Przewodnik po czujnikach temperatury: typy, zasady działania i czynniki wyboru

Temperatura jest jedną z najczęściej mierzonych zmiennych w przemyśle czujnik temperatury jest często wybierany na końcu projektu. Widzieliśmy ten schemat wielokrotnie: sondę wybiera się już po zaprojektowaniu rury, piekarnika, zbiornika czy panelu sterowania. Rezultatem jest zwykle kompromis w zakresie szybkości reakcji, dopasowania instalacji lub żywotności. Bardziej praktyczne podejście polega na zrozumieniu funkcji czujnika, a następnie dopasowaniu elementu czujnikowego, zabezpieczenia, montażu i sygnału wyjściowego do zadania.

Co właściwie mierzy czujnik temperatury

Czujnik temperatury to urządzenie, które przekształca stan termiczny na sygnał, który można odczytać, przesłać lub kontrolować. Sygnałem tym może być wartość rezystancji, małe napięcie, pętla prądowa lub odczyt cyfrowy. Element wyczuwający to tylko jedna część historii. W zastosowaniach przemysłowych czujnik zwykle zawiera osłonę ochronną, izolację, głowicę przyłączeniową, przyłącze procesowe, a czasami zintegrowany przetwornik.

Z tego powodu dwa czujniki o podobnej dokładności mogą działać zupełnie inaczej. Czas reakcji zależy od masy i kontaktu termicznego. Stabilność zależy od materiałów i temperatury roboczej. Żywotność zależy od korozji, wibracji, wilgoci i głębokości montażu. Z naszego doświadczenia wynika, że ​​czujnik, który wygląda prawidłowo na papierze, może zawieść, jeśli montaż nie jest dopasowany do rzeczywistych warunków procesu.

Główne typy czujników temperatury

Większość przemysłowych pomiarów temperatury dzieli się na kilka rodzin: termopary, rezystancyjne detektory temperatury, termistory i czujniki podczerwieni. Termometry bimetaliczne są również powszechne do wskazań lokalnych, podczas gdy kompaktowe czujniki cyfrowe służą do zastosowań sprzętowych i laboratoryjnych. Każdy typ charakteryzuje się inną równowagą zasięgu, dokładności, szybkości i kosztu.

Termopary są często wybierane do pieców, przewodów wydechowych i procesów wysokotemperaturowych, ponieważ tolerują ekstremalne ciepło i wibracje. Czujniki RTD są preferowane, gdy liczy się stabilność i dokładność, szczególnie w zastosowaniach spożywczych, farmaceutycznych, analitycznych i przemysłowych w niższych temperaturach. Termistory są przydatne w kompaktowych urządzeniach, w których czułość ma większe znaczenie niż szeroki zakres. Czujniki podczerwieni pomagają, gdy kontakt jest niepraktyczny, ale wymagają ostrożnego celowania i realistycznego obrazu emisyjności powierzchni.

W przypadku projektów, które wymagają stabilnego odniesienia dotyczącego rezystancji, fabryczny czujnik RTD PT100 klasy A 316 jest praktycznym punktem wyjścia do wielu zastosowań średniotemperaturowych.

Sonda czujnika temperatury klasy A 316 RTD PT100 Fabryczna sonda Pt100 obejmująca zakres temperatur od -200 do 450°C, z dokładnością klasy A i konstrukcją ze stali nierdzewnej 316 zapewniającą stabilne odniesienie w zakresie rezystancji w średnich temperaturach. Zobacz produkt →

Jak czujniki temperatury działają w praktyce

Termopara wykorzystuje efekt Seebecka: dwa różne metale wytwarzają małe napięcie, gdy ich złącza mają różną temperaturę. Złącze pomiarowe znajduje się w procesie, natomiast złącze odniesienia zwykle znajduje się na zaciskach lub wewnątrz przetwornika. Dlatego właśnie istotna jest kompensacja zimnego złącza. Bez tego odczyt może się zmieniać w miarę nagrzewania się lub ochładzania głowicy przyłączeniowej.

RTD działa inaczej. Jego opór rośnie w przewidywalny sposób wraz ze wzrostem temperatury. Na przykład PT100 ma nominalnie 100 omów w temperaturze 0°C. Ponieważ zmiana rezystancji jest niewielka, rezystancja przewodu może mieć wpływ na dokładność. Połączenia trój- i czteroprzewodowe pomagają kompensować rezystancję kabla. Termistor również zmienia rezystancję wraz z temperaturą, ale zwykle w bardziej stromy, nieliniowy sposób w węższym zakresie.

Czujniki podczerwieni odczytują promieniowanie cieplne emitowane przez powierzchnię. Nie mierzą bezpośrednio temperatury powietrza i nie widzą przez przeszkody. Na wynik wpływają emisyjność, rozmiar celu, odległość i odbicie tła. W przypadku wszystkich typów czujników dobre okablowanie sygnałowe, ekranowanie i uziemienie stanowią część systemu pomiarowego, a nie opcjonalne dodatki.

• Element czujnikowy reaguje na temperaturę.
• Osłona chroni element i przewodzi ciepło.
• Głowica przyłączeniowa chroni zaciski i okablowanie.
• Nadajnik lub kontroler przekształca sygnał w użyteczny sygnał wyjściowy.

Czynniki wyboru, które mają większe znaczenie niż arkusz danych

Arkusz danych stanowi przydatny punkt wyjścia, ale nie opisuje całej instalacji. Przed wyborem czujnika temperatury należy sprawdzić:

• Zakres temperatur: Zapewnij wolną przestrzeń na rozruch, czyszczenie lub zdenerwowanie.
• Dokładność i powtarzalność: Zdecyduj, czy potrzebujesz absolutnej dokładności, czy spójnych danych trendów.
• Czas reakcji: Cienka sonda reaguje szybciej, ale może być mniej wytrzymała.
• Środowisko procesowe: Sprawdź korozję, ciśnienie, wibracje, wilgoć i zmywanie.
• Głębokość zanurzenia: Obszar wykrywania musi osiągnąć reprezentatywną temperaturę procesu.
• Montaż: Złączki gwintowane, kołnierzowe, zaciskowe, magnetyczne lub zaciskowe odpowiadają różnym celom.
• Wyjście sygnału: Dopasuj czujnik do wejścia sterownika, sterownika PLC lub przetwornika.
• Dostęp konserwacyjny: Zaplanuj inspekcję, wymianę i kalibrację.

Pomaga także pomyśleć o kosztach złego wyboru. Tani czujnik, który ulegnie wcześniejszej awarii, może kosztować znacznie więcej niż lepiej dopasowany zespół, zwłaszcza gdy powoduje przestoje lub odrzucenie partii.

Dopasowanie czujnika do procesu

Różne branże wymagają różnych rzeczy od czujnika temperatury. W zastosowaniach petrochemicznych i gazu ziemnego sondy mogą wymagać solidnych osłon, uszczelnień i ochrony przed warunkami atmosferycznymi lub korozyjną atmosferą. W produkcji chemicznej i codziennej produkcji chemicznej ważna jest kompatybilność ze zbiornikiem, rurociągami i procedurą czyszczenia. Maszyny spożywcze wymagają higienicznych sond, gładkich powierzchni i materiałów odpowiednich do mycia i kontaktu z produktem. Przyrządy analityczne często wymagają kompaktowych, stabilnych czujników, które mieszczą się w małej obudowie.

Nasz strony aplikacji branżowych pogrupuj te wymagania tak, aby wybór rozpoczynał się od procesu, a nie od numeru katalogowego. W przypadku pieców, wypalaczy i urządzeń wysokotemperaturowych powszechnie wybiera się sondę typu K ze stali nierdzewnej o temperaturze znamionowej 1200°C, jeśli odpowiednia jest atmosfera i materiał osłony.

Czujnik termopary typu K do 1200°C do pieców przemysłowych Sonda termopary typu K ze stali nierdzewnej do wykrywania wysokich temperatur w piecach przemysłowych, z podanymi klasami tolerancji i zakresami pomiarowymi do wyboru. Zobacz produkt →

Do prac laboratoryjnych i żywności w niższych temperaturach bardziej odpowiednia może być sonda PT100 lub PT1000 z osłoną ze stali nierdzewnej dopuszczonej do kontaktu z żywnością. Do pomiaru powierzchni rur lub rolek czujniki samoprzylepne lub magnetyczne mogą uprościć instalację. Kluczem jest dopasowanie kształtu sondy do powierzchni, a nie wpychanie standardowej sondy w niewygodne miejsce.

Uwagi dotyczące instalacji i konserwacji

Wiele problemów z pomiarem temperatury zaczyna się już w momencie instalacji. Sonda, która jest zbyt krótka, zbyt luźna lub źle uszczelniona, nie będzie wiarygodnie wskazywać temperatury procesu. Rozważ te praktyczne punkty:

1. Zanurz sondę na tyle głęboko, aby osiągnąć temperaturę procesu, utrzymując głowicę przyłączeniową w jej własnym limicie temperaturowym.
2. Użyj odpowiedniego środka uszczelniającego do gwintów lub uszczelki i unikaj nadmiernego dokręcania gwintów stożkowych.
3. Poprowadź kable sygnałowe z dala od kabli zasilających i użyj ekranowania tam, gdzie występują zakłócenia elektryczne.
4. Obsługuj długie sondy w warunkach wysokich wibracji i sprawdzaj zmęczenie spoiny lub gwintu.
5. Zaizoluj odsłonięte sekcje, gdy warunki otoczenia mogą mieć wpływ na odczyt.
6. Zapisz odczyt linii bazowej i sprawdzaj kalibrację w rozsądnych odstępach czasu.

Czujnik nie musi być skomplikowany, aby był niezawodny, ale należy go zainstalować z taką samą starannością, jak przyrząd, który chroni.

Wyjście sygnału, sterowanie i zdalne monitorowanie

Czujnik temperatury rzadko działa samodzielnie. W nowoczesnej pętli sterowania czujnik zasila przetwornik, sterownik, sterownik PLC lub system zdalnego monitorowania. Lokalny przetwornik zamontowany w głowicy przyłączeniowej może zredukować przechwytywanie szumów i uprościć okablowanie. Wyjście 4–20 mA jest nadal szeroko stosowane, ponieważ jest wytrzymałe na długie kable i łatwe w integracji. Wyjścia cyfrowe i kontrolery wyświetlaczy są przydatne tam, gdzie potrzebny jest lokalny odczyt i konfiguracja.

Przetwornik należy dobrać do typu czujnika, zasięgu i środowiska. W pełni izolowany, zintegrowany przetwornik temperatury może pomóc w oddzieleniu obwodu pomiarowego od pętli uziemienia i zakłóceń elektrycznych, co jest cenne w projektach modernizacyjnych i instalacjach, w których występują zakłócenia elektryczne.

W pełni izolowany, zintegrowany przetwornik temperatury W pełni izolowany dwuprzewodowy przetwornik dla wejść czujnika rezystancyjnego, termopary, rezystancji i napięcia, zapewniający sygnał wyjściowy 4–20 mA dla instalacji zakłócających lub modernizowanych. Zobacz produkt →

Po stronie sterowania regulatory PID, wskaźniki analogowe i termometry bimetaliczne pełnią inną rolę. Sterownik powinien być dopasowany do wejścia czujnika, zakresu temperatur i wymaganej mocy wyjściowej. W przypadku zdalnego monitorowania należy wcześniej zaplanować ścieżkę sygnału i zasilanie, ponieważ dobry czujnik nie jest w stanie skompensować źle zaprojektowanej pętli.

Praktyczna lista kontrolna przed złożeniem zamówienia

Przed złożeniem zamówienia należy zapisać zakres temperatur procesu, wymaganą dokładność, interfejs instalacji, warunki otoczenia, długość kabla i żądaną moc wyjściową. Dodaj szkic punktu mocowania, jeśli jest dostępny. Informacje te są o wiele bardziej przydatne niż pojedynczy numer modelu, zwłaszcza gdy standardowy czujnik wymaga niewielkiej modyfikacji, aby prawidłowo pasował.

• Jaka jest normalna i maksymalna temperatura?
• Czy proces jest płynny, gazowy, powierzchniowy czy półstały?
• Jaki gwint, kołnierz lub zacisk jest dostępny?
• Jaka jest możliwa długość wsunięcia?
• Czy obszar jest mokry, zakurzony, żrący lub wybuchowy?
• Jakiego sygnału wejściowego oczekuje sterownik lub sterownik PLC?
• W jaki sposób czujnik będzie testowany lub wymieniany?

Jeśli którykolwiek z tych punktów jest niepewny, prześlij nam warunki procesu i prosty szkic. Krótka rozmowa techniczna na początku często uniemożliwia późniejszą długą korektę i pomaga mieć pewność, że otrzymany czujnik temperatury jest rzeczywiście dostosowany do pracy, jaką ma wykonać.