Metoda podłączania czujników temperatury

Sposób podłączenia czujników temperatury ma istotny wpływ na dokładność pomiarów temperatury.
Pomiary temperatury to najczęściej spotykana w sterowni grupa pomiarów. Sposób, w jaki przekazujemy do sterowni informację (architektura pomiarów) o temperaturach występujących w procesie technologicznym, ma zasadniczy wpływ na rzetelność pomiarów, a także na poziom kosztów.
Projektant dokonuje wyboru architektury na podstawie wymagań i danych technologicznych. Każdy proces jest w pewnym sensie niepowtarzalny. Projektant musi wybrać najlepsze rozwiązanie łączące wymagane dokładności, wydajności z przewidywanymi kosztami (budowy, prowadzenia procesu, utrzymania). Na wstępie musi sobie odpowiedzieć na następujące pytania:

  • Czy pomiar temperatury ma być dokonywany za pomocą czujnika rezystancyjnego (RTD), czy termopary (TC)?
  • Jaka jest odległość punktów pomiarowych
  • (lokalizacji czujników) od układu sterowania?
  • W jaki sposób mają być wykonane połączenia kablowe?
  • Czy w instalacji przewidziano skrzynki przyłączeniowe, trasy kablowe?
  • Gdzie i w jaki sposób nieprzetworzony sygnał z czujnika ma być przekształcany w użyteczny sygnał pomiarowy?
  • Czy wykorzystanie przetwornika może po-
  • móc? Jeśli tak, jakiego typu przetwornika?
  • W którym miejscu można zamontować przetwornik?
  • Czy w grę wchodzi zastosowanie przetwornika bezprzewodowego?
  • Czy do komunikacji z przetwornikiem powinna być zastosowana sieć analogowa, czy sieć cyfrowa (np. Fieldbus)?

Architektura połączeń
Istnieją różne metody przekazywania informacji o temperaturze z czujnika do sterowni. Na rys. 1 przedstawiono przykładowe rozwiązania.

Podłączenie bezpośrednie ? czujniki są podłączane kablami bezpośrednio do kart wejściowych systemu sterowania w sterowni. W kartach tych przetwarzany jest sygnał z czujników na sygnał analogowy lub cyfrowy mówiący o temperaturze i wykorzystywany w systemie sterowania.
Zdalne podłączenie we/wy ? karty we/wy, szafy i zasilacze są umieszczone w terenowych szafach przyłączeniowych, podłączonych do systemu sterowania za pośrednictwem łącza cyfrowego. Zastosowanie mają takie same zasady, jak w przypadku okablowania bezpośredniego, ale trasy kablowe z czujników do szaf są krótsze.
Multipleksery ? multipleksery komunikują się z systemem sterowania, zazwyczaj wykorzystując komunikację szeregową RS232C lub RS485 albo sieć Ethernet. Komunikacja może odbywać się za pośrednictwem protokołów, takich jak Modbus, OPC, Profibus lub innych. Mimo że ogólnie jest to podejście niezawodne, to jest przestarzałe i coraz rzadziej stosowane.
Przetworniki instalowane lokalnie ? przetwornik montowany jest w obudowie przyłączeniowej w bardzo niewielkiej odległości od czujnika lub w głowicy mocowanej integralnie z czujnikiem. W prostszej wersji, o ograniczonej funkcjonalności, stosowany jest przetwornik analogowy z wyjściem 4-20 mA. Coraz powszechniej stosowane są jednak wysoko wydajne i efektywne pod względem kosztów przetworniki obsługujące protokół HART oraz przetworniki wykorzystujące protokoły Foundation Fieldbus czy Profibus. Te ostatnie umożliwiają wielu przetwornikom korzystanie ze wspólnego dwużyłowego przewodu sygnałowego prowadzącego do sterowni. Wybór typu magistrali jest zazwyczaj arbitralną decyzją dla całego obiektu lub jego wydzielonej części.
Łączność bezprzewodowa to dynamicznie rozwijająca się technologia. Coraz częściej korzysta się z protokołów Wireless- HART (IEC62591) i ISA100.11a (IEC62734). Przetworniki bezprzewodowe często mogą zapewniać podobne możliwości przetwarzania zmiennych procesowych, a także mieć podobne możliwości diagnostyczne, jak ich wersje przewodowe.
Kryteria wyboru
Jak pokazano na rys. 2, każda z technologii ma swoje zalety i wady. Należy znaleźć rozwiązanie, które najlepiej pasuje do konkretnych potrzeb i oferuje najlepszy stosunek ceny do wydajności.
Bezpośrednie połączenie czujnika do sterowni za pomocą długich przewodów oznacza przekazywanie sygnału o niskim poziomie, jest więc podatne na zakłócenia elektromagnetyczne. Zakłócenia te mogą pochodzić ze źródeł, takich jak pompy, silniki, napędy z przetwornicami, nadajniki radiowe, a także źródła wyładowań elektrostatycznych (spawarki i oświetlenie) oraz z innych źródeł zniekształceń elektrycznych. Może to powodować wystąpienie istotnych błędów. Im dłuższe są przewody kompensacyjne/doprowadzeniowe z czujnika, tym większe jest ryzyko pojawienia się błędów. Rozwiązaniem może być bezpośredni montaż przetwornika, krótkie, dobrze poprowadzone trasy kablowe i dobra izolacja od źródeł zakłóceń.
Szafy zdalne we/wy mogą się okazać opłacalnym rozwiązaniem w miejscach o dużej gęstości pomiarów lub gdy umożliwi to odpowiednie ograniczenie wpływu zakłóceń. Zdalne we/wy wymagają zapewnienia oddzielnego źródła zasilania, które zazwyczaj wymaga redundancji lub zasilania bezprzerwowego do zastosowań krytycznych. Szafy muszą też być zabezpieczone przed warunkami atmosferycznymi. Sytuacja, w której wiele punktów pomiarowych rozmieszczonych jest w obszarze wokół zdalnej szafy, pozwala na stosowanie krótszych tras kablowych.
Najlepszą i najczęściej stosowaną alternatywą jest wykorzystanie przetwornika analogowego albo Fieldbus, który jest zaprojektowany tak, by był mało wrażliwy na zakłócenia. Zapewnia wysoki stopień odporności na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), wyładowania elektrostatyczne (ESD) oraz zakłócenia na częstotliwościach radiowych (RFI). O ile to możliwe, przetworniki powinny być montowane w pobliżu punktu pomiarowego w celu zminimalizowania potencjalnego przechwytywania zakłóceń przez przewody czujnika. Ma to szczególne znaczenie w przypadku prowadzenia sygnału z termopary, która wytwarza sygnał o bardzo niskim poziomie. Można stosować proste przetworniki analogowe 4-20 mA lub przetworniki z obsługą protokołu HART czy w pełni cyfrowe przetworniki Fieldbus. Stosowanie przetworników czasem wydaje się kosztowne, ale gdy uwzględnimy koszty okablowania i eksploatacji, to końcowa ocena ulega zmianie.
W wielu aplikacjach, np. w przypadku gdy instalacja tradycyjnej infrastruktury oprzyrządowania jest trudna do wykonania i kosztowna, zastosowanie przetworników bezprzewodowych może się okazać konkurencyjne finansowo. Właściwie zaprojektowane sieci bezprzewodowe zapewniają dobre i pewne pomiary. Coraz więcej typów pomiarów (nie tylko pomiary temperatury) jest dostępnych w wersji bezprzewodowej. Dodatkową zaletą pomiarów bezprzewodowych jest łatwość modyfikacji i rozszerzania istniejącej sieci bezprzewodowej.
Przetwornik a podłączenie bezpośrednie
W większości aplikacji zastosowanie przetworników jest zdecydowanie najtańszym i najlepszym rozwiązaniem. Wynika to zarówno z wysokich kosztów montażu, eksploatacji (kwestii związanych z utrzymaniem ruchu) i jakości pomiarów układów łączonych bezpośrednio.

  • Utworzenie punktu pomiarowego jako jednego zespołu zawierającego przetwornik temperatury, czujniki, osłonę termometryczną i spełniającego konkretne wymogi aplikacyjne upraszcza proces zakupu i przenosi odpowiedzialność na jednego dostawcę.
  • Przetworniki często mogą zapewnić wielokrotnie większą dokładność niż w układach z okablowaniem bezpośrednim.
  • W wielu miejscach w instalacji można wymiennie stosować termopary i czujniki rezystancyjne. Niezależnie od typu czujnika temperatury przetwornik można zazwyczaj w prosty sposób przekonfigurować na wymagany typ czujnika. Przewód wyjściowy i karta wejścia systemu DCS pozostają bez zmian. Natomiast w przypadku układów łączonych bezpośrednio zmiana typu czujnika, nawet typu termopary, pociąga za sobą konieczność wymiany przewodu kompensacyjnego, a niekiedy również karty wejścia systemu DCS.
  • Standardowe dwużyłowe okablowanie miedziane stosowane do podłączenia przetworników do DCS jest znacznie tańsze niż przewody kompensacyjne i niż trzy- lub czterożyłowe przewody łączeniowe stosowane w przypadku montażu bezpośredniego czujnika PT100.
  • Ze względu na dokładność pomiaru najlepsze efekty daje możliwość łącznego wzorcowania zespołu przetwornika i czujnika. Na takie wzorcowanie całego punktu pomiaru temperatury pozwala procedura dopasowywania charakterystyki przetwornika do zmierzonej charakterystyki podłączonego czujnika. Procedura taka jest dostępna w przetwornikach wyższej klasy. Wprawdzie układy wejściowe (karty wejścia systemu DCS lub sterownika PLC) przeznaczone do kablowania bezpośredniego mają wysokie parametry, to jako całościowy pomiar nie mogą się równać jakością z pomiarami opartymi na wysokiej klasy przetwornikach temperatury po dopasowaniu ich do czujników.
  • Przetwornik umożliwia korzystanie z miedzianych przewodów łączących go z DCS, eliminując możliwość wystąpienia błędów montażowych okablowania, które wynikają z korzystania z różnych typów przewodów kompensacyjnych dla termopary.
  • Możliwość programowania przetwornika na pracę z wybranym typem czujnika oznacza, że często użytkownik może zakupić wszystkie przetworniki od tego samego producenta ? często ten sam model ? co ogranicza liczbę niezbędnych części zamiennych.
  • Sygnał 4-20 mA oraz dane cyfrowe (protokołu Fieldbus) pochodzące z przetwornika są znacznie mniej podatne na zakłócenia (EMI, ESD i RFI) niż sygnał o niskim poziomie pochodzący z czujnika. Niektóre przetworniki umożliwiają filtrowanie sygnałów, zapewniające ochronę integralności danych. W hoście (układzie sterowania) oprogramowanie o takich możliwościach może być niedostępne.
  • Układy zabezpieczeń są zdecydowanie najlepiej realizowane w systemach wyposażonych w przetwornik. Błąd przekraczający 2% uważa się za awarię niezdiagnozowaną.
  • Niektóre przetworniki mają wyświetlacze w formie wbudowanego odczytu LCD albo montowanego zdalnie LCD. Takie rozwiązanie może być istotne przy wykrywaniu i usuwaniu usterek oraz w przypadkach, gdy operator często przebywa na instalacji.
  • Czas potrzebny na wykrycie i usunięcie usterek oraz czas konserwacji można zmniejszyć, korzystając z zaawansowanych funkcji diagnostycznych przetwornika, które są niedostępne lub bardzo ograniczone w przypadku kart wejścia systemu DCS.
  • W sterowni wygodnie jest stosować jednego rodzaju wysokopoziomowe karty wejściowe zamiast wielu typów kart. Zmniejsza to poziom wymaganych zapasów.
  • Przewody miedziane zazwyczaj wytrzymują cały okres eksploatacji instalacji, eliminując potrzebę okresowej wymiany zdegradowanych przewodów kompensacyjnych do termopar.

Optymalizacja na etapie projektowania
Podczas projektowania instalacji należy uwzględniać ogólny koszt budowy i utrzymania, a nie tylko koszty zakupów. W przypadku złego jakościowo działania instalacji maleją zyski, a rosną znacząco koszty eksploatacyjne. Częstsza wymiana związana ze stosowaniem tanich lub wadliwych produktów przechyla szalę wyboru w kierunku projektów wykorzystujących komponenty wysokiej jakości.
Kluczowe:

  • Liczba kombinacji, w jakich można podłączyć czujniki temperatury do DCS, jest relatywnie duża w porównaniu z innymi typami pomiarów.
  • Wybór strategii połączeń to kompromis trwałości, dokładności i ceny.
  • Korzystanie z przetwornika przy czujniku może wyeliminować wiele problemów, które wiążą się z innymi metodami podłączania czujnika.
  • Warto zwrócić uwagę na architekturę bezprzewodową.

PRZECZYTAJ ONLINE
Aby dowiedzieć się więcej na temat pomiarów temperatury, odwiedź stronę: www.rosemount.com/TempGuide i zamów przewodnik inżyniera po przemysłowych pomiarach temperatury.

dr inż. Marek Perycz