Temperatura jest najczęściej mierzoną zmienną w procesach produkcyjnych, jednocześnie jest krytycznym czynnikiem tych procesów. Jeżeli pomiar temperatury nie jest dokładny, powtarzalny i wiarygodny, może być przyczyną zakłócenia: wydajności procesu, zużycia energii, jakości produktu, a nawet bezpieczeństwa procesu.
Już niewielki błąd pomiaru może być uciążliwy bądź bardzo kosztowny w niektórych procesach. Przykładem są procesy farmaceutyczne ? niedokładny pomiar temperatury może skutkować zniszczeniem partii produktów o ogromnej wartości. Każdy system pomiaru musi więc być starannie zaprojektowany i wykonany w taki sposób, aby spełnić wymagania procesu.
Ogniwa łańcucha pomiarowego
Pomiary są zazwyczaj wykonywane przy użyciu dedykowanych czujników, najczęściej TC (termopary) lub RTD (oporowe czujniki temperatury), podłączonych do obwodu kondycjonowania sygnałów (przetwornik lub kanał karty wejściowej DCS lub PLC), gdzie słaby sygnał czujnika (? lub mV) jest wzmacniany i konwertowany na bardziej użyteczny zakres 4-20 mA. Te podzespoły, połączone z głowicą pomiarową i zamontowane w obudowie termoizolacyjnej, są nazywane systemem lub zestawem montażowym do pomiaru temperatury. Wyroby takie uważane są za odrębne jednostki, jednak na potrzeby obecnych rozwiązań systemowych należy rozważyć możliwość ich większej integracji w ramach sieciowych systemów automatyki i monitoringu.
Dostępne są systemy spełniające różne wymagania pomiarowe ? dokładności i stabilności. W niektórych zastosowaniach wystarczy śledzenie trendu zmian temperatury, wysoka dokładność nie jest tak ważna. Z drugiej strony, w innych zastosowaniach nawet niewielki błąd pomiaru temperatury może spowodować zaburzenie funkcjonowania procesów i wielkie straty finansowe. Przykładami są: produkcja niespełniająca norm i wymogów standardów,zwykle wymagająca ponownego przetworzenia; uciążliwe procesy wyłączania, które wiążą się z kosztownym ponownym rozruchem procesu, obniżeniem wielkości produkcji i cyklicznym, kosztownym procesem ponownej kalibracji.
Powyższe obrazuje potencjał dokładności ? systemy wysokiej dokładności zapewniają znacznie lepsze rezultaty w porównaniu z rozwiązaniami niedokładnymi, niedbale i niewłaściwie zaprojektowanymi. Przeprojektowanie lub niedoprojektowanie systemu może być bardzo kosztownym przeoczeniem.
Określenie wymagań systemowych
Dla nowego bądź niedoświadczonego inżyniera dobór odpowiedniego systemu pomiaru temperatury do konkretnego zastosowania może być dość trudnym zadaniem. Aby zaprojektować niezawodny system pomiaru temperatury, należy odpowiedzieć na serię pytań ? wtedy będzie możliwe dogłębne zrozumienie przede wszystkim samej aplikacji. Wynikiem tego zaś może być najlepszy wybór komponentów systemu pomiarowego, czyli obudowy termoizolacyjnej, czujnika i przetwornika sygnału. Nie wolno zapominać także o wymaganiach eksploatacyjnych. Innymi słowy, należy sprawdzić działanie systemu podczas rozruchu, postoju i potencjalnych stanów awaryjnych.
Jak w przypadku każdego zadania, logiczne i metodyczne podejście zaczyna się od zrozumienia wymagań eksploatacyjnych i fizycznych instalacji pomiaru:
- przeglądu schematów orurowania i oprzyrządowania procesu,
- porównania schematów z aktualnym, rzeczywistym stanem instalacji,
- oceny możliwych lokalizacji do montażu elementów systemu pomiarowego,
- konsultacji z inżynierami procesu, mechaniki i środowiskowymi podczas doboru komponentów,
- konsultacji z kierownikami projektu na temat zakresu planu i harmonogramu.
Zwykle podążanie taką ścieżką pozwala na prawidłowe zaprojektowanie i realizację systemu.
Określenie czynników efektywności pomiaru
Wydajność systemu pomiaru temperatury zależy od wielu czynników mających wpływ także na proces rejestrowania pomiarów: dokładności i powtarzalności systemu pomiaru oraz stabilności przetwornika.
Dokładność systemu pomiaru temperatury to stopień zbliżenia się zmierzonej temperatury do rzeczywistej jej wartości.
Powtarzalność systemu pomiarowego, zwana także precyzją, jest stopniem, w jakim powtarzane pomiary w tych samych warunkach dają identyczne wyniki pomiaru. Jako przykład można tu przytoczyć przyrząd pokazujący tę samą wartość temperatury za każdym razem (w tych samych warunkach pomiaru), ale wartość ta jest zawsze odchylona od prawidłowej wartości. To jest powtarzalność, ale nie dokładność. Idealny pomiar to taki, który jednocześnie jest powtarzalny i dokładny (rys. 1).
Stabilność dotyczy zdolności przetwornika do unikania dryftu, czyli zachowania dokładności pomimo upływu czasu. Jest to związane z sygnałem pomiarowym czujnika, który może być pod długotrwałym wpływem wilgotności i podwyższonej temperatury. Stabilność jest utrzymywana dzięki użyciu elementów odniesienia w przetworniku, z których sygnał jest porównywany z sygnałem z czujnika. Wiodący producenci przetworników w celu poprawy dokładności i stabilności pomiarów przeprowadzają testy każdego przetwornika w całym zakresie temperatur. Z kolei wpływ temperatury na odczyt kompensują, przesyłając sygnał przez przetwornik cyfrowo-analogowy, a następnie analogowo-cyfrowy.
Stabilność przetwornika najczęściej wyrażana jest w procentach odczytu lub maksymalnych oczekiwanych odchyłkach odczytów zmierzonej temperaturyw stopniach Celsjusza lub Fahrenheita, w określonym czasie, dla każdego typu czujnika. Dane te są podawane zazwyczaj w odniesieniu do lat ? jeden rok, dwa lata lub pięć lat. Na przykład typowe wysokiej klasy przetworniki mają następujące parametry:
- RTD (oporowe): maksymalnie ?0,25% odczytu lub ?0,25°C (0,45°F) przez pięć lat,
- TC (termopary): maksymalnie ?0,5% odczytu lub ?0,5°C (0,9°F) przez pięć lat.
Opisane specyfikacje stabilności odnoszą się tylko do jakości działania przetwornika i nie dotyczą parametrów czujników. Dobrze wykonany czujnik RTD (oporowy) jest ogólnie uważany za wysoce stabilny i nieulegający degradacji z upływem czasu. Jednakże nawet dobrze wykonany czujnik TC (termopara) ulega mierzalnej degradacji w czasie znacznie krótszym, w wysokiej temperaturze.
Reasumując, dobry projekt musi uwzględniać wydajność całego systemu pomiarowego, nie tylko przetwornika czy czujnika. Jednym ze sposobów oszacowania rosnących błędów jest użycie kalkulacji całkowitego prawdopodobieństwa błędu (TPE). Niniejsza analiza prawdopodobieństwa błędu systemu przetwornika czy czujnika oparta jest na podstawie przewidywanych warunków pracy instalacji. Składniki tej kalkulacji stanowią pierwiastek kwadratowy z sumy dokładności przekaźnika i czujnika (rys. 2).
Trwałość i niezawodność systemu
Uzasadnione jest założenie, że trwałe urządzenie czy system będą wiarygodne. Można być pewnym, że wykonają powierzone im funkcje. Tak jak mając trwały akumulator w samochodzie, można być pewnym, że w każdych rozsądnych warunkach będzie możliwe uruchomienie silnika i użycie akcesoriów, tak samo można oczekiwać, że trwały system pomiarowy będzie funkcjonował w określonych warunkach. Zaufanie takie jest zbudowane na historii niezawodnego działania.
Podczas projektowania systemu pomiaru temperatury każdy element należy dobrać w taki sposób, aby zapewnić niezawodność wymaganą w miejscu jego końcowej instalacji. Na przykład, jeżeli wymagana jest wysoka precyzja pomiaru, nie wolno wybierać czujnika, dla którego przewidywany dryft uniemożliwia osiągnięcie wymaganej precyzji. Jeżeli otoczenie, w którym system będzie funkcjonował, jest narażone na wpływ zakłóceń elektromagnetycznych, zastosowanie przetwornika bez inteligentnej filtracji zakłóceń również będzie poważnym błędem. Podobnie w przypadku instalacji projektowanej do pracy przy dużej prędkości przepływu nieodpowiednie będzie zastosowanie obudowy bez obliczenia częstotliwości jej wzbudzenia. Elementem wspólnym tych rozważań jest to, że podstawą jest zrozumienie, na czym polega proces, aby zidentyfikować wymagania krytyczne wobec czujnika i systemu pomiarowego.
Maksymalizacja dokładności i wiarygodności
Podczas wyboru przetworników należy pamiętać o tym, że istnieje wiele funkcji i opcji, które mogą współpracować w systemie, budując zaufanie do odczytów:
- inteligentna filtracja ? w większości warunków pracy instalacji powszechnie występują przepięcia, zarówno od wyładowań atmosferycznych, jak i innych wyładowań statycznych, a ponadto przepięcia i spadki napięcia od lokalnej sieci zasilającej. Poza tym pojawiają się inne szkodliwe czynniki, takie jak wibracje, wysoka wilgotność, ekstremalne temperatury otoczenia, korozyjna atmosfera i inne, mogące negatywnie wpłynąć na wydajność przetwornika. Na szczęście producenci dbający o wysoką jakość oferują elementy konstrukcyjne i różne opcje konfiguracji swoich wyrobów, pozwalające na rozwiązanie tych problemów, a ponadto pomoc w zapewnieniu niezawodności pomiaru temperatury;
- dopasowanie czujnika do przetwornika ? wszystkie czujniki RTD (oporowe) mają niedokładności i odsunięcia od teoretycznej idealnej krzywej wydajności. Dopasowując czujnik do przetwornika, można precyzyjnie skompensować te niedokładności. Dlatego niektóre przetworniki mają w tym celu wbudowaną funkcję wykorzystującą program równania korekcji Callendara -Van Dusena (CVD). To równanie opisuje relacje oporności w zależności od temperatury poszczególnych czujników RTD. Proces dopasowywania pozwala użytkownikowi na wprowadzenie do przetwornika czterech zmiennych specyficznych CVD. Przetwornik przelicza równanie w celu dopasowania się do konkretnego czujnika, dzięki czemu zapewnia wyjątkową dokładność. Poprawa dokładności dzięki dopasowaniu czujnika wynosi zazwyczaj 7:1 i dokładności rzędu ?0,025°F (?0,014°C) są możliwe do osiągnięcia;
- przełączanie bezprzerwowe ? w przypadku systemu z dwoma czujnikami przetwornik może być zaprogramowany w taki sposób, że w momencie zidentyfikowania błędnego odczytu automatycznie przełącza wejście sygnałowe przetwornika z podstawowego czujnika na zapasowy. Funkcja ta pozwala na zachowanie ciągłości pomiaru (rys. 3);
- detekcja dryftu czujnika ? gdy dwa czujniki pracują równolegle i podłączone są do tego samego przetwornika, może on być zaprogramowany w taki sposób, że porównuje odczyty z obu czujników i wysyła do systemu komunikat o błędzie, jeżeli sygnał jednego z nich zaczyna przejawiać objawy degradacji ? dryftu, czyli odczyty z niego zaczynają odbiegać od wartości rzeczywistej (rys. 4).
Podsumowanie
Niezależnie od tego, jak nieprzyjazne mogą być warunki, w których prowadzony jest pomiar temperatury, prawidłowo wykonany system pomiaru powinien przebyć długą drogę konfiguracji, według opisanych w artykule opcji i funkcji, aby zapewnić dokładne i wiarygodne pomiary, wraz z ich nieprzerwaną transmisją do systemu pomiarowego.
Autor: David Anderson jest starszym inżynierem marketingu w dziale zarządzania procesem w firmie Emerson.
