Teplota je jedným z najbežnejších a najdôležitejších parametrov procesu v priemyselnej výrobe. V odvetviach, ako je petrochémia, výroba energie, potraviny a nápoje, biofarmaceutiká, hutníctvo, výroba strojov, nová energetika a ochrana životného prostredia, teplota procesu priamo ovplyvňuje prevádzkové podmienky zariadení, kvalitu produktov a bezpečnosť výroby. Na presnú konverziu teploty poľa na štandardné signály, ktoré je možné rozpoznať a spracovať riadiacimi systémami, sú snímače teploty široko používané v priemyselnej automatizácii a systémoch merania procesov.
Vysielač teploty dokáže oveľa viac, než len „zobrazovať teplotu“. Zvyčajne pozostáva zo snímača teploty, obvodu na úpravu signálu, modulu analógovo-digitálnej konverzie, funkcie kompenzácie teploty a výstupného modulu. Konvertuje teplotné signály z RTD alebo termočlánkov na štandardné priemyselné signály, ako sú 4-20 mA, 1-5 V DC, HART a RS485/Modbus, a potom ich prenáša do PLC, DCS, SCADA alebo iných riadiacich systémov. Preto výber prevodníka teploty zahŕňa viacero faktorov, vrátane typu snímača, meracieho rozsahu, presnosti, procesného pripojenia, materiálu teplomernej jímky, výstupného signálu a spôsobu inštalácie.
1. Čo je to snímač teploty?
Prevodník teploty je priemyselný prístroj používaný na meranie procesnej teploty a konverziu teplotného signálu na štandardný elektrický alebo digitálny komunikačný signál. Zvyčajne sa používa spolu s teplotnými snímačmi, ako sú RTD a termočlánky. Vysielač zachytáva, zosilňuje, linearizuje a kompenzuje slabé odporové alebo termoelektrické signály generované snímačom a následne ich prevádza na štandardný výstupný signál zodpovedajúci nameranej teplote.
Ak vezmeme ako príklad bežne používaný teplotný prevodník 4-20 mA, keď je rozsah merania nakonfigurovaný od 0 do 100 stupňov, 0 stupňov teoreticky zodpovedá 4 mA, zatiaľ čo 100 stupňov zodpovedá 20 mA. Teploty medzi týmito dvoma bodmi sú prevedené na zodpovedajúce aktuálne hodnoty podľa nakonfigurovaného lineárneho vzťahu. Pre riadiaci systém nie je prijímaným signálom pôvodný odporový alebo milivoltový signál zo snímača, ale štandardizovaný signál spracovaný vysielačom teploty. To zlepšuje prenos signálu na veľké vzdialenosti a zlepšuje kompatibilitu s priemyselnými riadiacimi systémami.
Zo štrukturálneho hľadiska teplotný vysielač vo všeobecnosti obsahuje vstupné rozhranie snímača, obvod na úpravu signálu, mikroprocesor, A/D a D/A prevodné moduly, napájací modul a výstupný komunikačný modul. Moderný inteligentnývysielače teplotymôže tiež poskytovať funkcie, ako je konfigurácia snímača, nastavenie rozsahu, korekcia nulového bodu, diagnostika porúch a teplotná kompenzácia prostredníctvom softvéru.
V systéme priemyselnej automatizácie slúži snímač teploty v podstate ako prevod signálu a dátové rozhranie medzi snímačom teploty poľa a riadiacim systémom.
2. Ako by sa mal vybrať snímač teploty jadra?
Základným meracím prvkom prevodníka teploty je vo všeobecnosti buď RTD alebo termočlánok. Preto výber snímača priamo ovplyvňuje presnosť merania, stabilitu a vhodnosť aplikácie. Pri inžinierskom výbere nie je vhodné jednoducho dodržiavať pravidlo, že „termočlánky sú pre vysoké teploty a RTD sú pre nízke teploty“. Namiesto toho by mali inžinieri zvážiť merací rozsah, procesné médium, požiadavky na presnosť, čas odozvy, prostredie inštalácie a celkový systém prístrojového vybavenia.
RTD primárne využívajú vzťah medzi elektrickým odporom kovu a teplotou. Medzi nimi sú najčastejšie používané typy Pt100 a Pt1000. RTD vo všeobecnosti poskytujú dobrú presnosť merania a dlhodobú stabilitu a sú vhodné najmä pre aplikácie pri stredných a nízkych teplotách, kde sa vyžaduje relatívne vysoká presnosť merania. Typické aplikácie zahŕňajú skladovacie nádrže, výmenníky tepla, potrubia, reaktory a zariadenia na spracovanie potravín a farmaceutických výrobkov.
Termočlánky využívajú termoelektrický efekt generovaný medzi dvoma rôznymi vodičmi na meranie teploty. Ponúkajú široký teplotný rozsah, pomerne rýchlu odozvu a jednoduchú konštrukciu. Pre vysokoteplotné aplikácie, ako sú priemyselné pece, zariadenia na tepelné spracovanie, kotly a pece, sú termočlánky často vhodnejšou voľbou.
Je potrebné zvážiť aj mechanickú štruktúru snímača. Aj keď sa použije rovnaký typ snímača, rozdiely v dĺžke teplomernej jímky, hĺbke zasunutia a konštrukcii snímacieho prvku môžu výrazne ovplyvniť skutočný výsledok merania. Preto by sa výber snímača teploty nemal zameriavať len na to, či použiť PT100 alebo termočlánok. Musí sa tiež vyhodnotiť konštrukcia snímača, spôsob inštalácie a podmienky procesu.
3. Aký je rozdiel medzi PT100 a PT1000?
PT100 aj PT1000 sú platinové RTD. Čísla "100" a "1000" označujú ich nominálne hodnoty odporu pri 0 stupňoch. PT100 má nominálny odpor 100 Ω pri 0 stupňoch, zatiaľ čo PT1000 má nominálny odpor 1000 Ω pri 0 stupňoch. Oba senzory využívajú rovnaký základný princíp merania: elektrický odpor platiny sa predvídateľne mení s teplotou.
Najviditeľnejším rozdielom je ich hodnota odporu. Pretože základný odpor PT1000 je vyšší, zmena jeho odporu pre danú zmenu teploty je tiež väčšia. Pri meraní teploty na veľké vzdialenosti môže odpor spojovacích vodičov spôsobiť chyby merania. Pretože odpor PT1000 je výrazne vyšší ako odpor PT100, relatívny vplyv odporu oloveného drôtu je vo všeobecnosti nižší. Výsledkom je, že snímače PT1000 môžu ponúkať výhody v určitých aplikáciách diaľkového vedenia.
Pre trojvodičovú konfiguráciu RTD môže snímač teploty kompenzovať odpor spojovacích vodičov, čím sa zníži vplyv odporu vodičov na presnosť merania. Štvorvodičová konfigurácia môže poskytnúť ešte vyššiu presnosť merania, hoci vyžaduje dodatočné zapojenie a môže zvýšiť náklady na systém.
Preto neexistuje absolútna odpoveď, či je PT100 alebo PT1000 „lepší“. Ak zariadenie už používa snímače PT100 a vzdialenosť káblov je relatívne krátka s požiadavkami na strednú presnosť, zvyčajne nie je potrebné prejsť na snímač PT1000, pretože jeho odpor je vyšší. Pre prenos na dlhé vzdialenosti alebo aplikácie, kde je dôležité minimalizovať vplyv odporu elektródy, môže byť lepšou voľbou PT1000.
Vo všetkých prípadoch musí byť potvrdená kompatibilita medzi zvoleným snímačom a vstupnou špecifikáciou teplotného prevodníka.
4. Aký je rozdiel medzi termočlánkami a RTD?
Hoci RTD a termočlánky sú široko používané na priemyselné meranie teploty, fungujú podľa úplne odlišných princípov. RTD určujú teplotu meraním zmien elektrického odporu, zatiaľ čo termočlánky určujú teplotu na základe termoelektrického napätia generovaného dvoma rôznymi vodivými materiálmi.
Pokiaľ ide o presnosť merania, vysokokvalitné RTD vo všeobecnosti poskytujú vynikajúcu presnosť a stabilitu v rámci bežne používaných teplotných rozsahov. Sú preto vhodné pre aplikácie vyžadujúce relatívne presné meranie teploty. Termočlánky sú na druhej strane obzvlášť výhodné pre ich široký merací rozsah, rýchlu odozvu a schopnosť pracovať v prostredí s vysokou teplotou.
Pokiaľ ide o charakteristiky signálu, RTD vytvára skôr zmenu odporu ako priamy napäťový signál, takže merací obvod vo všeobecnosti vyžaduje budiaci prúd. Termočlánok generuje termoelektrické napätie na úrovni milivoltov. Pretože tento signál je veľmi malý, meranie termočlánkom vyžaduje starostlivú kompenzáciu studených spojov, úpravu signálu a kontrolu šumu.
Pokiaľ ide o aplikácie, RTD ako PT100 a PT1000 sa bežne používajú v skladovacích nádržiach, potrubiach, výmenníkoch tepla, kompresoroch, čerpadlách, reaktoroch a iných stredno- a nízkoteplotných procesoch. Termočlánky typu K, typu J, typu E, typu T, typu S, typu R a typu B sa široko používajú v priemyselných peciach, peciach, zariadeniach na tepelné spracovanie, kotloch a iných vysokoteplotných procesoch.
Inžinieri by preto mali vyberať senzor podľa skutočného rozsahu procesných teplôt, požiadaviek na presnosť, doby odozvy a prevádzkového prostredia, a nie jednoducho vyberať senzor podľa typu zariadenia.
5. Ako by sa mal zvoliť výstupný signál?
Výstupný signál snímača teploty priamo určuje, či môže správne komunikovať s PLC, DCS, systémom zberu dát alebo iným riadiacim zariadením. Najpoužívanejším výstupom v priemyselných aplikáciách je analógový signál 4-20 mA. Ďalšie možnosti zahŕňajú 4-20 mA + HART, RS485/Modbus a rôzne digitálne komunikačné protokoly.
Signál 4-20 mA sa stal jedným z najpoužívanejších priemyselných štandardov, pretože poskytuje dobrú odolnosť voči elektrickému rušeniu a je vhodný na prenos na veľké vzdialenosti. V porovnaní s priamym prenosom napätia na úrovni milivoltov generovaného termočlánkom alebo odporovým signálom z RTD poskytuje 4-20 mA lepšiu kompatibilitu s komplexnými priemyselnými prostrediami.
Použitie 4 mA ako spodného limitu merania tiež poskytuje užitočné rozlíšenie od stavu nulového prúdu. Ak je signálne vedenie odpojené, riadiaci systém dokáže identifikovať abnormálny aktuálny stav a určiť, že mohla nastať porucha.
Ak aplikácia vyžaduje nielen prenos teploty, ale aj konfiguráciu prístroja, nastavenie rozsahu, diagnostiku alebo prístup k ďalším parametrom zariadenia, možno zvážiť teplotný prevodník 4-20 mA + HART. HART pridáva digitálnu komunikáciu k bežnému analógovému signálu 4-20 mA, čo umožňuje komplexnejšiu konfiguráciu a diagnostiku prístroja.
Pre inteligentné továrne, sieť zariadení a systémy digitálneho zberu údajov možno zvážiť RS485/Modbus, keď PLC alebo zariadenie na zber údajov podporuje zodpovedajúci protokol. Digitálna komunikácia môže prenášať údaje o teplote priamo v digitálnej forme spolu s určitými stavmi zariadenia a diagnostickými informáciami, vďaka čomu je vhodná pre niektoré viacbodové aplikácie zberu údajov.
Preto by výber výstupného signálu nemal byť založený len na samotnom vysielači. Do úvahy treba vziať aj vstupný modul riadiaceho systému, komunikačný protokol, prenosovú vzdialenosť a celkovú sieťovú architektúru.
6. Aké materiály termojamky sú dostupné?
Snímače teploty vo všeobecnosti vyžadujú teplomernú nádobku alebo ochrannú trubicu na izoláciu a ochranu snímacieho prvku od procesného média. Teplomerová jímka poskytuje nielen mechanickú ochranu, ale aj priamo ovplyvňuje životnosť a spoľahlivosť merania snímača teploty. V chemických, ropných, farmaceutických a vysokoteplotných priemyselných aplikáciách je výber materiálu teplomerovej jímky obzvlášť dôležitý.
Bežné materiály teplomerovej jímky zahŕňajú nehrdzavejúcu oceľ 304, nehrdzavejúcu oceľ 316L a rôzne špeciálne zliatiny. 304 nehrdzavejúca oceľ poskytuje dobrý celkový výkon a je vhodná pre všeobecné priemyselné prostredia. 316Nehrdzavejúca oceľ L ponúka lepšiu odolnosť proti korózii a je obzvlášť vhodná pre aplikácie zahŕňajúce chloridové ióny, určité chemické médiá a potravinárske alebo farmaceutické procesy, kde sa vyžadujú vyššie materiálové požiadavky.
Pre vysokoteplotné, vysokotlakové alebo vysoko korozívne médiá nemusí bežná nehrdzavejúca oceľ poskytovať dostatočný výkon. V takýchto prípadoch by sa mal materiál vyberať podľa zloženia procesného média, prevádzkovej teploty, tlaku a korozívnosti. V závislosti od aplikácie sa môžu zvážiť špeciálne zliatiny, ako je Hastelloy alebo zliatiny na báze niklu.
Mechanická pevnosť je ďalším dôležitým faktorom pri výbere teplomernej jímky. Keď je snímač teploty vložený priamo do vysokorýchlostného potrubia, môže byť teplomerná nádobka vystavená silám tekutiny, vibráciám a mechanickému namáhaniu. Preto by inžinieri mali okrem odolnosti proti korózii zvážiť vonkajší priemer teplomernej jímky, hrúbku steny, dĺžku vloženia a odolnosť voči vibráciám spôsobeným prúdením.
7. Aké sú spôsoby inštalácie snímačov teploty?
Spôsob inštalácie snímača teploty by sa mal vo všeobecnosti vyberať podľa štruktúry zariadenia, procesného potrubia, požiadaviek na údržbu a prevádzkového prostredia. Bežné spôsoby inštalácie zahŕňajú integrálnu inštaláciu, vzdialenú alebo oddelenú inštaláciu, inštaláciu so závitom, inštaláciu s prírubou a inštaláciu pomocou svorky.
Integrovaný prevodník teploty spája teplotný snímač, teplomernú nádobku a vysielač do jednej zostavy. Poskytuje kompaktnú štruktúru a zjednodušuje inštaláciu v teréne, vďaka čomu je vhodný pre bežné priemyselné potrubia, zariadenia a skladovacie nádrže. Pri aplikáciách s obmedzeným inštalačným priestorom môže integrovaná konfigurácia znížiť zapojenie a inštalačné práce.
Závitová inštalácia je jednou z najbežnejších metód používaných v priemyselných aplikáciách. Typické špecifikácie závitu môžu zahŕňať M20 × 1,5, G1/2 a NPT1/2. Presná špecifikácia závitu by sa mala zvoliť podľa procesného pripojenia zariadenia alebo potrubia. Závitové spojenia sú jednoduché a sú široko používané pre všeobecné aplikácie merania teploty.
Prírubová inštalácia je vhodnejšia pre vysokotlakové aplikácie, potrubia s veľkým priemerom a procesy, kde je potrebné pravidelné odstraňovanie a údržba. Podľa procesného pripojenia a prevádzkových podmienok je možné zvoliť rôzne normy prírub a menovité tlaky.
V potravinárskych a nápojových a biofarmaceutických procesoch sa bežne používajú sanitárne svorkové spoje. Ich štruktúra uľahčuje inštaláciu, demontáž, čistenie a údržbu a môže pomôcť znížiť oblasti, kde sa môžu hromadiť zvyšky procesu alebo kontaminácia.
Miesto inštalácie je rovnako dôležité. Snímač teploty by mal byť inštalovaný tam, kde môže presne reprezentovať aktuálnu teplotu procesného média. Vo všeobecnosti by ste sa mali vyhýbať miestam, ako sú stagnujúce zóny, mŕtve nohy alebo oblasti priamo ovplyvnené vonkajšími zdrojmi tepla.
Na meranie teploty potrubia by mala byť zabezpečená dostatočná hĺbka zasunutia, aby bol snímací prvok primerane vystavený procesnému médiu. V opačnom prípade môže aj vysoko presný prevodník teploty spôsobiť značné chyby merania v dôsledku nesprávnej inštalácie.
8. Bežné chyby pri výbere vysielača teploty, ktoré inžinieri často robia
Jedným z najčastejších problémov pri výbere snímača teploty nie je nesprávna voľba medzi PT100 a termočlánkom, ale zameranie sa iba na rozsah merania a presnosť pri prehliadaní skutočných podmienok procesu.
Napríklad, ak je teplota procesného média 200 stupňov, inžinier môže predpokladať, že je dostatočný teplotný prevodník s rozsahom merania 0-300 stupňov. Musí sa však vyhodnotiť aj typ snímača, teplotný rozsah teplomernej jímky, procesný tlak, rýchlosť prúdenia, korozívnosť a štruktúra inštalácie.
Ďalšou častou mylnou predstavou je, že „vyššia presnosť je vždy lepšia“. V skutočnosti celková presnosť systému merania teploty nezávisí len od snímača teploty. Je tiež ovplyvnená triedou presnosti snímača, konfiguráciou zapojenia, spôsobom inštalácie, dizajnom teplomernej jímky a okolitým prevádzkovým prostredím.
Ak samotný snímač neposkytuje dostatočnú presnosť, výber vysoko presného snímača teploty nemôže zásadne zlepšiť presnosť celého meracieho reťazca.
Ďalším často prehliadaným faktorom je čas odozvy. V procesoch zahŕňajúcich rýchle ohrievanie, chladenie alebo dynamickú reguláciu teploty môže príliš hrubá teplomerná jímka alebo snímač s dlhou dobou odozvy spôsobiť výrazné zaostávanie nameranej teploty za skutočnou teplotou procesu.
V takýchto prípadoch môže vysielač stále poskytovať presné meranie teploty snímača, ale signál už nemusí odrážať stav procesu v reálnom čase dostatočne rýchlo na efektívnu kontrolu.
Do úvahy treba vziať aj elektrické rušenie. Signály termočlánkov sú zvyčajne veľmi malé. Ak prostredie inštalácie obsahuje pohony s premenlivou frekvenciou, motory, vysokovýkonné zariadenia alebo vysokonapäťové elektrické káble, nesprávne zapojenie signálu, tienenie alebo uzemnenie môže spôsobiť kolísanie signálu teploty.
Preto v zložitých priemyselných prostrediach nie je prenos surového signálu snímača na veľkú vzdialenosť vo všeobecnosti preferovaným riešením. Namiesto toho by sa konverzia signálu mala vykonávať čo najbližšie k senzoru a štandardizovaný signál, napríklad 4-20 mA, sa potom môže preniesť do riadiaceho systému.
Ďalšou častou chybou je výber vysielača bez kontroly kompletného systému merania teploty. Kompletný bod merania teploty môže zahŕňať snímač, teplomernú nádobku, prevodník, procesné pripojenie, signálny kábel a vstupný modul riadiaceho systému. Nesprávny výber v ktoromkoľvek z týchto bodov môže ovplyvniť konečný výsledok merania.
Preto sa pri výbere snímača teploty odporúča vyhodnotiť aplikáciu v nasledujúcom poradí:
Procesné médium → Teplota → Tlak → Snímač → Teplomerová jímka → Procesné pripojenie → Výstupný signál → Spôsob inštalácie → Riadiaci systém
Celkovo, hoci je snímač teploty bežným nástrojom v priemyselnej automatizácii, jeho výber zahŕňa viaceré disciplíny vrátane tepelného merania, materiálového inžinierstva, mechanického dizajnu, spracovania elektrických signálov a procesných aplikácií.
Správny výber prevodníka teploty nie je len otázkou určenia meracieho rozsahu. Namiesto toho musia byť snímač, teplomerná jímka, prevodník, inštalačná štruktúra a riadiaci systém správne zladené ako kompletný merací systém.
Iba úplným zvážením skutočných podmienok procesu môžu inžinieri dosiahnuť správnu rovnováhu medzi presnosťou merania, stabilitou, časom odozvy, životnosťou a nákladmi na údržbu.
