Sam czujnik temperatury, niezależnie od tego, czy jest to czujnik rezystancyjny Pt100, Pt1000, czy termopara, wytwarza sygnał, który nie zawsze może być bezpośrednio wykorzystany przez sterownik, rejestrator lub system automatyki. Sygnał ten może być również podatny na zakłócenia, wpływ przewodów połączeniowych oraz błędy pojawiające się podczas przesyłania na większe odległości. W takich sytuacjach stosuje się przetworniki temperatury. Firma CZAH-POMIAR, produkując przemysłowe czujniki temperatury rezystancyjne i termoelektryczne, może na życzenie klienta wyposażyć je w głowicowe przetworniki temperatury. W aplikacjach, w których przetwornik ma zostać zamontowany w szafie sterowniczej lub rozdzielnicy, możliwe jest również zastosowanie przetwornika listwowego. Technolodzy i doradcy techniczni CZAH-POMIAR zwracają uwagę, że dobór przetwornika powinien uwzględniać nie tylko rodzaj czujnika, ale również warunki jego pracy, długość przewodów, wymagany sygnał wyjściowy, sposób montażu oraz parametry całego toru pomiarowego.

 

Czym jest przetwornik temperatury?

Przetwornik temperatury jest urządzeniem elektronicznym, które odbiera sygnał pochodzący
z elementu pomiarowego i przekształca go na standardowy sygnał wykorzystywany przez urządzenia automatyki.

W zależności od rodzaju czujnika sygnałem wejściowym może być między innymi:

• zmiana rezystancji czujnika Pt100 lub Pt1000,
• napięcie termoelektryczne wytwarzane przez termoparę,
• sygnał z innego elementu pomiarowego współpracującego z przetwornikiem.

Na wyjściu przetwornika otrzymujemy najczęściej ustandaryzowany sygnał prądowy 4÷20 mA lub napięciowy 0÷10 V. Może on zostać przesłany do sterownika PLC, regulatora, rejestratora, wyświetlacza, modułu wejściowego albo nadrzędnego systemu sterowania procesem.

W praktyce przetwornik pełni funkcję pośrednika pomiędzy czujnikiem temperatury a systemem automatyki.

 

Jakie funkcje pełni przetwornik temperatury?

Podstawowym zadaniem przetwornika jest zamiana sygnału z czujnika temperatury na sygnał zrozumiały dla urządzeń pomiarowych i systemów sterowania. Jego rola jest jednak znacznie szersza.

 

1. Standaryzacja sygnału pomiarowego

Czujniki rezystancyjne i termoelektryczne działają na różnych zasadach i generują odmienne sygnały. Przetwornik przekształca je na jeden ze standardowych sygnałów przemysłowych, najczęściej 4÷20 mA.

Dzięki temu do różnych urządzeń automatyki można doprowadzić sygnał o tym samym standardzie, niezależnie od rodzaju zastosowanego czujnika.

 

2. Linearyzacja charakterystyki czujnika

Charakterystyka czujnika temperatury nie zawsze jest idealnie liniowa. Przetwornik może przeliczać sygnał wejściowy zgodnie z charakterystyką danego typu czujnika i przyporządkowywać mu właściwą wartość temperatury.

Ma to szczególne znaczenie w przypadku termopar oraz czujników rezystancyjnych, których sygnał musi być prawidłowo interpretowany zgodnie z odpowiednią charakterystyką pomiarową.

 

3. Ograniczenie wpływu zakłóceń

Niewielkie sygnały pochodzące bezpośrednio z czujników mogą być podatne na zakłócenia elektromagnetyczne występujące w zakładach przemysłowych. Źródłem zakłóceń mogą być między innymi silniki, falowniki, styczniki, przewody zasilające i urządzenia dużej mocy. Umieszczenie przetwornika blisko elementu pomiarowego pozwala przekształcić sygnał czujnika na bardziej odporny na zakłócenia sygnał przemysłowy.

 

4. Przesyłanie wyniku pomiaru na większe odległości

Sygnał 4÷20 mA bardzo dobrze sprawdza się w instalacjach, w których czujnik znajduje się w znacznej odległości od sterownika lub rejestratora. W porównaniu z bezpośrednim przesyłaniem sygnału z czujnika rozwiązanie takie ogranicza wpływ rezystancji przewodów i zakłóceń na wynik pomiaru.

 

5. Dopasowanie czujnika do systemu automatyki

Nie każdy sterownik, regulator lub moduł pomiarowy może bezpośrednio obsługiwać termopary albo czujniki Pt100. Wiele systemów jest natomiast standardowo wyposażonych w wejścia prądowe 4÷20 mA lub napięciowe 0÷10 V. Przetwornik umożliwia więc współpracę czujnika z komputerami, sterownikami PLC, rejestratorami i systemami nadrzędnymi.

 

Czy przetwornik zwiększa dokładność pomiaru?

Często można spotkać się ze stwierdzeniem, że zastosowanie przetwornika automatycznie zwiększa dokładność pomiaru. Jest to jednak pewne uproszczenie.

Przetwornik nie zmienia klasy dokładności samego elementu pomiarowego. Czujnik Pt100 klasy A pozostaje czujnikiem klasy A, a termopara zachowuje tolerancję wynikającą z jej wykonania i odpowiedniej normy.

Prawidłowo dobrany przetwornik może natomiast:

• linearyzować sygnał czujnika,
• kompensować określone zjawiska wpływające na pomiar,
• ograniczać błędy powstające podczas przesyłania sygnału,
• zmniejszać wpływ zakłóceń,
• umożliwiać właściwe dopasowanie zakresu pomiarowego,
• ułatwiać diagnostykę uszkodzenia czujnika lub przewodów.

Dlatego można powiedzieć, że przetwornik pomaga ograniczyć ryzyko powstawania dodatkowych błędów w torze pomiarowym. Należy jednak pamiętać, że sam przetwornik również ma określoną dokładność, stabilność i błąd przetwarzania. Przy ocenie całego układu należy uwzględnić łącznie parametry czujnika, przetwornika, przewodów, urządzenia odbierającego sygnał oraz warunków montażu.

 

Przetworniki do czujników rezystancyjnych

Przetworniki przeznaczone do czujników rezystancyjnych współpracują najczęściej z czujnikami Pt100 lub Pt1000.

Ich zadaniem jest pomiar rezystancji elementu pomiarowego i przeliczenie jej na odpowiadającą wartość temperatury. Przetwornik powinien być odpowiednio skonfigurowany do rodzaju czujnika oraz sposobu jego podłączenia.

W praktyce przemysłowej czujniki rezystancyjne mogą być wykonywane w układzie:

• dwuprzewodowym,
• trzyprzewodowym,
• czteroprzewodowym.

Sposób podłączenia wpływa na możliwość ograniczenia błędu wynikającego z rezystancji przewodów. W układzie dwuprzewodowym rezystancja przewodów jest dodawana do rezystancji elementu pomiarowego i może wpływać na wynik. Układ trzyprzewodowy umożliwia kompensację wpływu rezystancji przewodów przy założeniu, że przewody mają zbliżone parametry. Układ czteroprzewodowy pozwala na najdokładniejsze ograniczenie wpływu przewodów na wynik pomiaru. Przetwornik musi obsługiwać układ połączeń zastosowany w danym czujniku.

 

Przetworniki do termopar

Termopary wytwarzają niewielkie napięcie zależne od różnicy temperatur pomiędzy złączem pomiarowym a miejscem odniesienia. Przetwornik współpracujący z termoparą powinien być skonfigurowany do jej konkretnego typu, na przykład K, J, N, E, T, R, S lub B. Poszczególne rodzaje termopar mają odmienne charakterystyki, zakresy pracy i wartości siły termoelektrycznej.

Istotną funkcją przetwornika termoparowego jest również kompensacja temperatury zimnych końców. Bez prawidłowej kompensacji przeliczenie napięcia termoelektrycznego na temperaturę mogłoby być obarczone znacznym błędem. Należy także pamiętać o zastosowaniu odpowiedniego przewodu termoelektrycznego lub kompensacyjnego pomiędzy termoparą a przetwornikiem, jeżeli przetwornik nie jest zamontowany bezpośrednio w głowicy czujnika.

 

Przetwornik głowicowy

Przetwornik głowicowy jest przeznaczony do montażu wewnątrz głowicy przyłączeniowej czujnika temperatury. Jego najważniejszą zaletą jest możliwość umieszczenia bardzo blisko elementu pomiarowego. Sygnał czujnika jest przetwarzany na sygnał przemysłowy już w głowicy, dzięki czemu dalsze połączenie ze sterownikiem może być wykonane standardowym przewodem sygnałowym.

Takie rozwiązanie pozwala:

• ograniczyć długość przewodów przesyłających niewielki sygnał z czujnika,
• zmniejszyć wpływ zakłóceń elektromagnetycznych,
• ograniczyć błędy wynikające z rezystancji przewodów,
• uprościć podłączenie czujnika do systemu automatyki,
• przesyłać sygnał na większe odległości.

Przetwornik głowicowy jest dobrym rozwiązaniem, gdy czujnik znajduje się w znacznej odległości od szafy sterowniczej albo pracuje w środowisku, w którym występują silne zakłócenia. Przy jego doborze należy jednak sprawdzić, czy temperatura wewnątrz głowicy nie przekroczy dopuszczalnej temperatury pracy elektroniki. Jest to szczególnie ważne przy pomiarach wysokich temperatur oraz wtedy, gdy głowica znajduje się blisko gorącej instalacji. W takich przypadkach stosuje się odpowiednią długość szyjki czujnika, elementy dystansujące albo wybiera się przetwornik montowany poza czujnikiem.

 

Przetwornik listwowy

Przetwornik listwowy jest najczęściej przeznaczony do montażu na szynie DIN w szafie sterowniczej, rozdzielnicy lub lokalnej skrzynce przyłączeniowej.

Rozwiązanie to sprawdza się, gdy:

• elektronika powinna znajdować się z dala od wysokiej temperatury,
• kilka przetworników ma być zamontowanych w jednym miejscu,
• wymagany jest łatwy dostęp serwisowy,
• czujnik nie ma głowicy umożliwiającej montaż przetwornika,
• użytkownik chce oddzielić czujnik od części przetwarzającej sygnał,
• warunki w miejscu montażu czujnika są niekorzystne dla elektroniki.

Przetworniki listwowe są często stosowane w rozbudowanych systemach automatyki oraz tam, gdzie wszystkie sygnały pomiarowe są doprowadzane do jednej szafy sterowniczej. Należy jednak pamiętać, że pomiędzy czujnikiem a przetwornikiem nadal przesyłany jest sygnał bezpośrednio z elementu pomiarowego. Trzeba więc właściwie dobrać przewody, sposób ich prowadzenia i zabezpieczenie przed zakłóceniami.

 

Przetwornik głowicowy czy listwowy?

Nie istnieje jedno rozwiązanie odpowiednie dla każdej aplikacji.

 

Przetwornik głowicowy warto rozważyć, gdy:

• zależy nam na przetworzeniu sygnału możliwie blisko czujnika,
• odległość pomiędzy czujnikiem a sterownikiem jest duża,
• w instalacji występują zakłócenia elektromagnetyczne,
• chcemy ograniczyć liczbę przewodów,
• głowica czujnika zapewnia odpowiednie warunki dla elektroniki.

 

Przetwornik listwowy może być lepszym wyborem, gdy:

• w miejscu montażu czujnika występuje wysoka temperatura,
• elektronika powinna być łatwo dostępna dla serwisu,
• kilka przetworników ma być zamontowanych w jednej szafie,
• czujnik nie jest wyposażony w odpowiednią głowicę,
• wymagane jest centralne rozmieszczenie aparatury pomiarowej.

 

Dobór powinien uwzględniać warunki techniczne całej instalacji, a nie tylko cenę lub dostępne miejsce montażu.

 

Sygnał 4÷20 mA

Sygnał prądowy 4÷20 mA jest jednym z najczęściej stosowanych standardów w automatyce przemysłowej. Wartość 4 mA odpowiada zazwyczaj dolnej granicy skonfigurowanego zakresu temperatury, natomiast 20 mA odpowiada jego górnej granicy. Przykładowo, jeżeli przetwornik został skonfigurowany na zakres 0…200°C, można przyjąć:

• 4 mA dla 0°C,
• 12 mA dla 100°C,
• 20 mA dla 200°C.

Jedną z ważnych zalet tego standardu jest możliwość odróżnienia wartości minimalnej od przerwania obwodu. Prąd niższy od określonej wartości może wskazywać na awarię, przerwę w przewodach albo uszkodzenie czujnika, zależnie od konfiguracji przetwornika i systemu.

Sygnał 4÷20 mA jest odporny na spadki napięcia w przewodach i dobrze nadaje się do przesyłania informacji na większe odległości. W wersji dwuprzewodowej te same przewody mogą służyć zarówno do zasilania przetwornika, jak i przesyłania sygnału pomiarowego.

 

Sygnał 0÷10 V

Sygnał napięciowy 0÷10 V jest również powszechnie stosowany w automatyce i systemach sterowania. Przetworniki z takim wyjściem mogą współpracować między innymi ze sterownikami, regulatorami, modułami analogowymi i systemami zarządzania instalacją. Sygnał napięciowy jest prosty w interpretacji, ale w porównaniu z sygnałem prądowym może być bardziej podatny na:

• spadki napięcia w przewodach,
• różnice potencjałów,
• zakłócenia elektromagnetyczne,
• wpływ długości przewodów,
• niewłaściwe uziemienie instalacji.

Z tego względu sygnał 0÷10 V jest zazwyczaj stosowany na krótszych odległościach i w środowisku o mniejszym poziomie zakłóceń.

 

Zakres przetwarzania ma znaczenie

Ważnym etapem konfiguracji przetwornika jest ustalenie zakresu pomiarowego. Nie zawsze warto programować przetwornik na pełny zakres pracy czujnika. Zakres powinien odpowiadać rzeczywistym temperaturom występującym w procesie. Jeżeli instalacja pracuje w zakresie od 20 do 120°C, konfiguracja wyjścia 4÷20 mA dla tego właśnie przedziału pozwoli lepiej wykorzystać rozdzielczość sygnału niż ustawienie bardzo szerokiego zakresu, na przykład od –200 do 600°C.

Zakres nie może być jednak zbyt wąski. Należy pozostawić odpowiedni margines uwzględniający możliwe zmiany procesu, stany awaryjne oraz warunki rozruchu i zatrzymania instalacji.

 

Na co zwrócić uwagę przy doborze przetwornika?

Inżynierowie i doradcy techniczni  CZAH-POMIAR zalecają, aby przed wyborem przetwornika określić co najmniej:

• rodzaj czujnika temperatury,
• typ elementu pomiarowego,
• zakres mierzonej temperatury,
• wymaganą dokładność całego toru,
• sposób podłączenia czujnika,
• wymagany sygnał wyjściowy,
• napięcie zasilania,
• miejsce i sposób montażu,
• temperaturę otoczenia elektroniki,
• odległość od urządzenia odbierającego sygnał,
• poziom zakłóceń elektromagnetycznych,
• wymagania dotyczące separacji galwanicznej,
• sposób sygnalizacji uszkodzenia czujnika,
• możliwość konfiguracji i późniejszej zmiany zakresu.

 

W przypadku termopary należy dodatkowo określić jej typ oraz sposób wykonania połączeń kompensacyjnych. W przypadku czujnika rezystancyjnego trzeba ustalić, czy będzie on podłączony w układzie dwu-, trzy- czy czteroprzewodowym.

 

Przetwornik jako część całego toru pomiarowego

Prawidłowy pomiar temperatury zależy od wszystkich elementów toru pomiarowego:

1. elementu pomiarowego,
2. konstrukcji czujnika,
3. miejsca i sposobu montażu,
4. przewodów połączeniowych,
5. przetwornika,
6. urządzenia odbierającego sygnał,
7. konfiguracji systemu,
8. warunków środowiskowych.

Nawet bardzo dokładny przetwornik nie skompensuje błędów wynikających z nieprawidłowego miejsca montażu czujnika, zbyt małej głębokości zanurzenia, niewłaściwie dobranej osłony lub nieodpowiedniego przewodu. Dlatego dobór przetwornika powinien być częścią szerszej analizy całego punktu pomiarowego.

 

Podsumowanie

Przetwornik temperatury przekształca sygnał z czujnika na standardowy sygnał wykorzystywany przez urządzenia pomiarowe i systemy automatyki. Pozwala przesyłać informacje o temperaturze na większe odległości, ograniczać wpływ zakłóceń oraz integrować czujnik ze sterownikiem, rejestratorem lub komputerowym systemem nadzoru.

Przetworniki głowicowe są montowane bezpośrednio w głowicy czujnika i umożliwiają przetworzenie sygnału blisko elementu pomiarowego. Przetworniki listwowe montuje się najczęściej na szynie DIN w szafie sterowniczej lub rozdzielnicy.

Wybór pomiędzy sygnałem 4÷20 mA a 0÷10 V powinien wynikać z długości przewodów, warunków środowiskowych i rodzaju systemu automatyki. W wielu aplikacjach przemysłowych sygnał 4–20 mA będzie rozwiązaniem bardziej odpornym na zakłócenia i lepiej przystosowanym do przesyłania na większe odległości.

Najważniejsze jest jednak właściwe dopasowanie przetwornika do czujnika, zakresu temperatury oraz warunków pracy całej instalacji.

 

Artykuł opracowany przez zespół inżynierów CZAH-POMIAR na podstawie doświadczeń związanych z projektowaniem i produkcją przemysłowych czujników temperatury oraz doborem elementów torów pomiarowych.

 

CZAH-POMIAR produkuje czujniki temperatury rezystancyjne i termoelektryczne w wykonaniach standardowych oraz specjalnych. Na życzenie klienta czujniki mogą zostać wyposażone w odpowiednio dobrane głowicowe przetworniki temperatury. Firma dostarcza również przetworniki listwowe przeznaczone do montażu w szafach sterowniczych.

 

Potrzebują Państwo pomocy w doborze czujnika lub przetwornika temperatury?

Nasi technolodzy i doradcy techniczni pomagają dopasować rozwiązanie do rodzaju czujnika, zakresu temperatury, warunków montażu oraz wymagań systemu automatyki.

Więcej informacji: www.czah.pl