Справочное руководство инженера по измерению температуры

ИЗДАНИЕ 2013 г .

ВведениеЧасто задаваемые вопросы

Основы измерения температуры

Проектирование и расчет

Калибровка и техническое обслуживание

Наилучшие решения

Продукция Rosemount для измерения температуры

Справочные материалы

Документация

Глоссарий

Справочное руководство инженера по измерению температуры

ИЗДАНИЕ 2013 г .

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

Логотип Emerson является торговой маркой и знаком обслуживания компании Emerson Electric Co. Название и логотип Rosemount являются зарегистрированными торговыми марками компании Rosemount Inc. Все остальные товарные знаки являются собственностью соответствующих правообла-дателей. Содержание данной публикации приводится только в ознакомительных целях. Несмотря на то, что были предприняты все усилия для обеспечения точности предоставленной информации, они не являются поручительством или гарантией, выраженной явно или подразумеваемой, в отношении описываемых здесь изделий и услуг, а также их использования или применимости. Содержащаяся в данной публикации информация НЕ ЯВЛЯЕТСЯ гарантией удовлетворительных результатов. Компания Rosemount Inc. сохраняет за собой право на изменение и совершенствование конструкции и технических характеристик своей продукции в любое время без предварительного уведомления.

Право интеллектуальной собственности © 2013 Rosemount Inc. Все права защищены.

Отпечатано в Чешской республике

Без предварительного письменного разрешения компании Rosemount Inc. не разрешается воспроиз-ведение, сохранение в системе автоматического поиска информации или передача в любой форме и любыми средствами, будь то электронными, механическими, путем фотокопирования, записи на носители информации или иным способом, какой-либо части настоящего документа. Запросы следует направлять по адресу marketing.temperature@emerson.com

Rosemount Inc.8200 Market BoulevardChanhassen, Minnesota, 55317 USAwww.rosemount.com

ВЫРАЖЕНИЕ ПРИЗНАТЕЛЬНОСТИ

Этот справочник по измерению температуры является результатом совместных усилий коллег из компании Emerson и наших клиентов по всему миру. Я хочу выразить особую благодарность перечисленным ниже лицам, которые внесли неоценимый вклад в работу над этим справочником:

Майк Грегори | СШАМенеджер по расчету и проектированию контрольно-измерительных приборовГрег Ховард | СШАВедущий специалист по проектированию контрольно-измерительных приборовКомпания Dow Chemical Company Дхармендра Кумар Шарма | ИндияСтарший менеджер по техническому обслуживанию (контрольно-измерительных приборов) отдела технического обслуживания Компания Hindustan Petroleum Corp. Ltd.

Хельге Эссиг | ГерманияЛаборатории Немецкой службы калибровки (DKD)Испытательная лабораторияИзмерение параметров технологических процессов, технология регулирования и технология анализа BIS Processtechnik - Технопарк Hоchst

Ласло Барта | ВенгрияМенеджер по расчету и проектированию электрооборудования и контрольно-измерительных приборов компании BorsodChem

Нед Эспи | СШАТехнический директор Компания Beamex, Inc

Выражаю благодарность Николасу Мейеру, менеджеру по маркетингу компании Emerson Process Management, группы по оптимизации производственных активов, который внес вклад в составление главы “Калибровка и техническое обслуживание”, и Кори Берриган, разработчику средств управления основными технологическими процессами компании Emerson Process Management, отдел решений и систем технологических процессов, которая внесла вклад в составление главы “Проектирование и расчет”.

А также другим сотрудникам Emerson Process Management, работающим в группе Rosemount, которые потратили много времени, работая над этим справочником: Данжину Цулику, Кайли Уоррен, Энди Дайкеру, Рису Льюису, Рику Фоксу, Тому Уоллесу, Джайсону Раду, Дирку Баушке, Тодду Ларсону, Рэнди Пашке, Майку Пирсону, Джиму Коббу, Ребекке Копке, Райану Лейно, Кортни Нельсон, Алексу Чеччини, Эшли Хэйс, Хуа Нгуену, Лорен Энгельштад, Аарону Перро, Тренту Риггсу, Полу Андерсону, Прайа Санкар, Мартину Эдшеду и Андреасу Руссеку.

Я хочу поблагодарить Бада Адлера из Eagle Consulting Solutions, Inc. Его многолетний опыт и невероятное терпение, проявленное при работе над этим справочником, невозможно переоценить. Я также хотел бы выразить благодарность Полу Йенсену за разработку великолепного макета публикации и иллюстративное оформление, которые придали еще больший профессионализм этому справочнику.

Я хотел бы дополнительно поблагодарить основную группу (Бад Адлер, Пол Йенсен и Данжин Цулик) , которая работала над составлением этого справочника, вникая в мельчайшие детали, включая проведение исследований и отражение в публикации мнения всех наших рецензентов. Ваши целеустремленность, настойчивость и хорошее чувство юмора сделали приятной работу над проектом.

Наконец, благодарю всех неупомянутых лиц, которые внесли вклад в создание этого справочника, и всех пользователей приборов измерения температуры марки Rosemount.

Мишель ВеймерRosemount Inc.Старший менеджер по маркетингуRosemount Temperature

Содержание

1. Введение 72. Часто задаваемые вопросы 93. Основы измерения температуры 11

3.1 Измерительные преобразователи температуры 12 3.1.1 Общее описание 12 3.1.2 Устройство измерительного преобразователя 13 3.1.2.1 Входы 13 3.1.2.2 Развязка входных и выходных цепей 14 3.1.2.3 Одно-, двух- и многоточечные измерительные преобразователи 14 3.1.2.4 Преобразование и формирование сигналов 15 3.1.3 Выходные сигналы 17 3.1.4 Эксплуатационные характеристики измерительного преобразователя 19 3.1.5 Стабильность 21 3.1.6 Варианты и функции интеллектуальной фильтрации 22 3.1.7 Соответствие требованиям к ЭМП 24 3.1.8 Диагностика 24 3.1.9 Быстродействие 26 3.1.10 Виды измерительных преобразователей; варианты соединительных головок, корпусов и монтажа 26 3.1.11 Варианты измерительных преобразователей 29 3.1.12 Измерительные преобразователи, имеющие сертификацию безопасности 30 3.1.13 Маркировка 31 3.1.14 Варианты конфигурации 31

3.2 Первичные преобразователи температуры 32 3.2.1 Обзор 32 3.2.2 История первичных преобразователей 32 3.2.3 Термопреобразователи сопротивления (ТС) 32 3.2.4 Термопары 44 3.2.5 Быстродействие измерения 51 3.2.6 Многоточечные первичные преобразователи и первичные преобразователи для измерения температурного профиля 51

3.3 Защитные гильзы 52 3.3.1 Обзор 52 3.3.2 Типы защитных гильз 52 3.3.3 Вопросы проектирования защитных гильз 52 3.3.3.1 Материалы 52 3.3.3.2 Виды 53 3.3.3.3 Профили штока 54 3.3.4 Способы монтажа 55 3.3.5 Варианты монтажа 56 3.3.5.1 Установка без защитной гильзы 56 3.3.6 Изготовление 56 3.3.7 Отказы защитных гильз 56 3.3.7.1 Вибрация 56 3.3.8 Быстродействие 57 3.3.9 Стандарты защитных гильз 58

Содержание

4.1 Осмысление требований к вашей системе измерения температуры 60 4.1.1 Обзор 60 4.1.2 Критерии выбора 60 4.1.3 Передовые методики установки 61

4.2 Выбор и установка правильных компонентов 62 4.2.1 Обзор 62 4.2.2 Обзор защитных гильз 63 4.2.2.2 Установка новой защитной гильзы 63 4.2.2.3 Повторное использование имеющейся защитной гильзы 67 4.2.2.4 Монтаж на поверхности 67 4.2.3 Выбор первичного преобразователя 68 4.2.3.1 Сравнение ТС и термопар 69 4.2.3.1.1 Характеристики и преимущества ТС 70 4.2.3.1.2 Характеристики и преимущества термопар 70 4.2.3.2 Определение требуемых характеристик первичного преобразователя 71 4.2.3.2.1 Определение требуемых характеристик узла ТС 71 4.2.3.2.2 Определение требуемых характеристик узла термопары 72 4.2.3.3 Подробности оформления заказа 72 4.2.4 Измерительные преобразователи 74 4.2.4.1 Функциональные возможности и эксплуатационные характеристики 74 4.2.4.2 Место установки 75 4.2.4.3 Виды моделей 76 4.2.4.4 Стандартные функции измерительного преобразователя 77 4.2.4.5 Варианты и функции интеллектуальной фильтрации 77 4.2.4.6 Диагностика 77 4.2.5 Передовые методики установки 78 4.2.5.1 Установка защитной гильзы 78 4.2.5.2 Установка измерительного преобразователя 78 4.2.6 Оформление документации 81 4.2.7 Анализ погрешности системы 83 4.2.8 Долговечность и надежность – доверительный интервал возникновения неисправности 85 4.2.9 Обзор указаний по обеспечению оптимальной точности и эксплуатационных характеристик системы 85

4.3 Подключение к системе управления 85 4.3.1 Обзор 85 4.3.2 Измерительные преобразователи 86 4.3.2.1 Выходные сигналы 87 4.3.3 Подключение проводами напрямую 87 4.3.3.1 Ввод/вывод системы управления 87 4.3.3.2 Удаленный ввод/вывод 87 4.3.3.3 Мультиплексоры 88 4.3.4 Преимущества использования измерительных преобразователей по сравнению с подключением первичных преобразователей проводкой напрямую 88 4.3.5 Преимущества стратегии подключения первичных преобразователей напрямую 89 4.3.6 Заземление и экранирование 89 4.3.7 Нагрузка контура 89

4. Проектирование и расчет 59

Содержание

5.0 Обзор 925.1 Какая квалификация требуется персоналу технического обслуживания 925.2 Что включается в программу технического обслуживания 935.3 График технического обслуживания и вопросы планирования 935.4 Управление техническим обслуживанием 94 5.4.1 Дополнительные выгоды от использования систем управления активами 95

5.5 Основы технического обслуживания 96 5.5.1 Измерительные преобразователи 96 5.5.2 Первичные преобразователи и защитные гильзы 96

5.6 Конфигурация 975.7 Калибровка 97 5.7.1 Общее описание и определение 97 5.7.2 Когда калибровать 98 5.7.3 Аспекты и термины калибровки 98 5.7.4 Контрольные испытания / Испытания контуров 99 5.7.5 Калибровочное оборудование 100

5.8 Калибровка высокоточных систем 102 5.9 Введение в поиск и устранение неисправностей 103 5.9.1 Таблицы признаков и причин 103 5.9.2 Блок-схемы или логические алгоритмы принятия решений 103 5.9.3 Структурированный подход к поиску и устранению неисправностей 103

5.10 Системы противоаварийной защиты (ПАЗ) 1045.11 Диагностика 1045.12 Документация 107 5.12.1 Этап планирования 107 5.12.2 Этап реализации 108 5.12.3 Этап завершения 108

7.1 Измерительные преобразователи 1387.2 Первичные преобразователи и защитные гильзы 140

8.1 Таблицы 1448.2 Преобразования величин 2408.3 Системы противоаварийной защиты (ПАЗ) 249

9.1 Официальные материалы 2549.2 Примеры успешных применений 270

5. Калибровка и техническое обслуживание 91

6. Наилучшие решения 1097. Продукция Rosemount для измерения температуры 137

8. Справочные материалы 143

9. Документация 253

10.Глоссарий 391

7

1 – Введение

Справочник инженера по измерению температуры в промышленностиПРЕДИСЛОВИЕВ этом справочнике подробно рассматриваются вопросы выбора правильного метода измерения температуры для широкого спектра применений и условий эксплуатации. Указания по выбору проектируемой системы подходят практически для всех вариантов применения в промышленности.

ВВЕДЕНИЕТемпература - это наиболее часто измеряемый параметр технологических процессов. Зачастую температура является определяющим фактором функциони-рования промышленного технологического процесса. Если измерение температуры выполняется неточно или ненадежно по той или иной причине, это может негативно сказаться на таких показателях, как эффективность технологического процесса, энергопотребление и качество продукции.

Даже небольшая ошибка измерения может привести к остановке некоторых технологических процессов или очень дорого обойтись, поэтому исключительно важно иметь уверенность в том, что температура измеряется точно и надежно. Фармацевтическое производство может служить примером технологического процесса, где неточное измерение температуры может привести к отбраковке целой партии продукции, стоящей сотни тысяч долларов. Поэтому каждую систему измерения необходимо рассчитать и тщательно спроектировать, чтобы она отвечала требованиям технологического процесса.

Плохая работа функции противоаварийной защиты в системе ПАЗ, может оказаться губительной или стоить очень дорого (или и то, и другое), и ошибка в 2% считается опасной неисправностью, не поддающейся диагностике. Примером может служить технологический процесс, который может пойти экзотермически и привести к взрыву, если температура не измеряется и не регулируется точно.

8

1 – Введение

Другим примером, где неточное измерение имеет огромные финансовые послед-ствия, является коммерческий учет, когда объем продукта, который покупается и продается (поставляется потребителю) определяется на основе измерения объемного расхода газа. Количество продукта, содержащееся в удельном объеме газа, уменьшается с возрастанием температуры и увеличивается, если температура падает. Поэтому очень важно знать точную температуру газа при определении объемного расхода. Неточное измерение температуры в системах коммерческого учета приводит к тому, что потребителям выставляются завышенные или занижен-ные счета. Это может напрямую влиять на финансовые показатели потребителей. Системы коммерческого учета природного газа - один из примеров, где требуется точное измерение температуры.

Как правило, измерения осуществляются с помощью первичного преобразователя (обычно это термопара или термопреобразователь сопротивления) и измери-тельного преобразователя, чтобы усилить низкий уровень сигнала первичного преобразователя (в омах или мВ) до более надежного токового сигнала 4-20 мА.

Вместе с соединительной головкой, защитной гильзой, первичный преобразователь и измерительный преобразователь называются узлом или системой измерения температуры. Существуют системы, отвечающие разнообразным требованиям к стабильности и точности измерения. В некоторых случаях требования к точности до-вольно низкие, достаточно иметь точность в пределах ±11°C (±20°F) от фактического значения, в некоторых случаях отслеживается тенденция, а точность не так важна, тогда как в других случаях предъявляются исключительно жесткие требования к точности измерения, до ±0,01°C (±0,025°F). Стабильность результатов измерения в долгосрочной перспективе варьируется от 5,5 - 11°C (10 - 20°F) от диапазона измерений в год в случаях, когда измерения не имеют решающего значения для технологического процесса, до величин менее 0,044°C (0,08°F) от диапазона в год в тех случаях, когда измерение температуры имеет очень важное значение. Во всех случаях степень точности измерения зависит от выбораа первичного преобразова-теля.

В этом справочнике рассматриваются рекомендации, “подводные камни” и компромиссные решения, с которыми приходится сталкиваться при проектировании систем измерения температуры. Здесь содержатся указания по выбору надлежащих первичного и измерительного преобразователей, отвечающих разнообразным вариантам применения. Здесь также рассматривается проектирование высокона-дежных систем для использования в функциях противоаварийной защиты (ФПЗ) в системах противоаварийной защиты (ПАЗ).

Примеры технологических установок и производств, где важно точное и надежное измерение температуры:

• Биореакторы в фармацевтической промышленности

• Различные химические реакторы

• Дистилляционные колонны

• Абсорбционные колонны

• Кристаллизаторы

• Производство твердотельных компонентов

• Коммерческий учет

9

2 – Часто задаваемые вопросы

1 – Как правильно выбрать тип первичного преобразователя (преобразователь термоэлектрический или термопреобразователь сопротивления)? (см. п. 4.2.3.1)

2 – Какова рекомендуемая длина монтажной части защитной арматуры и защитной гильзы? (см. п. 4.2.2.2.5)

3 – Как лучше всего рассчитать точность всей системы измерения температуры? (см. пп. 3.1.4.2 и .3)

4 – Как правильно выбрать защитную гильзу? (см. п. 4.1.2)

5 – Каковы рекомендуемые подходы к проектированию заземления? (см. п. 4.2.5.2.4.1)

6 – Каковы стандарты на цвет выводов первичного преобразователя, которые следует соблюдать? (см. пп. 3.2.3 и 3.2.4)

7 – Как правильно выбрать измерительный преобразователь? (см. п. 3.1.2)

8 – Какие выгоды можно получить от использования функций диагностики измерительных преобразователей? (см. п. 5.11.1)

9 – Почему следует избегать использования длинных проводов первичных преобразователей и каковы альтернативы? (см. п. 4.3.4)

10 – В чем преимущество согласования первичного преобразователя и измерительного преобразователя? (см. п. 4.2.7)

11 – Каковы диапазоны измеряемых температур термоэлектрических преобразователей? (см. п. 3.2.4.4)

12 – Каковы рекомендации относительно высокой точности измерений? (см. п. 3.1)

13 – Как защитить систему измерения от влияния помех? (см. п. 3.1.2.4.1)

14 – Каковы наилучшие методики проведения калибровки? (см. п. 5.7.2)

РАЗДЕЛ СТР.

3.1 Измерительные преобразователи температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.2 Первичные преобразователи температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.3 Защитные гильзы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Основы измерения температуры3

12

3 – Основы измерения температуры

3.1 Измерительные преобразователи температуры

3.1.1 Общее описание

В рамках данного справочника мы ограничимся рассмотрением стандартных промышленных интеллектуальных (или “smart”) измерительных преобразователей, которые выпускаются практически всеми ведущими изготовителями датчиков темпера-туры. Это контрольно-измерительные приборы на основе микропроцессоров, обладающие огромными возможностями обработки сигналов по сравнению с аналоговыми измерительными преобразователями, которые в течение многих лет оставались основными приборами для решения задач измерения температуры. Во времена использования чисто аналоговых устройств такие функции, как калибровка, настройка диапазона, настройка нуля и демпфирование, выполнялись с помощью потенциометров. Для “общения” с измеритель-ным преобразователем использовались только отвертка и мультиметр. Наблюдался дрейф сигналов со временем и требовалось частое техническое обслуживание приборов, возможности сигналов ограничивались передачей только одного элемента данных, сигналы могли смещаться и искажаться под действием электриче-ских помех. Это часто приводило к отказам “в пределах шкалы”, когда по показаниям приборов параметр технологического процесса находился в допустимых

пределах, а фактически был вне допустимого диапазона.

С течением времени эти аналоговые измерительные преобразователи претерпевали изменения, развиваясь от устройств, использующих дискретные компоненты, такие как транзисторы и диоды, к устройствам, использующим “микросхемы” или “наборы микросхем”, и в конце концов того, что мы сегодня называем микропроцессо-рами. Несмотря на то, что аналоговые модели все еще поставляются некоторыми изготовителями, они теряют свои позиции на рынке промышленных технологических процессов.

Для измерения температуры используются разнообраз-ные устройства. Эти устройства, называемые первичными преобразователями, подробно рассматриваются в разделе “Первичные преобразователи” этого справочни-ка. Интеллектуальные измерительные преобразователи температуры могут работать с сигналами от всех типов стандартных промышленных термоэлектрических преобразователей или термопар (ТП) и термопреоб-разователей сопротивления(ТС)ТС. Измерительные преобразователи также могут работать с сигналами от омических и милливольтовых устройств.

Измерительный преобразователь преобразует входной сигнал от первичного преобразователя в более надежный выходной сигнал высокого уровня в диапазоне 4-20 мА. Некоторые модели имеют выход цифрового сигнала для подключения к удаленному устройству или системе.

Измерительные преобразователи выпускаются в корпусах различного вида, которые могут монтироваться в любые соединительные головки, которые могут быть выполнены из различных материалов. См. рисунок 3.1.1a . Они могут представлять собой единое целое с узлом первичного преобразователя / защитной гильзы в точке измерения параметров технологического процесса и передавать сигнал либо по проводам, либо по беспроводному каналу связи. Или же они могут быть смонтированы удаленно по отношению к узлу первичного преобразователя в каком-нибудь из нескольких типов соединительных головок. Конфигурирование измерительных преобразователей может быть реализовано как локально, так и удаленно, а также может быть предусмотрена локальная индикация. Измерительные преобразователи имеют ряд стандартных и дополнительных рабочих функций, обеспечивающих впечатляющий набор функциональных возможностей. Возможно создание систем, отвечающих практически любым требованиям сертификации регулирующими органами.

Рисунок 3.1.1a - Виды измерительных преобразователей

РЕКОМЕНДАЦИИ ОТНОСИТЕЛЬНО ИЗМЕРЕНИЙ C ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТЬЮ?Как указано в главе 3.1, выбор измерительного преобразователя на основе высококачественного микропроцессора позволит реализовать превосходные эксплуатационные характеристики и широкий спектр до-полнительных возможностей, которые могут существенно улучшить достоверность, производительность и точность измерений.

Правильные выбор, калибровка и установка узла первичного преобразователя - дополнительные важные составляющие точности системы измерения.

Более точная компенсация погрешностей термопреобра-зователя сопротивления обеспечивается согласованием первичного преобразователя и измерительного преоб-разователя с помощью уравнения Календар-Ван-Дюзена, запрограммированного в измерительном преобразова-теле заводом-изготовителем. Хотя это согласование как правило не требуется для всех измерений параметров технологического процесса. Очевидно, оно необходимо для тех измерений, которые требуют наибольшей точности.

См.:

4.2.9 - Обзор указаний по обеспечению оптимальной точности и эксплуатационных характеристик системы

3.1.4.3 - Факторы, влияющие на точность, которые связаны с первичным преобразователем

3.2.11 - Точность / взаимозаменяемость термопреобразо-вателей сопротивления

3.1.4.3.3 -Согласование измерительного преобразователя и первичного преобразователя

13

3 – Основы измерения температуры

3.1.2 Устройство измерительного преобразователя

Измерительные преобразователи могут принимать разные сигналы измерения (например, от термопреобра-зователей сопротивления и от термопар), обрабатывать их и формировать надежный выходной сигнал. Не все они проектируются и работают одинаково. Каждый крупный изготовитель имеет свой собственный опыт расчета и проектирования таких устройств, накопленный за месяцы или даже годы исследований и разработок. Эта интеллектуальная собственность выделяет высоко-качественные измерительные преобразователи среди других подобных устройств благодаря их способности обрабатывать сигнал измерения для формирования точного и стабильного выходного сигнала. В следующих далее разделах содержится описание общих функций высококачественных измерительных преобразователей.

Измерительные преобразователи включают в себя три подсистемы; подсистема входа преобразует сигнал измерения от первичного преобразователя в цифровой сигнал (это называется аналого-цифровым преобразованием или АЦП); подсистема формирования сигнала принимает этот сигнал и выполняет различные операции формирования и математические действия, чтобы получить цифровое представление измерения температуры; подсистема выхода, которая преобразует этот цифровой сигнал в надежный аналоговый выходной сигнал (ЦАП). см. рисунок 3.1.2a. Ниже эти аспекты рассматриваются более подробно.

Электрическая развязка

Первичный преобразователь

1

Первичный преобразователь

2

Аналого-цифровоепреобразование

Опорный вход

Компенсация холодного спая

Микропроцессор- Усреднение- Связь- Демпфирование- Диагностика- Перепад

температуры- Тех. единицы- Горячее

резервирование- Изменение

диапазона измерения

- Линеаризация первичного преобразователя

- Коррекция температуры

Цифро-аналоговоепреобразование

Цифровая связьпо протоколу HART

Сигнал 4-20 мА

Рисунок 3.1.2a - Функциональная блок-схема измерительного преобразователя

3.1.2.1 Входы

Реальные аналоговые сигналы от первичных преобразо-вателей системы измерения преобразуются в цифровые сигналы с помощью технологии дискретизации с точно известным внутренним опорным напряжением. Чем больше разрядов разрешения используется при АЦП, тем точнее будет это преобразование.

Чаще всего в качестве входных сигналов первичных преобразователей при измерении температуры используются сигналы от термопреобразователей сопротивления (ТС) и от термопар (ТП). Дополнительны-ми входными сигналами являются сигналы напряжения в милливольтах (мВ), сигналы сопротивления в омах и сигналы от потенциометра. См. рисунок 3.1.2.1a. Ниже рассматривается каждый из них.

Рисунок 3.1.2.1a - Стандартные первичные преобразователи

3.1.2.1.1 Входы термопреобразователей сопротивления(ТС)

В основе работы термопреобразователей сопротивления (ТС) лежит тот принцип, что электрическое сопротив-ление металла возрастает при увеличении температуры - явление, известное как «термическое сопротивление». Таким образом, измерение температуры можно осуществить, измеряя сопротивление элемента ТС.

Термопреобразователи сопротивления выполняются из резистивного материала с прикрепленными к нему выводами и обычно помещаются в защитную оболочку. В качестве резистивного материала может использоваться платина, медь или никель, на сегодняшний день чаще всего используется платина. Платиновые первичные преобразователи имеют диапазон сопротивления от 100 Ом до 1000 Ом и могут быть двух- , трех- или четырех- проводными.

Подробное описание ТС см. в п. 3.2.3.

3.1.2.1.2 Входы преобразователей термоэлектрических (термопар)

Термопара (ТП) - это термоэлектрическое устройство замкнутой цепи, чувствительное к температуре, которое состоит из двух проволок, выполненных из разнородных металлов, которые соединены на обоих концах. Электрический ток создается, когда температура, воздействующая на один конец или спай, отличается от температуры на другом конце. Это явление носит название эффекта Зеебека, который является основой измерения температуры с помощью термопар.

Один конец называется горячим спаем, а другой конец называется холодным спаем. Измерительный элемент с горячим спаем помещается внутрь оболочки первичного преобразователя, и на него воздействует температура технологического процесса. Холодный спай или опорный спай - это точка подключения вне технологического процесса, где температура известна и где измеряется напряжение. Этот холодный спай обычно находится в измерительном преобразователе, на входной плате системы управления или в устройстве формирования сигналов.

14

3 – Основы измерения температуры

Измерительные преобразователи принимают входные сиг-налы от большинства широко используемых стандартных промышленных типов термопар, включая термопары типов J, K, E, T, R и S. Многие модели также могут принимать сигналы от термопар типа B и C , также типа N, который часто служит альтернативой типам R и S.

Подробное описание термопар см. в п. 3.2.4.

3.1.2.1.3 Входыв милливольтах

Сигналы в милливольтах подвержены потерям из-за падения напряжения, а также влиянию шумов, и их необходимо преобразовывать на месте проведения измерений в надежные токoвые сигналы 4-20 мА для передачи на принимающие контрольно-измерительные приборы. Выходные сигналы напряжения в милливольтах очень часто имеют место в контрольно-измерительных приборах, используемых для анализа. Кроме того, многие первичные преобразователи на основе тензометрических устройств и собственно тензодатчки имеют единицы измерения веса, силы, натяжения, давления, крутящего момента и отклонения при максимальном значении шкалы, измеряемом в мВ/В возбуждения. Например, тензодатчик с возбуждением 10 В и коэффициентом усиления 2 мВ/В формирует на выходе сигнал 20 мВ при полной нагрузке, хотя этот тензодатчик может быть рассчитан на работу с весом 10, 100 или 1000 фунтов. Другой пример выход сигнала в мВ - это первичный преобразователь на основе эффекта Холла, которые обычно используются в тахометрах, бесконтактных переключателях, намагничивающих устройствах и штанген-циркулях, а также в устройствах для измерения положения, наклона/уровня, давления и толщины.

3.1.2.1.4 Входы потенциометров

Потенциометры по сути представляют собой устройства с переменным сопротивлением, в которых отвод или «бегунок» скользит вдоль сопротивления в соответствии с каким-нибудь внешним физическим движением, и таким образом формирует выходной сигнал переменного сопротивления, поступающий на измерительный преобразователь. Они используются в различных устройствах для реализации обратной связи по положению. Существуют поворотные, линейные, спиральные и проволочные потенциометры. Их можно встретить в устройствах регулирования скорости, управления транспортерами и в некотором обрабатыва-ющем и лабораторном оборудовании.

3.1.2.1.5 Входы сопротивления

Чистые сигналы изменения сопротивления встречаются в некоторых схемах тензодатчиков и других мостовых схемах.

3.1.2.2 Развязка входных и выходных цепей

Установленный измерительный контур часто имеет два потенциала заземления. Один - в точке измерения, где первичный преобразователь находится в контакте с технологическим процессом, который, в свою очередь, подключается к локальному заземлению. Другой - это обычно заземление сигналов, которое чаще всего имеет

место в принимающем контрольно-измерительном приборе в диспетчерской. Эти точки заземления редко, если вообще когда-либо, имеют одинаковый потенциал. Если существует путь для протекания электрического тока между этими двумя точками заземления, ток будет протекать и зависеть от разности потенциалов между эти-ми двумя точками заземления. Это называется контуром заземления, и такой контур оказывает меняющееся и не поддающееся оценке влияние на выходной сигнал, что может приводить к значительным ошибкам измерения. Большинство конструкций измерительных преобра-зователей предусматривают средства электрической развязки с помощью либо оптических устройств, либо трансформаторов, чтобы решить эту проблему.

Развязанный измерительный преобразователь также может блокировать как дифференциальные, так и синфазные помехи, которые могут непреднамеренно появляться в цепи измерения. Неисправности полевого оборудования могут приводить к появлению напряжений переменного тока 120 В, 240 В или даже выше в оборудовании технологического процесса, и заземлен-ные термопары, закороченные ТС и экраны кабелей могут передавать эти напряжения на измерительный преобразователь. Высокое напряжение также могут наводить сварочные аппараты, пускатели электродви-гателей, грозовые разряды и другие коммутирующие устройства. Развязка, предусмотренная во входном блоке измерительного преобразователя, будет блокировать эти напряжения, предотвращая их попадание в систему заземления диспетчерской, где они могут создавать опасные для жизни ситуации.

При применении такой развязки на каскад формирова-ния сигнала поступает безопасный цифровой сигнал.

3.1.2.3 Одно- , двух- и много- точечные измерительные преобразователи

Все измерительные преобразователи могут принимать сигналы по крайней мере от одного первичного преобразователя. Однако некоторые измерительные пре-образователи обладают двумя входами, что позволяет им принимать сигналы от двух первичных преобразователей одновременно. Сдвоенные первичные преобразователи и обеспечивают более надежное измерение за счет резервирования первичных преобразователей и за счет обнаружения дрейфа показаний первичных преобра-зователей, а также они могут обеспечивать измерение разницы температур или средней температуры по двум первичным преобразователям. См. рисунок 3.1.2.3a

Рисунок 3.1.2.3a - Измерительный преобразователь с одним или двумя входами

Измерительные преобразователи температуры с несколькими входами принимают до 8 входных сигналов

15

3 – Основы измерения температуры

от первичных преобразователей и их удобно исполь-зовать там, где много точек измерения температуры сосредоточено на одном участке. Такие измерительные преобразователи также называют измерительными преобразователями для областей с высокой плотностью точек измерения. См. рисунок 3.1.2.3b.

Рисунок 3.1.2.3b - Многоканальный измерительный преобразователь

Измерительные преобразователи для областей с высокой плотностью точек измерениясводят к минимуму затраты на установку в таком оборудовании, как теплообмен-ники, котлы, химические реакторы и дистилляционные колонны. Их также часто используют для построения графиков распределения температур в печах и реакторах. См. рисунок 3.1.2.3с.

Подробнее о многоточечных первичных преобразовате-лях см. п.3.2.6.

Рисунок 3.1.2.3c - Построение графика распределения температуры в реакторе

3.1.2.4 Преобразование и формирование сигналов

В этой стадии оцифрованный сигнал необработанного измерения температуры фильтруется, линеаризуется и подвергается другим математическим операциям, чтобы получить точное представление об измеряемой температуре. Эти процессы будут подробно рассмотре-ны в следующих разделах.

КАК ПРАВИЛЬНО ВЫБРАТЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Измерительные преобразователи могут принимать разные сигналы измерения (например, от термопреобразова-телей сопротивления и от термопар), обрабатывать их и формировать надежный выходной сигнал. Не все они проектируются и работают одинаково. Каждый крупный изготовитель имеет свой собственный опыт расчета и проектирования таких устройств, накопленный за месяцы или даже годы исследований и разработок. Эта интеллек-туальная собственность выделяет высококачественные измерительные преобразователи среди других подобных устройств благодаря их способности обрабатывать сигнал измерения для формирования точного и стабильного выходного сигнала.

Интеллектуальный измерительный преобразователь обычно обеспечивает более точное и надежное измерение температуры, чем системы ввода/вывода, подключаемые проводами напрямую. Интеллектуальный измерительный преобразователь обеспечивает развязку, фильтрацию, линеаризацию сигнала и компенсацию, зависящую от типа первичного преобразователя, или специальную компенсацию измерения перед отправкой значения в основную систему.

Измерительные преобразователи выпускаются в корпусах различного вида, которые могут монтироваться в любую из широкого ряда соединительную головку, которые мо-гут быть выполнены из различных материалов. Они могут представлять собой единое целое с узлом первичного преобразователя / защитной гильзы в точке измерения параметров технологического процесса и передавать сигнал либо по проводам, либо по беспроводному каналу связи. Или же они могут быть смонтированы удаленно по отношению к узлу первичного преобразователя в одном из нескольких типов соединительных головок. Конфигурирование измерительных преобразователей может быть реализовано как локально, так и удаленно, а также может быть предусмотрена локальная индикация. Измерительные преобразователи имеют ряд стандартных и дополнительных рабочих функций, обеспечивающих впечатляющий набор функциональных возможностей. Возможно создание систем, отвечающих практически любым требованиям сертификации регулирующими органами.

См.:

3.1.2.3 Одно- , двух- и много- точечные измерительные преобразователи

3.1.3 - Варианты выходов

3.1.4 - Эксплуатационные характеристики измерительного преобразователя

3.1.5 - Стабильность

3.1.6 - Варианты и функции интеллектуальной фильтрации

3.1.8 - Диагностика

3.1.10 - Виды измерительных преобразователей; варианты корпусов и монтажа

3.1.11 - Варианты измерительных преобразователей

3.1.12 - Измерительные преобразователи с сертификатом безопасности для использования в ПАЗ

4.3.4 - Преимущества использования измерительных преобразователей по сравнению с прямым подключени-ем первичных преобразователей

16

3 – Основы измерения температуры

3.1.2.4.1 Фильтрация шумов

Практически на любом промышленном предприятии имеются источники электрических помех, такие как насосы, электродвигатели, частотно-регулируемые приводы и устройства радиосвязи, а также источники электростатических разрядов и других электрических переходных процессов. Конструкция измерительного преобразователя предусматривает подавление синфазных и дифференциальных помех, а также обеспечивает высокую степень стойкости к электромаг-нитным помехам (ЭМП), электростатическим разрядам и радиочастотным помехам (РЧП).

3.1.2.4.2 Линеаризация:

Все термопары и термопреобразователи сопротивления имеют нелинейную зависимость выходного сигнала от температуры. Если эту зависимость игнорировать, возможны значительные ошибки, особенно в случае широких диапазонов измерения. В измерительном преобразователе применяется методика линеаризации, которая существенно снижает погрешность, обусловлен-ную нелинейностью первичных преобразователей, чем обеспечивается намного более точное измерение.

Связи между изменение сопротивления термопреоб-разователя сопротивления и температурой называется его температурным коэффициентом сопротивления, ее часто также называют альфа-характеристикой термопреобразователя сопротивления. (Подробнее см.

п. 3.2.3.) Измерительный преобразователь конфигури-руется таким образом, чтобы обеспечивать линейный выходной сигнал для компенсации разницы между альфа-характеристикой первичного преобразователя и идеальной линейной зависимостью. Класс первичного преобразователя указывает, насколько близка его альфа-характеристика к идеальной линейной зависимо-сти. Так например, первичный преобразователь класса A имеет меньшее допустимое отклонение, чем первичный преобразователь класса B , и обеспечит более точное измерение. См. также раздел о согласовании первичных преобразователей ниже и п. 4.2.5.2.2.1 и рис. 3.1.2.4.2a в главе «Проектирование и расчет»

Класс ВЗона допустимого

отклонения

Класс АЗона допустимого отклонения

Характеристика IЕС 60751

Сопр

отив

лени

еТемпература

Рисунок 3.1.2.4.2a - Идеальная характеристика, установленная стандартом IEC 751 , и ее сравнение с допустимыми отклонениями от идеальной характеристики первичных преобразователей класса A и класса B

Для каждого типа термопар существует соответствующая кривая, отражающая зависимость э.д.с., которую генерирует горячий спай термопары, от температуры. Измерительный преобразователь конфигурируется таким образом, чтобы линеаризовать эту зависимость. См. рисунок 3.1.2.4.2b.

Температура, °С

Нап

ряж

ение

тер

моп

ары

, мВ

Тип E

Тип J

Тип K

Тип N

Тип RТип S

Тип B

Тип T

Рисунок 3.1.2.4.2b - Зависимости э.д.с. термопары от температуры для распространенных типов термопар

3.1.2.4.3 Компенсация температуры холодного спая

Напряжение, измеряемое на холодном спае, зависит от разницы температур горячего и холодного спаев; поэтому, необходимо знать температуру холодного спая, чтобы рассчитать температуру горячего спая. Этот

КАК ЗАЩИТИТЬ СИСТЕМУ ИЗМЕРЕНИЯ ОТ ВЛИЯНИЯ ПОМЕХПрактически на любом промышленном предприятии имеются источники электрических помех, такие как насосы, электродвигатели, частотно-регулируемые приводы (VFD) и устройства радиосвязи, а также источники электростатических разрядов и других электрических переходных процессов. Низкоуровневые сигналы первичных преобразователей от ТС и термопар сильно подвержены влиянию электромагнитных помех (ЭМП), электростатических разрядов (ESD) и радиочастот-ных помех (РЧП).

Выводы первичного преобразователя работают как антенна, принимая помехи, которые могут вызывать очень большие ошибки измерения. Чем длиннее выводы (антенна), тем больше помех они примут. Конструкция измерительного преобразователя предусматривает подавление синфазных и дифференциальных помех, а также обеспечивает высокую степень стойкости к электромагнитным помехам (ЭМП), электростатическим разрядам (ESD) и радиочастотным помехам (РЧП). Там, где это возможно и целесообразно, измерительные преобразователи следует устанавливать рядом с точкой измерения, чтобы свести к минимуму возможное наведение помех в выводах первичного преобразователя. Это особенно важно в случае сигналов термопар низкого уровня, которые особенно чувствительны к помехам.

3.1.2.4.1 - Фильтрация шумов

4.3.4 - Преимущества использования измерительных преобразователей по сравнению с подключением первичных преобразователей проводкой напрямую.

17

3 – Основы измерения температуры

процесс называется «компенсацией холодного спая» (КХС). КХС выполняется измерительным преобразовате-лем температуры, платой входов термопар для системы управления, устройства аварийных отключений или другого устройства формирования сигнала. В идеале измерение КХС выполняется как можно ближе к точке измерения, потому что длинные провода термопары очень чувствительны к электрическим помехам, и сигнал в них ухудшается.

Точное проведение КХС имеет решающее значение для точности измерения температуры. Точность КХС зависит от двух факторов: точности измерения эталонной температуры и близости точки эталонного измерения к холодному спаю. Во многих измерительных преобразо-вателях используется изотермическая клеммная колодка (часто выполненная из меди) со встроенным прецизион-ным термистором, ТС или транзистором для измерения температуры колодки. См. рисунок 3.1.2.4.3a

СОВЕТ: См. п. 4.3.4.0 в главе «Подключение к системе управле-ния , где подробно рассказывается, почему предпочтительнее использовать полевые измерительные преобразователи, а не первичные преобразователи с подключением проводами напрямую при больших расстояниях до диспетчерской.

Холодный спай внутри

Изолированные проводники термопары Металл А

Измерительный преобразователь

Металл B Горячий спай

Рисунок 3.1.2.4.3a - Компенсация температуры холодного спая

Заключение по устройству измерительного преобразователяИнтеллектуальный или микропроцессорный измери-тельный преобразователь выполняет ряд операций с измерительным сигналом для преобразования его таким образом, чтобы обеспечить точный и стабильный цифровой сигнал для подачи на выход измерительной системы. Выполняемые операции достаточно сложны и часто алгоритм их выполнения является предметом интеллектуальной собственности конкретного изготовителя.

3.1.3 Выходные сигналы

После того, как вышеописанные функции формирования сигнала выполнены, развязанный, отфильтрованный, линеаризованный и скомпенсированный цифровой сигнал поступает на последний этап преобразования в измерительном преобразователе, после которого получается надежный аналоговый сигнал для передачи в диспетчерскую, которая может находиться доста-точно далеко. Это аналого-цифровое преобразование обеспечивает получение высокоточного сигнала, который имеет превосходную помехоустойчивость по сравнению со слабыми и восприимчивыми к помехам сигналами, поступающими непосредственно от

первичного преобразователя. Более глубоко этот вопрос рассматривается в п. 4.3 главы «Подключение к системе».

Многие годы использование аналоговых выходных сигналов было стандартным подходом в промышленно-сти в отношении сигналов связи с системой управления, отдельными устройствами управления и регистрации. По мере того, как совершенствовалась технология цифровых схем, промышленность начала принимать идею использования цифровой связи с полевыми устройствами в дополнение к аналоговому сигналу или в качестве альтернативы аналоговому сигналу.

В 1980-е годы появился протокол HART®, расширивший функциональные возможности аналоговых сигналов, предоставив доступ к большему объему данных от полевых устройств и возможность манипулировать определенными параметрами. Он также обеспечивал зачаточные возможности связи с помощью цифровых сетей.

В конце 1980-х и в 1990-е годы в мире получили распространение несколько различных технологий цифровых шин полевых устройств, имевших целью распределение архитектуры управления по шине и полевым устройствам.

В новом тысячелетии появилась беспроводная техноло-гия в качестве успешно применяемого протокола связи для измерительных преобразователей. Она дополняет существующий протокол HART, обеспечивая доступ к большему объему данных в труднодоступных местах.

3.1.3.1 Аналоговый ток

Стандартные промышленные аналоговые сигналы 4-20 мА используются по всему миру для связи на больших расстояниях с устройствами, установленными на объектах (полевыми устройствами). Эти надежные сигналы обладают очень высокой стойкостью к электрическим помехам. Обычно ток 4 мА соответствует 0% измеряемой величины, а 20 мА соответствует 100%. Сигналы вне этого диапазона указывают на нештатный характер работы системы или на неисправное состояние. Ток в интервале от 0 мА до 4 мА диапазона сигнала используется для подачи рабочего питания шлейфовых устройств. Их принято называть устройствами с питанием от шлейфа. В токовой петле на сигнал не влияет падение напряжения в длинных отрезках кабеля или соединитель-ных коробках.

3.1.3.2 HART®

Протокол HART (Highway AddressableRemote Transducer –магистральный адресуемый дистанционный измери-тельный преобразователь ) - это цифровой протокол, который обеспечивает наложение цифрового сигнала на сигналы 4-20 мА, передаваемые по проводам. Наложенный цифровой сигнал позволяет осуществлять связь в двух направлениях для конфигурирования и извлечения рабочих данных и данных аварийной сигнализации из измерительного преобразователя. См. рисунок 3.1.3.2a. Протокол HART принят во всем мире и

18

3 – Основы измерения температуры

используется очень широко. Использование HART вместе с сигналом 4-20 мА обеспечивает расширенные возмож-ности диагностики, включая передачу информации о состоянии и данных аварийной сигнализации, которые могут быть полезны при техническом обслуживании или анализе технологического процесса.

На самом базовом уровне инструменты конфигуриро-вания полевых устройств могут получать доступ ко всей этой информации, запрашивая ее у одного контроль-но-измерительного прибора единовременно. Альтерна-тивное решение доступа к этой информации существует на более высоком уровне, где эти данные доступны постоянно от всех полевых устройств одновременно при использовании полевых шин или мультиплексоров, поддерживающих HART, которые взаимодействуют с РСУ и/или системой управления активами.

3.1.3.3 Полевая шина FOUNDATION™

Полевая шина Foundation - это полностью цифровая система последовательной связи в двух направлениях, которая может служить в качестве сети базового уровня в системе автоматизации предприятия или завода. Это от-крытая архитектура, разработкой и администрированием которой занимается организация «Fieldbus Foundation».

Она предназначена для приложений, использующих базовое и расширенное регулирование, и для многих задач дискретного управления, связанных с этими функциями. Технология полевой шины Foundation получило широкое распространение в обрабатывающих отраслях промышленности по всему миру.

Установленные системы полевых шин могут использовать любые полевые топологии или их сочетания, в которых устройства измерения и управления распределены по всему предприятию, чтобы наилучшим образом отвечать задачам, стоящим перед прикладной системой. Такие топологии подключаются к стойке ввода/вывода, а затем к магистрали управления предприятия с помощью сети кабелей высокоскоростного Ethernet, соединительных

коробок, устройств сопряжения и блоков питания. Подробнее см. документацию поставщиков.

3.1.3.4 PROFIBUS

PROFIBUS - это международный стандарт связи по полевым шинам для соединения системы управления технологическим процессом и модулей автоматизации предприятия. Вместо прокладки отдельных кабелей от основного устройства управления к каждому первичному преобразователю и исполнительному механизму, исполь-зуется один кабель многоточечной связи для соединения всех устройств, по которому информация передается с помощью высокоскоростной последовательной связи в обоих направлениях. Profibus DP используется для передачи дискретных сигналов и широко используется в системах автоматизации заводов. Profibus PA использует-ся для аналоговых сигналов управления технологически-ми процессами и получил широкое распространение в области управления технологическими процессами. Оба протокола могут быть подключены вместе с помощью устройства сопряжения. Подобно шине foundation, сети Profibus используют распределенную систему устройств измерения и управления, подключенных к магистрали управления предприятия. Подробнее см. документацию поставщиков.

3.1.3.5 WirelessHART™

WirelessHART™ - технология беспроводных сетей с открытым стандартом, разработанная в дополнение к существующему стандарту HART. Этот протокол был разработан специально для удовлетворения потребностей сетей полевых устройств технологических процессов и использует синхронизированную по времени, самоорганизующуюся и самовосстанавлива-ющуюся ячеистую архитектуру. См. рисунок 3.1.3.5a.

–

+ + –

Аналоговый сигнал 4-20 мА с наложенным цифровым

сигналом HART

Интеллектуальный измерительныйпреобразователь температуры HART

Устройство связи HART(вторичное главное устройство)

Блокпитания

РСУМодуль ПЛК

SCADAПК

Индикатор регистратора

данныхПервичное главное

устройство HARTили устройство связи,

работающее не попротоколу HART

Рисунок 3.1.3.2a - Подключение устройства HART

19

3 – Основы измерения температуры

В настоящее время этот протокол использ�