Ciepło, cieplej, gorąco…

Pomiar każdej wielkości procesowej ma swoje niuanse, przy czym wydaje się, że w przypadku temperatury są one wyjątkowo liczne. Często więc z pozoru proste zadanie pomiaru temperatury staje się nie lada wyzwaniem. Nasz krótki know-how wyjaśnia, dlaczego tak się dzieje…
Niecałe 10 lat temu nadzorowałem rozruch instalacji zapobiegającej zanieczyszczeniu środowiska, którą moja firma przygotowywała dla dużego producenta wapna.

Jednym z wymagań klienta była instalacja czujnika temperatury spalin. Zadanie wydawało się proste. Okazało się jednak, że poglądy na temat wyboru rodzaju czujnika są bardzo różne. Uwagi członków mojego zespołu nie pokrywały się ze zdaniem integratora systemów, wykonawców oraz technologów. Każda ze stron uważała, że inny typ przyrządu będzie najlepszym rozwiązaniem. W rezultacie zainstalowaliśmy dwa rodzaje termopar oraz jeden czujnik oporowy. Było to, niestety, dość kosztowne doświadczenie. 

Powyższy przykład pokazuje, że wybór odpowiedniego czujnika temperatury może być dość trudny. Pomimo tego, że istnieją tylko trzy podstawowe techniki pomiaru tej wielkości. Są to:

  •  termopary,
  • czujniki oporowe,
  • termistory. 

Oczywiście można wyciągnąć pewne ogólne wnioski na temat poszczególnych typów tych urządzeń. Wnioski te będą prawdziwe dla większości zastosowań, ale nie dla wszystkich. Dlatego warto szczegółowo przeanalizować istotne cechy poszczególnych czujników.
Podstawy, które warto znać
Przy doborze czujnika należy poszukać odpowiedzi na kilka istotnych pytań dotyczących instalacji, w której ma on zostać użyty, takich jak:

  • Jaki ma być zakres pomiarowy przyrządu? Oczywiście poza okolicą punktu pracy należy uwzględnić cały potencjalny zakres możliwych temperatur, jakie mogą wystąpić, np. podczas rozruchu lub przestoju rozpatrywanej instalacji.
  • Jaka ma być powtarzalność i dokładność pomiaru? Obydwa te parametry są ściśle ze sobą związane i zależne od wymagań stawianych procesowi. Przykładowo, bioreaktor w instalacji farmaceutycznej może wymagać bardzo dokładnych i powtarzalnych odczytów.
  • Jaki jest wymagany czas reakcji czujnika? Niektóre procesy powodują gwałtowne zmiany temperatury monitorowanego medium. Zazwyczaj czujnik może zostać tak skonfigurowany, aby nadążał za tymi zmianami, jednak zwykle kosztem dokładność pomiarów.

Przyjrzyjmy się więc podstawowym cechom poszczególnych sensorów. Zacznijmy od termopary, która wytwarza napięcie elektryczne na styku dwóch różnych metali. Na tej podstawie można wyznaczyć różnicę pomiędzy mierzoną temperaturą i wartością odniesienia.

Termopary mają wiele zalet, do których należą:

  • szeroki zakres pomiarowy przy dość dobrej liniowości,
  • niewielkie rozmiary oraz prostota budowy,
  • szybkie czasy reakcji,
  • umiarkowana cena.

Do wad termopar można natomiast zaliczyć:  

  • nienajlepszą dokładność pomiaru, 
  • możliwość wystąpienia zakłóceń sygnału pomiarowego ze względu na bardzo małe wartości napięcia generowane przez termoparę.

Czujniki oporowe wykorzystują zjawisko zmiany rezystancji metalu (zazwyczaj aluminium) wraz ze zmianą temperatury. Aby uchwycić tę zmianę, zaciski czujnika umieszczane są w mostku Wheatstone?a z napięciem referencyjnym.
W porównaniu do termopar czujniki oporowe charakteryzują się następującymi cechami:

  • dużą dokładnością pomiaru,
  • lepszą liniowością sensora,
  • mniejszym zakresem pomiarowym, szczególnie w zakresie wysokich temperatur,
  • wyższą ceną,
  • wymagają zewnętrznego zasilania.

Z kolei termistory to oporniki półprzewodnikowe, które mają podobną zasadę działania, jak czujniki oporowe. W większości ze stosowanych współcześnie czujników tego typu zależność pomiędzy temperaturą i rezystancją jest odwrotna, czyli typu NTC (ang. negative temperature coefficient) o ujemnym współczynniku temperaturowym. Oznacza to, że wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji.
Porównując termistory z poprzednimi czujnikami można powiedzieć, że cechują się:

  • najmniejszym zakresem pomiarowym,
  • najmniejszą liniowością,
  • dokładnością oraz czasem reakcji porównywalnymi z termoparami,
  • dużą rozdzielczością pomiaru ze względu na szeroki zakres zmian rezystancji,
  • najniższą ceną.

Jerry Gaffney, główny inżynier w GEC Instruments zwraca uwagę, że wielu inżynierów ma przekonania, które nie zawsze są prawdziwe.
? Jeśli decydujemy się na zakup czujnika, warto przeanalizować wszystkie czynniki, które mogą wpłynąć na jego wybór ? mówi Gaffney. ? Nie sugerujmy się powszechnymi opiniami, takimi jak pogląd, że termopary nie są dokładnymi przyrządami.

Oczywiście każda reguła ma wyjątki. Producenci mogą wykonywać czujniki charakteryzujące się zupełnie odmiennymi cechami od ich standardowych odpowiedników. Zazwyczaj jednak takie rozwiązania wykorzystywane są w specjalistycznych zastosowaniach lub laboratoriach. Na szczęście urządzenia stosowane w przemyśle są zwykle typowymi reprezentantami dla swoich klas. Jeśli poprzez generalizowanie sami wprowadzamy się w błąd, to może warto bardziej szczegółowo przyjrzeć się poszczególnym czujnikom? Spójrzmy więc raz jeszcze na każdy z nich…   
Termopary
Według Freda Molinariego, prezesa Data Translation, większość inżynierów chce instalować termopary. Jego zdaniem są one niezwykle popularne, m.in. ze względu na to, że nie wymagają zewnętrznego zasilania. Niestety, wartość napięcia generowana przez termoparę jest bardzo mała. To oznacza, że sygnał pomiarowy wymaga starannego i precyzyjnego przetwarzania.
? Typowym dla termopary typu K stosunkiem jest 41 ?V na stopień Celsjusza ?mówi Steve Conners projektant w Data Translation. ? To niewiele. Wykorzystując nowoczesne urządzenia, np. konwertery A/D sigma-delta w celu usunięcia szumów, można jednak osiągnąć bardzo dużą dokładność pomiaru.
Kiedy już dysponujemy charakterystyką termopary, niezwykle istotny jest sposób, w jaki będziemy kondycjonować sygnał pomiarowy. Ze względu na utlenianie się drutów, z których wykonane są termoelektrody, z upływem czasu zmienia się charakterystyka termopary. 
? Istnieje wiele firm zajmujących się tylko cechowaniem termopar ? zauważa Alan Clark, menadżer Palmer Wahl Instruments. ? Dla przykładu: w termoparze typu J jeden z drutów jest wykonany z żelaza, które rdzewieje. Zmienia się więc przewodność cieplna termoelektrody, a wraz z nią charakterystyka przyrządu. Właściwie to kalibracja termopary jest błędnym określeniem, ponieważ świadomie nie zmieniamy właściwości sensora. Sprawdzamy jedynie, jak bardzo zmieniły się właściwości fizyczne materiałów, z których termopara została wykonana. Następnie dodajemy pewną korektę, aby wyeliminować powstały z tego powodu błąd. Czynność taką należy wykonywać w miarę cyklicznie, na przykład co trzy miesiące.
Co więcej, w rzeczywistości termopara daje informację o różnicy temperatur. Musi więc istnieć jakiś punkt odniesienia. Jeśli więc zmieni się temperatura odniesienia, zmieni się również odczyt przyrządu. 
? Jedną z nieodłącznych wad termopar jest kompensacja temperatury spoiny odniesienia termoelementu ? tłumaczy Bob Gliniecki, menadżer DWM & Assosiates. ? Współcześnie wykonuje się to elektronicznie, co niestety kosztuje. Co ciekawe, obwód kompensujący zawiera zazwyczaj termistor.
Termopara składa się z dwóch różnych metali, zwykle w postaci przewodów spojonych na końcach, więc jej wymiary są niewielkie. Dzięki temu czas reakcji czujnika jest bardzo krótki. Niestety ma to również negatywny wpływ na żywotność sensora.   
Czujniki oporowe 
Te przyrządy postrzegane są jako najbardziej wyrafinowane rozwiązanie pomiaru temperatury. Są droższe od termopar ze względu na koszt samego sensora oraz konieczność stosowania bardziej zaawansowanych technik przetwarzania sygnału pomiarowego.
? Czujniki oporowe wymagają zaawansowanych technik przetwarzania sygnałów, ale można dzięki temu uzyskać dokładność nawet 1/100°C ? podkreśla Conners. 
Sensory tego typu mają bardzo precyzyjnie wyznaczone standardy wykonania. Jeżeli na przykład jako materiał elementu pomiarowego wykorzystywana jest platyna, obowiązuje nas norma IEC 60751. Definiuje ona między innymi klasy dokładności tych sensorów wraz z wymaganiami, jakie mają spełniać ? na przykład dla klasy B możliwe błędy pomiaru wynoszą ? 0,3°C w temperaturze 0°C. Jeśli więc kupimy przyrząd klasy B od jednego producenta, to jego wskazania będą takie same, jak innych sensorów tej klasy.
Co więcej, dzięki zastosowaniu odpowiednich przetworników można bardzo precyzyjnie wyskalować czujnik, aby osiągnąć naprawdę wysoką dokładność pomiaru.
? Kalibracja czujników oporowych polega na umieszczaniu ich w znanej temperaturze odniesienia, a następnie zapisywaniu odczytów w pamięci przetwornika ? mówi Gary Mathur, inżynier w Moor Industries International. ? Jeśli wykonamy serię pomiarów wokół przewidywanego punktu pracy czujnika, a następnie wszystkie pomiary zapiszemy w pamięci przetwornika, uzyskamy bardzo dokładne urządzenie pomiarowe. Zabiegów tego typu nie można przeprowadzać z termoparami.
Termistory
? W temperaturach pomiędzy -40 a 100°C najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie termistora ? doradza Bob Glinecki. ? Są to niedrogie przyrządy, a cechujące je duże zmiany rezystancji przypadające na każdy stopień Celsjusza pozwalają osiągnąć dobrą rozdzielczość pomiaru.
Ponieważ termistory mają mały zakres pomiarowy, są raczej marginesem na rynku przemysłowych sensorów temperatury. Pomimo tego, że dają dokładny pomiar, ich eksploatacja jest trudna ze względu na silną nieliniowość.
? Z tego głównie względu termistory mają złą opinię ? potwierdza David L. Neal, konsultant Advanced Industrial Systems. ? Oczywiście wykorzystując nowoczesne przetworniki można uzyskać liniowy sygnał pomiarowy w zakresie 420 mA. Niestety, większość współcześnie wykorzystywanych modułów We/Wy przystosowano do połączenia bezpośrednio z sensorem, bez przetwornika. Dodając przetwornik, inwestujemy kolejne 200 USD w każdy punkt pomiarowy. Wszystko zależy więc od tego, jak bardzo zależy nam na dokładnym pomiarze.
Czy rozwiązanie problemu nieliniowości czujnika jest rzeczywiście trudne? David Neal podkreśla, że zależność korygująca nieliniowość jest równaniem logarytmicznym trzeciego rzędu.
? Wprawdzie nie mam problemów z matematyką, ale miałbym problem z takim zadaniem ? przyznaje Neal. ? Oczywiście, jeśli mamy do dyspozycji komputer, a zakres pomiarowy zawiera się w granicach 070°C, wykorzystanie termistora jest naprawdę dobrym rozwiązaniem.
Gdzie leży problem?
Dlaczego pomiar temperatury jest tak trudny?
? W większości przypadków problemem jest traktowanie pomiaru temperatury z przymrużeniem oka ? tłumaczy Dave King, inżynier sprzedaży Thermometrics. ? Czasami zdarza się to również w przemyśle, na całe szczęście niezbyt często. Zawsze znajdzie się jednak ktoś, kto będzie próbował zamontować zbyt dużą flanszę czujnika do naprawdę niewielkiego rurociągu. Wystarczy przecież poszukać lepszego miejsca do montażu czujnika. 
W wielu sytuacjach problemem nie jest umiejscowienie pomiaru, lecz dobór odpowiedniego czujnika. Dobrym przykładem może być tutaj zastosowanie nieodpowiedniej osłony sensora, która działa nie tylko jako bariera chroniąca przed uszkodzeniami mechanicznymi, lecz również jako pojemność cieplna, zaburzając wskazania przyrządu.
Pomimo że nie ma wielu możliwości przy wyborze technologii wykorzystywanej do pomiaru temperatury, to dość często można spotkać się z błędami w tym właśnie względzie. 
? Wielu klientów twierdzi, że dobrze wie, czego chce: termopary lub czujnika oporowego ? mówi Joe Cheatham, wiceprezes Weed Instruments. ? Często zastanawiam się jednak, czy przeglądali oni jakąkolwiek specyfikację techniczną tych produktów. W wielu przypadkach mam wrażenie, że mówiąc termopara, klient ma na myśli czujnik pomiaru temperatury w ogólnym tego słowa znaczeniu. Może się więc okazać, że taki człowiek wcale nie chce wykorzystać akurat termopary. Zamiast tego potrzebuje odpowiedniego czujnika do swojej instalacji, ale nie wie, jak go nazwać.
Klienci powinni więc zwracać szczególną uwagę na sposób, w jaki komunikują się ze swoimi dostawcami. Powinni też zastanowić się, w jaki sposób chcą zainstalować czujnik oraz jakie są właściwości dynamiczne procesu. Czy temperatura zmienia się skokowo, czy raczej powoli, a także jakie inne urządzenia elektroniczne są w pobliżu?
? Wydaje mi się, że w chwili obecnej można zaobserwować kilka czynników wpływających na rozwój procesów przemysłowych ? twierdzi Ron Desmarais, inżynier projektu w Omega Engineering. ? Coraz częściej wykorzystywane są zaawansowane systemy sterowania i monitoringu procesów. Ma to na celu poprawę jakości, redukcję kosztów oraz poprawę wydajności. W efekcie wzrasta liczba sensorów monitorujących proces. Wiele z nich eksploatowanych jest w ciężkich warunkach pracy. Istotna jest więc możliwość weryfikacji poprawności działania czujnika w każdych warunkach eksploatacyjnych. Wymaga to od projektantów, operatorów oraz serwisantów instalacji ? głębokiej wiedzy o dopuszczalnych ograniczeniach zmiennych procesowych oraz sposobu na wychwytywanie sytuacji nienormalnych.
Jednocześnie maleje liczba specjalistów, którzy rozumieją różnice pomiędzy poszczególnymi typami czujników temperatury. Dawniej wiele firm zatrudniało specjalistów odpowiedzialnych jedynie za pomiary oraz ich monitoring. Niestety, wraz z upływem czasu większość z tych ludzi przeszła na emeryturę, nie zostawiając po sobie odpowiednio wyszkolonych następców. W związku z tym dzisiejsi inżynierowie coraz częściej wykorzystują czujniki i technologie typu plug and play. Obowiązek wypełnienia tej luki w wiedzy, a co za tym idzie doradztwa w wyborze czujnika, spoczął na dostawcach sprzętu. 
Ostatnie spostrzeżenia Davida Desmarais są prawdopodobnie kluczowe. Wiedza na temat aparatury obiektowej oraz systemów sterowania polega głównie na zrozumieniu niuansów oraz na szczypcie finezji przy wyborze najlepszego rozwiązania. Trudno jest zastąpić te umiejętności nowoczesnymi technologiami i elektroniką.

Peter Welander
Artykuł pod redakcją Marcina Stachury, doktoranta w Instytucie Automatyki i Robotyki Politechniki Warszawskiej