Temperatuur on tööstuslikus tootmises üks levinumaid ja olulisemaid protsessi parameetreid. Sellistes tööstusharudes nagu naftakeemia, elektritootmine, toiduained ja joogid, biofarmaatsia, metallurgia, masinate tootmine, uusenergia ja keskkonnakaitse mõjutab protsessi temperatuur otseselt seadmete töötingimusi, toote kvaliteeti ja tootmisohutust. Välitemperatuuri täpseks teisendamiseks standardseteks signaalideks, mida juhtimissüsteemid saavad ära tunda ja töödelda, kasutatakse temperatuuriandureid laialdaselt tööstusautomaatika- ja protsessimõõtmissüsteemides.
Temperatuuriandur teeb palju enamat kui lihtsalt "temperatuuri kuvamine". Tavaliselt koosneb see temperatuuriandurist, signaali konditsioneerimisahelast, analoog-digitaalmuundamismoodulist, temperatuuri kompenseerimise funktsioonist ja väljundmoodulist. See teisendab RTD-de või termopaaride temperatuurisignaalid standardseteks tööstuslikeks signaalideks, nagu 4-20 mA, 1-5 V DC, HART ja RS485/Modbus, ning edastab need seejärel PLC-sse, DCS-i, SCADA-sse või muudesse juhtimissüsteemidesse. Seetõttu hõlmab temperatuurianduri valimine mitmeid tegureid, sealhulgas anduri tüüp, mõõtevahemik, täpsus, protsessi ühendus, kaitseklaasi materjal, väljundsignaal ja paigaldusmeetod.
1. Mis on temperatuurisaatja?
Temperatuuriandur on tööstuslik instrument, mida kasutatakse protsessi temperatuuri mõõtmiseks ja temperatuurisignaali muundamiseks tavaliseks elektriliseks või digitaalseks sidesignaaliks. Tavaliselt kasutatakse seda koos temperatuurianduritega, nagu RTD ja termopaarid. Saatja kogub, võimendab, lineariseerib ja kompenseerib anduri poolt genereeritud nõrga takistuse ehk termoelektrilisi signaale ning seejärel muundab need mõõdetud temperatuurile vastavaks standardseks väljundsignaaliks.
Võttes näiteks tavaliselt kasutatava 4-20 mA temperatuurisaatja, siis kui mõõtepiirkond on konfigureeritud vahemikus 0 kuni 100 kraadi, vastab 0 kraadi teoreetiliselt 4 mA-le, 100 kraadi aga 20 mA-le. Nende kahe punkti vahelised temperatuurid teisendatakse vastavalt konfigureeritud lineaarsele suhtele vastavateks vooluväärtusteks. Juhtsüsteemi jaoks ei ole vastuvõetud signaal anduri algne takistus- või millivoltisignaal, vaid temperatuurianduri poolt töödeldud standardiseeritud signaal. See parandab signaali edastamist pikkadel vahemaadel ja suurendab ühilduvust tööstuslike juhtimissüsteemidega.
Struktuurilisest vaatenurgast sisaldab temperatuuriandur üldiselt anduri sisendliidest, signaali konditsioneerimisahelat, mikroprotsessorit, A/D ja D/A teisendusmooduleid, toiteallika moodulit ja väljundkommunikatsioonimoodulit. Kaasaegne nutikastemperatuuri saatjadvõib pakkuda ka selliseid funktsioone nagu anduri konfigureerimine, vahemiku reguleerimine, nullpunkti korrigeerimine, tõrkediagnostika ja temperatuuri kompenseerimine tarkvara kaudu.
Tööstuslikus automaatikasüsteemis toimib temperatuuriandur põhiliselt signaali muundamise ja andmeliidesena välitemperatuuri anduri ja juhtimissüsteemi vahel.
2. Kuidas tuleks valida sisetemperatuuri andur?
Temperatuurisaatja südamiku mõõteelemendiks on üldjuhul kas RTD või termopaar. Seetõttu mõjutab anduri valik otseselt mõõtmise täpsust, stabiilsust ja rakenduse sobivust. Tehnilise valiku tegemisel ei ole asjakohane lihtsalt järgida reeglit, et "termopaarid on kõrgete temperatuuride jaoks ja RTD on madalate temperatuuride jaoks". Selle asemel peaksid insenerid arvestama mõõtevahemikku, protsessikeskkonda, täpsusnõudeid, reaktsiooniaega, paigalduskeskkonda ja üldist mõõteriistade süsteemi.
RTD-d kasutavad peamiselt seost metalli elektritakistuse ja temperatuuri vahel. Nende hulgas on Pt100 ja Pt1000 kõige sagedamini kasutatavad tüübid. RTD-d tagavad üldiselt hea mõõtmistäpsuse ja pikaajalise stabiilsuse ning sobivad eriti hästi keskmise ja madala temperatuuriga rakendustes, kus on vaja suhteliselt suurt mõõtmistäpsust. Tüüpilisteks rakendusteks on mahutid, soojusvahetid, torujuhtmed, reaktorid ning toiduainete ja ravimite töötlemise seadmed.
Termopaarid kasutavad temperatuuri mõõtmiseks kahe erineva juhi vahel tekkivat termoelektrilist efekti. Need pakuvad laia temperatuurivahemikku, suhteliselt kiiret reageerimist ja lihtsat konstruktsiooni. Kõrge temperatuuriga rakenduste jaoks, nagu tööstuslikud ahjud, kuumtöötlusseadmed, katlad ja ahjud, on termopaarid sageli sobivam valik.
Arvesse tuleks võtta ka anduri mehaanilist struktuuri. Isegi kui kasutatakse sama tüüpi andurit, võivad erinevused termosüvendi pikkuses, sisestussügavuses ja sensorelemendi ehituses tegelikku mõõtmistulemust oluliselt mõjutada. Seetõttu ei tohiks temperatuurianduri valikul keskenduda ainult sellele, kas kasutada PT100 või termopaari. Samuti tuleb hinnata anduri ehitust, paigaldusmeetodit ja protsessi tingimusi.
3. Mis vahe on PT100 ja PT1000 vahel?
Nii PT100 kui ka PT1000 on plaatina RTD-d. Numbrid "100" ja "1000" viitavad nende nimitakistuse väärtustele 0 kraadi juures. PT100 nimitakistus on 100 Ω 0 kraadi juures, PT1000 nimitakistus aga 0 kraadi juures 1000 Ω. Mõlemad andurid kasutavad sama mõõtmise põhiprintsiipi: plaatina elektritakistus muutub temperatuuriga ennustatavalt.
Kõige ilmsem erinevus on nende takistuse väärtus. Kuna PT1000 baastakistus on suurem, on ka selle takistuse muutus antud temperatuurimuutuse korral suurem. Temperatuuri pikamaamõõtmisel võib ühendusjuhtmete takistus põhjustada mõõtmisvigu. Kuna PT1000 takistus on oluliselt suurem kui PT100 omal, on pliijuhtme takistuse suhteline mõju üldiselt väiksem. Selle tulemusena võivad PT1000 andurid pakkuda eeliseid teatud pikamaajuhtmestiku rakendustes.
Kolmejuhtmelise RTD konfiguratsiooni korral saab temperatuuriandur kompenseerida ühendusjuhtmete takistust, vähendades sellega juhtmetakistuse mõju mõõtmise täpsusele. Neljajuhtmeline konfiguratsioon võib pakkuda veelgi suuremat mõõtmistäpsust, kuigi see nõuab täiendavat juhtmestikku ja võib suurendada süsteemi kulusid.
Seetõttu pole absoluutset vastust selle kohta, kas PT100 või PT1000 on "parem". Kui rajatises juba kasutatakse PT100 andureid ja juhtmestiku vahemaa on mõõdukate täpsusnõuetega suhteliselt lühike, ei ole tavaliselt vaja PT1000-le üle minna lihtsalt seetõttu, et selle takistus on suurem. Pikamaaülekande või rakenduste jaoks, kus on oluline pliitakistuse mõju minimeerimine, võib PT1000 olla parem valik.
Kõikidel juhtudel tuleb kinnitada sobivus valitud anduri ja temperatuurianduri sisendi spetsifikatsiooni vahel.
4. Mis vahe on termopaaridel ja RTD-del?
Kuigi RTD-sid ja termopaare kasutatakse laialdaselt tööstuslikuks temperatuuri mõõtmiseks, töötavad need täiesti erinevatel põhimõtetel. RTD-d määravad temperatuuri, mõõtes elektritakistuse muutusi, samas kui termopaarid määravad temperatuuri kahe erineva juhtiva materjali tekitatud termoelektrilise pinge põhjal.
Mõõtmise täpsuse osas tagavad kõrgekvaliteedilised RTD-d üldiselt suurepärase täpsuse ja stabiilsuse nende tavaliselt kasutatavates temperatuurivahemikes. Seetõttu sobivad need rakendustesse, mis nõuavad suhteliselt täpset temperatuuri mõõtmist. Termopaarid seevastu on eriti soodsad nende laia mõõtevahemiku, kiire reaktsiooni ja võime tõttu töötada kõrge temperatuuriga keskkondades.
Signaali omaduste osas tekitab RTD pigem takistuse kui alalispinge signaali muutust, seega vajab mõõteahel üldiselt ergutusvoolu. Termopaar genereerib millivoldi tasemel termoelektrilist pinget. Kuna see signaal on väga väike, nõuab termopaari mõõtmine hoolikat külmaühenduse kompenseerimist, signaali konditsioneerimist ja müra kontrolli.
Rakenduste osas kasutatakse selliseid RTD-sid nagu PT100 ja PT1000 tavaliselt mahutites, torustikes, soojusvahetites, kompressorites, pumpades, reaktorites ja muudes keskmise ja madala temperatuuriga protsessides. Selliseid termopaare nagu tüüp K, tüüp J, tüüp E, tüüp T, tüüp S, tüüp R ja tüüp B kasutatakse laialdaselt tööstuslikes ahjudes, ahjudes, kuumtöötlusseadmetes, kateldes ja muudes kõrge temperatuuriga protsessides.
Seetõttu peaksid insenerid valima anduri vastavalt protsessi tegelikule temperatuurivahemikule, täpsusnõuetele, reageerimisajale ja töökeskkonnale, mitte lihtsalt valima andurit seadme tüübi järgi.
5. Kuidas tuleks väljundsignaali valida?
Temperatuurisaatja väljundsignaal määrab otseselt, kas see suudab korralikult suhelda PLC, DCS, andmehõivesüsteemi või muude juhtimisseadmetega. Tööstuslikes rakendustes kõige laialdasemalt kasutatav väljund on 4-20 mA analoogsignaal. Muude valikute hulka kuuluvad 4-20 mA + HART, RS485/Modbus ja erinevad digitaalsed sideprotokollid.
4-20 mA signaal on muutunud üheks enim kasutatavaks tööstusstandardiks, kuna see tagab hea vastupidavuse elektrilistele häiretele ja sobib kaugedastuseks. Võrreldes termopaari genereeritud millivoldise pinge või RTD takistussignaali otsese edastamisega, tagab 4–20 mA parema ühilduvuse keerukate tööstuslike keskkondadega.
4 mA kasutamine alumise mõõtepiirina annab samuti kasuliku eristuse nullvoolu tingimustest. Kui signaaliliin on lahti ühendatud, suudab juhtimissüsteem tuvastada ebanormaalse vooluseisundi ja tuvastada, et võis tekkida rike.
Kui rakendus nõuab mitte ainult temperatuuri edastamist, vaid ka instrumendi seadistamist, vahemiku reguleerimist, diagnostikat või juurdepääsu seadme täiendavatele parameetritele, võib kaaluda 4-20 mA + HART temperatuuriandurit. HART lisab tavapärasele 4-20 mA analoogsignaalile digitaalse side, võimaldades põhjalikumat instrumendi konfigureerimist ja diagnostikat.
Nutikate tehaste, seadmete võrkude ja digitaalsete andmehõivesüsteemide puhul võib kaaluda RS485/Modbusi kasutamist, kui PLC või andmehõiveseade toetab vastavat protokolli. Digitaalne side võib edastada temperatuuriandmeid otse digitaalsel kujul koos teatud seadme oleku ja diagnostikateabega, muutes selle sobivaks mõne mitmepunktilise andmehõive rakenduse jaoks.
Seetõttu ei tohiks väljundsignaali valik põhineda ainult saatjal endal. Arvesse tuleks võtta ka juhtimissüsteemi sisendmoodulit, sideprotokolli, edastuskaugust ja üldist võrguarhitektuuri.
6. Millised Thermowelli materjalid on saadaval?
Temperatuuriandurid vajavad tavaliselt termosüvend või kaitsetoru, et isoleerida ja kaitsta anduri elementi protsessikeskkonnast. Termosüvend ei paku mitte ainult mehaanilist kaitset, vaid mõjutab otseselt ka temperatuurianduri kasutusiga ja mõõtmiskindlust. Keemia-, nafta-, farmaatsia- ja kõrgtemperatuurilistes tööstuslikes rakendustes on termosüvendi materjali valik eriti oluline.
Levinud termosüvendite materjalide hulka kuuluvad roostevaba teras 304, 316L roostevaba teras ja mitmesugused erisulamid. 304 roostevaba teras tagab hea üldise jõudluse ja sobib üldisesse tööstuskeskkonda. 316L-roostevaba teras pakub paremat korrosioonikindlust ja sobib eriti hästi rakendusteks, mis hõlmavad kloriidioone, teatud keemilisi aineid ning toiduaineid või farmaatsiaprotsesse.
Kõrge temperatuuri, kõrgsurve või väga söövitava kandja puhul ei pruugi tavaline roostevaba teras tagada piisavat jõudlust. Sellistel juhtudel tuleks materjal valida vastavalt töötlemiskeskkonna koostisele, töötemperatuurile, rõhule ja söövitavusele. Olenevalt rakendusest võib kaaluda spetsiaalseid sulameid nagu Hastelloy või niklipõhiseid sulameid.
Mehaaniline tugevus on termosüvendi valimisel veel üks oluline kaalutlus. Kui temperatuuriandur sisestatakse otse suure kiirusega torujuhtmesse, võib termosüvend olla allutatud vedelikujõududele, vibratsioonile ja mehaanilisele pingele. Seetõttu peaksid insenerid lisaks korrosioonikindlusele arvestama ka termosüvendi välisläbimõõtu, seina paksust, sisestuspikkust ja vastupidavust voolust põhjustatud vibratsioonile.
7. Millised on temperatuuriandurite paigaldusmeetodid?
Temperatuurianduri paigaldusviis tuleks üldjuhul valida vastavalt seadme struktuurile, protsessi torustikule, hooldusnõuetele ja töökeskkonnale. Levinud paigaldusmeetodid hõlmavad integreeritud paigaldust, kaug- või eraldatud paigaldust, keermestatud paigaldust, ääriku paigaldust ja klambri paigaldamist.
Integreeritud temperatuuriandur ühendab temperatuurianduri, termosüvendi ja saatja üheks sõlmeks. See tagab kompaktse struktuuri ja lihtsustab kohapealset paigaldamist, muutes selle sobivaks üldiste tööstuslike torustike, seadmete ja mahutite jaoks. Piiratud paigaldusruumiga rakenduste puhul võib integreeritud konfiguratsioon vähendada välijuhtmeid ja paigaldustöid.
Keermestatud paigaldus on üks levinumaid meetodeid tööstuslikes rakendustes. Tüüpilised keerme spetsifikatsioonid võivad hõlmata M20 × 1,5, G1/2 ja NPT1/2. Keerme täpne spetsifikatsioon tuleks valida vastavalt seadme või torujuhtme protsessiühendusele. Keermestatud ühendused on lihtsad ja neid kasutatakse laialdaselt üldistes temperatuuri mõõtmise rakendustes.
Äärikuga paigaldus sobib rohkem kõrgsurverakenduste, suure läbimõõduga torustike ja protsesside jaoks, kus on vaja regulaarset eemaldamist ja hooldust. Vastavalt protsessiühendusele ja töötingimustele saab valida erinevaid äärikustandardeid ja survetasemeid.
Toidu ja jookide ning biofarmatseutiliste protsesside puhul kasutatakse tavaliselt sanitaarklambriühendusi. Nende struktuur muudab paigaldamise, lahtivõtmise, puhastamise ja hooldamise lihtsamaks ning võib aidata vähendada piirkondi, kuhu võivad koguneda protsessijäägid või saaste.
Sama oluline on paigalduskoht. Temperatuuriandur tuleb paigaldada kohta, kus see suudab täpselt näidata protsessikeskkonna tegelikku temperatuuri. Üldiselt tuleks vältida selliseid kohti nagu seisvad tsoonid, surnud jalad või alad, mida välised soojusallikad mõjutavad.
Torujuhtme temperatuuri mõõtmiseks tuleks ette näha piisav sisestussügavus, et andurelement oleks protsessikeskkonnaga piisavalt kokku puutunud. Vastasel juhul võib isegi väga täpne temperatuuriandur vale paigaldamise tõttu tekitada olulisi mõõtmisvigu.
8. Levinud temperatuurisaatja valikuvead, mida insenerid sageli teevad
Üks levinumaid probleeme temperatuurianduri valikul on mitte vale valimine PT100 ja termopaari vahel, vaid keskendumine ainult mõõtevahemikule ja täpsusele, jättes tähelepanuta protsessi tegelikud tingimused.
Näiteks kui protsessikeskkonna temperatuur on 200 kraadi, võib insener eeldada, et 0–300 kraadise mõõtepiirkonnaga temperatuuriandur on piisav. Siiski tuleb hinnata ka anduri tüüpi, termosüvendi temperatuuri, protsessi rõhku, voolukiirust, söövitust ja paigaldusstruktuuri.
Teine levinud eksiarvamus on, et "suurem täpsus on alati parem". Tegelikkuses ei sõltu temperatuuri mõõtmise süsteemi üldine täpsus ainult temperatuuriandurist. Seda mõjutavad ka anduri täpsusklass, juhtmestiku konfiguratsioon, paigaldusviis, termosüvendi konstruktsioon ja ümbritsev töökeskkond.
Kui andur ise ei taga piisavat täpsust, ei saa suure täpsusega temperatuurianduri valimine kogu mõõtmisahela täpsust põhimõtteliselt parandada.
Teine sageli tähelepanuta jäetud tegur on reageerimisaeg. Protsessides, mis hõlmavad kiiret kuumutamist, jahutamist või dünaamilist temperatuuri reguleerimist, võib liiga paks termosüvend või pika reageerimisajaga andur põhjustada mõõdetud temperatuuri märkimisväärset mahajäämust tegelikust protsessitemperatuurist.
Sellistel juhtudel võib saatja siiski anda anduri temperatuuri täpset mõõtmist, kuid signaal ei pruugi enam tõhusaks juhtimiseks piisavalt kiiresti peegeldada protsessi reaalajas olekut.
Arvesse tuleks võtta ka elektrilisi häireid. Termopaari signaalid on tavaliselt väga väikesed. Kui paigalduskeskkond sisaldab muutuva sagedusega ajameid, mootoreid, suure võimsusega seadmeid või kõrgepinge elektrikaableid, võib vale signaalijuhtmestik, varjestus või maandus põhjustada temperatuurisignaali kõikumisi.
Seetõttu ei ole keerulistes tööstuskeskkondades anduri toore signaali pika vahemaa edastamine üldiselt eelistatud lahendus. Selle asemel tuleks signaali muundamine teostada andurile võimalikult lähedal ja seejärel saab juhtsüsteemi edastada standardiseeritud signaali, näiteks 4-20 mA.
Teine levinud viga on saatja valimine ilma kogu temperatuuri mõõtmise süsteemi kontrollimata. Täielik temperatuuri mõõtmise punkt võib sisaldada andurit, termosüvendist, saatjat, protsessiühendust, signaalikaablit ja juhtimissüsteemi sisendmoodulit. Vale valik ühes neist punktidest võib mõjutada lõplikku mõõtmistulemust.
Seetõttu on temperatuurianduri valimisel soovitatav hinnata rakendust järgmises järjekorras:
Protsessikeskkond → Temperatuur → Rõhk → Andur → Thermowell → Protsessi ühendus → Väljundsignaal → Paigaldusmeetod → Juhtsüsteem
Üldiselt, kuigi temperatuuriandur on tööstusautomaatikas levinud instrument, hõlmab selle valik mitmeid valdkondi, sealhulgas soojusmõõtmine, materjalitehnoloogia, mehaaniline projekteerimine, elektrisignaalide töötlemine ja protsessirakendused.
Tõeliselt sobiv temperatuurianduri valik ei seisne lihtsalt mõõtepiirkonna määramises. Selle asemel tuleb andur, termosüvend, saatja, paigalduskonstruktsioon ja juhtimissüsteem tervikliku mõõtesüsteemina korralikult sobitada.
Ainult tegelikke protsessitingimusi täielikult arvesse võttes saavad insenerid saavutada õige tasakaalu mõõtmistäpsuse, stabiilsuse, reaktsiooniaja, kasutusea ja hoolduskulude vahel.
