Prevodník teploty: Ako to funguje, presnosť a výber

Čo je to snímač teploty a ako to funguje?

A vysielač teploty funguje tak, že prijíma elektrický výstup z prvku na snímanie teploty, spracováva ho prostredníctvom interných obvodov na úpravu signálu a linearizácie a generuje štandardizovaný výstup úmerný nameranej teplote. Vnútorná architektúra moderného digitálneho snímača teploty pozostáva zo štyroch funkčných stupňov, ktoré spolu transformujú nespracovaný, nelineárny signál snímača na presný výstup odolný voči šumu vhodný na prenos na veľké vzdialenosti a priame spracovanie distribuovaným riadiacim systémom alebo programovateľným logickým ovládačom.

Štyri vnútorné stupne snímača teploty

Reťazec spracovania signálu vo vnútri moderného priemyselného teplotného vysielača sleduje konzistentnú architektúru bez ohľadu na to, či je vstup z termočlánku, RTD alebo iného typu senzora:

• Akvizícia vstupného signálu: Vstupný obvod vysielača prijíma signál snímača, ktorým môže byť úroveň EMF v milivoltoch z termočlánku (zvyčajne 0 až 60 mV v závislosti od typu a teplotného rozsahu) alebo hodnota odporu z RTD (zvyčajne 100 až 400 ohmov pre snímač Pt100 v celom meracom rozsahu). Vstupný obvod poskytuje budiaci prúd pre snímače RTD (zvyčajne 0,2 až 1,0 mA, aby sa minimalizovala chyba vlastného zahrievania) a aplikuje zosilnenie vysokej vstupnej impedancie na milivoltové signály termočlánku, aby sa zabránilo zaťaženiu výstupu snímača.
• Analógovo-digitálny prevod: Zosilnený vstupný signál sa konvertuje na digitálnu reprezentáciu pomocou analógovo-digitálneho prevodníka s vysokým rozlíšením, zvyčajne s rozlíšením 16 až 24 bitov. Toto vysoké rozlíšenie zaisťuje, že prevodník dokáže vyriešiť veľmi malé zmeny teploty v rámci svojho nakonfigurovaného rozsahu merania. 16-bitový prevodník v rozsahu 100 stupňov Celzia rieši jednotlivé teplotné zmeny približne o 0,0015 stupňov Celzia, čo je oveľa jemnejšie ako konečná neistota merania systému, ale poskytuje vnútornú presnosť potrebnú na udržanie presnosti po linearizácii a výstupnom výpočte.
• Linearizácia a kompenzácia: Digitálny procesor použije polynóm špecifický pre senzor uložený v pamäti vysielača na konverziu surovej digitálnej hodnoty na hodnotu teploty. Tento krok linearizácie je nevyhnutný, pretože ani vzťahy medzi EMF termočlánku verzus teplota, ani odpor RTD verzus teplota nie sú lineárne; charakterizačné polynómy definované v norme IEC 60584 pre termočlánky a norme IEC 60751 pre Pt RTD kompenzujú tieto nelinearity. Pre termočlánkové vysielače sa v tejto fáze používa aj kompenzácia studeného spoja, ktorá počíta s referenčnou teplotou spoja na svorkách vysielača, ktorá sa musí zmerať a odpočítať od výstupu termočlánku, aby sa získal presný údaj o procesnej teplote.
• Generovanie výstupu: Linearizovaná hodnota teploty sa používa na výpočet výstupného prúdu lineárnym mapovaním nameranej teploty do rozsahu prúdu 4 až 20 mA. Vysielač poháňa presný prúdový zdroj, ktorý udržuje vypočítaný prúdový výstup nezávisle od napájacieho napätia slučky a odporu kábla, čím poskytuje napäťovo nezávislý signál prúdovej slučky, ktorý prijímací prístroj vidí ako procesnú premennú.

Ako funguje snímač teploty s termočlánkami?

Termočlánok je spojenie dvoch odlišných kovových drôtov, ktoré generuje malú elektromotorickú silu (EMF) úmernú teplotnému rozdielu medzi meracím spojením (horúce spojenie, umiestnené v bode merania procesu) a referenčné spojenie (studené spojenie, umiestnené v bode, kde drôt termočlánku prechádza do medených vodičov, zvyčajne na vstupných svorkách vysielača). Termočlánok nemeria absolútnu teplotu; meria teplotný rozdiel a snímač teploty musí pridať referenčnú teplotu spoja, aby sa tento rozdiel previedol na absolútnu procesnú teplotu.

Moderné snímače teploty obsahujú interný snímač kompenzácie studeného spoja, zvyčajne presný termistor alebo snímač silikónového pásma, namontovaný na vstupných svorkách termočlánku. Tento snímač meria aktuálnu teplotu vstupných svoriek vysielača a pripočítava túto referenčnú teplotu prechodu k nameranej EMF termočlánku počas výpočtu linearizácie. Presnosť kompenzácie studeného konca významne prispieva k celkovej neistote merania systémov termočlánkových vysielačov a vysokokvalitné vysielače špecifikujú presnosť kompenzácie studeného konca oddelene od presnosti úpravy signálu vysielača. Chyba kompenzácie studených spojov 0,5 stupňa Celzia priamo pridáva k celkovej chybe merania bez ohľadu na kvalitu všetkých ostatných komponentov systému.

Výber typu termočlánku určuje rozsah merania, citlivosť a charakteristiky chemickej kompatibility kombinácie snímača a vysielača. Najbežnejšie typy používané s priemyselnými snímačmi teploty sú:

• Typ K (Chromel/Alumel): Najpoužívanejší priemyselný termočlánok, pokrývajúci rozsah približne 200 až 1 260 stupňov Celzia so Seebeckovým koeficientom približne 41 mikrovoltov na stupeň Celzia. Typ K je vhodný pre oxidačné a inertné atmosféry a poskytuje primeranú presnosť pre väčšinu priemyselných aplikácií na monitorovanie teploty.
• Typ J (železo/konštantan): Vhodné pre redukčné alebo vákuové atmosféry, s rozsahom 40 až 750 stupňov Celzia a Seebeckovým koeficientom približne 51 mikrovoltov na stupeň Celzia. Vyšší výkon na stupeň v porovnaní s typom K znamená menšie vstupné signály vysielača na spracovanie, ale železný vodič obmedzuje maximálnu teplotu a prípustnú atmosféru.
• Typ T (meď/konštantan): Používa sa na merania kryogénnych a nízkych teplôt od 200 do 350 stupňov Celzia, s vynikajúcou opakovateľnosťou pri teplotách pod 0 stupňov Celzia, vďaka čomu je preferovanou voľbou pre aplikácie monitorovania chladiacich miestností a kryogénnych skladov.
• Typ R a typ S (zliatiny platiny/ródia): Termočlánky z ušľachtilých kovov používané pri vysokých teplotách od 0 do 1 600 stupňov Celzia v aplikáciách, ako je výroba skla, keramiky a ocele, kde by termočlánky zo základných kovov neprežili. Ich nižšie Seebeckove koeficienty (približne 10 mikrovoltov na stupeň Celzia) vyžadujú na dosiahnutie primeranej presnosti vstupné zosilnenie vysielača s vysokým rozlíšením.

Spracovanie RTD vstupu v teplotných prevodníkoch

Odporové teplotné detektory (RTD) pracujú na zásadne odlišnom fyzikálnom princípe ako termočlánky, pričom merajú nárast elektrického odporu prvku z čistého kovu (platina v typoch Pt100 a Pt1000) pri zvyšovaní teploty. Vysielač dodáva malý známy prúd cez prvok RTD a meria výsledné napätie na výpočet odporu, potom aplikuje rovnicu Callendar Van Dusen alebo charakterizačný polynóm IEC 60751 na prevod tohto odporu na teplotu.

Konfigurácie pripojenia trojvodičového a štvorvodičového RTD sa používajú na elimináciu vplyvu odporu vodiča na presnosť merania. V konfigurácii s dvoma vodičmi sa odpor vodiča (ktorý sa mení s okolitou teplotou a dĺžkou vodiča) pridáva priamo k nameranému odporu RTD a spôsobuje chybu, ktorú nemožno opraviť. V trojvodičovej konfigurácii vysielač používa Wheatstoneov mostík alebo ekvivalentný obvod, ktorý ruší odpor vedenia spoločného spätného vodiča, čím sa chyba znižuje na rozdiel v odpore medzi dvoma samostatnými vodičmi. V štvorvodičovej konfigurácii samostatné páry vodičov prenášajúcich prúd a snímanie napätia úplne eliminujú vplyv odporu vodičov na meranie, čím sa dosahuje plná vlastná presnosť snímača RTD. Štyri drôtové pripojenia sú štandardné pre laboratórne a vysoko presné procesné aplikácie; trojvodičové pripojenia sú bežné v priemyselných inštaláciách, kde je prijateľná chyba zvyškového odporu vedenia.

Aké presné sú snímače teploty?

Presnosť systému snímača teploty je zložená z viacerých individuálnych zdrojov chýb, z ktorých každý prispieva k celkovej neistote merania. Pochopenie týchto zdrojov chýb a ich kombinácie je nevyhnutné na výber prevodníka s primeranou presnosťou pre konkrétnu aplikáciu a na interpretáciu špecifikácií presnosti uvedených v technických listoch prevodníka.

Komponenty presnosti vysielača

Kompletný rozpočet presnosti systému snímača teploty zahŕňa príspevky z nasledujúcich zdrojov:

• Presnosť snímača: Norma IEC 60751 definuje dve triedy presnosti Pt100 RTD. Senzory triedy A majú presnosť plus alebo mínus (0,15 0,002-násobok absolútnej hodnoty T) stupňov Celzia, kde T je teplota v stupňoch Celzia, ktorá poskytuje približne plus alebo mínus 0,25 stupňa Celzia pri 50 stupňoch Celzia a plus alebo mínus 0,55 stupňa Celzia pri 200 stupňoch Celzia. Senzory triedy B majú dvojnásobnú toleranciu ako trieda A. Presnosť termočlánku podľa IEC 60584 je vyjadrená ako percento odčítania alebo pevná hodnota v stupňoch Celzia, podľa toho, ktorá hodnota je väčšia: štandardný termočlánok triedy 1 typu K má presnosť plus alebo mínus 1,5 stupňa Celzia alebo plus alebo mínus 0,4 percenta odčítania, podľa toho, ktorá hodnota je väčšia.
• Referenčná presnosť vysielača: Vlastná presnosť úpravy signálu vysielača, špecifikovaná pri referenčnej teplote okolia (zvyčajne 20 až 25 stupňov Celzia) za stabilných podmienok. Vysokokvalitné priemyselné prevodníky teploty od výrobcov ako Emerson Rosemount, ABB, Endress Hauser a Yokogawa dosahujú špecifikácie referenčnej presnosti plus alebo mínus 0,05 až 0,1 stupňa Celzia pre vstupy RTD a plus alebo mínus 0,1 až 0,5 stupňa Celzia pre vstupy termočlánkov, vďaka čomu je prevodník relatívne malým prispievateľom k celkovej neistote systému snímačov.
• Vplyv okolitej teploty: Presnosť vysielača klesá, keď sa jeho prevádzková teplota odchyľuje od referenčnej teploty. Typické vplyvy okolitej teploty vysielača sú špecifikované ako zmena výstupu na stupeň Celzia zmeny okolitej teploty, často v rozsahu 0,005 až 0,02 stupňa Celzia na stupeň Celzia zmeny okolitej teploty. Vo vysielači umiestnenom v kryte poľa, ktorý môže mať okolité teploty od mínus 20 do plus 60 stupňov Celzia, môže vplyv okolitej teploty pridať 0,4 až 1,6 stupňa Celzia dodatočnej neistoty k celkovej chybe merania.
• Dlhodobý posun: Presnosť vysielača teploty sa v priebehu času postupne posúva v dôsledku starnutia elektronických komponentov a mechanického namáhania spôsobeného tepelnými cyklami. Dobre navrhnuté priemyselné prevodníky špecifikujú dlhodobú stabilitu plus alebo mínus 0,1 až 0,25 percenta rozpätia počas 10-ročného servisného obdobia, čo sa premieta do posunu menej ako 0,1 stupňa Celzia za rok pre typické rozpätie merania 100 stupňov Celzia. Overenie driftu prostredníctvom pravidelnej kontroly kalibrácie je štandardným postupom na udržanie integrity merania počas životnosti prevodníka.

Praktická presnosť v procesných aplikáciách

Kombinovaná presnosť dobre zosúladeného systému snímačov a vysielačov v typickej inštalácii priemyselných procesov, berúc do úvahy všetky zdroje chýb, zvyčajne spadá do rozsahu plus alebo mínus 0,5 až 2 stupne Celzia pre systémy založené na RTD a plus alebo mínus 1,5 až 5 stupňov Celzia pre systémy založené na termočlánkoch. Väčší rozsah neistoty pre termočlánkové systémy odráža kombináciu nižšej vlastnej presnosti snímača, chyby kompenzácie studeného spoja vo vysielači a väčšej náchylnosti meraní termočlánku EMF na elektrické rušenie.

Pre aplikácie vyžadujúce neistotu merania pod plus alebo mínus 0,5 stupňa Celzia vyberte RTD Pt100 s toleranciou triedy A alebo 1/3 DIN, pripojte ho v štvorvodičovej konfigurácii, použite vysoko presný vysielač určený pre vstup RTD a nainštalujte prevodník na miesto so stabilnou a miernou okolitou teplotou. Štvorvodičové systémy Pt100 od popredných výrobcov môžu dosiahnuť kombinovanú neistotu merania plus alebo mínus 0,2 až 0,3 stupňa Celzia v dobre kontrolovaných inštaláciách, vhodných pre farmaceutické, potravinárske a presné procesy, kde sa vyžaduje prísnejšia kontrola teploty.

Porovnanie presnosti: Termočlánkové vs. RTD vysielacie systémy

Integrované snímače teploty: Dizajn a výhody

An integrovaný vysielač teploty spája snímací prvok a elektroniku vysielača do jednej fyzickej zostavy, ktorá je zvyčajne namontovaná priamo na teplomernej nádobe alebo v hlave zostavy teplotného snímača. Tento integrovaný prístup je v kontraste s tradičnou rozdelenou architektúrou, kde sa samostatný vzdialený snímač pripája k samostatne namontovanému prevodníku pomocou predlžovacieho kábla, a poskytuje niekoľko praktických a výkonnostných výhod, vďaka ktorým sú integrované prevodníky preferovanou konfiguráciou pre väčšinu nových priemyselných procesných teplotných inštalácií.

Fyzické konfigurácie integrovaných prevodníkov teploty

Integrované prevodníky teploty sú dostupné v dvoch základných fyzických konfiguráciách:

• Hlavové vysielače: Kompaktný vysielací modul namontovaný vo vnútri spojovacej hlavice zostavy snímača teploty namontovanej na teplomernej jímke. Modul vysielača zvyčajne zaberá puzdro formátu DIN B alebo DIN A, ktoré sa hodí do štandardnej pripojovacej hlavice a vodiče snímača sa pripájajú priamo ku svorkám vysielača v uzavretom kryte hlavice. Vysielače namontované na hlave eliminujú vedenie predlžovacieho kábla medzi snímačom a vysielačom, čím sa odstraňujú zdroje snímania EMF, chyba odporu vedenia a degradácia merania vyvolaná konektorom, ktoré ovplyvňujú systémy predĺžených káblov. Vydávajú štandardný signál prúdovej slučky 4 až 20 mA na dvoch vodičoch, ktoré vychádzajú z pripájacej hlavy do riadiaceho systému, pričom vyžadujú iba štandardný riadiaci kábel, a nie špecializovaný predlžovací vodič alebo termočlánkový predlžovací vodič vyžadovaný v systémoch s delenou architektúrou.
• Vysielače montované na koľajnicu alebo na koľajnicu DIN: Kompaktné vysielacie moduly určené na montáž na štandardnú lištu DIN 35 vo vnútri prístrojových skríň alebo zoraďovacích panelov, ktoré zvyčajne prijímajú vstupy zo snímačov zo vzdialených snímačov poľa cez krátke až stredne dlhé káble. Tieto prevodníky akceptujú rovnaký rozsah vstupov snímačov ako typy namontované na hlave, ale sú umiestnené v kontrolovanom prostredí prístrojovej skrine, čím sa znižujú zmeny okolitej teploty, s ktorými sa stretávajú, a zjednodušuje sa prístup pri konfigurácii a výmene. Vysielače namontované na koľajnici sa bežne používajú v skupinových aplikáciách, kde sa viaceré snímače napájajú do jednej skrinky, a v inštaláciách, kde umiestnenie procesného pripojenia neumožňuje montáž vysielača namontovaného na hlave z dôvodu teploty, vibrácií alebo obmedzení prístupu.

Výkonnostné výhody integrovaných vysielačov

Integrovaná architektúra poskytuje merateľné vylepšenia výkonu oproti deleným senzorovým vysielacím systémom v niekoľkých oblastiach, ktoré priamo ovplyvňujú kvalitu merania a spoľahlivosť systému:

• Odstránenie chýb predlžovacieho drôtu termočlánku: Predlžovací kábel termočlánku prenáša milivoltový signál termočlánku z hlavy snímača do diaľkového vysielača alebo riadiaceho systému. Akékoľvek prerušenie, konektor alebo uzemňovacia slučka v tomto predlžovacom kábli spôsobuje chyby, ktoré sú nerozoznateľné od legitímnych teplotných signálov na prijímacom prístroji. Vysielače namontované na hlave úplne eliminujú predlžovací kábel konverziou milivoltového signálu na signál prúdovej slučky 4 až 20 mA na hlave snímača a signál prúdovej slučky je úplne imúnny voči šumu a chybám zvodu, ktoré poškodzujú milivoltové signály pri dlhšom priebehu.
• Zlepšená odolnosť proti hluku: Výstup prúdovej slučky 4 až 20 mA integrovaného vysielača je oveľa odolnejší voči elektromagnetickému rušeniu (EMI) z blízkych motorov, frekvenčných meničov a napájacích káblov ako signály milivoltového snímača prenášané cez dlhé predlžovacie káble. V priemyselných prostrediach s významným elektrickým šumom toto zlepšenie odolnosti proti šumu často vedie k merateľnému zníženiu variability merania, čo sa priamo premieta do stabilnejšieho riadenia procesu.
• Znížené náklady na elektroinštaláciu: Štandardný tienený krútený párový kábel používaný na pripojenie prúdovej slučky 4 až 20 mA stojí o 40 až 60 percent menej na meter ako špecializovaný predlžovací kábel termočlánku potrebný pre dlhé trasy nekompenzovaného termočlánku. Pri veľkých inštaláciách so stovkami bodov merania teploty vo vzdialenostiach 50 metrov alebo viac od riadiacej miestnosti predstavuje tento rozdiel v nákladoch na kabeláž významnú úsporu kapitálových nákladov, ktorá čiastočne alebo úplne kompenzuje vyššie jednotkové náklady na prevodníky namontované na hlavici v porovnaní s jednoduchými koncovými hlavicami.

Výber správneho snímača teploty na riadenie procesu

Výber správneho prevodníka teploty pre aplikáciu riadenia procesov vyžaduje prispôsobenie špecifikácií prevodníka požiadavkám merania aplikácie vo viacerých rozmeroch súčasne. Nasledujúci rámec sa zaoberá kľúčovými výberovými kritériami v praktickom rozhodovacom poradí.

Typ snímača a rozsah merania

Prvým výberovým rozhodnutím je typ snímača, ktorý určuje základný potenciál presnosti, rozsah merania a environmentálnu kompatibilitu systému. Použite snímače RTD (Pt100 alebo Pt1000) a kompatibilné prevodníky pre aplikácie vyžadujúce presnosť merania lepšiu ako plus alebo mínus 1 stupeň Celzia, pre teploty pod 600 stupňov Celzia a tam, kde sa vyžaduje dlhodobá stabilita počas rokov nepretržitej prevádzky. Použite termočlánkové snímače a kompatibilné vysielače pre teploty nad 600 stupňov Celzia, pre aplikácie, kde je potrebná rýchla odozva na rýchle zmeny teploty, alebo kde cena RTD snímačov je neúmerná pre veľký počet meracích bodov.

Univerzálne vstupné prevodníky, ktoré akceptujú termočlánkové aj RTD vstupy, sú dostupné od väčšiny hlavných výrobcov a sú obzvlášť cenné v zariadeniach s rôznymi inventármi snímačov alebo v aplikáciách modernizácie, kde nemusí byť v čase obstarávania prevodníka známy existujúci typ snímača. Univerzálne vstupné vysielače zvyčajne obetujú malý prírastok presnosti v porovnaní s vysielačmi špecifickými pre snímač v dôsledku kompromisov pri navrhovaní vstupných obvodov tak, aby zvládli signál termočlánku na úrovni milivoltov aj meranie odporu potrebné pre vstupy RTD, ale moderné konštrukcie vo väčšine prípadov znížili túto penalizáciu presnosti na menej ako 0,05 stupňa Celzia.

Výstupný protokol a požiadavky na komunikáciu

Výstupný protokol vysielača musí byť kompatibilný s infraštruktúrou prijímacieho riadiaceho systému:

• 4 až 20 mA len analóg: Vhodné pre staršie systémy DCS a PLC bez možnosti digitálnej poľnej komunikácie alebo pre jednoduché aplikácie, kde sa vyžaduje iba aktuálna hodnota procesnej teploty v riadiacom systéme a nie je potrebné prenášať žiadne diagnostické údaje. Iba analógový vysielač je najjednoduchšia a najlacnejšia možnosť, ktorá vyžaduje iba štandardnú analógovú vstupnú kartu v prijímacom riadiacom systéme.
• 4 až 20 mA s HART: Protokol HART (Highway Addressable Remote Transducer) superponuje digitálny signál na prúdovú slučku 4 až 20 mA, čo umožňuje prenos konfigurácie, diagnostiky a sekundárnych údajov o procesných premenných do systému správy aktív kompatibilného s HART, zatiaľ čo primárny signál 4 až 20 mA naďalej funguje s existujúcou infraštruktúrou analógových vstupov. Prevodníky s podporou HART sú dominantnou voľbou pre nové inštalácie priemyselných snímačov teploty na celom svete, pretože poskytujú digitálnu diagnostiku bez potreby výmeny existujúcej infraštruktúry analógového vedenia.
• Foundation Fieldbus alebo PROFIBUS PA: Čisto digitálne poľné zbernice, ktoré nahrádzajú prúdovú slučku 4 až 20 mA úplne digitálnym komunikačným protokolom, ktorý prenáša viacero procesných premenných, diagnostiku a konfiguračné parametre cez jeden pár vodičov, ktoré môžu pripojiť viacero zariadení v topológii zbernice. Vhodné pre nové inštalácie, kde riadiaci systém podporuje tieto protokoly a výhody multivariabilného merania a komplexnej diagnostiky z jedného páru vodičov odôvodňujú vyššie náklady na inžinierske inštalácie v porovnaní s analógovými alebo HART systémami.
• Bezdrôtové (WirelessHART alebo ISA100): Bezdrôtové vysielače teploty, ktoré komunikujú merania do bezdrôtovej brány bez akéhokoľvek signálneho kábla, napájané batériami alebo získavaním energie z prostredia procesu. Bezdrôtové vysielače sú obzvlášť cenné v aplikáciách modernizácie, kde by vedenie nových signálnych káblov na neprístupné alebo nebezpečné miesta bolo neúmerne drahé, a v aplikáciách monitorujúcich pohyb alebo rotáciu aktív, kde sú káblové pripojenia nepraktické.

Podmienky prostredia a procesu

Fyzické prostredie, v ktorom bude vysielač inštalovaný, kladie požiadavky na kryt vysielača, stupeň ochrany proti vniknutiu a certifikáciu pre nebezpečný priestor:

• Ochrana proti vniknutiu: Kryt vysielača musí mať minimálne krytie IP65 (prachotesné a chránené pred prúdom vody) pre vonkajšie inštalácie a umývacie prostredia; IP67 (ponorenie do 1 metra) pre aplikácie s rizikom zaplavenia vodou; a IP68 (nepretržité ponorenie) pre vysielače inštalované v ponorených miestach. Hodnotenie IP pripojovacej hlavice a akýchkoľvek káblových vstupov sa musí overiť, pretože elektronika vysielača môže mať vyššie hodnotenie IP ako vstupné armatúry skutočne použité pri inštalácii.
• Certifikácia pre nebezpečné oblasti: Vysielače inštalované v oblastiach klasifikovaných ako potenciálne výbušné podľa národných alebo medzinárodných noriem klasifikácie nebezpečných oblastí musia mať príslušnú certifikáciu pre klasifikáciu konkrétnej oblasti. Najbežnejšími metódami ochrany v nebezpečných oblastiach pre snímače teploty sú iskrová bezpečnosť (Ex ia alebo Ex ib) pre použitie v zónach 0, 1 a 2 (nebezpečenstvo plynu) a ohňovzdorné a nevýbušné kryty (Ex d) pre aplikácie, kde sa vyžadujú vyššie výkonové vysielače. Overte si, či špecifické schválenie vysielača zahŕňa skupinu plynov a teplotnú triedu platnú pre miesto inštalácie.
• Odolnosť voči vibráciám a nárazom: V inštaláciách vystavených vibráciám strojového zariadenia vyberte vysielače testované a dimenzované na očakávanú frekvenciu a amplitúdu vibrácií. Prevodníky pre aplikácie na monitorovanie kompresorov, čerpadiel a turbín by mali spĺňať normy na testovanie vibrácií IEC 60068 2 6 s úrovňami vibrácií najmenej 2 g vo frekvenčnom rozsahu 10 až 2 000 Hz, aby sa predišlo predčasnému zlyhaniu v dôsledku únavy komponentov spôsobených vibráciami.

Zhrnutie kľúčových parametrov výberu

Ako riešiť problémy s prevodníkom teploty?

Vysielač teploty Riešenie problémov sa riadi logickou diagnostickou sekvenciou, ktorá systematicky izoluje poruchu na snímači, kabeláži alebo elektronike vysielača pred dosiahnutím záverov o tom, ktorý komponent si vyžaduje pozornosť. Približovanie sa k problémom s vysielačom bez tejto systematickej štruktúry vedie k zbytočným výmenám komponentov a predĺženým prestojom procesu. Nasledujúca sekvencia pokrýva najbežnejšie kategórie porúch v inštaláciách priemyselných snímačov teploty.

Konštantný maximálny alebo minimálny výstup (saturovaný signál)

Výstup vysielača zablokovaný na 20,5 mA (alebo pri poruchovom prúde prevodníka smerom nahor) alebo na 3,6 mA (pri poruchovom prúde na zmenšenie) indikuje, že vysielač zistil stav mimo rozsahu alebo poruchu snímača a nastavil svoj výstup na prednastavenú bezpečnú hodnotu. Diagnostikujte nasledovne:

1. Skontrolujte aktívne chybové kódy: Pripojte HART komunikátor alebo konfiguračný softvér výrobcu k prevodníku a prečítajte si všetky aktívne diagnostiky porúch. Autodiagnostický systém prevodníka zvyčajne identifikuje, či je chyba otvoreným vstupom senzora, skratom na vstupe senzora, vstupom senzora je mimo rozsahu alebo internou poruchou hardvéru prevodníka. Tieto diagnostické informácie okamžite nasmerujú vyšetrovanie na správny komponent bez potreby fyzickej kontroly každého prvku v meracej slučke.
2. Zmerajte spojitosť snímača na svorkách vysielača: Odpojte vodiče snímača od vstupných svoriek prevodníka a zmerajte odpor snímača (pre RTD) alebo spojitosť (pre termočlánok) na skrutkách svoriek pomocou kalibrovaného multimetra. RTD Pt100 pri teplote okolia by mal merať približne 109 až 110 ohmov na každých 25 stupňov Celzia nad referenčnou hodnotou 0 stupňov snímača; údaj o otvorenom obvode indikuje zlomený prvok RTD alebo prerušený vodič snímača. Termočlánok pri teplote okolia by mal vykazovať veľmi nízky odpor (zvyčajne 1 až 10 ohmov v závislosti od materiálu a dĺžky termočlánku); otvorený okruh znamená prerušený prechod termočlánku alebo drôt.
3. Znova pripojte snímač a skontrolujte hodnotu oproti referenčnej hodnote: Ak snímač meria správne na svorkách prevodníka, ale výstup prevodníka je stále nasýtený, overte, či je nakonfigurovaný rozsah merania prevodníka vhodný pre skutočnú procesnú teplotu. Správne pracujúci vysielač prijímajúci signál snímača pre teplotu mimo jeho nakonfigurovaný rozsah saturuje svoj výstup; zníženie rozsahu merania alebo prekonfigurovanie rozsahu tak, aby zahŕňalo skutočnú procesnú teplotu, by malo obnoviť normálnu prevádzku.

Hlučný alebo nestabilný výstup

Výstup, ktorý rýchlo kolíše nad rámec toho, za čo by mohla zodpovedať samotná procesná teplota, indikuje zachytenie elektrického šumu v kabeláži snímača alebo prevodníka, uvoľnené spojenie alebo problém s prenikaním vlhkosti do krytu prevodníka alebo pripojovacej hlavice snímača. Preskúmajte nasledujúce v poradí:

• Skontrolujte uzemnenie štítu: Overte, či je tienenie kábla snímača uzemnené len na jednom konci (zvyčajne na konci riadiacej miestnosti alebo zriaďovacej skrine), pričom koniec poľa tienenia nie je ukončený. Uzemnenie tienenia na oboch koncoch vytvára uzemňovaciu slučku, ktorá môže injektovať šum do meracieho obvodu na rovnakých frekvenciách ako rušivý zdroj. Korekcia dvojitého uzemnenia štítov často rieši problémy so šumom vysielača bez akéhokoľvek ďalšieho zásahu.
• Skontrolujte spojovacie svorky na vlhkosť a koróziu: Otvorte pripájaciu hlavu prevodníka a skontrolujte všetky skrutky svoriek a spoje, či sa na nich nenahromadila vlhkosť, produkty korózie alebo uvoľnené skrutky svoriek. Vlhkosť medzi svorkami predlžovacieho vodiča termočlánku a uzemnenou kovovou konštrukciou vytvára zvodové prúdy, ktoré sa pri meraní prejavujú ako šum. Pred opätovnou montážou hlavy s novým tesnením káblového vstupu vysušte pripojovaciu hlavu suchým stlačeným vzduchom, ošetrite skorodované svorky čističom kontaktov a utiahnite všetky skrutky svoriek predpísaným krútiacim momentom.
• Oddeľte káble snímača od napájacích káblov: Overte, či je kábel snímača vedený oddelene od napájacích káblov, káblov meniča s premenlivou frekvenciou a iných zdrojov vysokého šumu počas jeho vedenia od snímača k vysielaču alebo riadiacej miestnosti. Paralelné vedenie snímačov a napájacích káblov vytvára indukčnú a kapacitnú väzbu, ktorá vnáša šum do meraného signálu; dodržanie vzdialenosti najmenej 300 mm od silových káblov alebo umiestnenie káblov snímača do samostatnej kovovej rúrky, eliminuje túto spojovaciu cestu.

Posun čítania: Chyba konzistentného merania

Teplotný prevodník, ktorý poskytuje údaje konzistentne nad alebo pod skutočnou procesnou teplotou pevným posunom v celom meracom rozsahu, potvrdeným porovnaním s kalibrovaným referenčným teplomerom v rovnakom procese, indikuje buď kalibračný posun prevodníka, nesprávnu konfiguráciu prevodníka alebo systematický zdroj chyby, ako je odpor vodiča v nekompenzovanom dvojvodičovom pripojení RTD. Pred vykonaním kontroly kalibrácie skontrolujte konfiguračné parametre prevodníka (typ snímača, typ pripojenia, rozsah a nulu) v porovnaní s originálnou dokumentáciou pre uvedenie do prevádzky, pretože chyby konfigurácie zavedené počas údržby sú častou a ľahko opraviteľnou príčinou systematických posunov odčítania. Ak je konfigurácia potvrdená ako správna, vykonajte dvojbodovú kontrolu kalibrácie pomocou presného zdroja teploty a certifikovaného referenčného vysielača alebo kalibrátora, aby ste charakterizovali závislosť odchýlky od veľkosti a teploty, a použite kalibračnú korekciu alebo vymeňte prevodník, ak posun presahuje požiadavky na presnosť aplikácie.

Údržba snímačov teploty pre priemyselné aplikácie

A disciplinovaný vysielač teploty program údržby zachováva presnosť merania, predchádza neočakávaným poruchám merania, ktoré narúšajú riadenie procesu, a maximalizuje užitočnú životnosť investície do prístroja. Program údržby priemyselných snímačov teploty zahŕňa pravidelné overovanie kalibrácie, fyzickú kontrolu, kontrolu diagnostických údajov pre prediktívnu údržbu a plánovanú výmenu komponentov snímača, ktoré v prevádzke podliehajú zrýchlenému starnutiu.

Plán overenia kalibrácie

Interval overenia kalibrácie pre snímače teploty by sa mal stanoviť na základe požiadaviek na presnosť aplikácie, špecifikovanej dlhodobej stability prevodníka a dôsledkov nezistenej chyby merania na kvalitu a bezpečnosť riadenia procesu. Typické intervaly overovania kalibrácie pre priemyselné snímače teploty sa pohybujú od 6 mesiacov pre merania kritické z hľadiska bezpečnosti, pri ktorých sa musí okamžite zistiť akýkoľvek posun nad plus alebo mínus 0,5 stupňa Celzia, až po 2 až 5 rokov pre nekritické monitorovacie merania, kde špecifikácia dlhodobej stability vysielača (zvyčajne plus alebo mínus 0,1 až 0,25 percenta intervalu medzi kontrolami za rok od popredných výrobcov) len dlhšie intervaly medzi kontrolami za rok od popredných výrobcov

Overenie kalibrácie by sa malo vykonať pomocou kalibrovaného zdroja teploty (suchý blokový kalibrátor alebo teplotný kúpeľ) nadväzujúceho na národné meracie štandardy, pričom ako porovnávací štandard slúži kalibrovaný referenčný teplomer s vyššou presnosťou ako kontrolovaný prevodník. Zaznamenajte zistené a ľavé hodnoty pri minimálne dvoch teplotných bodoch v rámci nakonfigurovaného rozsahu (zvyčajne pri 25 percentách a 75 percentách rozsahu), aby ste charakterizovali odchýlku nuly a chybu rozsahu. Všetky výsledky kalibrácie zdokumentujte v zázname o kalibrácii prístroja a sledujte výsledky v priebehu nasledujúcich kalibrácií, aby ste identifikovali postupný posun, ktorý môže naznačovať zhoršujúci sa stav snímača skôr, ako sa stane problémom merania.

Fyzická prehliadka a preventívna údržba

Program fyzickej kontroly pre snímače teploty by mal zahŕňať nasledujúce kontroly pri každej plánovanej údržbe:

• Integrita krytu: Skontrolujte kryt vysielača, či nie je fyzicky poškodený, koróziou alebo opotrebovaním ochranných náterov. Skontrolujte, či sú všetky káblové vstupy utesnené originálnymi káblovými priechodkami a či sú tesnenia na kryte vysielača nepoškodené a či sú v úplnom kontakte. Vymeňte poškodené tesnenia, aby sa zachovala ochrana proti vniknutiu do krytu.
• Pripojenie terminálu: Skontrolujte všetky spoje svoriek z hľadiska tesnosti, korózie a prítomnosti vlhkosti v spojovacej hlave. Utiahnite skrutky svoriek na špecifikovaný krútiaci moment; korózia na svorkových spojoch je progresívna porucha, ktorá spôsobuje rastúcu chybu merania v priebehu času a prípadné zlyhanie otvoreného okruhu, ak sa nerieši.
• Stav teplomeru (ak je namontovaný): Skontrolujte, či teplomerná nádoba nemá vonkajšiu koróziu, mechanické poškodenie v dôsledku vibrácií spôsobených prietokom (viditeľné ako opotrebovanie alebo prasknutie na procesnom pripojení) a vnútornú čistotu. Teplomerová jímka so značným stenčením steny v dôsledku korózie vytvára riziko uvoľnenia procesnej tekutiny pri zlyhaní zostávajúcej steny, čo si vyžaduje výmenu skôr, ako dôjde k narušeniu ochrannej funkcie teplomerovej jímky.
• Stav senzorového prvku: V prípade odkrytých prvkov RTD a termočlánkov skontrolujte ochranný plášť, či nie je mechanicky poškodený, korózna jamka a žiadne známky kontaminácie procesnou kvapalinou v dutine snímača. Porovnajte aktuálny odpor snímača (pre RTD) alebo izolačný odpor (pre plášť termočlánku) so základnými hodnotami zaznamenanými pri uvedení do prevádzky; znížený izolačný odpor v plášti termočlánku (pod 1 megaohm pri prevádzkovej teplote) indikuje prenikanie vlhkosti alebo poškodenie plášťa, ktoré spôsobí chyby merania a vyžaduje výmenu snímača.

Používanie diagnostických údajov na prediktívnu údržbu

Digitálne snímače teploty priemyselnej zbernice s podporou HART nepretržite generujú diagnostické údaje, ktoré možno použiť na identifikáciu vznikajúcich problémov skôr, ako spôsobia zlyhanie merania. Moderné integrované snímače teploty monitorujú a hlásia parametre vrátane teploty studeného spoja, odporu snímača (pre RTD vstupy), napájacieho napätia slučky, vnútornej elektronickej teploty vysielača a celkových prevádzkových hodín od posledného resetovania. Kontrola týchto diagnostických parametrov prostredníctvom systému správy majetku počas bežnej prevádzky namiesto čakania na signalizáciu výstrahy vysielačom umožňuje prístupy prediktívnej údržby, ktoré plánujú výmenu snímača na základe indikátorov skutočného stavu a nie na základe pevných kalendárnych intervalov.

Postupné zvyšovanie odporu snímača RTD nad jeho očakávanú hodnotu pre procesnú teplotu, pozorované v diagnostických údajoch počas po sebe idúcich odčítaní, je skorým indikátorom kontaminácie prvku snímača alebo mechanického poškodenia, ktoré nakoniec spôsobí významnú chybu merania alebo poruchu obvodu. Naplánovaním výmeny snímača v ďalšom plánovanom okne údržby, keď je tento trend prvýkrát identifikovaný, sa namiesto čakania na úplné zlyhanie merania vyhne prerušeniu procesu spojenému s neplánovanou výmenou snímača počas výroby. Tento prediktívny prístup k údržbe snímačov teploty je jednou z nákladovo najefektívnejších aplikácií digitálnej diagnostiky zabudovanej do moderných priemyselných snímačov teploty.