki. Poleg višjih stroškov razširitvenega modula bi postopek še vedno zahteval neposredno ožičenje, kar ni priporočljivo zaradi vseh drugih razlogov, omenjenih v tem članku.
Zaščitite meritev pred šumom
Signali termočlenov in RTD so zaradi svoje majhne amplitude zelo občutljivi na šum. EMI (elektromagnetne motnje) in RFI (radiofrekvenčne motnje) so prisotne v skoraj vseh industrijskih obratih in lahko vplivajo na izmerjeni signal, ko se uporablja neposredno ožičenje. Pretvorniki signala so močno podvženi motnjam pri testih EMC (elektromagnetne združljivosti), da se zagotovi, da odpravijo kakršne koli motnje, ki bi lahko vplivale na meritev.
Lažje vzdrževanje in zagon
Temperaturni pretvorniki omogočajo lažjo in hitrejšo diagnostiko, ožičenje in konfiguracijo. Te naprave terenskemu inženirju olajšajo delo pri odpravljanju težav s sistemom za merjenje temperature. Pretvorniki oddajajo tudi določeno vrednost trenutne napake, ko je senzor pokvarjen, nekateri pa celo ponujajo komunikacijo s protokolom USB ali HART®, kar omogoča enostavno konfiguracijo in napredno diagnostiko.
Prilagodljivost senzorja
Večina temperaturnih oddajnikov ima univerzalni vhod, ki omogoča odčitavanje različnih tipov temperaturnih senzorjev. To olajša zamenjavo senzorjev za monterje in znatno zmanjša zaloge za distributerje in ponudnike rešitev. Če je treba na primer razširiti merilno območje sistema, lahko senzor zamenjate in isti oddajnik še vedno lahko povežete s PLC ali zapisovalnikom podatkov.
Izogibanje ozemljitvenim zankam
Ozemljitvena zanka je glavni vzrok za hrup in motnje v aplikacijah za merjenje temperature. Povzroča ga dve ozemljeni točki v istem vezju, ki imata različen potencial. Ta učinek je običajno opažen pri uporabi ozemljenih termočlenov v aplikacijah, ki zahtevajo hiter odziv na temperaturne spremembe.
Ozemljitvenim zankam se je mogoče izogniti z namestitvijo izoliranih temperaturnih pretvornikov na merilni sistem. Ti oddajniki imajo galvansko izolacijo, ki prekine povezave med dvema ozemljitvama in preprečuje, da bi signalna napaka prešla od vhoda do izhoda oddajnika.
Povzetek:
Dandanes je uporaba temperaturnih pretvornikov v merilnih sistemih postala pogostejša in včasih obvezna. Te naprave, ki so na voljo v najrazličnejših velikostih in oblikah, so zaradi najnovejših tehnologij stroškovno učinkovite rešitve.
Prednosti njihove uporabe niso povezane le z prihranki stroškov, temveč z zmogljivostmi, ki jih zagotavljajo pri vzdrževanju, ožičenju, diagnostiki in kakovosti meritev.
