Kuinka lämpötilalähetin muuntaa anturin signaalit?

Sensing Element: Mistä mittaus alkaa

Kaikki alkaa anturista. Lämpötilalähettimet on suunniteltu toimimaan useiden anturielementtien kanssa, mutta kaksi yleisintä tyyppiä teollisuusympäristöissä ovat vastuslämpötilan ilmaisimet (RTD) ja lämpöparit.

Resistanssilämpötilan ilmaisimet (RTD)

RTD – yleisesti tai Pt100 Pt1000 platinaelementti – käyttöä lämpötilan ja sähkötuksen ulkoista ennustettavaa suhdetta. Lämpötilan noustessa platinalangan vastus kasvaa vastaavasti. Tämä lineaarisuus tekee RTD:stä asianen tarkkoja, tarkasti ±0,1 °C:n alueella -200 °C - 850 °C.

Termoparit

Termopari päästä kahdesta erikseen metallilangasta, jotka on liitetty toisesta päästään. Kun liitos on allttiina lämpölle, syntyy pieni jännite - Seebeck-jännite. Tämä jännite on määrällinen lämpötilaeroon mittausliitoksen (kuuma pää) ja referenssiliitoksen (kylmä pää, yleensä lähettimen sisällä) välillä. Termoparit voi mitata paljon laajemman alueen, jopa yli 1700°C , joten ei suosivat äärimmäisissä lämpötiloissa.

Harvemmin lähettimet on suunniteltu myös hyväksymään termistoreja, pyrometrejä tai millivolttituloja muista erikoistuneista antureista. Yksin anturi ei tehta voi vetää signaalikaapeliaan lattian poikki ilman syytää huononemista - lähettimen tehtävänä on puhdistaa, linearisoida ja koodata tämä signaali riittävän kestävään muotoon teollisuusympäristöihin.

Signaalin ilmastointi: Raw-tulon puhdistaminen

Anturin raakatulostus on harvoin suoraan. RTD tuottaa vastusarvoja; termopari tuottavan mikrovolttia. Lähettimenmuunnin sisäisen piirin on ensin muutettava nämä fyysiset suureet jännitteeksi, jonka sen analogia-digitaalin (ADC) voi säätää.

RTD-signaalin ilmastointi: Kelvin Sensing

RTD:ssä lähetin syöttää tarkan, matalan tason viritysvirran anturin läpi ja mittaa tuloksena olevan jännitehäviön Ohmin lain mukaisesti. Lyijylangan resistanssivirheen poistamiseksi useimmat teollisuuslähettimet käyttöä a 3- tai 4-johtiminen Kelvin-anturijärjestely . 4-johtimisessa asennuksessa kaksi johdinta kuljettaa viritysvirtaa ja kaksi erillistäa mittaavat jännitettä elementin yli varmistaen, että johdinresistanssi ei johda vaikuta lukemaan.

Lämpöparin signaalin ilmastointi: kylmäliitoksen kompensointi

Termoparien tulee lähettäämen on suoritettava kylmäliitoksen kompensointi (CJC) . Koska referenssiliitos sijaitsee lähellämen kotelon sisällä, sen riippuen ympäristön olosuhteiden mukaan. Lähetin käyttää sisäistä referenssianturia – use tarkkuustermistoria taiiidiodiodia – mittaamaan lämpötilan lämpötilaa riviliittimessä ja vähentämään sen osuuden matemaattisesti termoparin jännitteestä.

Molemmissa parempi analoginen signaali vahvistetaan ja suodatetaan sähköisen koan poistamiseksi ennen kuin sehdistää ADC:n. Tärkeimmät vaiheessa ovat:

• Herätysvirran generointi RTD:ille tai jännitteen vahvistus termopareille
• Lyijyresistanssin kumoaminen Kelvin-anturin (RTD) tai CJC:n (termoparien) avulla
• Alipäästösuodatus estää sähkömagneettiset häiriöt (EMI)
• Signaalin vahvistus vastaamaan ADC:n tuloaluetta

Analogista digitaaliseksi muuntaminen ja linearisointi

Kun signaali on käsitelty, se siirtyy korkearesoluutioon ADC:hen. Nykyaikaisissa lähetyksissä käytetään yleensä 16- tai 24-bittisiä muuntimia ,jotka muuntavat jatkuvan analogisen jännitteen digitaaliseksi numeroksi, joiden kanssa lähettimen mikroprosessori voi toimia.

Miksi linearisointi on suhteen

Mikroprosessori soveltaa sitten linearisointia - kriittinen vaihe, koska anturin lähdöt eivät ole täysin lineaarisia. Platinan resistanssi-lämpötila-suhde ajan Callendar-Van Dusen -yhtälöä, ei suoraa linjaa. Termoparit tässä vat kullekin termopari pääte (J, K, T, S, R, B jne.) ominaisia ​​​​IEC 60584 polynomiyhtälöitä. Lähettimen laiteohjelmisto tallentaa nämä kertoimet ja käyttää niitä muuntaakseen raaka-ADC-lukeman tarkaksi lämpötilaksi suunnitteluyksiköissä (°C, °F tai K).

Tässä on suuri osa lähettimen älykkyydestä. Perusväline soveltaa vain karkeaa lineaarista approksimaatiota; korkean tarkkuuden laitteen soveltaa täyttä polynomikorjausta koko kalibroidulle alueelle.

Muunnosvaiheet säännöt

1. Anturin raakasignaali (resistanssi tai millivoltti) säädellään ja vahvistetaan
2. ADC näyttelee ehdollista signaalia korkealla resoluutiolla
3. Mikroprosessori soveltaa anturikohtaista linearisointiyhtälöä
4. Tulos ilmaistaan kalibroituna lämpötila-arvona valitussa yksikössä
5. Tämä arvo kartoitetaan lähtösignaalialueelle lähetystä varten

Lähtömuunnos: 4–20 mA virtasilmukka

Yleisin teollisuuden lämpötilalähettimen lähtö on 4-20 milliampeerin virtasilmukka . Tässä standardissa lähetin toimii muuttuvana virtalähteenä: 4 mA edustaa mittausalueen alaosaa (esim. -50 °C) ja 20 mA edustaa huippua (esim. 200 °C). Välissä oleva lämpötilakartoittaa lineaarisesti 4–20 mA:n alueella.

Miksi virtasilmukka eikä jännitesignaali?

Toisin kuinjännitesignaali - joka heikkenee kaapelin resistanssin kasvaessa - virtasignaali pysyy vakiona silmukassa johdinresistanssista pysyvästi, voimassa silmukan jännitebudjetti on riittävästi. Lähettimet ovat ehdottomasti ohjata virtasilmuu satojen metrien ylilla kierretyllä parikaapelilla ilmann heikkenemistä.

Live-Zero -diagnostiikkaetu

4 mA "live zero" tarjoaa sisäänrakennetun vian havaitsemiskyvyn. Jos signaali putoaa alle 4 mA - käytössä Vikakynnyksenä käyttää 3,6 mA — vastaanottava järjestelmä tietää, että lähetin on viallinen tai johto on katkennut. 0 mA:sta alkava signaali ei voi tehdä tätä eroa. Avainsilmukan virran viitearvot ovat:

• 3,6 mA — alueen ala side / vikailmoitus
• 4 mA — alempi aluearvo (LRV), 0 % alueesta
• 12 mA - keskiasteikko, 50 % alueesta
• 20 mA — yläalueen arvo (URV), 100 % alueesta
• 21,0–21,5 mA — alueen ylä side / kylläisyys hälytys

HART, Fieldbus ja Digital Communication Protocols

Monet nykyaikaiset lähettimet kerrostavat digitaalisen tiedonsiirtoprotokollan analogisen lähdön päälle. HART (Highway Addressable Remote Transducer) on laajimmin käytetty: se asettaa taajuussiirtymäavainnoidun (FSK) digitaalisen signaalin 4–20 mA:n silmukkaan taajuudella 1 200 Hz (merkki) ja 2 200 Hz (avaruus). Koska FSK-signaali on AC ja virtasilmukkasignaali DC, ne toimivat rinnakkain ilman häiriöitä.

Mitä HART mahdollistaa

HART:n kautta teknikko voi etäkäyttää lähettäämen keskeyttämättä prosessin mittausta. Tämä sisältää:

• Diagnostiikkatietojen ja määrätilan lukeminen
• Mittausalueen, vaimennuksen ja suunnitteluyksiköiden säätö
• Toissijaisen prosessimuuttujan (esim. anturin terminaalin lämpötilan) lukeminen
• Silmukkatestin tai anturin trimmauksen suorittaminen valvomosta

Täysin digitaaliset vaihtoehdot

Täysin digitaalisia vaihtoehtoja ovat mm SÄÄTIÖ Kenttäväylä , PROFIBUS PA , ja WirelessHART . Nämä ovat analogisen virtasilmukan kokonaan digitaalisella väylällä, mikä mahdollistaa monipudotusjohdon (useita lähettimiä yhdessä kaapeliparissa), suuremman tiedonsiirron ja monipuolisemman diagnostiikan. WirelessHART lisää itseorganisoituvan mesh-radioverkon, mikä tekee lähettäämen asentamisesta käytännöllistä paikkoihin, joissa fyysisen kaapelin käyttäminen on kohtuuttoman kallista tai mahdotonta.

Päähän asennettavat vs. DIN-kiskoon asennettavat lähettämet

Lämpölähettimiä on kahdessa parhaimmassa fyysisessä kokoonpanossa, joka sopii hyvin asennusskenaarioon.

Päähän asennettavat lähettimet

Päähän asennettavat lähettimet ovat kompakteja moduleja, jotka asennetaan suoraan suojakotelon tai anturikokoonpanon liitäntäpäähän mittauspisteessä. Tämä järjestely minimoi anturin ja lähetämen ulkoen etäisyyden, mikä vähentää herkkyyttä sähkömagneettisille häiriöille millivolttitason anturin signaalissa. Ne sopivat ihanteellisesti kenttäasennukseen, jossa prosessiliitäntä on fyysisesti saavutettavissa.

DIN-kiskoon asennettavat lähettämet

DIN-kiskoon asennettavat lähettämet sijoitetaan paneeli- tai kaappikoteloihin, jotka on erotettu anturista joskus kymmenien tai satojen metrien kaapelilla. Niitä käyttää, kun useita lähettämiä on mittakeskuksen keskusvalvomoon tai ympäristö kun paikallisesta elektroniikasta epäkäytännöllistä. Kompromissi on, että pitkä termoparin jatkokaapeli tai RTD-johto altistuu sähkömagneettisille häiriöille koko pituudeltaan.

Kahden kokoonpanon välisen valinnan menetelmä:

• Mittauspisteen ympäristölämpötilalämpötila, tärinä, kosteus
• Yhteen koteloon yhdistettävien mittauspisteiden lukumäärä
• Käytettävissä oleva kaapelin reititys ja sähköiset häiriöt signaalin aikana
• Huolto- ja kalibrointimukavuus

Kalibrointi-, poikkeama- ja tarkkuusvaatimukset

Lähetin on vain niin tarkkaan sen viimeinen kalibrointi. Ajan myötä anturielementit ajautuvat: RTD:n resistanssi muuttuu metalliraerakenteen migraatiosta johtuen; termoparin lämpösähköinen kerroin muutos kontaminoitumisen, hapettumisen tai lämpökierron aiheuttaman fyysisen rasituksen vuoksi. Myös itse lähettää elektroniikka ajautuu iän ja lämpötilan mukaan.

Kalibroinnin jäljitettävyys ja välit

Teollisuuslähettimet on kalibroitu kansallisiin metrologialaitoksiin jäljitettävien vertailustandardien mukaan – NIST numero ja PTB Saksassa. Kalibroinnin aikana tuloon syötetään lämpötila tai vastaava sähköinen signaali ja lähtövirta trimmataan vastaamaan odotettua arvoa. Useimmat prosessilaitokset ajoittavat lähettämen kalibroinnin laitoksen tai puolivuosittain , jossa mittauksen kriittisyyden ja anturin ryömintäominaisuudetsien määräävät intervallit.

Tarkkuusbudjetin ymmärtäminen

Järjestelmän kokonaistarkkuus on useiden virhelähteiden summa. Kun luet sanomen teknisiä tietoja, ota kaikki seuraavat seikat:

• Anturin tarkkuus — RTD:n tai termoparin luontainen toleranssiluokka (esim. IEC:n luokka A, luokka B)
• Tulopiirin tarkkuus — lähettäämen kyky mitata anturin signaalia lisäämättä virhettä
• ADC resoluutio — pienin inkrementti, jonka muunnin voi erottaa
• Linearisointivirhe — jäännöspoikkeama polynomikorjauksen jälkeen
• Lähtöpiirin tarkkuus — 4–20 mA:n silmukkaa ohjaavan virtalähteen tarkkuus

Huippuluokan Pt100 RTD -lähetin, jossa on hyvin sovitettu anturi, voi saada yhdistetyn järjestelmän tarkkuuden ±0,1 °C , kun taas yleiskäyttöinen lämpöparilähetin on tällä tavalla osoitettu ±0,5°C tai ±0,1 % kalibroidusta alueesta .

Teolliset sovellukset ja valintakriteerit

Lämpötilalähettimiä käytetään useilla prosessiteollisuudella. Yleisiä hakevat ovat:

• Öljy ja kaasu — kaivon pään lämpötilat, lämpövaihtimen valvonta, erotinastian olosuhteet
• Farmaseuttiset tuotteet — validoitu lämpötilamittaus GMP-vaatimustenmukaisuuden hyvä
• Ruoka ja juoma — pastörointilämpötilan tarkastus ja CIP-prosessin valvonta
• Sähköntuotanto — kattilan höyryn lämpötilat ja turbiinin pakokaasujen valvonta
• Kemiallinen käsittely — reaktorin lämpötilan säätö ja tislauskolonnin profilointi

Tärkeimmät valintatekijät

Oikean lähettimen valinta edellyttää teknisten ja ympäristövaatimusten tasapainoa:

1. Vaadittu mittausalue ja tarkkuusluokka
2. Yhteensopiva anturityyppi (RTD, termopari, termistori)
3. Lähtö- ja tiedonsiirtoprotokolla (4–20 mA, HART, Fieldbus, WirelessHART)
4. Ympäristön lämpötila-alue ja vaarallisten alueiden luokitus (ATEX, IECEx, NEC)
5. Sisääntulosuojaus (IP) pöly- ja kosteusympäristöille
6. Nopeasti muuttuvien prosessien vasteaika ja vaimennusvaatimukset

Vaarallisten alueiden sertifiointi

Räjähdysvaarallisissa tiloissa — öljynjalostamissa, kemian tehtaissa, offshore-lautoissa — käytettävien lähettämien on tarkoitettu sertifiointi luonnostaan vaarattomat (IS) tai räjähdyssuojatut (Ex d) standardit . Luontainen turvallisuus vaaraa silmukan sähköenergian tasolle, joka ei voi sytyttää palavaa ilmakehää. Räjähdyssuojatut kotelot sisäisen sytytyksen leviämättä sitä lämpötilan ympäristöön. Sovellettava sertifiointijärjestelmä asennusalueesta: ATEX Euroopassa, IECEx kansainvälisesti ja NEC Pohjois-Amerikassa.

Laittamalla kaikki yhteen

Lämpötilalähetin pyytää pohjimmiltaan jatkuvaa toimintaketjua: se virittää ja lukee anturin, säätelee ja vahvistaa tason signaalia, digitoi sen korkealla ratkaisulla, soveltaa matemaattista linearisointia ja muuntaa tuloksen standardoiduksi sähkölähdöksi, jonka ohjausjärjestelmä voi saada luotettavasti pitkien kaapelien aikana. Jokainen askel lisää tarkkuutta, kestävyyttä ja älykkyyttä muuten mikä olisi haur, kantama-rajoitettu helppoa anturielementistä.

Teollisuuden siirtyessä kohti IIoT- ja digitaalisia tehdasarkkitehtuureja lähettimiin upotettu älykkyys jatkaa kasvuaan. Nykypäivän lähettät lähettimet vaaditaan itse äly protokolladiagnostiikkaa, raportoida anturin heikentymisestä ennen kuin se aiheuttaa mittauksen, tallentamisen kalibrointihistorian ja kommunikoida omaisuudenvirheohjelmiston kanssa digitaalisten tietojen kautta – näiden tulee saada kenttätason datasolmuja tehtaanlaajuisessa tietoverkossa.

Lämpötilalähettimen sisäisten mekanismien ymmärtäminen – lämpöparin kärjessä olevasta Seebeck-ilmiöstä DCS-tulokortin HART-kättelyyn – antaa insinööreille ja teknikoille perustan, jota he tarvitsevat valita, asentaa, tarkastaa, tarkistaa vianmääritys ja kalibroida nämä välineet luottavaisin mielin.