Temperatūra ir viens no visizplatītākajiem un svarīgākajiem procesa parametriem rūpnieciskajā ražošanā. Tādās nozarēs kā naftas ķīmijas rūpniecība, elektroenerģijas ražošana, pārtika un dzērieni, biofarmācija, metalurģija, mašīnu ražošana, jauna enerģija un vides aizsardzība procesa temperatūra tieši ietekmē iekārtu darbības apstākļus, produktu kvalitāti un ražošanas drošību. Lai precīzi pārveidotu lauka temperatūru standarta signālos, kurus var atpazīt un apstrādāt vadības sistēmas, temperatūras devējus plaši izmanto rūpnieciskās automatizācijas un procesu mērīšanas sistēmās.
Temperatūras raidītājs dara daudz vairāk nekā vienkārši "parāda temperatūru". Tas parasti sastāv no temperatūras sensora, signāla kondicionēšanas ķēdes, analogās-digitālās pārveidošanas moduļa, temperatūras kompensācijas funkcijas un izejas moduļa. Tas pārveido temperatūras signālus no RTD vai termopāriem standarta rūpnieciskos signālos, piemēram, 4-20 mA, 1-5 V DC, HART un RS485/Modbus, un pēc tam pārraida tos uz PLC, DCS, SCADA vai citām vadības sistēmām. Tāpēc temperatūras raidītāja izvēle ir saistīta ar vairākiem faktoriem, tostarp sensora tipu, mērīšanas diapazonu, precizitāti, procesa savienojumu, termosa materiālu, izejas signālu un uzstādīšanas metodi.
1. Kas ir temperatūras raidītājs?
Temperatūras raidītājs ir rūpniecisks instruments, ko izmanto, lai mērītu procesa temperatūru un pārveidotu temperatūras signālu standarta elektriskā vai digitālā sakaru signālā. To parasti izmanto kopā ar temperatūras sensoriem, piemēram, RTD un termopāriem. Raidītājs iegūst, pastiprina, linearizē un kompensē vājās pretestības vai termoelektriskos signālus, ko rada sensors, un pēc tam pārvērš tos standarta izejas signālā, kas atbilst izmērītajai temperatūrai.
Par piemēru ņemot parasti lietoto 4-20 mA temperatūras raidītāju, kad mērījumu diapazons ir konfigurēts no 0 līdz 100 grādiem, 0 grādi teorētiski atbilst 4 mA, bet 100 grādi atbilst 20 mA. Temperatūras starp šiem diviem punktiem tiek pārveidotas atbilstošās strāvas vērtībās saskaņā ar konfigurēto lineāro attiecību. Vadības sistēmai saņemtais signāls ir nevis sākotnējais pretestības vai milivoltu signāls no sensora, bet gan standartizēts signāls, ko apstrādā temperatūras raidītājs. Tas uzlabo signāla pārraidi lielos attālumos un uzlabo saderību ar rūpnieciskajām vadības sistēmām.
No struktūras viedokļa temperatūras raidītājs parasti ietver sensora ievades saskarni, signāla kondicionēšanas ķēdi, mikroprocesoru, A/D un D/A pārveidošanas moduļus, barošanas avota moduli un izejas sakaru moduli. Mūsdienu gudraistemperatūras devējivar nodrošināt arī tādas funkcijas kā sensora konfigurācija, diapazona regulēšana, nulles punkta korekcija, kļūdu diagnostika un temperatūras kompensācija, izmantojot programmatūru.
Rūpnieciskās automatizācijas sistēmā temperatūras raidītājs būtībā kalpo kā signāla pārveidošanas un datu saskarne starp lauka temperatūras sensoru un vadības sistēmu.
2. Kā izvēlēties temperatūras sensoru?
Temperatūras raidītāja galvenais mērīšanas elements parasti ir vai nu RTD, vai termopāris. Tāpēc sensora izvēle tieši ietekmē mērījumu precizitāti, stabilitāti un pielietojuma piemērotību. Inženierzinātņu atlases laikā nav pareizi vienkārši ievērot noteikumu, ka "termopāri ir paredzēti augstām temperatūrām un RTD ir paredzēti zemām temperatūrām". Tā vietā inženieriem jāņem vērā mērīšanas diapazons, procesa vide, precizitātes prasības, reakcijas laiks, uzstādīšanas vide un vispārējā instrumentu sistēma.
RTD galvenokārt izmanto attiecības starp metāla elektrisko pretestību un temperatūru. Starp tiem Pt100 un Pt1000 ir visbiežāk izmantotie veidi. RTD parasti nodrošina labu mērījumu precizitāti un ilgtermiņa stabilitāti, un tie ir īpaši piemēroti vidēja un zemas temperatūras lietojumiem, kur nepieciešama salīdzinoši augsta mērījumu precizitāte. Tipiski lietojumi ir uzglabāšanas tvertnes, siltummaiņi, cauruļvadi, reaktori un pārtikas un farmācijas apstrādes iekārtas.
Temperatūras mērīšanai termopāri izmanto termoelektrisko efektu, kas rodas starp diviem dažādiem vadītājiem. Tie piedāvā plašu temperatūras diapazonu, salīdzinoši ātru reakciju un vienkāršu konstrukciju. Augstas temperatūras lietojumiem, piemēram, rūpnieciskajām krāsnīm, termiskās apstrādes iekārtām, katliem un krāsnīm, termopāri bieži ir piemērotāka izvēle.
Jāņem vērā arī sensora mehāniskā struktūra. Pat tad, ja tiek izmantots viens un tas pats sensora tips, atšķirības termosa garumā, ievietošanas dziļumā un sensora elementa konstrukcijā var būtiski ietekmēt faktisko mērījumu rezultātu. Tāpēc temperatūras raidītāja izvēlei nevajadzētu koncentrēties tikai uz to, vai izmantot PT100 vai termopāri. Jāizvērtē arī sensora uzbūve, uzstādīšanas metode un procesa apstākļi.
3. Kāda ir atšķirība starp PT100 un PT1000?
Gan PT100, gan PT1000 ir platīna RTD. Cipari "100" un "1000" attiecas uz to nominālās pretestības vērtībām pie 0 grādiem. PT100 nominālā pretestība ir 100 Ω pie 0 grādiem, savukārt PT1000 nominālā pretestība ir 1000 Ω pie 0 grādiem. Abi sensori izmanto vienu un to pašu mērīšanas pamatprincipu: platīna elektriskā pretestība mainās paredzami līdz ar temperatūru.
Acīmredzamākā atšķirība ir to pretestības vērtība. Tā kā PT1000 bāzes pretestība ir lielāka, tā pretestības izmaiņas noteiktā temperatūras izmaiņā ir arī lielākas. Temperatūras mērījumos lielos attālumos savienojošo vadu pretestība var radīt mērījumu kļūdas. Tā kā PT1000 pretestība ir ievērojami augstāka nekā PT100, svina stieples pretestības relatīvā ietekme parasti ir mazāka. Rezultātā PT1000 sensori var piedāvāt priekšrocības noteiktos tālsatiksmes elektroinstalācijas lietojumos.
Trīs vadu RTD konfigurācijai temperatūras raidītājs var kompensēt savienojošo vadu pretestību, tādējādi samazinot svina pretestības ietekmi uz mērījumu precizitāti. Četru vadu konfigurācija var nodrošināt vēl lielāku mērījumu precizitāti, lai gan tai ir nepieciešama papildu elektroinstalācija un var palielināties sistēmas izmaksas.
Tāpēc nav absolūtas atbildes par to, vai PT100 vai PT1000 ir "labāks". Ja objektā jau tiek izmantoti PT100 sensori un vadu attālums ir salīdzinoši īss ar mērenām precizitātes prasībām, parasti nav nepieciešams pārslēgties uz PT1000 tikai tāpēc, ka tā pretestība ir lielāka. Liela attāluma pārraidei vai lietojumiem, kur ir svarīgi samazināt svina pretestības ietekmi, PT1000 var būt labāka izvēle.
Visos gadījumos ir jāapstiprina saderība starp izvēlēto sensoru un temperatūras raidītāja ievades specifikāciju.
4. Kāda ir atšķirība starp termopāriem un RTD?
Lai gan RTD un termopāri tiek plaši izmantoti rūpnieciskai temperatūras mērīšanai, tie darbojas pēc pilnīgi atšķirīgiem principiem. RTD nosaka temperatūru, mērot elektriskās pretestības izmaiņas, savukārt termopāri nosaka temperatūru, pamatojoties uz termoelektrisko spriegumu, ko rada divi dažādi vadoši materiāli.
Mērījumu precizitātes ziņā augstas kvalitātes RTD parasti nodrošina izcilu precizitāti un stabilitāti to parasti izmantotajos temperatūras diapazonos. Tāpēc tie ir piemēroti lietojumiem, kuros nepieciešama salīdzinoši precīza temperatūras mērīšana. No otras puses, termopāri ir īpaši izdevīgi, jo tiem ir plašs mērījumu diapazons, ātra reakcija un spēja darboties augstas temperatūras vidē.
Runājot par signāla īpašībām, RTD rada pretestības izmaiņas, nevis tiešā sprieguma signālu, tāpēc mērīšanas ķēdei parasti ir nepieciešama ierosmes strāva. Termopāris ģenerē milivoltu līmeņa termoelektrisko spriegumu. Tā kā šis signāls ir ļoti mazs, termopāra mērīšanai nepieciešama rūpīga aukstā savienojuma kompensācija, signāla kondicionēšana un trokšņu kontrole.
Runājot par pielietojumu, RTD, piemēram, PT100 un PT1000, parasti izmanto uzglabāšanas tvertnēs, cauruļvados, siltummaiņos, kompresoros, sūkņos, reaktoros un citos vidējas un zemas temperatūras procesos. Termopāri, piemēram, K tips, J tips, E tips, T tips, S tips, R tips un B tips, tiek plaši izmantoti rūpnieciskajās krāsnīs, krāsnīs, termiskās apstrādes iekārtās, katlos un citos augstas temperatūras procesos.
Tāpēc inženieriem ir jāizvēlas sensors atbilstoši faktiskajam procesa temperatūras diapazonam, precizitātes prasībām, reakcijas laikam un darbības videi, nevis vienkārši jāizvēlas sensors, pamatojoties uz aprīkojuma veidu.
5. Kā izvēlēties izejas signālu?
Temperatūras raidītāja izejas signāls tieši nosaka, vai tas var pareizi sazināties ar PLC, DCS, datu iegūšanas sistēmu vai citu vadības aprīkojumu. Rūpnieciskajos lietojumos visplašāk izmantotā izeja ir 4-20 mA analogais signāls. Citas iespējas ietver 4-20 mA + HART, RS485/Modbus un dažādus digitālos sakaru protokolus.
4-20 mA signāls ir kļuvis par vienu no visplašāk izmantotajiem rūpnieciskajiem standartiem, jo nodrošina labu izturību pret elektriskiem traucējumiem un ir piemērots pārraidei lielos attālumos. Salīdzinot ar tiešu termopāra radītā milivoltu līmeņa sprieguma vai pretestības signāla pārraidi no RTD, 4-20 mA nodrošina labāku savietojamību ar sarežģītu rūpniecisko vidi.
4 mA izmantošana kā apakšējā mērīšanas robeža arī nodrošina noderīgu atšķirību no nulles strāvas stāvokļa. Ja signāla līnija ir atvienota, vadības sistēma var noteikt neparastu strāvas stāvokli un noteikt, ka, iespējams, ir radusies kļūme.
Ja lietojumprogrammai nepieciešama ne tikai temperatūras pārraide, bet arī instrumentu konfigurēšana, diapazona regulēšana, diagnostika vai piekļuve papildu ierīces parametriem, var apsvērt 4-20 mA + HART temperatūras devēju. HART pievieno digitālo komunikāciju papildus parastajam 4-20 mA analogajam signālam, nodrošinot visaptverošāku instrumentu konfigurāciju un diagnostiku.
Viedajām rūpnīcām, iekārtu tīklošanas un digitālo datu ieguves sistēmām RS485/Modbus var apsvērt, ja PLC vai datu ieguves iekārta atbalsta atbilstošo protokolu. Digitālā saziņa var pārraidīt temperatūras datus tieši digitālā formā kopā ar noteiktu ierīces statusu un diagnostikas informāciju, padarot to piemērotu dažām vairāku punktu datu iegūšanas lietojumprogrammām.
Tāpēc izejas signāla izvēlei nevajadzētu būt balstītai tikai uz pašu raidītāju. Jāņem vērā arī vadības sistēmas ievades modulis, sakaru protokols, pārraides attālums un kopējā tīkla arhitektūra.
6. Kādi Thermowell materiāli ir pieejami?
Temperatūras sensoriem parasti ir nepieciešama termoizolācija vai aizsargcaurule, lai izolētu un aizsargātu sensora elementu no procesa vides. Termostats ne tikai nodrošina mehānisku aizsardzību, bet arī tieši ietekmē temperatūras sensora kalpošanas laiku un mērījumu uzticamību. Ķīmijas, naftas, farmācijas un augstas temperatūras rūpnieciskos lietojumos īpaši svarīga ir termosa materiāla izvēle.
Parastie termourbu materiāli ir 304 nerūsējošais tērauds, 316 L nerūsējošais tērauds un dažādi īpaši sakausējumi,. 304 nerūsējošais tērauds nodrošina labu vispārējo veiktspēju un ir piemērots vispārējai rūpnieciskai videi. 316L nerūsējošais tērauds nodrošina labāku izturību pret koroziju un ir īpaši piemērots lietojumiem, kas saistīti ar hlorīda joniem, noteiktiem ķīmiskiem materiāliem, kā arī pārtikas vai farmācijas procesiem.
Augstas temperatūras, augstspiediena vai ļoti kodīgu materiālu gadījumā parastais nerūsējošais tērauds var nenodrošināt pietiekamu veiktspēju. Šādos gadījumos materiāls jāizvēlas atbilstoši procesa vides sastāvam, darba temperatūrai, spiedienam un korozijai. Atkarībā no pielietojuma var apsvērt īpašus sakausējumus, piemēram, Hastelloy vai sakausējumus uz niķeļa bāzes.
Mehāniskā izturība ir vēl viens svarīgs apsvērums, izvēloties termolodi. Kad temperatūras sensors tiek ievietots tieši ātrgaitas cauruļvadā, termorežģis var tikt pakļauts šķidruma spēkiem, vibrācijai un mehāniskai slodzei. Tāpēc, papildus izturībai pret koroziju, inženieriem jāņem vērā termosa ārējais diametrs, sienas biezums, ievietošanas garums un izturība pret plūsmas izraisītu vibrāciju.
7. Kādas ir temperatūras raidītāju uzstādīšanas metodes?
Temperatūras raidītāja uzstādīšanas metode parasti jāizvēlas atbilstoši iekārtas struktūrai, procesa cauruļvadiem, apkopes prasībām un darbības videi. Izplatītas uzstādīšanas metodes ietver integrētu uzstādīšanu, attālinātu vai atdalītu uzstādīšanu, vītņotu uzstādīšanu, atloku uzstādīšanu un skavas uzstādīšanu.
Integrētais temperatūras raidītājs apvieno temperatūras sensoru, termoskapi un raidītāju vienā komplektā. Tas nodrošina kompaktu struktūru un vienkāršo uzstādīšanu uz vietas, padarot to piemērotu vispārējiem rūpnieciskiem cauruļvadiem, iekārtām un uzglabāšanas tvertnēm. Lietojumprogrammām ar ierobežotu uzstādīšanas vietu integrēta konfigurācija var samazināt lauka elektroinstalācijas un uzstādīšanas darbus.
Vītņota uzstādīšana ir viena no visizplatītākajām metodēm, ko izmanto rūpniecībā. Tipiskās vītnes specifikācijas var ietvert M20 × 1,5, G1/2 un NPT1/2. Precīza vītnes specifikācija jāizvēlas atbilstoši iekārtas vai cauruļvada procesa savienojumam. Vītņotie savienojumi ir vienkārši un tiek plaši izmantoti vispārīgiem temperatūras mērīšanas lietojumiem.
Uzstādīšana ar atloku ir vairāk piemērota augstspiediena lietojumiem, liela diametra cauruļvadiem un procesiem, kur nepieciešama regulāra noņemšana un apkope. Atkarībā no procesa savienojuma un darbības apstākļiem var izvēlēties dažādus atloku standartus un spiediena rādītājus.
Pārtikas un dzērienu un biofarmaceitiskos procesos parasti izmanto sanitāro skavu savienojumus. To struktūra atvieglo uzstādīšanu, demontāžu, tīrīšanu un apkopi un var palīdzēt samazināt vietas, kur var uzkrāties procesa atliekas vai piesārņojums.
Vienlīdz svarīga ir uzstādīšanas vieta. Temperatūras sensors jāuzstāda vietā, kur tas var precīzi attēlot procesa vides faktisko temperatūru. Parasti jāizvairās no tādām vietām kā stāvošas zonas, mirušas kājas vai vietas, kuras tieši ietekmē ārējie siltuma avoti.
Cauruļvada temperatūras mērīšanai jānodrošina pietiekams ievietošanas dziļums, lai sensors būtu pietiekami pakļauts procesa videi. Pretējā gadījumā pat ļoti precīzs temperatūras devējs var radīt ievērojamas mērījumu kļūdas nepareizas uzstādīšanas dēļ.
8. Bieži pieļautās kļūdas temperatūras raidītāja izvēlē, ko bieži pieļauj inženieri
Viena no visbiežāk sastopamajām problēmām temperatūras raidītāja izvēlē ir nepareiza izvēle starp PT100 un termopāri, bet gan koncentrēšanās tikai uz mērīšanas diapazonu un precizitāti, vienlaikus neievērojot faktiskos procesa apstākļus.
Piemēram, ja procesa vides temperatūra ir 200 grādi, inženieris var pieņemt, ka pietiek ar temperatūras raidītāju ar 0-300 grādu mērīšanas diapazonu. Tomēr ir jānovērtē arī sensora tips, termourbuma temperatūras novērtējums, procesa spiediens, plūsmas ātrums, korozija un uzstādīšanas struktūra.
Vēl viens izplatīts nepareizs uzskats ir tāds, ka "augstāka precizitāte vienmēr ir labāka". Patiesībā temperatūras mērīšanas sistēmas kopējā precizitāte nav atkarīga tikai no temperatūras raidītāja. To ietekmē arī sensora precizitātes klase, elektroinstalācijas konfigurācija, uzstādīšanas metode, termosa konstrukcija un apkārtējā darbības vide.
Ja pats sensors nenodrošina pietiekamu precizitāti, augstas precizitātes temperatūras devēja izvēle nevar būtiski uzlabot visas mērījumu ķēdes precizitāti.
Vēl viens bieži aizmirsts faktors ir reakcijas laiks. Procesos, kas saistīti ar ātru sildīšanu, dzesēšanu vai dinamisku temperatūras kontroli, pārāk biezs termoskapis vai sensors ar ilgu reakcijas laiku var izraisīt izmērītās temperatūras ievērojamu atpalicību no faktiskās procesa temperatūras.
Šādos gadījumos raidītājs joprojām var nodrošināt precīzu sensora temperatūras mērījumu, bet signāls var vairs pietiekami ātri neatspoguļot reāllaika procesa stāvokli, lai nodrošinātu efektīvu kontroli.
Jāņem vērā arī elektriskie traucējumi. Termopāra signāli parasti ir ļoti mazi. Ja instalācijas vidē ir mainīgas frekvences piedziņas, motori, lieljaudas iekārtas vai augstsprieguma elektriskie kabeļi, nepareiza signāla vadi, ekranējums vai zemējums var izraisīt temperatūras signāla svārstības.
Tāpēc sarežģītās rūpnieciskās vidēs neapstrādāta sensora signāla pārraidīšana lielā attālumā parasti nav vēlamais risinājums. Tā vietā signāla pārveidošana jāveic pēc iespējas tuvāk sensoram, un pēc tam uz vadības sistēmu var pārsūtīt standartizētu signālu, piemēram, 4-20 mA.
Vēl viena izplatīta kļūda ir raidītāja izvēle, nepārbaudot visu temperatūras mērīšanas sistēmu. Pilns temperatūras mērīšanas punkts var ietvert sensoru, termosoli, raidītāju, procesa savienojumu, signāla kabeli un vadības sistēmas ievades moduli. Nepareiza izvēle jebkurā no šiem punktiem var ietekmēt galīgo mērījumu rezultātu.
Tāpēc, izvēloties temperatūras devēju, ieteicams novērtēt pielietojumu šādā secībā:
Procesa vide → Temperatūra → Spiediens → Sensors → Thermowell → Procesa savienojums → Izejas signāls → Uzstādīšanas metode → Vadības sistēma
Kopumā, lai gan temperatūras raidītājs ir izplatīts instruments rūpnieciskajā automatizācijā, tā izvēle ietver vairākas disciplīnas, tostarp siltuma mērījumus, materiālu inženieriju, mehānisko projektēšanu, elektrisko signālu apstrādi un procesu lietojumus.
Patiesi piemērota temperatūras raidītāja izvēle nav tikai mērīšanas diapazona noteikšana. Tā vietā sensors, termoskapis, raidītājs, uzstādīšanas struktūra un vadības sistēma ir pareizi jāsaskaņo kā pilnīga mērīšanas sistēma.
Tikai pilnībā ņemot vērā faktiskos procesa apstākļus, inženieri var sasniegt pareizo līdzsvaru starp mērījumu precizitāti, stabilitāti, reakcijas laiku, kalpošanas laiku un uzturēšanas izmaksām.
