Измерительные преобразователи температуры. Виды, устройство, монтаж, диагностика, функции преобразователя температуры.

1. Общее описание измерительных преобразователей температуры

В рамках данного справочника мы ограничимся рассмотрением стандартных промышленных интеллектуальных (или “smart”) измерительных преобразователей, которые выпускаются практически всеми ведущими изготовителями датчиков температуры. 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 измерительным 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 электрических 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 микропроцессорами. Несмотря на то, что аналоговые модели все еще поставляются некоторыми изготовителями, они теряют свои позиции на рынке промышленных технологических процессов.

РЕКОМЕНДАЦИИ ОТНОСИТЕЛЬНО ИЗМЕРЕНИЙ C ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТЬЮ

Выбор измерительного преобразователя на основе высококачественного микропроцессора позволит реализовать превосходные эксплуатационные характеристики и широкий спектр дополнительных 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 термопреобразователя сопротивления обеспечивается согласованием первичного преобразователя и измерительного преобразователя с помощью уравнения Календар-Ван-Дюзена, запрограммированного в измерительном преобразователе 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.

Для измерения температуры используются разнообразные устройства. Эти устройства, называемые первичными преобразователями, подробно рассматриваются в разделе “Первичные преобразователи” этого справочника. Интеллектуальные измерительные преобразователи температуры могут работать с сигналами от всех типов стандартных промышленных термоэлектрических преобразователей или термопар (ТП) и термопреобразователей 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 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 1a - Виды измерительных преобразователей

2. Устройство измерительного преобразователя

Измерительные преобразователи могут принимать разные сигналы измерения (например, от термопреобразователей 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 высококачественные 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 2a. Ниже эти аспекты рассматриваются более подробно.

Рисунок 2a - Функциональная блок-схема измерительного преобразователя

2.1 Входы

Реальные аналоговые сигналы от первичных преобразователей 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). Дополнительными входными сигналами являются сигналы напряжения в милливольтах (мВ), сигналы сопротивления в омах и сигналы от потенциометра. См. рисунок 2.1a. Ниже рассматривается каждый из них.

Рисунок 2.1a - Стандартные первичные преобразователи

 

2.1.1 Входы термопреобразователей сопротивления (ТС)

В основе работы термопреобразователей сопротивления (ТС) лежит тот принцип, что электрическое сопротивление 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 четырехпроводными.

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.

Измерительные преобразователи принимают входные сигналы 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.

2.1.3 Входы в милливольтах

Сигналы в милливольтах подвержены потерям из-за падения напряжения, а также влиянию шумов, и их необходимо преобразовывать на месте проведения измерений в надежные токовые 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 штангенциркулях, а также в устройствах для измерения положения, наклона/уровня, давления и толщины.

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 обрабатывающем и лабораторном оборудовании.

2.1.5 Входы сопротивления

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

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 этими 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 преобразователей 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 заземленные термопары, закороченные ТС и экраны кабелей могут передавать эти напряжения на измерительный преобразователь. Высокое напряжение также могут наводить сварочные аппараты, пускатели электродвигателей, 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 формирования сигнала поступает безопасный цифровой сигнал.

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 преобразователи 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 преобразователей, а также они могут обеспечивать измерение разницы температур или средней температуры по двум первичным преобразователям. См. рисунок 2.3a

Рисунок 2.3a - Измерительный преобразователь с одним или двумя входами

 

Измерительные преобразователи температуры с несколькими входами принимают до 8 входных сигналов от первичных преобразователей и их удобно использовать 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 2.3b.

Рисунок 2.3b - Многоканальный измерительный преобразователь

Измерительные преобразователи для областей с высокой плотностью точек измерения сводят к минимуму затраты на установку в таком оборудовании, как теплообменники, котлы, химические реакторы и дистилляционные колонны. Их также часто используют для построения графиков распределения температур в печах и реакторах. См. рисунок 2.3с.

Рисунок 2.3c - Построение графика распределения температуры в реакторе

 

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 рассмотрены в следующих разделах.

КАК ПРАВИЛЬНО ВЫБРАТЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Измерительные преобразователи могут принимать разные сигналы измерения (например, от термопреобразователей 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 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 могут 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.

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 электромагнитным помехам (ЭМП), электростатическим разрядам и радиочастотным помехам (РЧП).

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, обусловленную нелинейностью первичных преобразователей, чем обеспечивается намного более точное измерение.

Связи между изменение сопротивления термопреобразователя сопротивления и температурой называется его температурным коэффициентом сопротивления, ее часто также называют альфа-характеристикой термопреобразователя сопротивления. Измерительный преобразователь конфигурируется 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 зависимости. Так например, первичный преобразователь класса A имеет меньшее допустимое отклонение, чем первичный преобразователь класса B , и обеспечит более точное измерение.

Рисунок 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 2.4.2b.

Рисунок 2.4.2b - Зависимости э.д.с. термопары от температуры для распространенных типов термопар

 

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 процесс называется «компенсацией холодного спая» (КХС). КХС выполняется измерительным преобразователем 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 преобразователях используется изотермическая клеммная колодка (часто выполненная из меди) со встроенным прецизионным термистором, ТС или транзистором для измерения температуры колодки. См. рисунок 2.4.3a

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

Рисунок 2.4.3a - Компенсация температуры холодного спая

Заключение по устройству измерительного преобразователя

Интеллектуальный или микропроцессорный измерительный 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. 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 достаточно 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 промышленности 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 технология 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 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 соединительных коробках.

3.2 HART

Протокол HART (Highway AddressableRemote Transducer -магистральный адресуемый дистанционный измерительный 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 3.2a. Протокол HART принят во всем мире и используется очень широко.

Рисунок 3.2a - Подключение устройства HART

Использование HART вместе с сигналом 4-20 мА обеспечивает расширенные возможности 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 конфигурирования полевых устройств могут получать доступ ко всей этой информации, запрашивая ее у одного контрольно-измерительного прибора единовременно. Альтернативное 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.

3.3 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 открытая 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.

3.4 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, используется 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 используется для аналоговых сигналов управления технологическими 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.

3.5

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 самовосстанавливающуюся ячеистую архитектуру. См. рисунок 3.5a.

В настоящее время этот протокол использует ISM- диапазон 2,4 ГГц (диапазон радиосвязи, выделенный для промышленности, науки и медицины) в устройствах радиосвязи, соответствующих стандарту IEEE 802.15.4. Он обладает совместимостью с существующими системами HART и инструментами конфигурирования, что позволяет легко внедрять его при минимальном объеме обучения. Как и в случае вышеописанных устройств HART, системы РСУ и/или системы управления активами могут получить доступ к информации, содержащейся в сигнале HART, с помощью полевых устройств или систем ввода/ вывода, поддерживающих HART, и обрабатывать эту информацию.

Рисунок3.5a - Сеть на основе беспроводной связи HART

 

Такая связь особенно полезна в удаленных и труднодоступных местах на предприятии (удаленные резервуары для хранения или трубопроводы, например), где прокладка проводов на большие расстояния под/над подъездными дорогами и железнодорожными путями и т.д. стоила бы очень дорого. См. рисунок 3.5b.

Рисунок 3.5b - Установка удаленного устройства с беспроводной связью на трубопроводе

Заключение по выходным сигналам

Подводя итог, отметим, что измерительные преобразователи имеют три основных части. Входная часть обеспечивает аналого-цифровое преобразование аналогового сигнала от первичного преобразователя в цифровой сигнал, который поступает во вторую часть для

формирования сигнала и выполнения математических операций. В третьей части прошедший цифровую обработку сигнал вновь преобразуется в аналоговый сигнал в ЦАП для вывода на принимающее устройство. Конструкции высококачественных измерительных преобразователей имеют в своей основе многолетний опыт разработки. Эта та интеллектуальная собственность, которая выделяет их среди менее качественных изделий.

4. Эксплуатационные характеристики измерительного преобразователя

4.1 Факторы, влияющие на работу устройств измерения температуры

На работу системы измерения температуры влияет ряд факторов, касающихся представления результатов измерения температуры технологического процесса, включая точность, стабильность, внутренние условия, интеллектуальную фильтрацию, быстродействие и диагностику.

4.1.1 Точность

Точность системы измерения температуры - это степень близости результатов измерения температуры к фактическому (истинному) значению температуры.

4.1.2 Повторяемость

Повторяемость результатов системы измерения, которую также называют разбросом измерения - это степень, в которой повторные измерения при неизменных условиях показывают одинаковые результаты.

Например, контрольно-измерительный прибор может представлять одно и то же значение температуры каждый раз (при одних и тех же условиях измерения), но значение будет смещено относительно правильного значения. Это хорошая повторяемость, но не точность. Поэтому, идеальное измерение должно быть и точным, и иметь высокую повторяемость.

Те, кто знаком со стрельбой по мишеням, могли бы сказать, что стрелок может стрелять по мишени кучно (хорошая повторяемость), но не «в яблочко» (не точно). Идеальная ситуация, это когда пули ложатся кучно и «в яблочко». (Такой результат будет и точным, и повторяемым). См. рисунок 4.1.2a

Рисунок 4.1.2a - Точность и повторяемость

 

КАК ЛУЧШЕ ВСЕГО РАССЧИТАТЬ ТОЧНОСТЬ ВСЕЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ?

Наихудшая погрешность (Worst Case Error - WCE) - это наибольшая возможная ошибка, которую можно ожидать при предполагаемых условиях. Эти расчеты представляют собой суммирование необработанных значений эталонной точности, влияния цифровой обработки значений температуры и влияния температуры окружающей среды на входные и выходные сигналы.

Суммарная вероятная погрешность (Total Probable Error - TPE) - это расчетное значение, которое отражает вероятную погрешность системы измерительного преобразователя и первичного преобразователя на основании предполагаемых условий установки. Составляющие этого расчета включают в себя корень квадратный из суммы квадратов погрешностей нескольких измерительных преобразователей и первичных преобразователей.

 

4.1.3 Точность входного сигнала

Точность входного сигнала (которую также называют точностью цифрового сигнала) уникальна для каждого входа первичного преобразователя. Например, точность входного сигнала ТС составляет порядка +/- 0,1°C (0,18°F) в случае высококачественного измерительного преобразователя. Точность входного сигнала термопары зависит от типа термопары и может составлять от примерно +/-0,2°C (0,36°F) до +/-0,8°C (1,44°F). Существует много факторов, которые влияют на точность измерительного преобразователя, включая компенсацию температуры окружающей среды, компенсацию температуры холодного спая и выбор первичного преобразователя.

4.1.4 Точность выходного сигнала

Это заявленная точность каскада цифро-аналогового преобразования, указанная в % от диапазона сигнала. (обычно 0,02% от диапазона).

4.1.5 Компенсация температуры окружающей среды

Точность и входного, и выходного сигналов будет меняться вместе с колебаниями температуры окружающей среды измерительного преобразователя. Это называется влиянием температуры окружающей среды. Обычно погрешности 100-омного платинового ТС (а =0,000385)

на каждый °C изменения температуры окружающей среды составляют 0,0015°C (0,0027°F) для входа и 0,001% от диапазона для выхода. Эти погрешности определяются по сравнению с эталонной температурой окружающей среды (указанной изготовителем) 20°C (68°F). Термопары имеют аналогичные данные.

При изготовлении определяется характеристика измерительных преобразователей в их указанном рабочем диапазоне для компенсации этих колебаний и поддержания точности и стабильности измерения. Обычный диапазон температуры окружающей среды измерительного преобразователя составляет от -40 до 85°C (от -40 до 185°F).

4.2 Расчеты погрешности

Наихудшая погрешность (Worst Case Error - WCE) - это наибольшая возможная ошибка, которую можно ожидать при предполагаемых условиях. Эти расчеты представляют собой суммирование необработанных значений эталонной точности, влияния цифровой обработки значений температуры и влияния температуры окружающей среды на входные и выходные сигналы. Суммарная вероятная погрешность (TPE) - это корень квадратный из суммы квадратов нескольких факторов, которыми обусловлена погрешность и которые влияют на точность. Она определяется на основании предполагаемых условий установки.

4.2.1 Пример расчетов погрешности

В случае измерительного преобразователя HART 4-20 мА при использовании на входе первичного преобразователя Pt 100 (а =0,000385) с диапазоном 0-100°C, работающего при температуре окружающей среды 30°C (86°F), будет верно следующее: (при использовании стандартных данных погрешности, указанных выше в пп. 4.1.4 и 4.1.5 и имеющихся в листе технических данных изделия).

4.2.1.1 Влияние изменения температуры окружающей среды на цифровой сигнал (погрешность входного сигнала)

Погрешность входного сигнала

= (Влияние температуры окружающей среды) x (изменение температуры окружающей среды)

= (0,0015°C/°C) x (30°- 20°)

= 0,015°C (0,027°F)

4.2.1.2 Влияние изменения температуры окружающей среды на ЦАП (погрешность выходного сигнала)

Влияние ЦАП

= (Характеристика ЦАП измерительного преобразователя из листа технических данных) x (Диапазон температур) x (Изменение температуры окружающей среды)

= 0,001%/°C x Диапазон температур x (Темп. окр. среды - Расчетная темп.) °C

= 0,001%/°C x 100 °C x (30-20)°C = 0,001%/°C x 100 °C x 10°C = 0,01°C (0,018°F)

4.2.1.3 Наихудшая погрешность (WCE)

WCE

= Погрешность цифрового (входного) сигнала + Точность ЦАП (выходного сигнала)

+ Влияние изменения температуры окружающей среда на цифровой сигнал температуры

+ Влияние изменения температуры окружающей среда на ЦАП = Погрешность входного сигнала + Погрешность выходного сигнала + Влияние изменения температуры окружающей среда на вход + Влияние изменения температуры окружающей среда на выход

= 0,1°C + (0,02% от диапазона/ °C) (100°C) + 0,015 + 0,01

= 0,1°C + 0,02°C + 0,015°C + 0,01°C = 0,145°C (0,261°F)

4.2.1.4 Суммарная вероятная погрешность (TPE)

(В случае диапазона 100 °C и при использовании технических характеристик из типового листа технических данных изделия)

TPE

= √ (Указанная точность цифрового входного сигнала измерительного преобразователя)² + (Указанная погрешность выходного сигнала (ЦАП))² + (Влияние изменения температуры окружающей среды на входной сигнал)² + (Влияние изменения температуры окружающей среды на выходной сигнал)² = √ (Цифровой сигнал)² + (ЦАП)² + (Влияние на цифр. сигнал)² + (Влияние на ЦАП)²°C = √ (0,1)² + (0,02)² + (0,015)² + (0,01)² °C = 0,1 °C (0,18 °F)

4.3 Факторы, влияющие на точность, которые связаны с первичным преобразователем

4.3.1 - При использовании термопары решающее влияние на точность измерения температуры оказывает компенсация холодного спая (КХС). Поскольку точность КХС зависит в основном от точности измерения эталонной температуры, для определения этой температуры обычно используется прецизионный термистор или платиновый ТС.

4.3.2 - Правильные выбор, калибровка и установка узла первичного преобразователя - другие важные составляющие точности системы измерения. Все первичные преобразователи имеют определенную присущую им неточность или смещение относительно идеальной теоретической рабочей характеристики. Для описания этого используют термин «взаимозаменяемость» первичных преобразователей. Измерительные преобразователи способны компенсировать это смещение, предоставляя пользователю возможность проводить настройки согласно заводским характеристикам первичных преобразователей, которые хранятся в памяти измерительного преобразователя, путем изменения в

цифровой форме закона, по которому измерительный преобразователь интерпретирует входной сигнал от первичного преобразователя. Заводские калибровки также могут проводиться либо по трем, либо по пяти точкам. Подробнее см. главу «Калибровка».

4.3.3 Согласование измерительного преобразователя и первичного преобразователя

Более точная компенсация погрешностей термопреобразователя сопротивления обеспечивается согласованием первичного преобразователя и измерительного преобразователя с помощью уравнения Календар-Ван-Дю-Зена (CVD), запрограммированного в измерительном преобразователе заводом-изготовителем. Это уравнение описывает зависимость сопротивления от температуры платиновых термопреобразователей сопротивления (ТС). Процесс согласования дает пользователю возможность ввести в измерительный преобразователь четыре постоянных Календар- Ван- Дюзена (CVD) для конкретного первичного преобразователя. Измерительный преобразователь использует эти постоянные конкретного первичного преобразователя при решении уравнения CVD для согласования измерительного преобразователя с конкретным первичным преобразователем, тем самым обеспечивая превосходную точность измерения. Повышение точности при согласовании первичного преобразователя обычно составляет 7:1. Более полное описание см. в главе о первичных преобразователях и на рисунке 4.3.3a.

Рисунок 4.3.3a - Сравнение точности системы с функцией согласования первичного преобразователя и измерительного преобразователя и без нее

5. Стабильность

Стабильностью называют способность измерительного преобразователя избегать дрейфа показаний для поддержания точности в течение длительного времени. Она связана с сигналом измерения первичного преобразователя, на который может влиять влажность и длительное воздействие повышенных температур. Стабильность обеспечивается путем использования эталонных элементов в измерительном преобразователе, с которыми сравнивается входной сигнал первичного преобразователя. У изготовителей высококачественных измерительных преобразователей, чтобы повысить точность и стабильность, для каждого измерительного преобразователя строится температурная характеристика, чтобы компенсировать зависимость от температуры ЦАП и АЦП с целью повышения точности и стабильности.

Стабильность часто указывается в процентах от показания или в виде ожидаемого максимального изменения измеряемой температуры в °C или °F за указанный период времени для каждого типа первичных преобразователей. Обычно данные указываются для периода в 1 год, 2 года или 5 лет. Например: 0,25% от показания или 0,25°C (0,45°F) в течение 5 лет (в зависимости о того, которое из значений больше) является типичным показателем стабильности для ТС, а 0,5% от показания или 0,5°C (0,9°F) в течение 5 лет (в зависимости о того, которое из значений больше) является типичным показателем стабильности для термопар. Периоды калибровки измерительного преобразователя в случае высококачественных интеллектуальных измерительных преобразователей могут быть увеличены соответствующим образом. Рисунок 5a.

Совет: Вышеприведенное определение стабильности касается работы измерительного преобразователя и не охватывает сам первичный преобразователь. Обычно считается, что качественно изготовленный ТС имеет высокую стабильность и с течением времени не демонстрирует существенного ухудшения работы. Однако даже качественно изготовленная термопара будет работать заметно хуже с течением времени, а при высоких температурах это ухудшение произойдет намного быстрее.

Рисунок 5a - Сравнение стабильности интеллектуальных и обычных измерительных преобразователей

 

6. Варианты и функции интеллектуальной фильтрации

На большинстве предприятий скачки напряжения, обусловленные грозовыми разрядами или другими статическими разрядами - это обычное явление, также как и всплески и провалы напряжения в сети электропитания. Возможны также другие неблагоприятные условия окружающей среды, обусловленные вибрацией, высокой влажностью, высокой или низкой температурой окружающей среды и коррозионной атмосферой и т.д., которые могут отрицательно сказаться на работе измерительного преобразователя. К счастью многие изготовители предусматривают в конструкциях своих изделий средства и варианты конфигурации, позволяющие справиться с этими проблемами и помогающие обеспечить надежное измерение температуры. Многие из них рассматриваются ниже.

6.1 Демпфирование

Демпфирование - это время, которое требуется в дополнение к времени обновления, чтобы сигнал на выходе достиг 63,2% своего окончательного значения после подачи ступенчатого воздействия на вход. См. рисунок 6.1a. Оно регулируется в пределах от 1 до 32 секунд. Демпфирование снижает влияние электрических шумов и всех других незначительных шумов переходных процессов, которые могут повлиять на выходной сигнал измерительного преобразователя. Его часто используют для стабилизации контуров регулирования и предотвращения ложных срабатываний. При отсутствии электрических шумов или шумов переходных процессов демпфирование может и не потребоваться, так как изменения температуры в большинстве технологических процессов медленные и имеют собственное время запаздывания реакции первичного преобразователя из- за инерции защитной гильзы и т.д. Кроме того, в случае быстро меняющихся условий технологического процесса или для того, чтобы определять условия выхода процесса из-под контроля как можно быстрее, демпфирование следует свести к минимуму.

Рисунок 6.1a - Характеристика демпфирования

 

6.2 Задержка сигнала обрыва первичного преобразователя

Дополнительная функция задержки сигнала обрыва первичного преобразователя обнаруживает ложное состояние обрыва цепи первичного преобразователя и выполняет расчеты, чтобы определить, когда измерительный преобразователь должен отправить сигнал в систему управления. Например, измерительный преобразователь определяет, действительно ли произошло размыкание цепи первичного преобразователя, или высокое напряжение переходного процесса, например, при грозовом или электростатическом разряде, вызвало появление ложного состояния обрыва первичного преобразователя. Чтобы избежать ненужных аварийных сигналов и возможных нарушений управления технологическим процессом, установленное значение температуры продолжает отправляться, пока измерительный преобразователь не выявит истинный источник данного состояния, и соответствующие действия в случае отказа предпринимаются только после того, как состояние отказа первичного преобразователя действительно подтверждено. См. рисунок 6.2a.

Рисунок 6.2a - Задержка сигнала обрыва первичного преобразователя

 

6.3 Фильтр переходных процессов

Функция фильтра переходных процессов распознает такие условия, как вибрация или среда с высоким уровнем шума, которые могут привести к неправильным кратковременным показаниям температуры, и удаляет эти показания. Отбрасывание этих значений температуры предотвращает прерывание сигнала первичного преобразователя, и продолжается передача последнего известного достоверного значения температуры, что позволяет избежать возможного появления условия аварийной остановки или нарушения технологического процесса. См. рисунок 6.3a

Рисунок 6.3a - Фильтр переходных процессов

 

6.4 Компенсация э.д.с.

В контурах измерения температуры, в которых используются ТС, в проводах первичных преобразователей возможно наведение небольших напряжений, называемых термо э.д.с., которые увеличивают эффективное сопротивление и приводят к ложным показаниям температуры. В измерительных преобразователях Rosemount используется запатентованная компенсация э.д.с. компании Emerson, с помощью которой контролируются контуры датчиков ТС и осуществляется компенсация нежелательных термо э.д.с. В результате такие измерительные преобразователи дают более точные и достоверные значения температуры.

6.5 Фильтр сетевого напряжения

Сигналы первичных преобразователей с низкой амплитудой легко подвергаются влиянию шумов от находящихся рядом источников переменного напряжения с частотой 50 или 60 Гц, таких как насосы, частотно-регулируемые приводы или линии электросети. Если его не распознать и не удалить, этот шум может испортить выходной сигнал измерительного преобразователя. Фильтр сетевого напряжения измерительного преобразователя можно настроить на 50 или 60 Гц для защиты измерений температуры от помех переменного напряжения сети и отфильтровывания этих помех, что позволяет обеспечить точные показания температуры. Проверьте напряжение сети, которое используется в стране, где предполагается устанавливать измерительный преобразователь. См. рисунок 6.5a

Рисунок 6.5a - Напряжение сети, используемое в странах мира

 

6.6 Функция Hot Backup

Функция Hot Backup® (горячее резервирование) - это способность измерительного преобразователя автоматически переключать вход измерительного преобразователя с основного первичного преобразователя на резервный первичный преобразователь в случае отказа основного первичного преобразователя. Это предотвращает прерывание технологического процесса из-за отказа основного первичного преобразователя. В этом случае также формируется сигнал о необходимости технического обслуживания, чтобы известить операторов о том, что первичный преобразователь отказал и функция Hot Backup® приведена в действие. Таким образом важное измерение температуры не прекращается и управление не прерывается. См. рисунок 6.6a.

Рисунок 6.6a - Функция Hot Backup предотвращает прерывание управления технологическим процессом из-за отказа основного первичного преобразователя

Совет: Подробнее о применениях функции резервирования с использованием двух одиночных первичных преобразователей см. «Выбор и установка правильных компонентов системы измерения температуры», п. 42.

6.7 Сигнал предупреждения о дрейфе показаний первичного преобразователя

Сигнал предупреждения о дрейфе показаний первичного преобразователя извещает систему управления об ухудшении первичного преобразователя, которое вызывает смещение его сигнала измерения относительно фактического значения, что снижает достоверность измерения. С помощью двух первичных преобразователей на входе контролируется разница между двумя первичными преобразователями. Если разница становится больше значения, введенного пользователем, измерительный преобразователь отправляет сигнал, указывающий на наличие дрейфа показаний первичного преобразователя. См. рисунок 6.7a

Рисунок6.7a - Сигнал предупреждения о дрейфе показаний первичного преобразователя указывает на ухудшение работы первичного преобразователя

 

6.8 Ухудшение работы термопары

Функция контроля ухудшения работы термопары постоянно контролирует сопротивление контура термопары. Если сопротивление становится выше определенного заданного уровня, формируется сигнал, предлагающий заменить первичный преобразователь. Ухудшение работы термопары может быть вызвано истончением проволок, поломкой первичного преобразователя, попаданием влаги или коррозией, и может указывать на возможный отказ первичного преобразователя. Выявление такого ухудшившегося состояния до полного отказа термопары может предотвратить незапланированные аварийные остановки технологического процесса и избежать затрат, связанных с дорогостоящими неплановыми остановками.

6.9 Отслеживание минимальных-максимальных значений

Используйте функцию отслеживания минимальных-максимальных значений для проверки температуры установки или для поиска и устранения проблем, ведущих к снижению качества. Эта функция регистрирует значения как температуры технологического процесса, так и температуры окружающей среды. Это дает пользователю возможность убедиться в том, что внутренняя температура измерительного преобразователя не вышла за рекомендованные пределы на тех участках, где имеют место значительные колебания температуры среды, окружающей измерительный преобразователь. Эксплуатация измерительного преобразователя при температуре выше его указанной в документации максимальной рабочей температуры может привести к преждевременному отказу и/или недостоверным выходным сигналам. Эксплуатация его при температуре ниже его номинальной температуры окружающей среды может привести к снижению точности. Функция отслеживания минимальных-максимальных значений также используется для записи минимальных и максимальных температур первичных преобразователей и разностей этих температур, что может оказаться полезным при поиске и устранении проблем с качеством продукции, позволяя установить, поддерживались ли оптимальные температуры в ходе производства.

СОВЕТ: Эта функция может оказаться очень полезной для документирования работы измерительного преобразователя, используемого в контуре противоаварийной защиты.

7. Соответствие требованиям к ЭМП

Измерительные преобразователи рассчитаны на то, чтобы выдерживать и снижать влияние электромагнитных помех (ЭМП). Это включает в себя использование экранированных печатных плат, экранированных корпусов, надлежащее проектирование схем и правильный выбор комплектующих. Качественный измерительный преобразователь обеспечивает высокий уровень электромагнитной совместимости (ЭМС), тогда как более дешевые измерительные преобразователи могут иметь меньшие уровни ЭМС.

В отдельных странах часто действуют законы, требующие соответствия национальным или международным стандартам. В разных странах может требоваться соответствие различным стандартам.

Так, например, согласно европейскому законодательству изготовителям электронных устройств рекомендуется проводить испытания ЭМС, чтобы иметь возможность маркировать свои изделия значком «CE».

8. Диагностика

Измерительные преобразователи часто оснащаются средствами диагностики. Существуют средства внутренней диагностики, которые контролируют память измерительного преобразователя и достоверность выходного сигнала. Существуют также средства внешней диагностики, которые проверяют первичный преобразователь.

На основании этих процессов диагностики измерительные преобразователи формируют либо сигналы предупреждения, либо аварийные сигналы.

Сигналы предупреждения связаны с диагностикой таких состояний, которые не влияют на способность измерительного преобразователя формировать на выходе правильный сигнал измерения и поэтому не прерывают вывода сигнала 4-20 мА. Примером может служить «Выход за допустимые пределы параметра технологического процесса». См. рисунок 8a. Аварийные сигналы связаны с диагностикой состояний, которые влияют на способность измерительного преобразователя формировать на выходе правильный сигнал измерения. Обнаруженные аварийные сигналы переводят выход измерительного состояния либо в состояние высокого уровня сигнала, либо в состояние низкого уровня сигнала, в зависимости от выбора, сделанного пользователем.

Сигналы предупреждения и аварийные сигналы могут считываться на локальный индикатор (если так указано), на полевой коммуникатор или в систему контроля, совместимую с HART, например, систему управления активами.

Рисунок 8a - Конфигурируемые сигналы предупреждения изменений технологического процесса

 

8.1 Внутренняя диагностика

Средства внутренней диагностики выполняют внутренние проверки с целью выявления поврежденных участков памяти. Они также проверяют, нет ли ошибочных фиксированных выходных сигналов из-за того, что обработка сигналов в измерительном преобразователе вошла в режим бесконечных циклов. Многие из функций внутренней диагностики являются предметом интеллектуальной собственности изготовителей измерительных преобразователей.

8.2 Внешняя диагностика

Средства внешней диагностики контролируют аспекты достоверности измерения, связанные с внешними источниками, такими как подключение проводов первичных преобразователей, помехи, воздействующие на первичный преобразователь, и отказ первичного преобразователя.

8.3 Диагностика обрыва/короткого замыкания цепи первичного преобразователя

Функция диагностики обрыва/короткого замыкания цепи первичного преобразователя выявляет состояние обрыва цепи первичного преобразователя или короткого замыкания в цепи подключения первичного преобразователя и формирует аварийный сигнал. Обрыв цепи первичного преобразователя может быть вызван ударным воздействием, вибрацией, коррозией, истончением проводов или износом. Короткое замыкание в цепях первичных преобразователей может быть результатом вибрации, изгиба проводов или загрязнения. Обрыв и короткое замыкание цепей первичных преобразователей - это наиболее часто встречающиеся состояния неисправности первичных преобразователей. Эта диагностика полезна при определении причины отказа точки измерения.

Совет: Эта возможность может оказаться очень полезной в системах с высоким уровнем вибрации, где отказы первичных преобразователей случаются чаще.

8.4 Диагностика достоверности измерения

8.4.1 Сигнализация об отклонении

Перед отказом первичный преобразователь демонстрирует признаки ухудшения работы, такие как повышенный уровень шума в сигнале, который часто приводит к неточным показаниям в рамках шкалы. Диагностика достоверности измерения - это диагностика, которая может обеспечить подтверждение достоверности данных измерения температуры, гарантируя выявление отклонений технологического процесса и измерения от штатных условий до того, как произойдет отказ первичного преобразователя. Функция диагностики достоверности измерения контролирует шум в сигнале и использует его для расчета значения отклонения, указывающего величину шума, которая сравнивается с установленным пользователем пороговым уровнем формирования сигнала предупреждения. Если этот пороговый уровень превышен, пользователь извещается об этом, что дает ему возможность предпринять соответствующие действия. Диагностика достоверности измерения также может помочь обнаружить неисправности, когда показание находится в пределах шкалы, связанные с ослаблением или коррозионным поражением соединений, высоким уровнем вибрации и помех электронному оборудованию, которые могут вносить свой вклад в увеличение шума в сигнале.

8.4.2 Сигнализация о недопустимой скорости изменения

Помимо обнаружения неисправностей, не приводящих к выходу результатов измерения за пределы шкалы, и проверки достоверности результатов измерений, функция диагностики достоверности измерения также выполняет расчет скорости изменения, результаты которого можно использовать для выявления чрезмерно быстрых изменений температуры, которые могут указывать на состояние аварийного разгона еще до выполнения условий формирования аварийных сигналов.

8.5 Журнал диагностики

Функция регистрации результатов диагностики измерительного преобразователя сохраняет расширенную диагностическую информацию между перезапусками устройств, такую как причины перехода измерительного преобразователя в состояние аварийной сигнализации, даже если это состояние в дальнейшем исчезло. Например, если измерительный преобразователь обнаруживает обрыв в цепи первичного преобразователя из-за ослабления клеммного подключения, измерительный преобразователь переходит в состояние аварийной сигнализации. Если вибрация провода приводит к тому, что появляется хороший контакт в месте соединения, измерительный преобразователь выходит из состояния аварийной сигнализации. Такой вход и выход в/из состояния аварийной сигнализации затрудняет определение причины проблемы.

Но функция регистрации диагностических данных сохраняет информацию о том, что привело к переходу измерительного преобразователя в режим аварийной сигнализации, и экономит время, которое тратится на устранение проблемы. Эту информацию можно получить с помощью полевого коммуникатора и/или из системы управления активами. См. рисунок 8.5a

Рисунок 8.5a - Типичный журнал диагностических данных

 

9. Быстродействие

Есть несколько аспектов, которые следует принимать во внимание при анализе быстродействия системы измерения температуры. В большинстве случаев быстродействие узла «первичный преобразователь /защитная гильза» достаточно высоко, чтобы стать ограничивающим фактором какой-либо системы.

Существуют времена задержки, связанные с самим первичным преобразователем и с защитной гильзой, в которую он вставлен, и эти времена обычно значительные. Подробнее о быстродействии первичного преобразователя см. главу «Первичные преобразователи». Проблема чувствительности измерительного преобразователя к шумам и фильтрации переходных процессов решается путем регулирования демпфирования, которое регулируется в диапазоне от 1 до 32 секунд, и функциональными возможностями и настройкой алгоритма контроля фильтра переходных процессов. Об изменениях температуры технологического процесса, которые меньше порога, установленного в алгоритме, система будет сообщать без задержки.

Если измерительный преобразователь применяется в системах противоаварийной защиты (ПАЗ), его быстродействие (время реагирования) считается равным 5 секундам.

Стандартное время обновления данных измерительного преобразователя составляет 0,5 секунды.

Следует также учитывать требования к быстродействию контура регулирования. В случае быстро меняющихся технологических процессов алгоритм регулирования требует более частых обновлений данных, чем в случае медленно меняющихся технологических процессов. Быстродействие измерительного преобразователя, плюс его демпфирование, должны быть в допустимом интервале.

10. Виды измерительных преобразователей; варианты соединительных головок, корпусов и монтажа

Имеется широкий выбор вариантов монтажа измерительных преобразователей, которые определяются условиями технологического процесса в точке измерения, стандартами предприятия и предпочтениями пользователя. См. рисунок 10a

Рисунок 10a - Семейство измерительных преобразователей

 

Методический подход к анализу всех связанных с этим выбором факторов вероятнее всего позволит сделать наилучший выбор. Ниже приведены несколько примеров вопросов, на которые необходимо ответить, чтобы правильно направить процесс выбора.

• Находится ли ожидаемая температура окружающей среды в месте измерения в пределах, указанных в технических характеристиках измерительного преобразователя?

• Доступно ли место измерения?

• Требуется ли локальная индикация температуры? Где оператор может видеть индикатор?

• Нет ли высокого уровня вибрации в точке измерения?

• Каков класс зоны установки? Какой орган занимается сертификацией?

• Требуется ли искробезопасное исполнение оборудования на данном предприятии?

• Есть ли вблизи точки измерения источники ЭМП, РЧП или электрических переходных процессов?

• Связано ли измерение с системой ПАЗ?

• Есть ли гигиенические требования к установке?

• Есть ли коррозионная среда?

Совет: Во многих случаях обследование производственной площадки и консультации с технологами и эксплуатационным персоналом значительно облегчают выбор.

Самыми распространенными видами монтажа являются следующие::

• Монтаж в головке

• Полевой монтаж или монтаж в корпусе с двумя отсеками

• Монтаж на рейке

10.1 Монтаж в соединительной головке

Измерительные преобразователи, монтируемые в соединительной головке - это компактные измерительные преобразователи, имеющие форму диска, которые чаще всего смонтированы в соединительной головке, которая, в свою очередь, может быть смонтирована на объекте. Наиболее распространенными видами являются DIN A и DIN B, которые слегка отличаются размерами и способом монтажа. Но расстояние между монтажными винтами в обоих случаях одно и то же. См. рисунок 10.1a.

Рисунок 10.1a - Варианта монтажа в головке DIN A и DIN B

Обычно такие изделия монтируются в корпусах с одним отсеком, таких как соединительные головки первичных преобразователей или соединительные коробки.

Рисунок 10.1b и рисунок 10.1c Они могут быть смонтированы как единое целое с первичным преобразователем или удаленно от первичного преобразователя. В случае монтажа вместе с первичным преобразователем корпус измерительного преобразователя навинчивается прямо на узел первичного преобразователя / защитной гильзы. В случае удаленного монтажа измерительный преобразователь устанавливается в корпусе на трубе или другой опоре вблизи узла первичного преобразователя.

Рисунок 10.1b - Узел измерительного преобразователя, монтируемого в головке

Рисунок 10.1с - Покомпонентное изображение узла, монтируемого в головке

Необходимо отметить, что корпуса с одним отсеком могут допускать попадание влаги или иных загрязнений внутрь при ненадлежащем образом загерметизированных соединениях кабельных вводов. Воздействие таких загрязнений на клеммную колодку или электронные компоненты может стать причиной повреждения измерительного преобразователя.

10.2 Корпус с двумя отсеками

Корпуса измерительных преобразователей с двумя отсеками, которые часто называют корпусами полевого монтажа - это корпуса, состоящие из двух частей, в которых модуль электроники измерительного преобразователя изолирован от отсека клеммной колодки, чтобы защитить его от воздействия суровых условий окружающей среды на предприятии. В клеммном отсеке находятся клеммы и устройства подключения для проверки датчика и сигнальных проводов, в нем обеспечивается доступ к клеммной колодке для подключения проводки и технического обслуживания, при этом электронные компоненты измерительного преобразователя остаются изолированными.

Во втором отсеке находится модуль электроники, который может быть снабжен индикатором. Вся влага или другие загрязнения, которые могут попадать в корпус через соединения кабельного канала, остаются в клеммном отсеке и не попадают на электронные компоненты, что существенно снижает опасность повреждения измерительного преобразователя вследствие воздействия окружающей среды. Другим преимуществом является повышенная стойкость электронных компонентов к ЭМП и РЧП, которые могут распространяться по проводам. См. рисунок 10.2a

Рисунок 10.2a - Корпус с двумя отсеками

Измерительные преобразователи в корпусе с двумя отсеками могут монтироваться непосредственно на узел первичного преобразователя или удаленно на трубе или другой опоре вблизи первичного преобразователя. Удаленный монтаж может быть необходим в тех случаях, когда точка измерения недоступна или когда условия технологического процесса не дают возможности установить измерительный преобразователь непосредственно на первичный преобразователь . См. рисунок 10.2b.

Рисунок 10.2b - Измерительные преобразователи в корпусах с двумя отсеками

 

Измерительный преобразователь сохраняет заявленные технические характеристики при температуре окружающей среды от -40 до 85 °C (от -40 до 185 °F). Поскольку тепло технологического процесса передается от защитной гильзы в корпус измерительного преобразователя, то в тех случаях, когда ожидаемая температура технологического процесса близка к предельным значениям для преобразователя или превышает их, следует применить дополнительную термоизоляцию защитной гильзы, удлинительный патрубок или установить преобразователь дистанционно, чтобы изолировать его от технологической среды. См. рисунок 3.2.10.2c.

СОВЕТ: Хотя установка измерительного преобразователя непосредственно на первичном преобразователе всегда повышает стойкость к помехам, потому что соединительные выводы не подвергаются воздействию шумов, имеющихся на предприятии, определяющими факторами при выборе места монтажа обычно являются доступность точки измерения, воздействие окружающей среды, например, высокая температура или коррозионная среда в точке измерения, обеспечение возможности просмотра оператором индикатора и / или простота доступа для проведения технического обслуживания

Рисунок3.2.10.2c - Удаленный монтаж

 

10.3 Монтаж на рейке

Измерительные преобразователи, монтируемые на рейке - это тонкие измерительные преобразователи прямоугольной формы, которые обычно крепятся к рейке DIN (несимметричной, типа G, или симметричной, типа «top-hat») или крепятся прямо на поверхность. Это позволяет реализовать компактную установку с высокой

плотностью установленных приборов, при которой ряд измерительных преобразователей, монтируемых на рейке, можно установить очень близко друг к другу на одной и той же рейке DIN. В отличие от измерительных преобразователей полевого монтажа, монтаж на рейке DIN не рассчитан ни на работу в суровых условиях окружающей среды, ни на работу в зонах, где требуется взрывозащищенность. См. рисунок 10.3a.

Рисунок 10.3a - Измерительные преобразователи для монтажа на рейке

Такие измерительные преобразователи, монтируемые на рейке, обычно располагаются в местах с мягкими или контролируемыми условиями окружающей среды в диспетчерской или рядом с ней, где удобно проводить их техническое обслуживание и где они удалены от жестких условий технологического процесса. Но если измерительные преобразователи, монтируемые на рейке, устанавливаются вблизи системы управления, провода выводов первичного преобразователя обычно получаются длинными, что делает такие установки намного более чувствительными к электромагнитным помехам (ЭМП) и радиочастотным помехам (РЧП). Другим вариантом монтажа на рейке является многоканальный измерительный преобразователь, монтируемый на рейке. Один или несколько таких приборов могут быть смонтированы в полевом кожухе. См. рисунок 10.3b.

Рисунок 10.3b - Многоканальные измерительные преобразователи, монтируемые на рейке

Совет: Хотя использование измерительных преобразователей, монтируемых на рейке, может иметь некоторое преимущество с точки зрения стоимости измерительных преобразователей, дополнительные расходы на прокладку соединительных проводов (4 проводника в случае ТС и удлинительный провод в случае термопар), возможное ухудшение рабочих характеристик из-за ЭМП и РЧП и дрейф показаний в случае соединительных проводов выводов термопар, из-за износа соединительных проводов вполне может буть оправдано использование гораздо более надежных моделей измерительных преобразователей полевого монтажа.

Это особенно правомерно в случае измерений, где требуется высокая точность/ высокая стабильность, и в случае установки приборов в средах с высоким уровнем шумов или с источниками электрических помех.

10.4 Корпуса, отвечающие гигиеническим требованиям

При применении измерительных преобразователей в биотехнологических процессах, в пищевой промышленности и при производстве напитков, а также в фармацевтической промышленности, зачастую требуется использование соединительных головок и корпусов, отвечающих гигиеническим требованиям. Обычно они изготавливаются из нержавеющей стали и герметизируются, их можно мыть и стерилизовать, что обычно требуется в этих отраслях. Поверхности обычно подвергаются чистовой обработке полированием с шероховатостью по классу 32 RMA.

Такие корпуса могут либо монтироваться в головке, либо устанавливаться удаленно, и могут быть оснащены средствами индикации и конфигурирования полевого оборудования. См. рисунок 10.4a.

Рисунок10.4a - Измерительный преобразователь с корпусом, отвечающим гигиеническим требованиям

 

Заключение по вариантам соединительных головок, корпусов и монтажа

В заключение отметим, что существует множество факторов, которые необходимо учитывать при выборе оптимального варианта монтажа и корпуса. Поскольку отрезок соединительного кабеля от входов первичного преобразователя или выходов работает как антенна, принимающая ЭМП и РЧП, измерительный преобразователь, установленный непосредственно на первичный преобразователь, почти всегда является лучшим вариантом. Однако, как указано выше, факторы воздействия условий окружающей среды и доступность индикаторов для просмотра показаний и т.д. могут заставить отдать предпочтение вариантам удаленного монтажа. В некоторых проектах предпочтение отдается монтажу на рейках с высокой плотностью установки приборов. В суровых условиях окружающей среды на объектах корпус с двумя отсеками намного превосходит корпус с одним отсеком с точки зрения защиты от воздействия влажности, попадания влаги или иных загрязнений. Дополнительные указания см. в главе 4, «Проектирование и расчет».

11. Варианты измерительных преобразователей

Существует большое количество разнообразных вариантов дополнительного оборудования и функций измерительных преобразователей, которые могут облегчить их использование, установку, калибровку и техническое обслуживание. Ниже описываются наиболее широко применяемые и рекомендуемые варианты.

11.1 Двухканальные и многоканальные варианты измерительных преобразователей

Как было указано в п. 2.3, многие измерительные преобразователи допускают вариант с двумя входами, которые могут использоваться для резервирования с помощью функции переключения Hot Backup®, контроля дрейфа, измерения разности температур или контроля ухудшения параметров термопар.

Другие модели рассчитаны на прием до 4 или 8 входных сигналов от отдельных первичных преобразователей, при этом для каждого входа имеется свой выходной сигнал. Такие измерительные преобразователи можно использовать для измерений с высокой плотностью точек измерения, например, для построения графиков распределения температур в установках..

11.2 Локальный индикатор

Многие модели могут быть оснащены жидкокристаллическим индикатором (ЖКИ), который устанавливается с лицевой стороны измерительного преобразователя. Существует два типа: стандартный и локальный интерфейс оператора.

11.2.1 Стандартный ЖКИ

Стандартные ЖКИ показывают измеряемую температуру, диапазон, технические единицы измерения, состояние устройства, сообщения об ошибках и диагностические сообщения. См. рисунок 11.2.1a.

Рисунок 11.2.1a - Измерительный преобразователь в корпусе с двумя отсеками с ЖКИ

 

11.2.2 Индикатор локального интерфейса оператора (LOI)

Интерфейс LOI обеспечивает возможность локального конфигурирования устройства, чтобы вносить изменения в реальном времени, не подключая ноутбук или полевой коммуникатор. Кнопки LOI используются для решения задач конфигурации с помощью меню конфигурационной информации. Когда LOI не используется для конфигурирования, на индикатор выводится та же информация, что и на стандартный ЖКИ. См. рисунок 11.2.2a.

Рисунок11.2.2a - Измерительный преобразователь, монтируемый в головке, с интерфейсом LOI

Типичное конфигурационное меню

• Тип первичного преобразователя

• Значение, соответствующее 4 мА

• Значение, соответствующее 20 мА

• Единицы измерения

• Демпфирование

• Аварийный режим / режим насыщения

• Частота фильтра сетевого напряжения

11.3 Защита от переходных процессов

Большинство высококачественных измерительных преобразователей обычно защищены встроенными устройствами электрической развязки от возможного повреждения наводимым напряжением, которое могут создавать сварочные аппараты, пускатели электродвигателей, грозовые разряды, коммутационные устройства и непреднамеренное подключение к линиям электропитания с напряжением до 500 - 700 В перем. тока.

Но грозовые разряды и другие наводимые переходные повышенные напряжения могут вызывать всплески и броски напряжения гораздо более высокого уровня. Дополнительная защита принимающих устройств может быть мудрым инвестиционным решением при установке устройств на участках с повышенной опасностью возникновения переходных процессов. Многие измерительные преобразователи оснащаются средствами подавления переходных процессов, которые могут быть встроены в клеммную колодку в корпусе. Для других измерительных преобразователей можно использовать внешние устройства защиты. См. рисунок 11.3a.

Для переходных процессов, возникающих при грозовых разрядах, неявляется необычным распространение до измерительного преобразователя и последующее отражение обратно к принимающему устройству. Такая ситуация может потребовать дополнительных внешних устройств у приемного устройства.

СОВЕТ: Внешние устройства подавления для полевого монтажа могут не иметь сертификации взрывозащищенности регулирующих органов. Для применения в таких условиях рекомендуется использовать измерительный преобразователь со встроенным устройством подавления переходных процессов.

СОВЕТ: На предприятиях, где высок риск появления переходных процессов, имеет смысл рассмотреть возможность защиты всех важных контрольно-измерительных приборов и устройств управления.

Рисунок 11.3a - Устройство подавления переходных процессов в клеммной колодке

 

12. Измерительные преобразователи, имеющие сертификацию безопасности

Стандарт безопасности IEC 61511 определяет систему противоаварийной защиты (ПАЗ) как систему, реализованную с помощью контрольно-измерительной аппаратуры, которая используется для выполнения одной или нескольких функций противоаварийной защиты. Система ПАЗ состоит из того или иного сочетания первичных преобразователей (измерительных преобразователей), логических вычислителей и исполнительных элементов. Измерительный преобразователь, используемый для выполнения функции противоаварийной защиты в системе ПАЗ, должен отвечать определенным критериям конструкции и технических характеристик и должен быть сертифицирован для использования в соответствии со стандартом IEC 61508.

Например, изготовитель может указать: «Сертификация: 3144P сертифицирован на соответствие IEC61508 при использовании в качестве одиночного измерительного преобразователя в системе противоаварийной защиты уровня до SIL 2 и в качестве резервного измерительного преобразователя в системах противоаварийной защиты уровня до SIL 3. Программное обеспечение можно использовать в системах с уровнем защиты до SIL 3.» Процесс сертификации проводится сторонним уполномоченным органом. (например, TUV ). Измерительный преобразователь будет имееть хорошо заметную желтую табличку. См. рисунок 13b в п. 13.

Совет: Функции противоаварийной защиты (ФПЗ) в ходе анализа рисков присваивается уровень совокупной безопасности (Safety Integrity Level - SIL). При проведении расчета на соответствие уровню SIL все компоненты ФПЗ рассматриваются в совокупности. Результатом является то, что даже несмотря на то, что измерительный преобразователь сертифицирован по уровню до SIL 2 при использовании в качестве одиночного устройства, ограничения первичного преобразователя и клапана обычно требуют применения резервированной конфигурации, чтобы выполнить требования уровня SIL 2.

В качестве альтернативы пользователь, по своему усмотрению, может использовать в системе ПАЗ устройство, которое не сертифицировано, но имеет длительную историю безопасной эксплуатации (т.н., «проверенное эксплуатацией» устройство). Такой вариант требует, чтобы пользователь имел подробные данные об отказах статистически значимой выборки устройств такой же модели, эксплуатирующихся в аналогичных условиях. Должны быть предоставлены записи, подтверждающие наработку в часах, условия эксплуатации, тип и частоту отказов. При этом переход на новые модели поставщиков может потребовать начать отсчет времени сбора данных заново.

Наиболее оптимальный подход показывает, что проектирование системы на основе сертифицированных по IEC 61508 приборов позволяет исключить трудоемкий и дорогостоящий процесс сбора данных для устройств, проверенных эксплуатацией. Следует отметить, что многие поставщики предлагают одно и то же базовое изделие и для управления технологическим процессом, и для систем противоаварийной защиты. Преимущество использования тех же моделей устройств, что используются в основной системе управления технологическим процессом (основная АСУ ТП), заключается в том, что уже имеются данные об опыте их установки и эксплуатации, а также имеется запас запасных частей.

13.Маркировка

Каждый контрольно-измерительный прибор, устанавливаемый в качестве функциональной части системы управления, имеет уникальный идентификационный номер. Часто пользователи хотят иметь стойкую к коррозии табличку с номером, прикрепленную на постоянной основе к измерительному преобразователю. См. рисунок 13a.

Рисунок 13a - Стандартная маркировочная табличка контрольно-измерительного прибора

В большинстве интеллектуальных измерительных преобразователей идентификационный номер также программируется в их электронной части - т.н. «программная идентификация» - и измерительный преобразователь способен отправить эти данные в ответ на запрос в систему управления или коммуникатор. Очень удобно при проведении пусконаладки и поиска/устранения неисправностей иметь возможность легко проверить идентификационные данные и/или целостность каждого контура управления и работоспособность каждого измерительного преобразователя. Измерительные преобразователи, имеющие сертификацию безопасности, имеют заметную желтую этикетку. Рисунок 13b

Рисунок 13b - Маркировка контрольно-измерительных приборов, имеющих сертификацию безопасности (желтая этикетка)

14. Варианты конфигурации

Для правильной работы всех измерительных преобразователей необходимо сконфигурировать определенные базовые параметры. Во многих случаях этим параметрам предварительно присваиваются принятые по умолчанию значения еще на заводе-изго- товителе. Поскольку эти заводские настройки могут соответствовать, а могут и не соответствовать параметрам реального контура в системе, может потребоваться пользовательская конфигурация, чтобы настроить эти параметры в соответствии с фактиескими требованиями технологического процесса конкретного контура. Конфигурирование может быть проведено различными путями, в зависимости от вариантов, предусмотренных изготовителем, предпочтений данного конкретного предприятия и/ или архитектуры системы. К ним относятся:

• Переносное полевое устройство для конфигурирования

• Программное обеспечение переносного компьютера с соответствующим интерфейсом

• Кнопки локального интерфейса оператора (LOI)

• Система управления активами

Заключение по вариантам и функциям

В заключение отметим, что вне зависимости от неблагоприятных условий окружающей среды, которые могут иметь место в точке измерения, из вышеприведенного описания вариантов и функций измерительных преобразователей очевидно, что правильно выбранная и сконфигурированная система измерения температуры может прослужить долго, обеспечивая стабильное, точное и достоверное измерение для системы или устройства, к которому она подключена.