W instalacjach przemysłowych często najwięcej uwagi poświęca się samemu czujnikowi temperatury. Dobiera się rodzaj elementu pomiarowego, materiał osłony, średnicę, długość, przyłącze procesowe oraz zakres temperatury pracy.

To jednak dopiero początek układu pomiarowego.

Czujnik rezystancyjny Pt100, Pt1000 lub termopara nie pokazuje samodzielnie temperatury, nie zapisuje wyników i nie steruje pracą grzałki, palnika, wentylatora ani układu chłodzenia. Aby sygnał powstający w czujniku został przekształcony w czytelną informację, musi trafić do odpowiedniego urządzenia pomiarowego.

Takim urządzeniem może być między innymi:

• miernik lub wyświetlacz temperatury,
• regulator temperatury,
• rejestrator danych,
• przetwornik temperatury,
• sterownik PLC wyposażony w odpowiedni moduł wejściowy,
• system DCS, SCADA lub inny system automatyki.

Dlatego w praktyce przemysłowej powinno się mówić nie tylko o doborze czujnika, ale o doborze całego toru pomiarowego.

Czym jest tor pomiarowy temperatury?

Tor pomiarowy temperatury to zespół współpracujących ze sobą elementów, które umożliwiają:

1. wykrycie temperatury w określonym miejscu procesu,
2. przesłanie sygnału pomiarowego,
3. przetworzenie go na wartość temperatury,
4. wyświetlenie, zapisanie lub przesłanie wyniku,
5. uruchomienie odpowiedniej reakcji układu sterowania.

W najprostszej wersji tor pomiarowy może wyglądać następująco:

czujnik temperatury → przewód → miernik temperatury

W bardziej rozbudowanej instalacji:

czujnik temperatury → przewód przyłączeniowy → przetwornik → sygnał 4–20 mA → sterownik PLC → panel operatorski lub system SCADA

W układzie regulacji temperatury:

czujnik → regulator → element wykonawczy → grzałka, zawór, palnik lub układ chłodzenia

W systemie nadzoru jakości:

czujniki → rejestrator wielokanałowy → pamięć wewnętrzna, karta SD, sieć Ethernet lub system nadrzędny

Każdy z tych elementów ma określoną funkcję i musi być dopasowany do pozostałych części toru.

Czy czujnik temperatury może działać samodzielnie?

Czujnik reaguje na zmianę temperatury, ale sam nie przedstawia wyniku pomiaru w stopniach Celsjusza.

W czujniku rezystancyjnym, na przykład Pt100, zmiana temperatury powoduje zmianę rezystancji elementu pomiarowego. W temperaturze 0°C rezystancja nominalna czujnika Pt100 wynosi 100 Ω. Urządzenie pomiarowe musi zmierzyć tę rezystancję, uwzględnić sposób podłączenia czujnika, a następnie przeliczyć wynik na temperaturę.

W termoparze różnica temperatur pomiędzy spoiną pomiarową a miejscem odniesienia powoduje powstanie napięcia termoelektrycznego. Jest ono niewielkie i najczęściej wyrażane w miliwoltach. Urządzenie odbiorcze musi zmierzyć napięcie, rozpoznać typ termopary, zastosować właściwą charakterystykę oraz wykonać kompensację temperatury zimnych końców.

Oznacza to, że sam czujnik jest elementem pierwotnym toru pomiarowego. Dopiero miernik, regulator, rejestrator, przetwornik lub sterownik z odpowiednim wejściem zamienia sygnał czujnika na użyteczną informację.

Nie zawsze musi to być osobny miernik zamontowany obok czujnika. Funkcję urządzenia odbiorczego może pełnić także karta wejściowa sterownika PLC, moduł wejściowy systemu DCS albo rejestrator wyposażony w bezpośrednie wejście dla Pt100 lub termopary.

Miernik temperatury – gdy potrzebny jest czytelny odczyt

Miernik temperatury służy przede wszystkim do przetworzenia sygnału pochodzącego z czujnika i pokazania wyniku na wyświetlaczu.

Jest stosowany tam, gdzie operator powinien na bieżąco widzieć temperaturę procesu, ale nie ma potrzeby automatycznego sterowania urządzeniem. Może być wykorzystywany między innymi:

• przy zbiornikach i rurociągach,
• w piecach i suszarniach,
• na stanowiskach produkcyjnych,
• w komorach grzewczych i chłodniczych,
• przy maszynach technologicznych,
• w lokalnych szafach sterowniczych.

Miernik musi mieć wejście zgodne z zastosowanym czujnikiem. Urządzenie przeznaczone wyłącznie do współpracy z Pt100 nie będzie prawidłowo obsługiwało termopary typu K, jeżeli producent nie przewidział takiej funkcji.

Dostępne są również mierniki z wejściami uniwersalnymi, które po skonfigurowaniu mogą współpracować z różnymi czujnikami rezystancyjnymi, termoparami oraz standardowymi sygnałami analogowymi. Przykładowo urządzenia APAR mogą obsługiwać czujniki Pt100, Pt500, Pt1000 i Ni100, termopary J, K, S, R, T, B, E i N, a także sygnały prądowe, napięciowe i rezystancyjne. W urządzeniach przewidziano również kompensację rezystancji przewodów dla czujników rezystancyjnych oraz kompensację temperatury zimnych końców termopar.

Regulator temperatury – pomiar i automatyczne sterowanie

Regulator temperatury nie tylko pokazuje wartość mierzoną, ale również porównuje ją z wartością zadaną i odpowiednio steruje procesem.

Jeżeli temperatura jest zbyt niska, regulator może uruchomić grzanie. Jeżeli jest zbyt wysoka – może wyłączyć grzałkę, uruchomić wentylator, otworzyć zawór chłodzący lub wygenerować alarm.

W zależności od zastosowania regulacja może odbywać się w trybie:

• ON-OFF, czyli prostego załączania i wyłączania,
• PID, zapewniającego bardziej płynne i stabilne utrzymanie temperatury,
• programu czasowo-temperaturowego,
• narastania lub opadania wartości zadanej według określonej rampy.

Wyjście regulatora najczęściej nie zasila bezpośrednio grzałki o dużej mocy. Steruje przekaźnikiem, stycznikiem, przekaźnikiem półprzewodnikowym SSR, zaworem, siłownikiem albo innym elementem wykonawczym.

Oferta APAR Control obejmuje zarówno proste regulatory jednokanałowe, jak i urządzenia wielokanałowe wyposażone w funkcje ON-OFF, PID z autotuningiem, programy czasowe, wyjścia przekaźnikowe lub SSR oraz interfejsy komunikacyjne, między innymi RS485, Ethernet i Modbus. Wybrane rozwiązania łączą funkcję regulacji, rejestracji i alarmowania.

Rejestrator – gdy wynik musi zostać zapisany

W wielu procesach samo wyświetlenie aktualnej temperatury nie jest wystarczające. Konieczne jest zachowanie historii pomiarów.

Rejestracja temperatury może być wymagana między innymi:

• w procesach obróbki cieplnej,
• podczas suszenia,
• w chłodniach i magazynach,
• w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym,
• przy produkcji wymagającej dokumentowania parametrów procesu,
• podczas badań i prób technologicznych,
• w systemach nadzoru nad piecami, komorami i zbiornikami.

Rejestrator może zapisywać dane w pamięci wewnętrznej, na karcie pamięci lub przesyłać je do komputera i systemu nadrzędnego. W zależności od wykonania może obsługiwać jeden, kilka lub kilkanaście kanałów pomiarowych.

W aktualnej ofercie APAR znajdują się między innymi urządzenia jedno- i wielokanałowe, wyposażone w wejścia termometryczne i analogowe, wyjścia alarmowe lub regulacyjne, pamięć wewnętrzną, karty SD, USB, RS485 oraz Ethernet. Dostępne są także rejestratory łączące pomiary przewodowe i radiowe oraz urządzenia z ekranami graficznymi.

Zastosowanie rejestratora pozwala nie tylko sprawdzić aktualną temperaturę, ale również odpowiedzieć na pytania:

• kiedy nastąpiło przekroczenie dopuszczalnej wartości,
• jak długo temperatura pozostawała poza określonym zakresem,
• czy proces przebiegał zgodnie z założonym profilem,
• czy wystąpiły nagłe skoki lub spadki temperatury,
• jaka była wartość minimalna, maksymalna i średnia.

Przetwornik temperatury – po co zmieniać sygnał czujnika?

Czujnik może być podłączony bezpośrednio do miernika, regulatora lub rejestratora, jeżeli urządzenie ma odpowiednie wejście. W wielu instalacjach korzystniejsze jest jednak zastosowanie przetwornika temperatury.

Przetwornik zamienia sygnał z czujnika rezystancyjnego lub termopary na standardowy sygnał przemysłowy, na przykład:

• 4–20 mA,
• 0–10 V,
• sygnał cyfrowy RS485 z protokołem Modbus RTU.

Przetwornik może być zamontowany:

• w głowicy czujnika,
• na szynie DIN w szafie sterowniczej,
• w obudowie naściennej,
• w pobliżu punktu pomiarowego.

Zastosowanie przetwornika jest szczególnie uzasadnione przy dużych odległościach pomiędzy czujnikiem a urządzeniem odbiorczym. Standardowy sygnał 4–20 mA jest odporniejszy na zakłócenia i łatwiejszy do przesyłania na większe odległości niż bezpośredni sygnał termopary lub rezystancja czujnika Pt100.

Przetworniki APAR mogą współpracować z czujnikami rezystancyjnymi oraz termoparami i przetwarzać ich sygnały na sygnały analogowe lub cyfrowe. Dostępne są wykonania głowicowe, na szynę DIN i w obudowach naściennych, z możliwością konfiguracji rodzaju wejścia, sposobu podłączenia oraz zakresu przetwarzania.

Trzy typowe konfiguracje toru pomiarowego

1. Czujnik podłączony bezpośrednio do miernika lub regulatora

Jest to rozwiązanie stosowane wtedy, gdy odległość pomiędzy czujnikiem a urządzeniem nie jest duża, a miernik lub regulator ma wejście zgodne z zastosowanym czujnikiem.

Przykład:

Pt100 w wykonaniu 3-przewodowym → przewód przyłączeniowy → regulator temperatury → przekaźnik SSR → grzałka

Układ mierzy temperaturę, pokazuje jej wartość i automatycznie steruje grzaniem.

2. Czujnik z przetwornikiem 4–20 mA

Rozwiązanie jest przydatne przy większych odległościach, trudnych warunkach przemysłowych lub wtedy, gdy system sterowania nie ma bezpośredniego wejścia dla Pt100 albo termopary.

Przykład:

Pt100 → przetwornik głowicowy 4–20 mA → przewód sygnałowy → sterownik PLC → panel operatorski

Przetwornik może zostać skonfigurowany przykładowo w taki sposób, aby sygnał 4 mA odpowiadał temperaturze 0°C, a sygnał 20 mA temperaturze 200°C.

3. Wielopunktowy system pomiaru i rejestracji

Takie rozwiązanie stosuje się w piecach, suszarniach, magazynach, komorach technologicznych i instalacjach, w których trzeba obserwować temperaturę w wielu miejscach jednocześnie.

Przykład:

kilka czujników Pt100 lub termopar → rejestrator wielokanałowy → pamięć lokalna oraz Ethernet → komputer lub system SCADA

System może dodatkowo uruchamiać alarmy po przekroczeniu ustalonych wartości.

Dlaczego wszystkie elementy muszą być do siebie dopasowane?

Prawidłowo wykonany tor pomiarowy nie polega na przypadkowym połączeniu czujnika, przewodu i urządzenia.

Podczas doboru należy sprawdzić co najmniej:

Rodzaj czujnika

Urządzenie musi obsługiwać konkretny typ czujnika: Pt100, Pt1000, Ni100 albo odpowiedni typ termopary, na przykład K, J, N, T, S, R lub B.

Sposób podłączenia czujnika rezystancyjnego

Czujniki Pt100 mogą być wykonywane w układzie 2-, 3- lub 4-przewodowym. Urządzenie musi obsługiwać wybrany sposób połączenia.

W układzie 2-przewodowym rezystancja przewodów wpływa bezpośrednio na wynik pomiaru. Układ 3-przewodowy umożliwia kompensację rezystancji linii przy założeniu zbliżonych rezystancji przewodów. Układ 4-przewodowy pozwala w największym stopniu ograniczyć wpływ przewodów na wynik.

Typ przewodu dla termopary

Termopara wymaga zachowania właściwej biegunowości oraz zastosowania odpowiedniego przewodu termoparowego lub kompensacyjnego. Użycie przypadkowego przewodu miedzianego może wprowadzić dodatkowe błędy pomiarowe.

Kompensację zimnych końców

Urządzenie współpracujące z termoparą powinno realizować kompensację temperatury zimnych końców. Bez niej wynik nie będzie prawidłowo odniesiony do charakterystyki danego typu termopary.

Zakres pomiarowy

Zakres urządzenia powinien odpowiadać rzeczywistemu zakresowi temperatury procesu. Dotyczy to zarówno wejścia czujnikowego, jak i konfiguracji przetwornika.

Rodzaj wyjścia

Należy określić, czy urządzenie ma tylko wyświetlać temperaturę, czy również:

• sterować grzaniem lub chłodzeniem,
• uruchamiać alarm,
• przesyłać sygnał 4–20 mA,
• komunikować się przez RS485 lub Ethernet,
• zapisywać wyniki,
• współpracować z PLC, SCADA lub innym systemem nadrzędnym.

Warunki montażu

Znaczenie ma sposób montażu urządzenia: tablicowy, na szynę DIN, naścienny lub przenośny. Należy uwzględnić także temperaturę otoczenia, wilgotność, stopień ochrony obudowy, zapylenie oraz możliwość występowania zakłóceń elektromagnetycznych.

Dokładność czujnika to nie to samo co dokładność całego toru

Jednym z częstych błędów jest ocenianie całego układu wyłącznie na podstawie klasy dokładności czujnika.

Na końcowy wynik mogą wpływać między innymi:

• tolerancja elementu pomiarowego,
• stabilność czujnika,
• sposób i miejsce jego zamontowania,
• przewodzenie ciepła przez osłonę i przewody,
• rezystancja linii przy czujnikach rezystancyjnych,
• przewody kompensacyjne i połączenia termoparowe,
• dokładność przetwornika,
• dokładność wejścia miernika, regulatora, rejestratora lub sterownika,
• konfiguracja zakresu,
• rozdzielczość urządzenia,
• zakłócenia elektryczne,
• jakość połączeń.

Czujnik w klasie A nie gwarantuje automatycznie, że cały tor będzie mierzył z dokładnością odpowiadającą tolerancji samego elementu Pt100.

Jeżeli wynik pomiaru ma znaczenie dla jakości produktu, bezpieczeństwa procesu lub zgodności z wymaganiami technologicznymi, warto rozważyć wzorcowanie nie tylko czujnika, ale również czujnika współpracującego z przetwornikiem albo całego toru pomiarowego.

Pozwala to ocenić rzeczywistą różnicę pomiędzy temperaturą odniesienia a wskazaniem urządzenia używanego przez klienta.

Najczęstsze błędy przy budowie toru pomiarowego

Do problemów spotykanych w praktyce należą:

• podłączenie termopary do wejścia skonfigurowanego dla innego typu termopary,
• odwrócenie biegunowości przewodów termoparowych,
• użycie niewłaściwego przewodu kompensacyjnego,
• podłączenie czujnika Pt100 w innym układzie niż ustawiony w mierniku,
• nieuwzględnienie rezystancji długiego przewodu w układzie 2-przewodowym,
• wybór urządzenia bez kompensacji zimnych końców,
• niewłaściwe skonfigurowanie zakresu przetwornika,
• niedopasowanie sygnału 4–20 mA lub 0–10 V do wejścia sterownika,
• bezpośrednie obciążenie wyjścia regulatora urządzeniem o zbyt dużej mocy,
• brak odpowiednich alarmów i zabezpieczeń,
• ocena dokładności całego toru wyłącznie na podstawie parametrów czujnika.

Część tych błędów może prowadzić do stałego przesunięcia wyniku, niestabilnych wskazań, nieprawidłowej regulacji, a nawet uszkodzenia elementów instalacji.

Kompletny tor pomiarowy z jednego źródła

CZAH-POMIAR jest producentem przemysłowych czujników temperatury rezystancyjnych i termoelektrycznych, ale zakres dostawy nie musi kończyć się na samym czujniku.

W zależności od potrzeb klienta możemy przygotować rozwiązanie obejmujące:

• czujnik temperatury dobrany do procesu,
• odpowiednią osłonę i przyłącze technologiczne,
• przewód przyłączeniowy, termoparowy lub kompensacyjny,
• złącza i elementy montażowe,
• przetwornik temperatury,
• miernik lub wyświetlacz,
• regulator temperatury,
• rejestrator jedno- lub wielokanałowy,
• konfigurację zakresów wejściowych i wyjściowych,
• rozwiązanie do współpracy ze sterownikiem PLC lub systemem nadrzędnym,
• wzorcowanie wybranych elementów toru pomiarowego.

W pierwszej kolejności korzystamy z urządzeń APAR Control, firmy należącej – podobnie jak CZAH-POMIAR – do Grupy APLISENS. Uzupełniające się kompetencje obu spółek pozwalają połączyć czujniki wykonywane pod konkretną aplikację z przetwornikami, miernikami, regulatorami i rejestratorami.

Jeżeli wymagania techniczne, standard zakładowy klienta lub istniejąca instalacja wskazują na inne rozwiązanie, możliwe jest również zastosowanie urządzeń innych producentów.

Najważniejszym kryterium pozostaje prawidłowe dopasowanie wszystkich elementów do procesu i uzyskanie spójnego, kompletnego toru pomiarowego.

Sam czujnik to początek pomiaru

Dobry czujnik jest podstawą prawidłowego pomiaru temperatury, ale dopiero kompletny tor pomiarowy zamienia jego sygnał w informację, którą można odczytać, zapisać i wykorzystać do sterowania procesem.

Dlatego przy doborze rozwiązania warto odpowiedzieć nie tylko na pytanie:

Jaki czujnik temperatury zastosować?

Równie ważne są pytania:

• gdzie będzie wyświetlany wynik,
• czy temperatura ma być rejestrowana,
• czy układ ma sterować procesem,
• jak daleko znajduje się urządzenie odbiorcze,
• jaki sygnał jest wymagany przez sterownik,
• jakie alarmy i funkcje komunikacyjne są potrzebne,
• jaka dokładność jest wymagana dla całego toru.

Dopiero odpowiedzi na te pytania pozwalają zaprojektować rozwiązanie, które będzie działało prawidłowo nie tylko na papierze, ale także w rzeczywistych warunkach przemysłowych.

Artykuł opracowany przez inżynierów CZAH-POMIAR na podstawie doświadczeń z projektowania, produkcji i doboru przemysłowych czujników temperatury oraz kompletnych torów pomiarowych.

Potrzebują Państwo czujnika wraz z miernikiem, regulatorem, rejestratorem lub przetwornikiem?

Nasi inżynierowie pomagają dobrać wszystkie elementy toru pomiarowego do konkretnej aplikacji – od pojedynczego punktu pomiarowego po wielokanałowe systemy rejestracji i regulacji temperatury.