چگونه یک فرستنده دماهای سنسور را می کند؟

عنصر حسگر: جایی که اندازه گیری آغاز می شود

همه چیز از سنسور شروع می شود. فرستنده های دما برای کار با انواع عناصر حسگر طراحی شده‌اند، اما دو نوع رایج در تنظیمات صنعتی، آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD) و ترموکوپل‌ها هستند.

آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD)

یک RTD - اغلب یک عنصر پلاتین Pt100 یا Pt1000 - از رابطه قابل پیش بینی بین دما و مقاومت الکتریکی سوء استفاده می کند. با افزایش دما، مقاومت سیم پلاتین به نسبت افزایش می یابد. این خطی بودن RTD ها را بسیار دقیق می کند، معمولاً در محدوده ± 0.1 درجه سانتی گراد در محدوده 200- درجه سانتی گراد تا 850 درجه سانتی گراد.

ترموکوپل

یک ترموکوپل از دو سیم فلزی غیرمشابه تشکیل شده است که در یک انتها به هم وصل شده اند. هنگامی که محل اتصال در معرض گرما قرار می گیرد، یک ولتاژ کوچک - ولتاژ Seebeck - تولید می شود. این ولتاژ متناسب با اختلاف دما بین محل اتصال اندازه گیری (انتهای داغ) و اتصال مرجع (انتهای سرد، معمولاً در داخل فرستنده) است. ترموکوپل can measure a much wider range, up to over 1,700°C ، آنها را برای محیط های با دمای شدید ترجیح می دهند.

معمولاً فرستنده ها برای پذیرش ترمیستورها، پیرومترها یا ورودی های میلی ولت از سایر حسگرهای تخصصی طراحی شده اند. با این حال، حسگر به تنهایی نمی‌تواند کابل سیگنال را در کف کارخانه بدون تخریب قابل توجه هدایت کند. وظیفه فرستنده تمیز کردن، تقویت، خطی کردن و رمزگذاری آن سیگنال است به شکلی که به اندازه کافی برای محیط های صنعتی مقاوم باشد.

تهویه سیگنال: تمیز کردن ورودی خام

خروجی خام از یک حسگر به ندرت به طور مستقیم قابل استفاده است. یک RTD مقادیر مقاومت تولید می کند. یک ترموکوپل میکرو ولت تولید می کند. مدار داخلی فرستنده ابتدا باید این مقادیر فیزیکی را به ولتاژی تبدیل کند که مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) آن بتواند پردازش کند.

تهویه سیگنال RTD: سنجش کلوین

برای RTD ها، فرستنده یک جریان تحریک دقیق و سطح پایین را از طریق سنسور تامین می کند و افت ولتاژ حاصل را با استفاده از قانون اهم اندازه گیری می کند. برای حذف خطای مقاومت سیم سربی، اکثر فرستنده های صنعتی از a آرایش سنسور کلوین 3 سیم یا 4 سیم . در یک راه اندازی 4 سیم، دو سیم جریان تحریک را حمل می کنند و دو سیم مجزا ولتاژ را در سراسر عنصر اندازه گیری می کنند و اطمینان حاصل می کنند که مقاومت سرب عملاً هیچ تأثیری بر خواندن ندارد.

تهویه سیگنال ترموکوپل: جبران اتصال سرد

برای ترموکوپل ها فرستنده باید کار کند جبران خسارت اتصال سرد (CJC) . از آنجایی که محل اتصال مرجع در داخل محفظه فرستنده قرار دارد، دمای آن با شرایط محیطی در نوسان است. فرستنده از یک سنسور مرجع داخلی - اغلب یک ترمیستور دقیق یا دیود سیلیکونی - برای اندازه‌گیری مداوم دما در بلوک ترمینال استفاده می‌کند و سهم آن را به صورت ریاضی از ولتاژ ترموکوپل کم می‌کند.

در هر دو مورد، سیگنال آنالوگ تقویت و فیلتر می شود تا نویز الکتریکی قبل از رسیدن به ADC حذف شود. مراحل اصلی شرطی سازی عبارتند از:

• تولید جریان تحریک برای RTD ها یا تقویت ولتاژ برای ترموکوپل ها
• حذف مقاومت سرب از طریق سنجش کلوین (RTD) یا CJC (ترموکوپل)
• فیلتر پایین گذر برای رد تداخل الکترومغناطیسی (EMI)
• تقویت سیگنال برای مطابقت با محدوده ورودی ADC

تبدیل آنالوگ به دیجیتال و خطی سازی

پس از شرطی شدن، سیگنال وارد یک ADC با وضوح بالا می شود. فرستنده های مدرن معمولا از مبدل های 16 بیتی یا 24 بیتی استفاده می کنند که ولتاژ آنالوگ پیوسته را به یک عدد دیجیتال تبدیل می کند که ریزپردازنده فرستنده می تواند با آن کار کند.

چرا خطی سازی ضروری است

سپس ریزپردازنده خطی‌سازی را اعمال می‌کند - یک مرحله حیاتی زیرا خروجی‌های حسگر کاملاً خطی نیستند. رابطه مقاومت و دما پلاتین از معادله Callendar-Van Dusen پیروی می کند، نه یک خط مستقیم. ترموکوپل ها از معادلات چند جمله ای IEC 60584 مخصوص هر نوع ترموکوپل (J، K، T، S، R، B و غیره) پیروی می کنند. سیستم عامل فرستنده این ضرایب را ذخیره می کند و آنها را برای تبدیل قرائت ADC خام به دمای دقیق در واحدهای مهندسی (درجه سانتی گراد، درجه فارنهایت یا K) به کار می برد.

این جایی است که بیشتر هوش فرستنده در آن قرار دارد. یک ابزار پایه فقط یک تقریب خطی خام را اعمال می کند. یک دستگاه با دقت بالا تصحیح چند جمله ای کامل را در کل دهانه کالیبره شده خود اعمال می کند.

مراحل تبدیل به ترتیب

1. سیگنال حسگر خام (مقاومت یا میلی ولت) شرطی و تقویت می شود
2. ADC از سیگنال شرطی شده با وضوح بالا نمونه برداری می کند
3. ریزپردازنده معادله خطی سازی خاص حسگر را اعمال می کند
4. نتیجه به عنوان یک مقدار دمای کالیبره شده در واحد انتخاب شده بیان می شود
5. این مقدار برای انتقال به محدوده سیگنال خروجی نگاشت می شود

تبدیل خروجی: حلقه جریان 4-20 میلی آمپر

رایج ترین خروجی از یک فرستنده دمای صنعتی است حلقه جریان 4-20 میلی آمپر . در این استاندارد، فرستنده به عنوان منبع جریان متغیر عمل می کند: 4 میلی آمپر پایین محدوده اندازه گیری را نشان می دهد (به عنوان مثال 50- درجه سانتی گراد) و 20 میلی آمپر نشان دهنده قسمت بالایی (مثلاً 200 درجه سانتی گراد) است. هر درجه حرارت در بین نقشه ها به صورت خطی در محدوده 4 تا 20 میلی آمپر.

چرا یک حلقه جریان و نه یک سیگنال ولتاژ؟

برخلاف سیگنال ولتاژ - که با افزایش مقاومت کابل کاهش می یابد - سیگنال جریان بدون توجه به مقاومت سیم در طول حلقه ثابت می ماند، مشروط بر اینکه بودجه ولتاژ حلقه کافی باشد. فرستنده ها معمولاً می توانند یک حلقه جریان را روی صدها متر کابل جفت پیچ خورده استاندارد بدون تخریب سیگنال هدایت کنند.

مزیت تشخیصی Live-Zero

4 میلی آمپر "صفر زنده" قابلیت تشخیص عیب داخلی را فراهم می کند. اگر سیگنال کمتر از 4 میلی آمپر باشد - اغلب 3.6 میلی آمپر به عنوان آستانه خطا استفاده می شود - سیستم گیرنده می داند که فرستنده از کار افتاده یا سیم قطع شده است. سیگنالی که از 0 میلی آمپر شروع می شود نمی تواند این تمایز را ایجاد کند. مقادیر مرجع فعلی حلقه کلیدی عبارتند از:

• 3.6 میلی آمپر - زیر محدوده / نشانگر خطا
• 4 میلی آمپر - مقدار محدوده پایین تر (LRV)، 0٪ از دهانه
• 12 میلی آمپر - مقیاس متوسط، 50٪ دهانه
• 20 میلی آمپر - مقدار محدوده بالایی (URV)، 100٪ دهانه
• 21.0-21.5 میلی آمپر - زنگ بالاتر از محدوده / اشباع

پروتکل های HART، Fieldbus و ارتباطات دیجیتال

بسیاری از فرستنده های مدرن یک پروتکل ارتباطی دیجیتال را در بالای خروجی آنالوگ لایه بندی می کنند. HART (مبدل از راه دور آدرس پذیر بزرگراه) پرکاربردترین است: یک سیگنال دیجیتال کلیددار تغییر فرکانس (FSK) را بر روی حلقه 4-20 میلی آمپر در 1200 هرتز (علامت) و 2200 هرتز (فضا) قرار می دهد. از آنجایی که سیگنال FSK AC و سیگنال حلقه فعلی DC است، آنها بدون تداخل در کنار یکدیگر وجود دارند.

آنچه HART را فعال می کند

از طریق HART، یک تکنسین می تواند از راه دور به فرستنده بدون وقفه در اندازه گیری فرآیند دسترسی داشته باشد. این شامل:

• خواندن اطلاعات تشخیصی و وضعیت دستگاه
• تنظیم محدوده اندازه گیری، میرایی و واحدهای مهندسی
• خواندن یک متغیر فرآیند ثانویه (به عنوان مثال، دمای پایانه سنسور)
• انجام تست حلقه یا برش سنسور از اتاق کنترل

جایگزین های کاملا دیجیتالی

جایگزین های کاملا دیجیتال شامل FOUNDATION Fieldbus , PROFIBUS PA ، و WirelessHART . اینها حلقه جریان آنالوگ را به طور کامل با یک گذرگاه دیجیتال جایگزین می‌کنند و سیم‌کشی چند قطره (فرستنده‌های متعدد روی یک جفت کابل)، بازده داده بالاتر و تشخیص غنی‌تر را ممکن می‌سازند. WirelessHART یک شبکه رادیویی مش خودسازمانده اضافه می کند و نصب فرستنده را در مکان هایی که اجرای کابل فیزیکی بسیار گران یا غیرممکن است عملی می کند.

فرستنده های نصب شده روی سر در مقابل فرستنده های ریلی DIN

فرستنده های دما در دو پیکربندی فیزیکی اولیه هستند که هر کدام برای سناریوهای مختلف نصب مناسب هستند.

فرستنده های سر نصب شده

فرستنده های سر نصب شده ماژول های فشرده ای هستند که مستقیماً در سر اتصال یک ترموول یا مجموعه حسگر نصب می شوند که در نقطه اندازه گیری قرار دارند. این آرایش فاصله بین سنسور و فرستنده را به حداقل می رساند و حساسیت به تداخل الکترومغناطیسی را در سیگنال سنسور سطح میلی ولت کاهش می دهد. آنها برای نصب میدانی که اتصال فرآیند از نظر فیزیکی قابل دسترسی است ایده آل هستند.

فرستنده های ریلی DIN

فرستنده های ریلی DIN در محفظه‌های پانل یا کابینت قرار می‌گیرند که گاهی با ده‌ها یا صدها متر کابل از سنسور جدا می‌شوند. آنها در جاهایی استفاده می شوند که چندین فرستنده در یک اتاق کنترل مرکزی ادغام شده باشند، یا جایی که شرایط محیطی در نقطه اندازه گیری، الکترونیک محلی را غیرعملی می کند. معاوضه این است که کابل بلند ترموکوپل یا سرب RTD در تمام طول خود در معرض تداخل الکترومغناطیسی قرار می گیرد.

انتخاب بین دو پیکربندی معمولاً به موارد زیر بستگی دارد:

• شرایط محیطی در نقطه اندازه گیری (دما، ارتعاش، رطوبت)
• تعداد نقاط اندازه گیری که باید در یک محفظه ادغام شوند
• مسیریابی کابل و تداخل الکتریکی موجود در طول سیگنال
• دسترسی به تعمیر و نگهداری و راحتی کالیبراسیون

مشخصات کالیبراسیون، دریفت و دقت

یک فرستنده فقط به اندازه آخرین کالیبراسیون خود دقیق است. با گذشت زمان، عناصر حسگر جابجا می شوند: مقاومت یک RTD به دلیل مهاجرت ساختار دانه فلزی تغییر می کند. ضریب ترموالکتریک ترموکوپل به دلیل آلودگی، اکسیداسیون یا استرس فیزیکی ناشی از چرخه حرارتی تغییر می کند. خود لوازم الکترونیکی فرستنده نیز با افزایش سن و دما تغییر می کند.

قابلیت ردیابی کالیبراسیون و فواصل

فرستنده های صنعتی بر اساس استانداردهای مرجع قابل ردیابی به موسسات ملی اندازه گیری - NIST در ایالات متحده، PTB در آلمان، کالیبره شده اند. در طول کالیبراسیون، یک درجه حرارت شناخته شده یا سیگنال الکتریکی معادل در ورودی اعمال می شود و جریان خروجی برای مطابقت با مقدار مورد انتظار کاهش می یابد. اکثر کارخانه های فرآیند کالیبراسیون فرستنده را به صورت سالانه یا نیمه سالانه برنامه ریزی می کنند ، با فواصل تعیین شده توسط اندازه گیری بحرانی و ویژگی های رانش سنسور.

درک دقیق بودجه

دقت کل سیستم مجموع چندین منبع خطا است. هنگام خواندن برگه مشخصات فرستنده، تمام موارد زیر را در نظر بگیرید:

• دقت سنسور - کلاس تحمل ذاتی RTD یا ترموکوپل (به عنوان مثال، کلاس IEC A، کلاس B)
• دقت مدار ورودی - توانایی فرستنده برای اندازه گیری سیگنال سنسور بدون افزودن خطا
• وضوح ADC - کوچکترین افزایشی که مبدل می تواند تشخیص دهد
• خطای خطی سازی - انحراف باقیمانده پس از تصحیح چند جمله ای اعمال می شود
• دقت مدار خروجی - دقت منبع فعلی که حلقه 4-20 میلی آمپر را هدایت می کند

یک فرستنده سطح بالا Pt100 RTD با سنسور مناسب می تواند به دقت سیستم ترکیبی دست یابد. ± 0.1 درجه سانتیگراد ، در حالی که یک فرستنده ترموکوپل همه منظوره معمولاً در مشخص شده است ± 0.5 درجه سانتیگراد یا ± 0.1٪ از دهانه کالیبره شده .

کاربردهای صنعتی و معیارهای انتخاب

فرستنده های دما تقریباً در هر صنعت فرآیندی استفاده می شوند. کاربردهای رایج عبارتند از:

• نفت و گاز - دمای سر چاه، نظارت مبدل حرارتی، شرایط مخزن جداکننده
• داروسازی - اندازه گیری دمای معتبر برای انطباق با GMP
• غذا و نوشیدنی - تأیید دمای پاستوریزاسیون و کنترل فرآیند CIP
• تولید برق - دمای بخار دیگ و نظارت بر خروجی اگزوز توربین
• پردازش شیمیایی - کنترل دمای راکتور و پروفیل ستون تقطیر

عوامل کلیدی انتخاب

انتخاب فرستنده مناسب مستلزم متعادل کردن چندین الزام فنی و محیطی است:

1. محدوده اندازه گیری و کلاس دقت مورد نیاز
2. نوع سنسور سازگار (RTD، ترموکوپل، ترمیستور)
3. پروتکل خروجی و ارتباطی (4-20 میلی آمپر، HART، Fieldbus، WirelessHART)
4. محدوده دمای محیط و طبقه بندی مناطق خطرناک (ATEX، IECEx، NEC)
5. درجه حفاظت از نفوذ (IP) برای محیط های گرد و غبار و رطوبت
6. زمان پاسخگویی و الزامات میرایی برای فرآیندهای با تغییر سریع

گواهینامه مناطق خطرناک

برای کاربرد در اتمسفرهای انفجاری - پالایشگاه‌های نفت، کارخانه‌های شیمیایی، سکوهای دریایی - فرستنده‌ها باید دارای گواهینامه باشند. استانداردهای ذاتا ایمن (IS) یا ضد انفجار (Ex d). . ایمنی ذاتی انرژی الکتریکی در حلقه را به سطوحی محدود می کند که نتواند یک جو قابل اشتعال را مشتعل کند. محفظه های ضد انفجار حاوی هرگونه اشتعال داخلی بدون انتشار آن به محیط اطراف هستند. طرح صدور گواهینامه قابل اجرا بستگی به منطقه نصب دارد: ATEX در اروپا، IECEx در سطح بین‌المللی و NEC در آمریکای شمالی.

قرار دادن آن همه با هم

در اصل، یک فرستنده دما زنجیره پیوسته ای از عملیات را انجام می دهد: سنسور را تحریک می کند و می خواند، سیگنال سطح پایین را شرایط و تقویت می کند، آن را با وضوح بالا دیجیتالی می کند، خطی سازی ریاضی را اعمال می کند و نتیجه را به یک خروجی الکتریکی استاندارد تبدیل می کند که یک سیستم کنترل می تواند به طور قابل اعتماد در طول کابل های طولانی دریافت کند. هر مرحله دقت، استحکام و هوشمندی را اضافه می کند به چیزی که در غیر این صورت یک سیگنال شکننده و محدود با برد تنها از عنصر حسگر است.

همانطور که صنعت به سمت معماری IIoT و کارخانه های دیجیتال پیش می رود، هوش تعبیه شده در فرستنده ها همچنان به رشد خود ادامه می دهد. فرستنده‌های هوشمند امروزی می‌توانند تشخیص خود را انجام دهند، خرابی حسگر را قبل از اینکه باعث خرابی اندازه‌گیری شود، گزارش کنند، تاریخچه کالیبراسیون را ذخیره کنند، و با نرم‌افزار مدیریت دارایی از طریق پروتکل‌های دیجیتال ارتباط برقرار کنند - به طور موثر به گره‌های داده سطح میدان در یک شبکه اطلاعاتی در سراسر کارخانه تبدیل می‌شوند.

درک مکانیسم های داخلی یک فرستنده دما - از اثر Seebeck در نوک ترموکوپل تا دست دادن HART در کارت ورودی DCS - به مهندسان و تکنسین ها پایه و اساس لازم را می دهد. انتخاب، نصب، پیکربندی، عیب یابی و کالیبره کردن این ابزار با اطمینان.