اندازه گیری دما، کالیبراسیون و انتخاب سنسورهای RTD و ترموکوپل

 

 مقدمه : این مطلب شامل جزئیات فنی دقیق در مورد اصول اندازه گیری دما، ساختار مکانیکی سنسورهای صنعتی، سیم کشی داخلی Pt100، کالیبراسیون و فرآیند مهاجرت به تجهیزات نسل جدید Endress+Hauser است که بر اساس آخرین استانداردهای IEC تنظیم شده است.

راهنمای فنی اندازه گیری دما، کالیبراسیون و انتخاب سنسورهای RTD و ترموکوپل

 

 

اندازه گیری دما ، یافتن تعادل مناسب در کالیبراسیون

Temperature measurement

دما پرکاربردترین پارامتر اندازه گیری شده در صنایع فرآیندی است. نگهداری از تجهیزات اندازه گیری دما عمدتا شامل کالیبراسیون دوره ای است. به همین دلیل، در صفحات آینده بر کالیبراسیون تمرکز شده است. لازم به ذکر است که ترانسمیترهای جدید مانند TMT162 شامل عملکردهای پیشرفته عیب یابی (مانند تشخیص درایفت یا خوردگی) هستند که عملکرد و در دسترس بودن سیستم را افزایش می دهند. در این متن اطلاعات مفید فراوانی برای بهره برداری بهینه از ابزارها در طول چرخه عمر و آماده سازی برای نوسازی تدریجی تجهیزات ارائه شده است. ما به عنوان متخصص، دوره های آموزشی را در کلاس و در محل سایت ارائه می دهیم. برای کمک در انتخاب ابزار جدید یا جایگزین، می توانید از نرم افزار انتخاب آنلاین رایگان Applicator استفاده کنید.

 

 

 

 

مبانی – Basics

اطلاعات مشترک برای تمام انواع سنسورهای دما در این بخش ارائه می شود. محدوده فعلی دستگاه های اندازه گیری دما شامل موارد زیر است:

• خانواده سنسورهای RTD (آشکارساز دمای مقاومتی).
• خانواده سنسورهای TC (ترموکوپل).

 

اصل اندازه گیری سنسورهای RTD 

Measuring principle of RTD-sensors

در سنسورهای RTD، مقاومت الکتریکی با تغییر دما تغییر می کند. این سنسورها برای اندازه گیری دما بین 200- درجه سانتی گراد (328- درجه فارنهایت) تا حدود 800 درجه سانتی گراد (1472 درجه فارنهایت) مناسب هستند و به دلیل دقت بالا و پایداری طولانی مدت متمایز می شوند. پرکاربردترین عنصر سنسور، Pt100 است که دارای مقدار نامی 100 اهم در دمای 0 درجه سانتی گراد (32 درجه فارنهایت) می باشد. سنسورهای Pt100 در قالب های مختلف تولید می شوند:

• سنسورهای سرامیکی سیمی: مارپیچی از سیم پلاتین که در پودر سرامیک داخل یک لوله مویین پیچیده و جاسازی شده و توسط سیم های پلاتین به بیرون هدایت می شود.
• سنسورهای فیلم نازک (Thin film): یک لایه پلاتین روی یک صفحه سرامیکی بخار می شود و یک لایه شیشه ای جهت محافظت روی آن قرار می گیرد. به صورت استاندارد، سنسورهای RTD شرکت Endress+Hauser کلاس دقت F 0.15 مطابق با استاندارد IEC 60751 را برآورده می کنند.

 شکل 1: اصل اندازه گیری سنسورهای RTD (نقطه اندازه گیری Pt100، دمای اندازه گیری)

 

 

 

 

 

ترموکوپل ها – TC – Thermocouples

ترموکوپل قطعه ای ساخته شده از دو فلز متفاوت است که در یک انتها به هم متصل شده اند. به دلیل اثر سیبک (Seebeck)، اگر محل اتصال و انتهای آزاد در معرض دماهای مختلف قرار گیرند، یک پتانسیل الکتریکی ایجاد می شود. با کمک جداول مرجع (IEC 584)، دمای محل اتصال (اتصال اندازه گیری) تعیین می شود . ترموکوپل ها برای بازه 0 تا 1800 درجه سانتی گراد مناسب بوده و دارای پاسخ سریع و مقاومت بالا در برابر لرزش هستند.

 

 شکل 2: اصل اندازه گیری ترموکوپل ها (اتصال مرجع، دمای مرجع، فلز A، فلز B، اختلاف دما، اتصال اندازه گیری، دمای اندازه گیری) 

 

 

 

 

 

ساختار مکانیکی – Mechanical construction

ساختار مکانیکی یک دماسنج صنعتی برای هر دو نوع RTD و ترموکوپل یکسان است و شامل این اجزا می باشد:

• اینسرت اندازه گیری (A): همراه با بلوک ترمینال یا ترانسمیتر سر.
• ترموول (B): قطعه ای که در تماس با فرآیند قرار دارد.
• اتصال فرآیندی: رابط بین فرآیند و دماسنج.
• گردن (Neck): رابط بین هد و اتصال فرآیندی.
• هد اتصال (C): مجهز به گلندهای کابل.

 

 

 

 شکل 3: ساختار سنسورهای دما (A: اینسرت، B: ترموول، C: هد ترمینال) 

 

 

 

 

 

اینسرت – Insert

اولین مرحله حفاظت، ساخت اینسرت است که قابل تعویض می باشد. اینسرت معمولا شامل کابل با عایق معدنی (MgO) به قطر 3 یا 6 میلی متر با غلاف استیل ضد زنگ است. عنصر حسگر در انتهای آن جوش داده شده و منطقه حساس حدود 25 میلی متر از نوک آن فاصله دارد. پیچ های فنری اتصال محکم بین نوک اینسرت و ترموول را تضمین می کنند. استفاده از عناصر دوتایی (Twin resistors) برای افزایش قابلیت اطمینان توصیه نمی شود، زیرا هر دو در یک نقطه قرار دارند و آسیب مکانیکی به هر دو ضربه می زند؛ استفاده از دو سنسور مستقل بهتر است.

 

 

 

ترموول – Thermowell

حفاظت دوم شامل نصب اینسرت در ترموول های فلزی است. این قطعه اجازه تعویض سنسور را بدون توقف واحد می دهد. برای کاهش تاخیر زمانی، ساختارهای نوک تیز (Tapered) در دسترس هستند. انتخاب صحیح به روش نصب، فشار، دما و سرعت جریان بستگی دارد. استاندارد DIN 43763 انواع رزوه ای (B یا C)، فلنجی (F) و جوشی (D) را تعریف می کند .

 

 

 

هد ترمینال – Terminal head

هد برای محافظت از اتصالات بین اینسرت و سیم کشی خارجی استفاده می شود و می تواند شامل ترانسمیتر داخلی یا نمایشگر باشد . هدهای فلزی با واشرهایی برای تحمل دمای 130 درجه سانتی گراد عرضه می شوند.

 

 

دستورالعمل های نصب – Installation instructions

 

طول غوطه وری – Immersion length

سنسور باید در عمقی نصب شود که تعادلی بین اتلاف حرارت و دقت ایجاد کند:

• سنسور کوتاه برای جلوگیری از انتقال گرمای محیط به نوک سنسور ترجیح داده می شود.
• طول بلندتر برای جلوگیری از درایفت حرارتی ناشی از جرم اتصال فرآیندی لازم است.
• قانون فنی: طول غوطه وری باید حداقل 20 برابر قطر آن باشد (30 برابر برای کابل های غیر M.I). در صورت کوتاهی، عایق بندی حرارتی خارجی الزامی است.

 

 

نصب در لوله ها – Pipe installations

در لوله های کوچک، نصب تحت زاویه یا در زانوها انجام می شود و سنسور باید در خلاف جهت جریان باشد.

 

 

 شکل 4: نصب در لوله ها (a: در زانوها، b: در لوله های کوچک، c: عمود بر جریان) 

 

 

 

 

 شکل 5: نمونه های عایق بندی حرارتی (a: مواد عایق، b: لوله، c: ترموول با اینسرت، d: صفحه خارجی) 

 

سیم کشی داخلی اینسرت های Pt100

Internal wiring of Pt100 inserts

طبق IEC751 سه حالت وجود دارد:

• پیکربندی 2 سیمه: خطایی معادل 2 برابر مقاومت سیم ایجاد می کند؛ فقط برای دقت کم توصیه می شود .
• پیکربندی 3 سیمه: با جبران سازی خطا را به صفر نزدیک می کند؛ در صنعت رایج است.
• پیکربندی 4 سیمه: خطاهای اضافی را کاملا حذف کرده و بالاترین دقت را تضمین می کند.

 

 

شکل 6: سیم کشی داخلی اینسرت های Pt100 (سمت چپ: سیم کشی برای ترانسمیترهای داخل هد، سمت راست: اتصال به بلوک ترمینال سرامیکی)

 

مقاومت ها و تلرانس ها طبق استاندارد IEC 751

Resistances and tolerances IEC 751 standard

مقاومت نامی در دمای 0 درجه سانتی گراد معادل 100 اهم است. تلرانس کلاس A و B طبق جدول زیر است:

 

کلاس (Class)	تلرانس (درجه سانتی گراد)
A	0.15 + 0.002
B	0.3 + 0.005

 

یادداشت: |t| قدر مطلق دما بدون علامت است. مثال: تلرانس کلاس A در 50- درجه برابر 0.25 درجه است.

 

 

پیکربندی دستگاه

Device configuration

• PCP: پیکربندی آنلاین با رابط TXU10 و نرم افزار ReadWin 2000.
• HART: استفاده از ترمینال دستی (DXR375) یا نرم افزارهای FieldCare، AMS یا PDM.

 

شکل 7: پیکربندی دستگاه (نمای بالایی: اتصال TMT180 به رایانه، نمای پایینی: شبکه HART) 

 

عملیات و نگهداری

Operations and Maintenance

نگهداری شامل کالیبراسیون دوره ای و بررسی چشمی آب بندی است.

 

 

کالیبراسیون دماسنج

Thermometer calibration

کالیبراسیون تعیین انحراف نسبت به یک مرجع با عدم قطعیت مشخص است. سنسور رزرو جایگزین کالیبراسیون نیست چون هر دو درایفت می کنند. کالیبراسیون معتبر طبق استانداردهایی مانند DKD (آلمان) یا SIT (ایتالیا) انجام می شود. تنظیم (Adjustment): دستگاه به گونه ای اصلاح می شود که انحراف آن از حدود خطای تعیین شده توسط کاربر فراتر نرود.

 

فواصل کالیبراسیون مجدد

Recalibration intervals

فواصل به دقت مورد نیاز و تنش های حرارتی/مکانیکی بستگی دارد.

• سنسورهای RTD: به دلیل پیری، ابتدا هر 3 تا 6 ماه و سپس هر 9 تا 12 ماه کالیبره شوند.
• ترموکوپل ها: برای دقت بالا ابتدا هر 2 تا 3 ماه و سپس هر 9 تا 12 ماه. در اکثر ترانسمیترها می توان درایفت را از طریق “Sensor matching” در نرم افزار جبران کرد.

 

 

مهاجرت – Migration

جدول جایگزینی نسل قدیم با جدید:

نسل قدیم	نسل جدید	شرح	موجودی قطعات یدکی
TST10/TST111	TR10	سنسور RTD	تا 10/2010
TST42	TR24	سنسور RTD	تا 10/2011
TSC110S	TC10	ترموکوپل	تا 10/2010
TMT136/TMT137	TMT180	ترانسمیتر سر	ندارد (NO)
TMD833	TMT162	ترانسمیتر فیلد	ندارد (NO)
TA10	TW10	ترموول	ندارد (NO)

 

 

 

 

Old generation New Description Spare parts   availability   TST10/TST111/TST221 TR10 RTD-sensor until 10/2010   TST42 TR24 RTD-sensor until 10/2011   TST425 TR25 RTD-sensor NO   TST11/TST211 TR11 RTD-sensor until 10/2010   TST12/TST221 TR12 RTD-sensor until 10/2010   TST13/TST131 TR13 RTD-sensor until 10/2010   TST140/TST141 TR15 RTD-sensor until 10/2010   TST288 TR88 RTD-sensor until 01/2013   TST44N TR44 RTD-sensor until 10/2009   TST14 TR45 RTD-sensor until 10/2009   TST74 TR47 RTD-sensor NO   TST76 TR48 RTD-sensor NO   TST262   TR62 RTD-sensor   until 10/2009   TST264 until 01/2013   TST266 TR66 RTD-sensor until 10/2013   TET100   TPR100 RTD-sensor,   measurement insert   NO   TET102 NO   TET105 NO   TSC110S TC10 Thermocouple until 10/2010   TSC130S TC13 Thermocouple until 10/2010   TSC140T TC15 Thermocouple until 10/2010   TSC288 TC88 Thermocouple until 10/2011   TSC262/TSC264 TC62 Thermocouple until 10/2012   TSC266 TC66 Thermocouple until 10/2012   TEC100/TEC105 TPC100 Thermocouple,   measurement insert   NO   TMT136/TMT137 TMT180 Head transmitter NO   TMD831 TMT181 Head transmitter NO   TMD832 TMT182 Head transmitter NO   TMD834 TMT184 Head transmitter NO   TMD842 TMT112   TMT122   Transmitter   DIN-rail transmitter   NO   TMD833 TMT162 Field transmitter NO   TMT165 TMT162 Field transmitter until 10/2010   TMT165 TMT85 Head transmitter until 10/2010   TMD833T TMT162R Compact   thermometer,   RTD-sensor and   Field transmitter   NO   TMD833C TMT162C Compact sensor,   Thermocouple and   Field transmitter   NO   TA10 TW10 Thermowell NO   TA11 TW11 Thermowell NO   TA12 TW12 Thermowell NO   TA13 TW13 Thermowell NO   TA573/TA574 TW15 Thermowell NO   TA250 TW251 Thermowell NO   Note: these dates are periodically updated on www.endress.com (to be confirmed)

 

 

 

 

سوالات متداول

PLC مقدار دمای درست را نشان نمی دهد :

• سیگنال Pt100 را با استفاده از اهم متر بررسی کنید.

• ترموکوپل:

  • آیا نوع درست ترموکوپل انتخاب شده است؟

  • آیا دمای مرجع درست استفاده شده است؟

• مطمئن شوید که محدوده های 4 تا 20 میلی آمپر ترانسمیتر و PLC با هم مطابقت دارند.

• سنسور را بررسی یا کالیبره کنید.

• نصب را بررسی کنید (به شکل های 4 و 5 مراجعه کنید).

ارتباط با ترانسمیتر از طریق ReadWin® 2000 برقرار نمی شود:

• مطمئن شوید ترانسمیتر قابلیت ارتباط دارد.

• بررسی کنید آخرین نسخه ReadWin® 2000 روی رایانه نصب شده باشد (قابل دانلود از www.readwin2000.com).

• مطمئن شوید ولتاژ تغذیه حداقل 9 ولت برای TMT181 و TMT121 باشد.

• برای TMT182 (HART) و TMT122 (HART)، گزینه FIFO Active باید غیرفعال شود.

روش غیرفعال کردن FIFO Active در ویندوز:

Windows NT® 4.0:

از مسیر

START → SETTINGS → SYSTEM CONTROL → CONNECTIONS گزینه COM-Port را انتخاب کنید و دستور FIFO Active را خاموش کنید.

Windows® 2000:

از مسیر

START → SETTINGS → SYSTEM CONTROL → SYSTEM → HARDWARE → DEVICE MANAGER → CONNECTIONS (COM and LPT) → COM1 → CONNECTION SETTINGS → ADVANCED گزینه Use FIFO Buffer را غیرفعال کنید.

Windows® XP:

از مسیر

START → SETTING → SYSTEM → HARDWARE → DEVICE MANAGER → PORTS (COM and LPT) → COM1 → PORT SETTING → ADVANCED گزینه Use FIFO Buffer را غیرفعال کنید.

برای محصولات HART مانند TMT122/142/182 و نسخه HART ترانسمیتر TMT162

• مقاومت بار در ترمینال های Commubox باید برابر با 250 Ω باشد.

• اگر حلقه بارگذاری شده باشد (به دلیل امپدانس PLC یا وجود رکوردر)، مقاومت بار بیشتر شده و شدت سیگنال کاهش می یابد.

اگر از TXU10 استفاده می کنید

• مطمئن شوید درایور USB روی رایانه نصب شده است (در CD نرم افزار ReadWin® 2000 موجود است یا از www.readwin2000.com قابل دانلود است).

• برای نصب درایور نیاز به دسترسی Admin دارید.

• پورت ارتباطی انتخاب شده باید درست باشد: از مسیر Windows → START → CONTROL PANEL → SYSTEM → HARDWARE → DEVICE MANAGER → PORTS شماره پورتی را انتخاب کنید که با رابط ارتباطی متصل (مثلاً FXA195 در صورت استفاده از مودم HART) مطابقت داشته باشد.