Преобразователи температуры

Что такое преобразователь температуры?

Датчики температуры выдают результат измерения в виде изменения сопротивления на несколько ом или термоЭДС на уровне милливольт. На длинных кабельных линиях такие сигналы легко искажаются электрическими помехами, а платам ввода системы управления для их обработки нужна линеаризация под конкретный тип датчика. Преобразователь температуры — промежуточный прибор, устанавливаемый рядом с датчиком: он измеряет слабый сигнал, пересчитывает его в температуру и формирует стандартный выходной сигнал.

Двухпроводный преобразователь получает питание от той же токовой петли 4–20 мА. Цифровой сигнал HART, наложенный на эту петлю, передает в систему управления или ПО управления активами не только измеренное значение, но и параметры настройки, диагностическую информацию и вторичные переменные. Тип входа выбирает пользователь, поэтому один и тот же прибор работает с разными типами ТС и термопар, а также со входами мВ и Ом.

Современный преобразователь температуры — гораздо больше, чем преобразователь сигнала. Он выявляет обрыв и короткое замыкание датчика, деградацию термопары, обрыв провода и неисправности токовой петли до того, как они повлияют на процесс, а при подключении двух датчиков обеспечивает резервированное измерение и вычисляет среднюю температуру и разность температур. Поэтому выбор преобразователя — одно из ключевых решений, определяющих и точность, и надежность точки измерения.

Принцип работы преобразователя температуры

Сигнал датчика проходит через преобразователь в систему управления в четыре последовательных этапа:

1.      Измерение сигнала датчика: При входе от термопреобразователя сопротивления прибор пропускает через элемент небольшой измерительный ток и определяет его сопротивление, компенсируя сопротивление проводов в зависимости от двух-, трех- или четырехпроводной схемы. При входе от термопары измеряется напряжение в милливольтах, а температура холодного спая на клеммной колодке определяется отдельно и компенсируется.

2.      Аналого-цифровое преобразование и самокалибровка: При каждом обновлении измерения аналого-цифровой преобразователь автоматически калибрует себя по стабильным внутренним опорным элементам. Период обновления составляет около 0,25 с для одного датчика и 0,5 с для двух. Гальваническая развязка входа и выхода 500 В постоянного тока ограничивает влияние контуров заземления и наведенных помех.

3.      Линеаризация и индивидуальная характеристика датчика: Измеренное сопротивление или напряжение пересчитывается в температуру по стандартной характеристике выбранного типа датчика. Если для ТС введены индивидуальные коэффициенты Каллендара — Ван Дюзена, преобразователь использует реальную характеристику датчика вместо номинальной, и погрешность, вносимая датчиком, заметно снижается.

4.      Выход 4–20 мА и HART: Цифро-аналоговый преобразователь формирует из вычисленного значения сигнал 4–20 мА, линейный по температуре, а протокол HART передает цифровые данные по тем же двум проводам. При отказе микропроцессора или программного обеспечения независимая схема выставляет аварийный ток в направлении (вверх или вниз), выбранном аппаратным переключателем.

Как рассчитывается суммарная вероятная погрешность?

Реальная неопределенность точки измерения складывается не только из точности преобразователя. Суммарная вероятная погрешность (TPE) вычисляется как квадратный корень из суммы квадратов цифровой погрешности, погрешности ЦАП, влияния температуры окружающей среды и погрешности датчика. Пример: преобразователь высокого класса точности со входом Pt100, опорная температура 20 °C, окружающая среда 30 °C, диапазон процесса 100 °C, ТС класса A при 120 °C. Доля датчика составляет 0,39 °C, а суммарная вероятная погрешность — около 0,394 °C. Пример показывает, что в суммарной неопределенности преобладает допуск датчика, и объясняет, почему так важно согласование датчика с преобразователем.

Неинвазивное измерение температуры

В опциональном узле неинвазивного измерения датчик закрепляется на наружной поверхности трубы специальным хомутом. Преобразователь измеряет температуру поверхности трубы и вторичную температуру (на клеммах), а затем рассчитывает температуру процесса по встроенному алгоритму, учитывающему теплопроводность узла и материала трубы. Так исключаются врезка в процесс, защитная гильза и потенциальная точка утечки. Доступны стандартный диапазон от –50 до 300 °C (прямой монтаж) и расширенный диапазон от –60 до 650 °C (выносной монтаж); решение рекомендуется для задач контроля.

Монтаж преобразователя рядом с датчиком сокращает путь слабого сигнала датчика, а в операторную измерение передается помехоустойчивым токовым сигналом и цифровыми данными.

Ключевые особенности

·         Два класса точности: Высокий класс обеспечивает цифровую точность ±0,05 °C со входом Pt100 и стабильность в течение 20 лет, стандартный класс — точность ±0,08 °C и стабильность в течение 10 лет.

·         Широкий выбор входов: Двух-, трех- и четырехпроводные ТС Pt, Ni и Cu; термопары типов B, E, J, K, N, R, S, T, DIN L/U, L по ГОСТ и W5Re/W26Re; входы –10…100 мВ и 0–2000 Ом.

·         Вход для двух датчиков: Два независимых измерения, средняя температура, разность температур и резервирование датчика с автоматическим переключением при отказе основного; в высоком классе точности — два четырехпроводных входа.

·         Предупреждение о дрейфе датчика: В режиме средней температуры контролируется расхождение двух датчиков; при превышении заданного предела преобразователь выдает предупреждение или аварийный сигнал.

·         Автоматический переход с четырех на три провода: Если один провод четырехпроводного ТС оборвался, корродировал или ослаб, преобразователь без перерыва продолжает измерение по трехпроводной схеме и выдает сообщение о необходимости обслуживания.

·         Диагностика токовой петли: Токовая петля контролируется непрерывно: неисправности, влияющие на сигнал связи, — коррозия, попадание воды в корпус или нестабильное питание — выявляются заблаговременно.

·         Диагностика деградации термопары и журнал событий: Отслеживается тенденция деградации термопары; в памяти хранится до 100 диагностических событий о состоянии прибора, а контроль минимальных и максимальных значений формирует технологические предупреждения.

·         Распознавание датчика одной кнопкой: С совместимыми датчиками, оснащенными идентификационной меткой, тип датчика, число проводов и коэффициенты CVD определяются автоматически нажатием одной кнопки, что исключает ошибки ручной настройки.

·         Bluetooth и локальные кнопки: По Bluetooth настройку и обслуживание можно выполнять на расстоянии прямой видимости, как правило, не менее 15 м; локальные кнопки на графическом индикаторе позволяют провести тест петли и настроить датчик.

·         Графический ЖК-индикатор: Индикатор 128×128 пикселей с подсветкой: гистограмма 0–100 %, поворот изображения с шагом 90° и вторая строка для отображения второго измерения, разности, средней температуры, температуры клемм или тока петли.

·         Возможность неинвазивного измерения: Опциональный монтаж на поверхность трубы позволяет измерять температуру без врезки в процесс; варианты хомутов охватывают трубы от DN15 до DN1500.

Технические характеристики

Ниже приведены типовые данные полевого преобразователя температуры, рассматриваемого на этой странице. Точность и параметры питания зависят от класса точности, типа датчика и выбранных опций и должны подтверждаться на этапе проекта.

Суммарная цифровая точность для термопар получается прибавлением к табличному значению точности компенсации холодного спая 0,25 °C. Цифровая точность ниже для термопары типа B в диапазоне 100–300 °C и для типа K в диапазоне –190…–90 °C. Метрологические характеристики неинвазивного измерения следует оценивать отдельно для каждого проекта.

Основные преимущества

·         Более точное удержание уставки: Высокая цифровая точность и использование индивидуальной характеристики датчика улучшают качество регулирования, особенно в контурах реакторов и нагрева с узкими допусками.

·         Увеличенные межкалибровочные интервалы: Стабильность до 20 лет ограничивает дрейф, вносимый преобразователем, и позволяет увеличивать межкалибровочные интервалы на основе оценки рисков.

·         Бесперебойное измерение: Резервирование датчика и автоматический переход с четырех на три провода не позволяют отказу одного датчика или провода привести к остановке процесса.

·         Предиктивное обслуживание: Диагностика деградации термопары, дрейфа датчика и токовой петли предупреждает службы обслуживания до того, как неисправность исказит измерение.

·         Применимость в контурах безопасности: Сертификация по IEC 61508, данные FMEDA и возможность регистрировать контрольные испытания (proof test) упрощают проектирование и верификацию приборных функций безопасности.

·         Ускоренная пусконаладка: Доступ по Bluetooth, локальные кнопки и распознавание датчика одной кнопкой ускоряют настройку на объекте и сокращают ошибки ручного ввода.

·         Измерение без точки утечки: Неинвазивный вариант позволяет контролировать температуру без врезки в трубопровод там, где сложно рассчитать защитную гильзу.

Области применения

Полевые преобразователи температуры применяются в точках процесса, где данные о температуре передаются в систему управления для регулирования, защиты или контроля. Ниже приведены задачи, в которых ключевые функции прибора дают наибольший эффект.

Прецизионные контуры регулирования

В контурах, которые должны работать вблизи уставки, преобразователь высокого класса точности в сочетании с ТС, согласованным по коэффициентам CVD, снижает суммарную неопределенность.

Системы противоаварийной защиты

Конфигурация с сертификатом IEC 61508, данными о точности в режиме безопасности и временем реакции функции безопасности 5 с применяется в температурных функциях ПАЗ; контрольные испытания можно регистрировать в самом приборе.

Резервированное измерение и разность температур

Резервирование и контроль дрейфа с двумя датчиками в критических точках; прямое вычисление разности температур между двумя датчиками, например на входе и выходе теплообменника.

Точки, где сложно применить защитную гильзу

Неинвазивное измерение с поверхности трубы на трубопроводах малого диаметра, на линиях, где точка утечки недопустима, или в точках контроля, где сложно рассчитать защитную гильзу.

Суда и морские платформы

Варианты с типовыми одобрениями ABS, Bureau Veritas, DNV и Lloyd's Register предназначены для применения на судах и морских объектах.

Взрывоопасные зоны

Исполнения со взрывонепроницаемой оболочкой и искробезопасные конфигурации с сертификатами ATEX, IECEx и сертификатами Северной Америки применяются в газовых и пылевых средах.

Как выбрать преобразователь температуры

Выбор преобразователя дает правильный результат только вместе с выбором датчика. Для технической оценки рекомендуем уточнить следующее:

Вход и метрологические характеристики

·         Тип датчика и число проводов (Pt100 по трех- или четырехпроводной схеме, тип термопары, вход мВ или Ом)

·         Один или два входа; потребность в резервировании, средней температуре или разности температур

·         Калибруемый диапазон и рекомендуемый минимальный диапазон

·         Требуемые точность и стабильность (стандартный или высокий класс)

·         Потребность во вводе коэффициентов CVD на заводе и в сертификате калибровки по 5 точкам

Диагностика и безопасность

·         Базовая диагностика датчика или расширенный объем, включая деградацию термопары

·         Требование сертификата IEC 61508 и данных FMEDA

·         Направление и уровни аварийного сигнала (NAMUR NE 43 или заказные уровни)

·         Требование сертификата калибровки с защитой от несанкционированного вмешательства (пломбировкой)

Электрическая часть и связь

·         Напряжение питания и общее сопротивление петли (250–1100 Ом для HART)

·         Потребность в доступе по Bluetooth и в местном индикаторе и кнопках

·         Защита от импульсных перенапряжений (от молний, сварки и мощного электрооборудования)

·         Выбор сетевого фильтра 50/60 Гц

Механические и климатические условия

·         Материал корпуса (алюминий или нержавеющая сталь) и резьба кабельного ввода

·         Монтаж непосредственно на датчик или выносной монтаж на кронштейне на трубе 2 дюйма или на панели

·         Минимальная температура окружающей среды (низкотемпературное исполнение ниже –40 °C)

·         Классификация зоны и требуемый вид взрывозащиты; потребность в морском типовом одобрении

·         При рассмотрении неинвазивного измерения — диаметр и материал трубы, наличие теплоизоляции

Если температура процесса приближается к пределу рабочей температуры преобразователя, его следует удалить от источника тепла с помощью удлинителя или выносного монтажа. Длины датчика и защитной гильзы нужно определять с учетом этого решения.

Сертификаты, одобрения и применимые стандарты

Характеристики безопасности, взрывозащиты и связи преобразователя определяются приведенными ниже сертификатами и стандартами. Применимый объем зависит от заказанной конфигурации.

Пригодность для взрывоопасных зон и применений функциональной безопасности следует оценивать для каждого проекта вместе с датчиком, соединительной головкой и кабельными вводами — совместно с инженерами TLY Enerji.

Решения TLY Enerji: преобразователи температуры

В TLY Enerji преобразователь температуры никогда не рассматривают отдельно от датчика и защитной гильзы: мы оцениваем суммарную неопределенность точки измерения, потребность в диагностике и требования безопасности в комплексе. На основе данных процесса наши инженеры определяют тип входа, класс точности, функцию двух входов и объем диагностики, а при необходимости подкрепляют выбор расчетом суммарной вероятной погрешности.

Мы помогаем перенести данные по безопасности в документацию ПАЗ, выполнить настройку HART, согласовать уровни аварийного сигнала с системой управления, загрузить коэффициенты CVD в преобразователь и интегрировать измерение в ПЛК/РСУ. В точках, где сложно рассчитать защитную гильзу, мы технически оцениваем неинвазивный вариант и работаем вместе с вашими специалистами на этапах пусконаладки и сопровождения на объекте. На действующих предприятиях в этот подход входят также сокращение номенклатуры преобразователей, привязка диагностических сообщений к процессам обслуживания и формирование стратегии резервного фонда приборов.

Часто задаваемые вопросы

Для чего нужен преобразователь температуры?

Преобразователь температуры измеряет слабый сигнал сопротивления или милливольтный сигнал, который выдает термопреобразователь сопротивления или термопара, пересчитывает его в температуру и передает в систему управления в виде токового сигнала 4–20 мА с цифровыми данными HART. Благодаря этому сигнал не искажается помехами на длинных кабельных линиях, а диагностика позволяет отслеживать отказы датчиков, дрейф и неисправности петли.

Совпадает ли точность преобразователя с точностью всего измерения?

Нет. Суммарная вероятная погрешность объединяет цифровую погрешность преобразователя, погрешность ЦАП, влияние температуры окружающей среды и погрешность датчика. Например, при цифровой точности преобразователя со входом Pt100 ±0,05 °C вклад датчика класса A при 120 °C составляет 0,39 °C, а суммарная погрешность — около 0,394 °C. Поэтому согласование датчика с преобразователем заметно повышает общую точность.

Какие функции дает вход для двух датчиков?

Два входа обеспечивают два независимых измерения, среднюю температуру, разность температур и резервирование датчика. В режиме резервирования при отказе основного датчика преобразователь автоматически переключается на второй. Режим средней температуры можно сочетать с предупреждением о дрейфе датчика. Для разности температур точность равна 1,5 точности худшего датчика, если оба датчика однотипны, и сумме их точностей, если типы разные.

Пропадет ли измерение при обрыве провода датчика?

При четырехпроводном ТС, если один из проводов оборвется, корродирует или ослабнет на любом участке между чувствительным элементом и клеммой, преобразователь автоматически перейдет на трехпроводное измерение. Измерение продолжится без остановки процесса, а прибор выдаст сообщение о необходимости обслуживания. На случай полного отказа датчика следует выбирать конфигурацию с резервированием по двум датчикам.

Можно ли применять преобразователь в системах с SIL?

Да. С опцией сертификации безопасности преобразователь сертифицирован по IEC 61508: SIL 2 и SIL 3 (claim limit), программное обеспечение пригодно для применений SIL 3. Точность в режиме безопасности составляет ±2 % от диапазона для диапазонов от 100 °C и шире или ±2 °C для более узких диапазонов; время реакции функции безопасности — 5 с. Для расчетов безопасности используется отчет FMEDA.

Можно ли измерить температуру процесса без защитной гильзы?

Для задач контроля — да. В неинвазивном узле датчик закрепляется хомутом на поверхности трубы; преобразователь измеряет температуру поверхности трубы и вторичную температуру и рассчитывает температуру процесса по алгоритму, основанному на теплопроводности. Стандартный диапазон — от –50 до 300 °C, расширенный — от –60 до 650 °C. Для регулирования и точек, где нужен быстрый отклик, установку в защитную гильзу следует оценить отдельно.

Что учитывать при связи по HART?

Для надежной связи по HART общее сопротивление петли должно составлять от 250 до 1100 Ом. Напряжение питания зависит от сопротивления петли и класса точности: 11,5–42,4 В пост. тока в стандартном классе и 16,7–42,4 В пост. тока в высоком классе. Не следует обмениваться данными с преобразователем, пока напряжение на его клеммах ниже 12 В пост. тока.

При какой температуре окружающей среды работает преобразователь?

Стандартный рабочий диапазон, включая индикатор, составляет от –40 до 85 °C, и каждый прибор характеризуется в этом диапазоне на заводе. Для более холодных объектов доступны низкотемпературные исполнения –50 °C и –60 °C; ниже –40 °C влияние температуры окружающей среды возрастает. Ниже –20 °C индикатор работает медленнее, а ниже –25 °C локальные кнопки блокируются.