Czujnik temperatury PT100, budowa, przetwornik pomiarowy i przegląd na przykładach Endress+Hauser

Artykuł z serii: Kurs podstaw automatyki

Jednym z podstawowych parametrów technologicznych, które występują w procesach produkcyjnych jest temperatura. Szczególnie istotna jest ona w branży spożywczej. Tutaj nie ma pojęcia „około”. Temperatura ma być zmierzona z jak największą dokładnością. W produkcji żywności jest to parametr kluczowy, o którym postaram się trochę napisać – z perspektywy pracownika utrzymania ruchu w jednym z typowych zakładów spożywczych.

Przejdźmy od razu do zagadnienia, które nas, inżynierów, interesuje najbardziej. Do pomiaru temperatury. W przemyśle najczęściej stosowanymi rozwiązaniami są czujniki RTD (rezystancyjne) lub termopary. Z racji swojego doświadczenia skupię się na czujnikach rezystancyjnych, ale też w dalszej części artykułu pokażę kilka nowinek technicznych pojawiających się w zakładach. Skupię się na jednym producencie, firmie Endress+Hauser, gdyż najwięcej z tą firmą mam do czynienia. Zacznijmy jednak od podstaw.

Jak działa czujnik temperatury PT100?

Podstawowym elementem czujnika temperatury PT100 jest rezystor o dużym współczynniku zmiany rezystancji wraz z temperaturą. Jak temperatura spada to i rezystancja maleje (mniej Ω), im wyższa temperatura tym rezystancja wzrasta (więcej Ω). Cała konstrukcja wraz z rezystorem i przewodami jest tak dobrana, że całe urządzenie pomiarowe ma wysoką dokładność odzwierciedlającą rzeczywistą temperaturę w zakresie od ok. -50°C do 200°C (lub inne np. od -200°Cdo 600°C)

Z nazwy PT100 wynika, że ta „stówka” to wartość znamionowa oporności czujnika dla 0°C. Czyli czujnik temperatury PT100 dla 0°C powinien mieć oporność 100 Ω. Poniżej znajduje się tabela stosunku temperatury do oporności wyjściowej czujnika.

Czujniki występują w opcjach dwu, trzy lub czteroprzewodowych. Wiąże się to z długością przewodów, które w układzie wprowadzają dodatkowo rezystancję. Na krótkich odcinkach wystarczy dwuprzewodowy, najdokładniejszy jest jednak pomiar wykonamy cztreroprzewodowym. W praktyce inżynierskiej najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest wyprowadzenie trzyprzewodowe. Zapewnia ono dużą dokładność pomiaru (kompensacja rezystancji od długości przewodów), a jest rozwiązaniem tańszym niż stosowanie czujnika czteroprzewodowego.

Warto dodać, że  prócz PT100, stosowane są też często czujniki PT1000, z tą różnicą (jak sama nazwa wskazuje), że „0 °C” ma opór 1000 Ω.

Czujniki temepratury RTD – budowa

Czujnik temperatury to nazwa ogólna urządzenia, które możemy rozbić na poszczególne elementy składowe:

Źródło: Broszura Endress+Hausser – Pomiar temperatury (do pobrania na dole strony – polecam!)

Zacznijmy od dołu! 

Wkład pomiarowy – jest to rurka ochrona, w której znajduje się cienkowarstwowy czujnik temperatury PT100 z wyprowadzonymi na zewnątrz przewodami, otoczony masą mineralną (proszkiem ceramicznym lub masą ceramiczną).

Źródło: Entress Hauser, E+H = °C – wzór na temperaturę

W zależności od opcji montażowej może występować: ze swobodnymi przewodami, z dociskiem sprężynowym bezpośrednio na wkładzie, z listwą zaciskową na bloku ceramicznym lub z wbudowanym przetwornikiem głowicowym.

Osłona (rurowa lub prętowa) – jest to element, w którym umieszczamy bezpośrednio wkład pomiarowy, a jego zadaniem jest bezpośrednia ochrona w warunkach technologicznych (odkształcenia mechaniczne, substancje aktywne chemicznie, ciśnienia, przepływy itp.) Wybór osłony wynika więc z procesu technologicznego i warunków w nich występujących.

Przyłącze technologiczne  – jest to sposób mocowania osłony (ze znajdującym się w niej wkładem pomiarowym) do badanego ośrodka. Wynika on zarówno z budowy układu badanego, jak i możliwości zastosowania technologii (gwintowane, spawane, kołnierzowe, przesuwne). Połączenia gwintowane są najtańszym rozwiązaniem. Niestety dość często w praktyce przy wielokrotnym odkręceniu i dokręcaniu łatwo ulegają uszkodzeniu mechanicznemu. Przyłącza kołnierzowe są wygodnym rozwiązaniem od strony obsługi, jednak są zdecydowanie droższe.

Głowica przyłączeniowa – jest to główka znajdująca się na górnej części osłony. W niej wyprowadzone są przewody od wkładu pomiarowego, znajdować się mogą przetworniki pomiarowe, przewody połączeniowe, złączki przelotowe, a w opcjach nawet wyświetlacz.

Przetworniki temperatury – oferowane są zazwyczaj w trzech rodzajach obudowy:

• przetworniki głowicowe do montażu w głowicy przyłączeniowej termometru,
• przetworniki obiektowe, przeznaczone do montażu bezpośrednio na instalacji technologicznej;
• przetworniki do montażu na szynie, przeznaczone do zabudowy panelowej.

Przetwornik temperatury jest to takie serce układu, szczególnie istotne dla automatyka. To tu “wpinamy” się z kabelkami, to tu dokonujemy nastaw (np. zakresu pomiaru), to w końcu tu właściwości fizyczne zamieniane są na sygnał pomiarowy, a więc z punktu widzenia układu sterowania – sterownik zaczyna rozumieć wartość pomiaru. Przetworniki temperatury zapewniają wzmacnianie słabego sygnału z czujnika temperatury, jego linearyzację i zamianę na sygnał napięciowy lub prądowy. Wzmocniony sygnał jest odporniejszy na zakłócenia obecne w warunkach przemysłowych, a także zapewniają separację galwaniczną pomiędzy obwodem PT100 a sygnałem wejściowym. Przetworniki pozwalają też na zastąpienie przewodów kompensacyjnych zwykłym przewodem transmisyjnym.

Postaram się przedstawić kilka przykładów przetworników na przykładzie Endress+Hauser:

TMT180 – najprostszy w podłączeniu i konfiguracji; przetwornik przeznaczony jest do konwersji sygnału z czujnika rezystancyjnego PT100; możliwe jest skonfigurowanie różnych zakresów pomiarowych; standardowo w pomiarach procesowych jako sygnał wyjściowy stosuje się sygnał 4…20 mA. Programowalny za pomocą komputera PC. Konfiguracja odbywa się online za pomocą oprogramowania ReadWin 2000 oraz modemu konfiguracyjnego TXU10 (USB).

Przykładowy sposób podłączenia przetwornika głowicowego TMT18x – Endress+Hauser (pojedyncze wejście)

TMT71 z Bluetooth– przetwornik zamienia sygnał z czujnika PT100 na wyjściowy sygnał prądowy (np.: 4-20mA); konfiguracja nastaw i parametrów możliwa jest przez połączenia po Bluetooth (specjalna dedykowana aplikacja SmartBlue). Jest to pierwszy na świecie przetwornik tego typu z możliwością bezprzewodowej łączności. 

TMT72 z protokołem HART– standardowa zamiana sygnału z czujnika PT100 na wyjściowy sygnał prądowy (np.: 4-20mA). W modelu tym prócz konfiguracji po Bluetooth mamy tez możliwość skorzystania z protokołu HART. Jest to otwarty protokół komunikacyjny typu master-slave, w którym czujnik (jako slave) odpowiada na zapytanie urządzenia nadrzędnego (np. PLC). Zastosowanie możliwości komunikacji po HART daje nam możliwość zarówno konfiguracji nastaw i parametrów, jak i przesyłania kilkunastu różnych informacji zwrotnych zamiast jednej. W praktyce pozwala nam to na komunikację z czujnikiem temperatury z poziomy miejsca sterowania, bez potrzeby fizycznej obecności.

TMT82 – jest to jedna z najbardziej zaawansowanych opcji na rynku przetworników. Niezawodność, dokładność i stabilność w krytycznych procesach wszystkich branż. Jest to konfigurowalny przetwornik, który przesyła nie tylko przekonwertowane sygnały z termometrów rezystancyjnych (RTD) i termopar, ale też sygnały rezystancyjne i napięciowe z użyciem komunikacji HART. Wysoka dostępność punktu pomiarowego dzięki funkcjom monitorowania czujnika. Optymalizacja dokładności pomiaru za pomocą funkcji parowania czujnika i przetwornika.

Poniżej film przedstawiający korzyści wynikające z stosowania nowszych rozwiązani w technologii pomiaru temperatury:

Więcej o przetwornikach temperatury

Czujnik temperatury praktyczne przykłady

Wiedząc jak działa i jak jest zbudowany typowy termometr mogę omówić kilka przykładów urządzeń stosowanych z którymi miałem szansę pracować, lub też widziałem podczas pracy.

Przykładem najczęściej stosowanej technologii pomiaru temperatury jest rozwiązanie Omnigrad M TR10  – modułowy termometr z czujnikiem RTD o solidnej konstrukcji, przeznaczony do zastosowań w prawie wszystkich branżach przemysłu. Przetworniki główkowe (opcja) z obsługą popularnych protokołów komunikacji obiektowej umożliwiają zachowanie podwyższonej dokładności pomiaru i niezawodności w porównaniu z czujnikami podłączonymi bezpośrednio (bez przetwornika). Duży wybór przyłączy technologicznych, wymiarów i materiałów zapewnia swobodny dobór do aplikacji pomiarowej.

Przykładem technologii pomiaru w ciężkich warunkach jest rozwiązanie Omnigrad S TR66 – termometr z czujnikiem PT100 w wykonaniu iskrobezpiecznym jak również ognioszczelnymi. Bezpieczna kontrola temperatury procesowej w wymagających zastosowaniach, np. w przemyśle petrochemicznym (nafta, gaz itp.) . Trwały termometr, przeznaczony do wymagających aplikacji o wysokim stopniu bezpieczeństwa funkcjonalnego, np. w przemyśle chemicznym, petrochemicznym i energetyce. Możliwość użycia w trudnych warunkach środowiskowych, w obecności substancji korozyjnych i najwyższych ciśnień procesu dzięki zastosowaniu trwałych osłon i materiałów specjalnych. Przetwornik główkowy (opcja) z obsługą wszystkich protokołów komunikacji obiektowej umożliwia zachowanie podwyższonej dokładności pomiaru i niezawodności w porównaniu z czujnikami podłączonymi bezpośrednio (bez przetwornika).

W przypadku wysokich wymagań jakościowych odnośnie aseptyczności przyłącza i biokompatybilności materiałów polecam rozwiązanie iTHERM TM411 – higieniczny termometr rezystancyjny z rozłączną szyjką QuickNeck. Został on zaprojektowany, aby sprostać wymaganiom branży spożywczej i farmaceutycznej oraz spełniać najwyższe wymagania jakościowe. Standardowy produkt ma wiele wersji odpowiadających potrzebom poszczególnych branż. W rezultacie, poprzez szybki dobór produktu, uzyskano oszczędności kosztów. Ponadto zawiera on wiele nowości technicznych, np. czujnik iTHERM QuickSens, StrongSens lub szyjka QuickNeck. W rezultacie uzyskuje się znaczną obniżkę kosztów konserwacji i przestojów oraz wyższą jakość produktów, wydajność procesu i bezpieczeństwo. Warto zwrócić uwagę – jest też wersja ekonomiczna –  iTHERM TM401.

Szczegóły działania i zalety tego przetwornika pomiarowego zostały wyjaśnione w poniższym filmie.

A co z kalibracją i dokładnością pomiaru?

Na koniec chciałbym jeszcze przestawić jeszcze jedno ciekawe rozwiązanie. Zanim jednak do tego przejdę, to słów kilka o dokładności pomiaru. W celu uzyskania poprawnych wyników pomiarowych w określonych przerwach czasowych wykonuje się kalibracje – czyli sprawdzenie. Polega to na porównaniu wartości z pomiaru i wartość odniesienia (wzorcowych). Jeżeli mieszczą się one w zakresie odchyłki (błędu), to kalibrację uznaje się za poprawną. W sytuacji gdy błąd przekracza przyjęty próg, należy skonfigurować tor pomiarowy (jeżeli jest tak możliwość) lub wymienić na nowe urządzenie (producent poddaje je kalibracji). Niestety cały proces kalibracji wymaga fizycznego dostępu do termometru, a co za tym idzie – wstrzymania procesu.

Samokalibrujący się czujnik temperatury

Jednak na rynku pojawiają się coraz nowsze rozwiązania, które rozwiązują ten problem. Należy do nich samokalibrujący się kompaktowy termometr higieniczny iTHERM  TrustSens TM371. Inteligentna sonda temperatury, ze zintegrowanym nadajnikiem HART i Heartbeat Technology. Zawiera pierwszą na świecie jednostkę czujnika RTD, zdolną do w pełni zautomatyzowanej samokalibracji na miejscu. Skutecznie eliminuje ryzyko niewykrytych niezgodności, redukuje przestoje w produkcji oraz zwiększa bezpieczeństwo produktów i wydajność procesów w branżach spożywczej i biotechnologicznej. Urządzenie jest w pełni zgodne z przepisami FDA 21 CFR Part 11 i zasadami GMP. Całość została konkretnie przedstawiona na poniższym filmie.

Podsumowanie

Mam nadzieję, że tym artykułem nieco przybliżyłem zagadnienia związane z czujnikami temperatury. Cała treść była opracowana w oparciu o jednego producenta dlatego, że w zakładzie przemysłowym w którym pracuję większość przetworników pomiarowych jest właśnie od nich.

Na koniec chciałbym polecić wygodne narzędzie od Endress+Hauser do przeglądu czujników temperatury. Na ich stronie można znaleźć dwa pomocne narzędzia:

1. Wyszukiwarka produktowa pomaga znaleźć urządzenia, oprogramowanie, komponenty systemowe, w oparciu o charakterystykę produktu.
2. Applicator to narzędzie prowadzące użytkownika indywidualną ścieżką doboru, biorące pod uwagę parametry aplikacji.

Skomentuj ten artykuł w Klubie Automatyka

• Co byś dodał do artykułu?
• Gdzie spotkałeś czujniki do pomiaru temperatury?
• Jakie problemy napotkałeś w związku z pomiarem temperatury?
• Jakie znasz jeszcze metody pomiaru temperatiry?
• Opowiedz o jakimś przypadku z pomiarem lub kalibracją.