W jaki sposób przetwornik temperatury konwertuje przepływ?

Element czujnikowy: gdzie zaczyna się pomiar

Wszystko zaczyna się od czujnika. Przetworniki temperatury są urządzeniami elektrycznymi z czujnikami, ale dwoma typami stosowanymi w zastosowaniach przemysłowych do rezystancyjnych detektorów temperatury (RTD) i termopar.

Rezystancyjny czujnik temperatury (RTD)

Czujnik RTD — najczęstszy element platynowy Pt100 lub Pt1000 — wykorzystuje przewidywane wyjście między temperaturą a zasilaniem elektrycznym. Wraz ze wzrostem temperatury, która jest dostarczana z kablem platynowym, proporcjonalnie. Ta liniowość sprawia, że ​​czujniki RTD są wartościami szczegółowymi, zasadniczo w zakresie ±0,1°C w zakresie od -200°C do 850°C.

Termoparia

Termopara składa się z dwóch różnych metalowych przewodów drutowych na jednym końcu. Kiedy złącze jest wytworzone na skutek działania ciepła, jest to małe urządzenie — dostępne Seebecka. Napięcie do jest łącznikowe do pomiaru temperatury pomiędzy złączami pomiarowymi (gorącymi) a złączem łączącym (zimnym przewodowym, zwykle wewnątrz przetwornika). Termoparia can measure a much wider range, up to over 1,700°C , co czyni je preferowanymi w środowiskach o ekstremalnych temperaturach.

Rzadziej przetworniki są również dostępne do akceptowania termistorów, pirometrów lub wejścia miliwoltowych z innych urządzeń. sam czujnik nie jest w stanie dostarczyć sygnału radiowego przez halę produkcyjną bez szczególnej degradacji — Zadaniem jest oczyszczanie, wzmacnianie, linearyzacja i kodowanie tego zastosowania w formie wytrzymałej dla środowiska przemysłowego.

Kondycjonowanie rozwiązania: czyszczenia surowego wejścia

Surowy sygnał wyjściowy z częstotliwością, którą można wykorzystać do bezpośredniego wykorzystania. RTD podstawowe wartości wartościowe; termoparaprodukcja mikrowolty. Wewnętrzne obwody muszą być najpierw określone te wielkości fizyczne, które mogą przetworzyć przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC).

Kondycjonowanie oprogramowania RTD: wykrywanie Kelvina

W przypadku czujników RTD przetwornik dostarczany przez czujnik elektryczny wzbudzenia o poziomie podstawowym i dodatkowym, dostępnym z prawa Ohma. Aby połączyć przewody doprowadzające, przetworników przemysłowych wykorzystuje a 3-przewodowy lub 4-przewodowy układ czujników Kelvina . W systemie 4-przewodowym dwa przewody przenoszą prąd wzbudzenia, dwa pierwsze przewody mierzą elemencie, dzięki czemu są dostarczane, a urządzenia te nie mają bezpośredniego wpływu na odczyt.

Kondycjonowanie rozwiązania termopary: kompensacja zimnego użytku

W przypadku termopar przetwornik musi być kompensacja zimnego zużycia (CJC) . Ponieważ jest podłączony do wnętrza obudowy przetwornika, jego temperatura zmienia się w zależności od warunków. Przetwornik wykorzystujący wewnętrzny czujnik — często stosowany termistor lub diodę krzemową — do pomiaru temperatury na liście zaciskowej i matematycznego odejmowania jej udziału w zastosowaniu termopary.

Obydwa sygnały analogowe są następnie wzmocnione i filtrowane w celu usunięcia szumu, zanim dotrze do przetwornika ADC. Kluczowe etapy kondycjonowania do:

• Generowanie prądu wzbudzenia dla RTD lub prądu elektrycznego dla termopar
• Kasowanie przewodów za pomocą czujnika Kelvina (RTD) lub CJC (termopary)
• Filtrowanie dolnoprzepustowe w celu odrzucenia oparów elektromagnetycznych (EMI)
• Wzmocnienie rozwiązania zakresu dostarczającego przetwornika ADC

Konwersja i linearyzacja zastosowania analogowo-cyfrowego

Po kondycjonowaniu sygnału odbieranego do przetwornika ADC o wysokiej rozdzielczości. Nowoczesne przetworniki przetworniki konwertery 16-bitowe lub 24-bitowe , które są rozdzielone analogowo na cyfrową, z możliwością rozdzielenia mikroprocesora przetwornika.

Dlaczego linearyzacja jest równa

Następnie mikroprocesor stosuje linearyzację – krok krytyczny, którego skutkiem jest uruchomienie nie są idealnym liniowym. Zależność od temperatury platyny jest zgodna z równaniem Callendara – Van Dusena, a nie linią eliminacyjną. Termopary zawarte w równaniach wielomianowych normy IEC 60584 dla każdego typu termopary (J, K, T, S, R, B itp.). Oprogramowanie sprzętowe przetwornika przechowuje te współczynniki i wykorzystuje je do odczytu surowego ADC na poziomie temperatury w jednostkach inżynierskich (°C, °F lub K).

W tym właśnie tkwi znaczna część inteligencji. Podstawowe narzędzie stosowane w przybliżeniu przybliżenie liniowe; zastosowanie o wysokiej jakości stosowania pełnej korekty wielomianu w całym skalibrowanym zakresie.

Kroki francuskie po kolei

1. Surowy sygnał sygnałowy (rezystancja lub miliwolty) jest kondycjonowany i wzmacniany
2. ADC próbuje kondycjonowanego sygnału w wysokiej rozdzielczości
3. Mikroprocesor stosujący równanie linearyzacji dla ograniczenia
4. Wynik stanowi skalębrowaną wartość temperatury w urządzeniu dostępowym
5. Wartość ta jest odwzorowywana na zakres opracowania dla transmisji

Konwersja wyjścia: pętla prądowa 4–20 mA

Na głównym sygnale przetwornika przemysłowego jest sygnał wyjściowy Pętla prądowa 4–20 miliamperów . W tym przetworniku całkowicie źródło zasilania zmiennego: 4 mA dolna część zakresu pomiarowego (np. -50°C), a 20 mA górna część zakresu pomiarowego (np. 200°C). Dowolna temperatura pomiędzy nimi jest odwzorowana liniowo w zakresie od 4 do 20 mA.

Dlaczego pętla prądowa, a nie sygnał napięciowy?

W przewodzie elektrycznym, który pochodzi z degradacji wraz ze wzrostem i zasięgiem, prądowy pozostaje stały z przodu od zasięgu, pod końcowym, że zasięg jest dostępny. Przetworniki mogą zazwyczaj sterować pętlą prądową na długości setek metrów standardowej skrętki bez pogorszenia użycia.

Zaleta stosowania Live-Zero

Funkcja „live zero” 4 mA zapewnia wbudowaną aplikację powietrzną. Jeśli spadnie poniżej 4 mA – często Jako sposób zwarcia stosuje się 3,6 mA — system odbioruczy wie, że istnieje ryzyko, że zostanie dostarczony. Sygnał rozpoczynający się od 0 mA może nie powodować różnicy. Wartość prądu elektrycznego do:

• 3,6 mA — wychodzące poniżej poziomu/usterki
• 4 mA — dolna wartość ograniczona (LRV), 0% zakresu
• 12 mA — skala średnia, 50% rozpiętości
• 20 mA — wartość górnego zakresu (URV), 100% zakresu
• 21,0–21,5 mA — alarm powyżej zakresu/nasycenia

Protokoły HART, Fieldbus i komunikacja cyfrowa

Wiele zastosowań może zostać wprowadzonych drogą elektroniczną na wyjście analogowe. HART (adresowalny przetwornik autostradowy) jest najszerzej: zastosowanie sygnału cyfrowego z kluczem przesunięcia częstotliwości (FSK) na pętlę 4–20 mA przy częstotliwości 1200 Hz (znak) i 2200 Hz (spacja). Ponieważ sygnał FSK to prąd przemienny, sygnał elektryczny do prądu stałego, współistnieją jeden bez oznaczenia.

Co umożliwia HART

Technika HART może umożliwiać dostęp do przetwornika bez przerywacza pomiaru procesu. Należy do:

• Odczyt informacji diagnostycznych i stanu urządzenia
• Dostosowanie zakresu pomiarowego, tłumienia i jednostek inżynierskich
• Odczyt drugiej zmiennej procesowej (np. regulacja temperatury)
• Wykonanie testu stopniowego lub trymowanie czujnika ze sterowni

W pełni cyfrowe alternatywne

W pełni cyfrowe alternatywne obejmują FUNDACJA Fieldbus , PROFIBUS PA , tj BezprzewodowyHART . Zachodzi jeden analogowy przewód prądowy magistralą cyfrową, włączony okablowanie wielopunktowe (wiele przetworników na jednym przewodzie), wyższa przepustowość danych i bogatsza diagnostyka. WirelessHART zawiera samoorganizującą się sieć radiową typu mesh, dzięki której instalacja przetwornika jest praktyczna w miejscach, w których znajduje się urządzenie jest zbyt drogie lub możliwe.

Przetworniki montowane w głowicy i przetworniki montowane na szynie DIN

Przetworniki temperatury są dostępne w dwóch konfiguracjach konfiguracyjnych, dostosowanych do różnych scenariuszy instalacji.

Przetworniki montowane na głowie

Nadajniki montowane na głowie do kompaktowych modułów instalowanych bezpośrednio w głowicy sterującej osłoną termometryczną lub zespołu czujnika, umieszczonego w punkcie pomiarowym. Takie rozwiązanie minimalizuje odległość między czujnikami a przetwornikiem, zmniejszając podatność na zakłócenia elektromagnetyczne, dostarczając na poziomie miliwoltów. Idealnie występuje do instalacji w terenie, gdzie dostępne są procesy procesowe.

Przetworniki montowane na szynach DIN

Przetworniki montowane na szynach DIN są umieszczone w obudowach panelowych lub szafach, oddzielonych od czujników czasami dziesiątkami lub setkami metrów broni. Stosuje się je tam, gdzie wiele przetworników jest podłączonych do sterowni lub gdy wymagane jest sprawdzenie w punkcie pomiarowym, że lokalna elektronika jest niepraktyczna. Wadą jest to, że długi przedłużacz termopary lub przewód bezprzewodowy RTD jest chroniony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi na całej długości.

Wybór spośród tych dwóch utworzonych zależy od:

• Pomiar warunków w miejscu pomiaru (temperatura, wibracje, obciążenia)
• Liczba punktów pomiarowych, które pochodzą z jednej obudowy
• Dostępne kable i zasilacze prądu stałego
• Dostęp konserwacyjny i wygoda dokładna

Specyfikacja, dryfu i specjalne

Przetwornik jest tak dostosowany, jak jego ostatnia kalibracja. Z biegiem czasu elementy czujnika dryfują: urządzenie RTD zmienia się w wyniku wykrywania cząstek metalu; współczynnik termoelektryczny termopary, który zmienia się z powodu, utleniania lub naprężenia związanego z cyklami termicznymi. Sama elektronika podlega również zmianom wraz z dojrzewaniem i temperaturą.

Możliwość wprowadzenia odstępy czasu

Przetworniki przemysłowe są kalibrowane zgodnie z normami referencyjnymi dotyczącymi krajowych instytucji metrologicznych — NIST w Stanach Zjednoczonych, PTB w Niemczech. Podczas sprawdzania, czy jest wprowadzany sygnał elektryczny o znanej wartości lub równoważny, prąd jest dopasowywany do oczekiwanej wartości. Podstawowe opracowanie konfiguracji przetwornika co roku lub co pół roku , z odstępami określonymi na podstawie krytycznego pomiaru i charakterystyki dryftu czujnika.

Zrozumienie wstępne

Całkowity kompletny system obejmujący wiele źródeł błędów. Czytając kartę przetwornika, należy wziąć pod uwagę wszystkie uwagi:

• Dokładność czujnika — klasa kontroli czujnika rezystancyjnego lub termopary (np. klasa A, klasa B IEC)
• Dokładność odprowadzania — Przetwornik do pomiaru pomiaru bez dodawania danych
• Rozdzielczość ADC — dodatkowy, jaki może rozróżnić konwerter
• Błąd linearyzacji — odchylenie resztkowe po zastosowaniu korekty wielomianowej
• Dokładność dostarczania — precyzja źródła prądu elektrycznego, pętla 4–20 mA

Podstawowy przetwornik RTD Pt100 z dobrze dopasowanym czujnikiem może być dołączony do zestawu ±0,1°C , podczas gdy przetwornik termopary ogólnego przeznaczenia jest zwykle określany pod adresem ±0,5°C lub ±0,1% skalibrowanego zakresu .

Zastosowania przemysłowe i kryteria wyboru

Przetworniki temperatury są stosowane w każdej branży procesowej. Typowe zastosowanie obejmuje:

• Ropa i gaz — temperatura głowicy odwiertu, wyłączniki wymienników ciepła, zbiornik separatora
• Farmaceutyki — pomiar temperatury pod kątem zgodności z GMP
• Jedzenie i napoje — weryfikacja temperatury pasteryzacji i kontrola procesu CIP
• Wytwarzanie energii — kontrola temperatury pary w kotle i spalinach z turbiny
• Obróbka chemiczna — kontrola temperatury reaktora i profilowanie sufitowej destylacyjnej

Kluczowe wybory

Wybór odpowiedniego przetwornika wymaga zrównoważenia kilku wymagań technicznych i technicznych:

1. Wymagany zakres pomiarowy i klasa referencyjna
2. Zgodny typ czujnika (RTD, termopara, termistor)
3. Protokół wyjściowy i komunikacyjny (4–20 mA, HART, Fieldbus, WirelessHART)
4. Zakres temperatury otoczenia i klasyfikacja obszaru rozległego (ATEX, IECEx, NEC)
5. ochrona ochrony (IP) w środowiskach zapylonych i wilgotnych
6. Czas stosowania i wymagania dotyczące tłumienia w szybko zmieniających się procesach

Certyfikacja obszaru leśnego

W przypadku zastosowania w atmosferze wybuchowych — rafinerie przewodowej, zakłady chemiczne, platforma wiertnicze — przetworniki muszą posiadać certyfikat w wykonaniu iskrobezpiecznym (IS) lub przeciwwybuchowym (Ex d). . Iskrobezpieczeństwo ograniczające ryzyko w poziomie do poziomu, który nie może być umieszczony łatwopalnie. Obudowy przeciwwybuchowe zapłonu wewnętrznego, nie włączając go do ogrzewania. Obowiązujący schemat zależy od instalacji: ATEX w Europie, IECEx na arenie międzynarodowej i NEC w Ameryce Północnej.

Składanie tego wszystkiego razem

Przetwornik temperatury ciągłej operacji: wzbudzanie i odczytuje czujnik, kondycjonuje i wzmacnia sygnał wyjściowy, obsługuje go na cyfrową z częstotliwością, stosuje linearyzację matematyczną i wyniki na znormalizowaną moc wyjściową, który system sterowania może nie być odbierany przy adresach. Każdy dodatkowy dodatek, solidność i inteligencja to rozwiązanie, które w razie wypadku zostało wyłączone z szyfrowanego sygnału o ograniczonym działaniu, pochodzącego wyłącznie z elementu czujnika.

W mierniku przemysłowym w kierunku IIoT i alternatywnym architektur instalacji, inteligencja wbudowana w przetworniki stale rosnące. wyposażone w przetworniki, które mogą znajdować się na autodiagnostyce, rozkładać degradację, zanim zostaną wprowadzone do pomiaru, przeprowadzona lokalizacja i zlokalizować się z oprogramowaniem, aby zarządzać za pośrednictwem protokołuów, stając się w ten sposób, że dane na poziomie obiektu w sieci przekazują cały zakład.

Zrozumienie elektryczne przetwornika temperatury — od źródła Seebecka na wyjściu termopary po uzgadnianie HART na dostarczaj DCS — daje inżynierom i technikom niezbędnym do Wybierz, zainstaluj, skonfiguruj, rozwiąż problemy i skalibruj te instrumenty z przeznaczeniem.