Преобразователи температуры

Измерение температуры в промышленных условиях

Температура — это один из четырех основных параметров измерения технологического процесса (к остальным относятся давление, уровень и расход). Измерения температуры проводятся во множестве различных областей. Неточность показаний температуры может повлиять на чистую прибыль.

Например, если контроллер поддерживает температуру воды в технологическом процессе на уровне 100 °F, а измеренная температура, возвращаемая на контроллер, всего на 1 °F ниже фактической температуры, контроллер увеличит энергию процесса, чтобы довести ее до 100 °F (хотя на самом деле в этом нет необходимости). Во сколько вам обойдется эта потраченная впустую энергия в год? Конечно, это зависит от того, о каком количестве воды идет речь, но если вы используете более 100 000 л в год, составят ли дополнительные расходы 8000 долл. США в год, 10 000 долл. США в год или больше? Цена небольшой неточности измерения (всего 1 °F) очень существенна, но ее часто оставляют без внимания.

Как видите, важно иметь глубокое понимание измерения температуры. В следующих разделах будут рассмотрены основные сведения о датчиках температуры и о целесообразности использования преобразователей температуры.

Датчики

За последние годы было разработано множество датчиков. Все они определяют температуру посредством некоторого изменения физических характеристик датчика. Хорошим примером является ртутный термометр. При изменении температуры объем ртути (физический показатель) изменяется предсказуемым образом. Знание предсказуемого изменения позволяет нам сконструировать термометр с визуальной шкалой, по которой мы можем считывать температуру. Но для промышленного применения нам необходимо что-то более точное, чем ртутный термометр. К числу наиболее распространенных датчиков, используемых в промышленности, относятся резистивные датчики температуры (РДТ) и термопары.

В чем состоит различие между РДТ и термопарой?

РДТ изготавливаются из одного материала, электрическое сопротивление которого изменяется при изменении температуры. Знание зависимости между сопротивлением и температурой позволяет нам сделать вывод о значении измеренной температуры. Как правило, для изготовления РДТ используется платина, но в производстве участвуют и другие материалы. Платина характеризуется стабильным четко определенным изменением сопротивления на градус изменения температуры в широком температурном диапазоне. Преимущество РДТ заключается в поддержании стабильного точного выходного сигнала на протяжении длительного периода времени. К недостаткам относится изначально более высокая стоимость и ограниченный диапазон измерения по сравнению с термопарами (см. рисунок ниже).

Термопары состоят из двух электрических проводников из различных материалов, соединенных на одном конце. Изменения температуры в точке соединения двух материалов вызывают образование напряжения между ними. Знание зависимости между генерируемым напряжением и температурой позволяет нам сделать вывод о значении измеренной температуры. Термопары изготавливаются из нескольких различных комбинаций материалов. Каждая комбинация имеет свой температурный диапазон. Термопары характеризуются большей износостойкостью, меньшей стоимостью, более высокой скоростью реакции и имеют большую зону измерений по сравнению с РДТ, но их стабильность и точность со временем снижается.

Из двух типов датчиков наиболее часто используются термопары.

Преобразователи температуры

Как и в случае с любыми другими полевыми приборами, цель получения данных об измерении температуры состоит в своевременной, точной и надежной передаче этой информации на средства контроля/управления.

РДТ и термопары могут подключаться путем проводного соединения непосредственно к приемному устройству.

Итак, почему следует использовать преобразователь температуры?

Проводное подключение любого типа датчика непосредственно к приемному устройству связано с определенными трудностями. Как правило, такой метод отрицательно влияет на точность и надежность сигнала датчика.

Для РДТ используются удлинительные провода. Эти провода увеличивают сопротивление сигнала РДТ. Поскольку РДТ выполняет измерение температуры на основе сопротивления, любое сопротивление, не относящееся к температуре, приведет к ошибке при достижении приемного устройства. «Дополнительное» сопротивление может быть скомпенсировано при использовании трех- или четырехпроводных РДТ. Эти дополнительные провода применяются для измерения сопротивления электропроводки. Приемное устройство может использовать информацию для компенсации дополнительного сопротивления. Однако при этом приходится использовать трех- или четырехпроводные кабели. Такие кабели могут стоить в два раза дороже, чем обычные двухпроводные.

Для подключения термопар к приемному устройству требуется специальная проводка. Эта проводка должна быть изготовлена из тех же материалов, что и сама термопара. При использовании проводки из другого материала на приемное устройство будет поступать искаженный сигнал. Необходимость обеспечивать наличие специальной электропроводки во время установки и поддерживать запас для проведения последующего технического обслуживания усложняет применение термопар. Следует также принимать в расчет стоимость специальной проводки (особенно при длинных кабельных трассах).

Преобразователи температуры решают эти проблемы. Преобразователь можно разместить рядом с датчиком, чтобы снизить потребность в специальной проводке и, таким образом, сократить потенциальную погрешность. Преобразователь конвертирует сигнал датчика в такой сигнал, который может передаваться на большее расстояние. Этот сигнал может представлять собой простой аналоговый сигнал 4–20 мА постоянного тока, цифровой сигнал (с поддержкой протокола Hart, BRAIN или FOUNDATION™ Fieldbus) или беспроводной сигнал (ISA100). Преобразователь передает надежный и точный сигнал на желаемое приемное устройство, используя стандартную витую пару или, в случае беспроводного преобразователя, без использования проводов.

Своевременное, точное и надежное получение информации на средства контроля/управления.