Print

Teplotní měření s RTD a termočlánky

-- 12.03.19

Nejobvyklejším měřením procesních senzorů je teplota. Odporové teplotní senzory (Resistance Temperature Detector – RTD) a termočlánky jsou široce využívanými senzory pro průmyslová měření teploty. Prohlédněte si 11 souhrnných tipů pro výběr senzoru. 

Teplotní měření představují největší segment všech procesních měření a jejich přesnost spolehlivost může mít často významný dopad na efektivní provoz a bezpečnost závodu. Výběr nejvhodnějšího typu senzoru může zvýšit přesnost, opakovatelnost a stabilitu teplotních měření a může snížit náklady na provoz a údržbu.

Odporové teplotní senzory (Resistance Temperature Detectors – RTD) a termočlánky řeší 90 % nebo více teplotního monitorování v průmyslových závodech. Podrobnější informace o jednotlivých typech mohou pomoci při informovaném rozhodování o výběru nejvhodnějšího senzoru pro nejrůznější aplikace. 

Stručný pohled na RTD

Teplotní rozsahy: RTD jsou doporučeny pro měření od -200 do 850 °C. Při pořizování nového senzoru informujte dodavatele o provozním rozsahu pro tento senzor, abyste mohli zvolit ten nejlepší materiál a výrobní metodu pro daný provozní rozsah.

Princip funkce: RTD fungují na principu zvyšování elektrického odporu jejích kovových prvků s nárůstem teploty.

Konstrukce: Obvyklými materiály rezistorů jsou platina (Pt), nikl (Ni) a měď (Cu). Protože je platina stabilnější, lineárnější a pokrývá širší teplotní rozsah, stala se dnešním průmyslovým standardem. I když můžete ve stávajících instalacích najít nikl a měď, většina nových instalaci využívá výhradně platinu.

Pro výrobu snímacího prvku senzoru RTD se často používá vysoce čistá platina, a to buď jako navinutý drát (platinový drát navinutý na podkladovou cívku) nebo jako tenká vrstva (čistá platina nanesená na keramický podklad). Moderní RTD lze používat za vysokých teplot, neboť v dnešní době používané podkladové materiály jsou za vysokých teplot stabilní.

Doporučení: Používejte senzory s tenkou vrstvou v rozsahu -40 až 850 °C a senzory s navinutým drátem, když teploty poklesávají až k -200 °C.

RTD se 2, 3 nebo 4 vodiči: RTD lze vyrobit ve dvou-, tří- a čtyřvodičovém provedení.

Doporučení: Používejte RTD namísto termočlánků (T/C) vždy, když je to možné, pro jejich vyšší přesnost, opakovatelnost měření a stabilitu.

RTD funguje správně, jen když je prvek izolován od svého ochranného pláště. Typickými izolačními materiály jsou oxid hořečnatý (MgO) nebo oxid hlinitý (Al2O3). Pokud by se izolace narušila z důvodu vlhkosti nebo znečištění, RTD se musí vyměnit. Protože RTD musí být izolován, používání měřicího obvodu, který není izolovaný, může přinést úspory nákladů.

Pokud se se senzorem nepoužívá přiřazený vysílač teploty, RTD se připojuje k měřicímu obvodu měděným drátem. Při přípravě na výběr senzoru RTD je nutno mít na paměti následující aspekty:

  • Název senzoru označuje jeho odpor při 0 °C. Příklad: 100Ω Pt RTD naměří 100 Ω při 0 °C; 500 Ω Pt RTD naměří 500 Ω při 0 °C apod.
  • Moderní měřicí obvody využívají pro generování budicího proudu zdroj stálého proudu.
  • Napěťová měření s vysokou impedancí se odrážejí na výkonu RTD. (Vysoká impedance znamená, že voltmetrem a jeho vodiči neprochází žádný proud.)
  • Odpor se počítá podle Ohmova zákona: V = IR nebo R = V/I 

Přesnost senzorů RTD

Je nejlepší používat RTD namísto termočlánků vždy, když je to možné. Nejlepší senzory RTD jsou vyráběny podle normy IEC 60751, která požaduje hodnoty přesnosti uvedené v tabulce 1 níže.

Prémiové/speciální senzory RTD: Když jsou senzory RTD „zahořeny“ výrobcem, minimalizuje se jejich „drift“ (posun parametrů) po jejich implementaci do provozu. Senzory RTD, které jsou vystaveny teplotním cyklům po dobu 1 000 hodin při teplotách 0 a 600 °C a zachovají si vyšší přesnost po dobu 5 a více let. Tepelně zahořované jsou obvykle pouze senzory třídy A.

Měření pomocí termočlánků je možno zdokonalit použitím termočlánkového drátu prémiové třídy. Přínosná je také modernizace na senzory RTD třídy A, která sníží nejistotu na polovinu. 

Stručný pohled na termočlánky

Technologie termočlánků (T/C) je založena na Seebeckově jevu, kdy při spojení rozdílných kovů na obou koncích bude vznikat elektrický proud, pokud má spoj na jednom konci jinou teplotu než spoj na druhém konci.

Teplotní rozsahy: Při konstrukci termočlánků už se využívají nejrůznější kombinace rozdílných kovů. Konečný produkt se označuje jako určitý typ T/C. Pro každý typ existují tabulky závislosti mV na teplotě a jsou zahrnuty v této referenční příručce (všechny tabulky závislosti mV na teplotě jsou vytvářeny se studeným spojem termočlánku o teplotě 0 °C).

Princip funkce: Senzor T/C má dva spoje. Měřicí spoj (někdy označovaný jako teplý spoj) je místem, kde jsou dva kovy spojeny. Srovnávací spoj (někdy označovaný jako studený spoj) je koncem s otevřeným obvodem, který se připojuje k měřicímu obvodu.

Když mezi teplým a studeným spojem existuje teplotní rozdíl, generuje se signál v mV úměrný teplotnímu rozdílu. Hodnota mV se zvyšuje s rostoucí teplotou. Vztah mezi mV a teplotou je nelineární.

Při měření pomocí termočlánků v reálném světě bude na měřicím obvodu pravděpodobně teplota jiná než 0 °C. Měřicí obvod musí změřit teplotu studeného spoje a určit její referenci zpět na 0 °C. Tato elektrická kompenzace se označuje jako kompenzace studeného spoje (nebo kompenzace referenčního spoje). Většina měřicích obvodů termočlánků provádí tuto operaci.

Konstrukce: Termočlánky mohou být vyrobeny buď s uzemněním teplého spoje k externímu plášti, anebo bez uzemnění (izolované od pláště). Uzemněný termočlánek bude reagovat rychleji, ale termočlánek je pak v kontaktu s procesním napětím. Z tohoto důvodu je důležité, aby byl měřicí obvod izolován, aby nedocházelo k vytváření zemní smyčky a výsledné chyby měření.

Termočlánek je obvykle uložen v oxidu hořečnatém (MgO) a kovovém plášti. Následně vložen do teploměrné jímky nebo ochranné trubice. To pomáhá chránit senzor před znečištěním z okolí. I neuzemněný termočlánek se nakonec uzemní, když se MgO kontaminuje vlhkostí a solemi.

Doporučení: Změřte termočlánek izolovaným měřicím obvodem.

Přesnost termočlánku: Je nejlepší používat termočlánky vyrobené podle normy ASTM E230, která upravuje přesnost termočlánků typu E, J, K a T.

Referenční tabulky termočlánků jsou součástí standardní specifikace normy ASTM E230/E230M-12 a tabulek Temperature-Electromotive Force (emf) pro standardizované termočlánky. 

Speciální termočlánkové dráty

Termočlánky mohou být zkonstruovány s drátem prémiové nebo speciální třídy, který snižuje nejistotu měření na polovinu. Označení prémiové/speciální v zásadě znamená, že tento drát má směs slitin o vyšší čistotě.

Doporučení: Jestliže aplikace vyžaduje termočlánky namísto senzorů RTD, použijte termočlánky prémiové třídy, cenový rozdíl je zanedbatelný a prémiový drát poskytuje vyšší stabilitu.

Kontaminace drátu je u termočlánků chronickým problémem. Hodnoty v tabulkách přesnosti předpokládají, že drát není kontaminován chemikáliemi z procesu nebo z prostředí. Když dojde ke kontaminaci, chyba se obecně zvyšuje až do té míry, že je nutno senzor vyměnit. 

Seřízení senzoru (trimming) pro vysokou přesnost

Po výběru snímacího prvku zvažte také aplikaci. Pokud požadujete co nejvyšší přesnost, proveďte kalibraci systému měření teploty pomocí lázně. Senzor RTD třídy A se kalibruje v lázni pro spolupráci s příslušným vysílačem nebo vzdáleným I/O měřicím zařízením. Tento proces odstraňuje poslední „výrobní“ odchylku, která existuje v každém senzoru. Ke každému senzoru by měla být přiložena dohledatelná kalibrační zpráva z institutu NIST (National Institute of Standards and Technology) uvádějící kombinovanou nejistotu senzoru a vysílače teploty, která je obvykle nižší než ±0,01 °C. 

Výběr senzoru: 11 tipů

Při výběru teplotního senzoru použijte jako praktické vodítko následující tipy, které přispějí k optimalizaci výkonu měření a minimalizaci dlouhodobých nákladů na údržbu.

 

  1. Použijte RTD, pokud měříte v rozsahu teplot -40 až 850 °C.
  2. Pro teploty nízké až -200 °C použijte senzor RTD s vinutým drátem.
  3. Nejlépe se osvědčuje používat čtyřvodičové senzory RTD třídy A.
  4. Ujistěte se, že senzory byly podrobeny cyklování teploty a zahořeny pro dlouhodobou stabilitu.
  5. Při používání senzorů RTD v teplotách pod 0 °C a nad 600 °C potřebujete znát procesní podmínky, abyste optimalizovali implementaci: teplotní rozsah, cyklování, tlak, průtok, média, vibrace a okolní podmínky (chemikálie/atmosféra).
  6. Když je zapotřebí co nejvyšší přesnost, použijte seřízení senzoru (trimming).
  7. Jestliže používáte třívodičové senzory RTD s dlouhými vodiči a nemůžete konvertovat na čtyřvodičové senzory RTD, nahraďte třívodičové senzory RTD platinovými senzory RDT 1000 Ω.
  8. Pokud monitorujete teploty nad 850 °C, použijte termočlánky.
  9. Jestliže používáte termočlánky, používejte termočlánky prémiové třídy a prodlužovací drát.
  10. Pokud používáte dlouhý prodlužovací drát termočlánku, zajistěte jeho ochranu proti rušení.
  11. Nahraďte kontaminovaný prodlužovací drát termočlánku vzdáleným I/O. 

 

Gary Prentice je viceprezidentem pro obchod společnosti Moore Industries. Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel, Control Engineering, CFE Media, mhoske@cfemedia.com.


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

ARaP 2019
2019-11-19 - 2019-11-20
Místo: Fakulta strojní ČVUT v Praze, Technická 4, Praha 6
EPLAN Efficiency days 2019
2019-11-19 - 2019-11-19
Místo: Clarion Congress Hotel, Praha
EPLAN Efficiency days 2019
2019-11-20 - 2019-11-20
Místo: Clarion Congress Hotel, Ostrava

Katalog

EWWH, s. r. o.
EWWH, s. r. o.
Hornoměcholupská 68
102 00 Praha 10
tel. 734 823 339

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI