Wybór rodzaju stosowanego czujnika to jedna z pierwszych decyzji, którą należy podjąć przy pomiarze temperatury.
Utrzymanie wymaganej temperatury w procesie technologicznym ma istotny wpływ na zyski, bezpieczeństwo i jakość produktu końcowego. Dotyczy to praktycznie wszystkich branż, od ropy naftowej i gazu
ziemnego począwszy, poprzez przemysł petrochemiczny, chemiczny, rafineryjny, a na produkcji farmaceutyków skończywszy. Dokładne monitorowanie temperatury zależy od szeregu czynników, w tym wyboru właściwego czujnika dostosowanego do określonej aplikacji i procesu.
Dwa najczęściej stosowane typy elementów pomiarowych to czujniki rezystancyjne temperatury RTD (ang. Resistance Temperature Detectors) oraz termopary TC (ang. Thermocouple).
Różnią się one technologią wykonania:
- termometry rezystancyjne (RTD) wykorzystują zmianę przewodności elektrycznej (oporności) towarzyszącą zmianom temperatury;
- termopary (TC) wykorzystują zjawisko zachodzące na złączu dwu przewodników (półprzewodników) znane jako efekt Seebecka. Termopary stosowane w przemyśle najczęściej składają się z dwóch przewodów (wykonanych z różnych metali bądź stopów metali) i zwartych na końcu (na tzw. złączu).
Gdy temperatura na jednym końcu przewodów, gdzie jest złącze, różni się od temperatury na drugich, wolnych końcach przewodów, powstaje napięcie elektryczne między wolnymi końcami. Napięcie zależy od pary wybranych metali, jak również od różnicy temperatur. Właśnie to napięcie jest wykorzystywane do pomiaru temperatury.
Porównanie
Oba typy czujników różnią się technologią wykonania, przy czym każdy z nich oferuje inne zalety.
Czujnik RTD jest wykonany z materiału oporowego z przyłączonymi przewodami (całość zaizolowana i umieszczona w powłoce ochronnej). Materiałem oporowym najczęściej stosowanym w czujnikach przemysłowych jest platyna, miedź lub nikiel. Platyna jest stosowana ze względu na wysoką dokładność i doskonałą powtarzalność, a także wyjątkową liniowość w szerokim zakresie temperatur. Wykazuje ona znaczną zmianę oporności w funkcji temperatury. Najbardziej popularne typy czujników platynowych to czujnik drutowy i cienkowarstwowy.
Czujniki drutowe są wykonywane przez nawinięcie drutu rezystancyjnego wokół ceramicznego trzpienia albo przez nawinięcie drutu spiralnie (rys.1) i osłonięcie go ceramiką ? stąd nazwa czujniki drutowe. Oba te rozwiązania mają wadę ? wrażliwość na wibracje.
W przypadku czujników cienkowarstwowych, gdzie na płaskie (zwykle prostokątne) podłoże ceramiczne nakładana jest cienka warstwa oporowa, odporność na wibracje jest znacznie lepsza. Czujniki cienkowarstwowe są na ogół tańsze niż drutowe (między innymi ze względu na mniejszą ilość platyny wymaganej do ich produkcji oraz rozwój technologii napylania), ale mają nieco gorsze parametry (np. stabilność).
Zazwyczaj czujniki oporowe charakteryzują się lepszą powtarzalnością i większą czułością niż standardowe termopary metalowe. Długotrwały dryf czujników RTD jest przewidywalny, w odróżnieniu od dryftu termopar. Tym samym zastosowanie RTD ze względu na rzadsze wzorcowanie wymaga niższych kosztów utrzymania. Ponadto czujniki oporowe zapewniają doskonałą liniowość. W połączeniu z linearyzacją wykonywaną w wyższej klasy przetwornikach możliwe jest uzyskanie dokładności pomiaru na poziomie około 0,1°C, co jest wynikiem o wiele lepszym niż dla typowej termopary.
Typowa termopara (termoelektryczny czujnik temperatury) składa się z dwóch przewodów wykonanych z różnych metali i zwartych na końcu. Pewne kombinacje metali są oznaczane jako typy termopar i mają określone stabelaryzowane właściwości. Najczęściej stosowanymi typami TC są typy: K (wykorzystujący chrom i aluminium) oraz J (wykorzystujący żelazo i konstantan).
Termopary te cechuje szybszy czas reakcji i szerszy zakres temperatur (rys. 2). W porównaniu z czujnikami RTD są jednak mniej dokładne. Ponadto o stałej czasowej pomiaru decyduje głównie osłona termometryczna, a sam element pomiarowy ma na ogół mniejsze znaczenie. Stosując przy konstrukcji termopary druty o względnie dużym przekroju można zapewnić jej trwałość i odporność na silne wibracje (rys. 1).
Wybór właściwej technologii czujnika
Przy doborze czujnika właściwego do danego zastosowania należy zadać sobie kilka podstawowych pytań. Odpowiedzi na nie pomogą w znalezieniu optymalnego rozwiązania:
1. Jaki zakres temperatur mierzymy?
Przy wyborze czujnika ważne jest, by wiedzieć, jakiego zakresu temperatur w procesie można się spodziewać. Jeśli temperatura wynosi powyżej 650°C, należy zastosować termoparę. Jeśli wynosi poniżej 650°C, można wybrać czujnik RTD albo termoparę. Ponadto należy pamiętać, że drutowe RTD mogą być stosowane do pomiaru w szerszym zakresie temperatury niż czujniki cienkowarstwowe (wykres B).
2. Jaka jest wymagana dokładność czujnika? Określenie wymaganego poziomu dokładności jest również istotnym czynnikiem w procesie wyboru. Ogólnie RTD są bardziej dokładne niż termopary, a czujniki drutowe są dokładniejsze niż cienkowarstwowe.
3. Czy drgania w procesie są istotne?
Przy wyborze czujnika należy koniecznie wziąć pod uwagę poziom drgań występujących w procesie. W przypadku dużych drgań największą niezawodność oferują termopary. Cienkowarstwowe czujniki RTD są stosunkowo odporne na drgania, jednak nie są tak trwałe. Standardowe RTD drutowe nie powinny być stosowane w środowiskach o poziomie drgań powyżej 3 g.
Właściwy wybór zapewnia odpowiednie wyniki
Ogólnie kluczem do sukcesu jest zadanie podstawowych pytań i dopasowanie właściwego czujnika do danego zastosowania (procesu technologicznego).
Przykłady
1. Pomiar temperatury w rurociągu, przy wahaniach temperatury procesowej rzędu 200 do 300°C i występowaniu drgań. Celem jest uzyskanie najlepszej możliwej dokładności.
Aby określić, jaki typ czujnika zastosować, należy w pierwszej kolejności rozważyć różnice między termoparami a czujnikami RTD. Wymagany zakres temperatury umożliwia zastosowanie obu technologii czujników.
Termopary mają większą odporność na drgania, więc na pierwszy rzut oka to termopary wydają się odpowiednim rozwiązaniem. Jednak w tym konkretnym przypadku pomiar wymaga zapewnienia najlepszej możliwej dokładności, co z kolei sugeruje zastosowanie czujników oporowych. Jeżeli tylko poziom drgań nie przekroczy ok. 50 g, to właściwym wyborem dla tego zastosowania będzie czujnik RTD (standardowe do 10 g lub ?HD? powyżej 10 g). Najbardziej stabilne czujniki ? czujniki drutowe ? są wrażliwe na drgania i nie należy ich stosować powyżej 3 g (EN 60751:2008), chyba że są to czujniki drutowe w izolacji szklanej. Należy też uwzględnić fakt, iż w zależności od wyboru producenta czujników graniczne poziomy wibracji mogą się różnić od podanych wyżej.
2. Drugim przykładem jest temperatura w reaktorze wahająca się między 550 a 900°C, przy niskim poziomie drgań. Celem jest uzyskanie dokładności w zakresie ? 5°C. Czujniki RTD zapewniają spójne i dokładne pomiary, w szczególności w środowiskach o niskim poziomie drgań. Nie należy jednak zapominać o zakresie temperatury. Czujników RTD na ogół nie należy stosować w tak wysokich temperaturach. Ponieważ temperatura procesu może wynosić do 900°C, to w odniesieniu do tego zastosowania należy użyć termopary np. typu N albo K (ze względu na zakres i czułość).
Źle dobrane czujniki, pracujące w niewłaściwych dla nich zakresach temperatur, są bardziej podatne na uszkodzenia lub/i dostarczają mniej dokładnych pomiarów. Dlatego dobór odpowiedniego czujnika ma zasadnicze znaczenie.
Uwagi końcowe i podsumowanie
- Pomiary temperatury są prowadzone niemal w każdym procesie produkcyjnym.
- W większości ww. przypadków wystarczy stosowanie jednego lub obu omawianych typów czujników (RTD, TC).
- Prawidłowy wybór typu czujnika zależy od konkretnych wymagań i warunków procesowych.
Przewodnik online
www.rosemount.com/TempGuide
Podobne wiadomości:
Kwestia podłączania czujników do sterowni ? 08.11.2013
Który rodzaj czujnika temperatury jest najdokładniejszy? ? 09.08.2013
Czujnik wilgotności paliwa dla instalacji na biomasę ? 01.07.2013
Dr inż. Marek Perycz
tel. +48 (22) 45 89 227
Marek.Perycz@emerson.com
Emerson Process Management sp. z o.o.
ul. Szturmowa 2a
02-678 Warszawa
