مقدمه ای کوتاه بر ترانسمیترهای دما

دما یکی از رایج ترین و مهم ترین پارامترهای فرآیند در تولید صنعتی است. در صنایعی مانند پتروشیمی، تولید برق، مواد غذایی و آشامیدنی، بیوداروسازی، متالورژی، ماشین‌سازی، انرژی‌های نو و حفاظت از محیط زیست، دمای فرآیند مستقیماً بر شرایط عملیاتی تجهیزات، کیفیت محصول و ایمنی تولید تأثیر می‌گذارد. برای تبدیل دقیق دمای میدان به سیگنال‌های استانداردی که توسط سیستم‌های کنترل قابل تشخیص و پردازش باشد، فرستنده‌های دما به طور گسترده در اتوماسیون صنعتی و سیستم‌های اندازه‌گیری فرآیند استفاده می‌شوند.

یک فرستنده دما بسیار بیشتر از "نمایش دما" است. معمولاً از یک سنسور دما، مدار تهویه سیگنال، ماژول تبدیل آنالوگ به دیجیتال، عملکرد جبران دما و ماژول خروجی تشکیل شده است. سیگنال های دما را از RTD ها یا ترموکوپل ها به سیگنال های صنعتی استاندارد مانند 4-20 میلی آمپر، 1-5 ولت DC، HART و RS485/Modbus تبدیل می کند و سپس آنها را به PLC، DCS، SCADA یا سایر سیستم های کنترلی منتقل می کند. بنابراین، انتخاب یک فرستنده دما شامل عوامل متعددی از جمله نوع سنسور، محدوده اندازه گیری، دقت، اتصال فرآیند، مواد ترموول، سیگنال خروجی و روش نصب است.

1. فرستنده دما چیست؟

فرستنده دما یک ابزار صنعتی است که برای اندازه گیری دمای فرآیند و تبدیل سیگنال دما به سیگنال استاندارد ارتباطی الکتریکی یا دیجیتال استفاده می شود. معمولاً همراه با سنسورهای دما مانند RTD و ترموکوپل استفاده می شود. فرستنده سیگنال های مقاومت ضعیف یا ترموالکتریک تولید شده توسط سنسور را بدست می آورد، تقویت می کند، خطی می کند و جبران می کند و سپس آنها را به سیگنال خروجی استاندارد مطابق با دمای اندازه گیری شده تبدیل می کند.

با در نظر گرفتن فرستنده دمای معمولی 4-20 میلی آمپر به عنوان مثال، هنگامی که محدوده اندازه گیری از 0 تا 100 درجه تنظیم شده است، 0 درجه از نظر تئوری مربوط به 4 میلی آمپر است، در حالی که 100 درجه مربوط به 20 میلی آمپر است. دماهای بین این دو نقطه با توجه به رابطه خطی پیکربندی شده به مقادیر جریان متناظر تبدیل می شوند. برای سیستم کنترل، سیگنال دریافتی سیگنال مقاومت یا میلی ولت اصلی از سنسور نیست، بلکه سیگنال استانداردی است که توسط فرستنده دما پردازش می شود. این امر انتقال سیگنال را در فواصل طولانی بهبود می بخشد و سازگاری با سیستم های کنترل صنعتی را افزایش می دهد.

از دیدگاه ساختاری، یک فرستنده دما به طور کلی شامل یک رابط ورودی حسگر، مدار تهویه سیگنال، ریزپردازنده، ماژول های تبدیل A/D و D/A، ماژول منبع تغذیه و ماژول ارتباط خروجی است. هوشمند مدرنفرستنده های دماهمچنین می تواند عملکردهایی مانند پیکربندی سنسور، تنظیم محدوده، تصحیح نقطه صفر، تشخیص خطا و جبران دما را از طریق نرم افزار ارائه دهد.
در یک سیستم اتوماسیون صنعتی، فرستنده دما اساساً به عنوان تبدیل سیگنال و رابط داده بین سنسور دمای میدان و سیستم کنترل عمل می کند.

2. سنسور دمای هسته چگونه باید انتخاب شود؟

عنصر اندازه‌گیری هسته فرستنده دما معمولاً یک RTD یا یک ترموکوپل است. بنابراین، انتخاب سنسور مستقیماً بر دقت اندازه گیری، پایداری و مناسب بودن کاربرد تأثیر می گذارد. در طول انتخاب مهندسی، پیروی از این قانون که "ترموکوپل ها برای دماهای بالا و RTD ها برای دماهای پایین هستند" مناسب نیست. در عوض، مهندسان باید محدوده اندازه گیری، محیط فرآیند، دقت مورد نیاز، زمان پاسخگویی، محیط نصب و سیستم ابزار دقیق را در نظر بگیرند.

RTD ها در درجه اول از رابطه بین مقاومت الکتریکی یک فلز و دما استفاده می کنند. در این میان Pt100 و Pt1000 پرکاربردترین انواع هستند. RTD ها به طور کلی دقت اندازه گیری و پایداری طولانی مدت را ارائه می دهند و به ویژه برای کاربردهای دمای متوسط ​​و پایین که در آن دقت اندازه گیری نسبتاً بالا مورد نیاز است، مناسب هستند. کاربردهای معمولی شامل مخازن ذخیره سازی، مبدل های حرارتی، خطوط لوله، راکتورها، و تجهیزات پردازش مواد غذایی و دارویی است.

ترموکوپل ها از اثر ترموالکتریک تولید شده بین دو هادی مختلف برای اندازه گیری دما استفاده می کنند. آنها محدوده دمایی گسترده، پاسخ نسبتاً سریع و ساختار ساده را ارائه می دهند. برای کاربردهای با دمای بالا مانند کوره‌های صنعتی، تجهیزات عملیات حرارتی، دیگ‌ها و کوره‌ها، ترموکوپل‌ها اغلب انتخاب مناسب‌تری هستند.

ساختار مکانیکی سنسور نیز باید در نظر گرفته شود. حتی زمانی که از همان نوع سنسور استفاده می شود، تفاوت در طول ترموول، عمق درج و ساختار عنصر حسگر می تواند به طور قابل توجهی بر نتیجه اندازه گیری واقعی تأثیر بگذارد. بنابراین، انتخاب فرستنده دما نباید فقط بر روی استفاده از PT100 یا ترموکوپل تمرکز کند. ساخت سنسور، روش نصب و شرایط فرآیند نیز باید ارزیابی شوند.

3. تفاوت بین PT100 و PT1000 چیست؟

هر دو PT100 و PT1000 RTD های پلاتینی هستند. اعداد "100" و "1000" به مقادیر مقاومت اسمی آنها در 0 درجه اشاره دارد. یک PT100 دارای مقاومت اسمی 100 Ω در 0 درجه است، در حالی که یک PT1000 دارای مقاومت اسمی 1000 Ω در 0 درجه است. هر دو سنسور از یک اصل اندازه گیری اولیه استفاده می کنند: مقاومت الکتریکی پلاتین به طور قابل پیش بینی با دما تغییر می کند.

بارزترین تفاوت مقدار مقاومت آنهاست. از آنجایی که مقاومت پایه PT1000 بالاتر است، تغییر مقاومت آن برای یک تغییر دمای معین نیز بیشتر است. در اندازه گیری دما از راه دور، مقاومت سیم های اتصال می تواند خطاهای اندازه گیری را ایجاد کند. از آنجایی که مقاومت یک PT1000 به طور قابل توجهی بالاتر از مقاومت یک PT100 است، تأثیر نسبی مقاومت سیم-سیم به طور کلی کمتر است. در نتیجه، سنسورهای PT1000 می‌توانند در برخی از برنامه‌های سیم‌کشی در فواصل طولانی مزایایی ارائه دهند.

برای پیکربندی RTD سه سیمه، فرستنده دما می تواند مقاومت سیم های اتصال را جبران کند، در نتیجه تاثیر مقاومت سرب بر دقت اندازه گیری را کاهش می دهد. یک پیکربندی چهار سیم می‌تواند دقت اندازه‌گیری حتی بالاتری را ارائه دهد، اگرچه به سیم‌کشی اضافی نیاز دارد و ممکن است هزینه سیستم را افزایش دهد.

بنابراین، هیچ پاسخ مطلقی در مورد اینکه آیا PT100 یا PT1000 "بهتر است" وجود ندارد. اگر یک مرکز در حال حاضر از سنسورهای PT100 استفاده می‌کند و فاصله سیم‌کشی نسبتاً کوتاه با الزامات دقت متوسط ​​است، معمولاً نیازی به تغییر به PT1000 نیست زیرا مقاومت آن بیشتر است. برای انتقال از راه دور یا کاربردهایی که به حداقل رساندن تأثیر مقاومت سرب مهم است، PT1000 ممکن است انتخاب بهتری باشد.

در تمام موارد، سازگاری بین سنسور انتخاب شده و مشخصات ورودی فرستنده دما باید تایید شود.

4. تفاوت بین ترموکوپل و RTD چیست؟

اگرچه RTD ها و ترموکوپل ها هر دو به طور گسترده برای اندازه گیری دمای صنعتی استفاده می شوند، اما طبق اصول کاملاً متفاوتی عمل می کنند. RTD ها دما را با اندازه گیری تغییرات مقاومت الکتریکی تعیین می کنند، در حالی که ترموکوپل ها دما را بر اساس ولتاژ ترموالکتریک تولید شده توسط دو ماده رسانای مختلف تعیین می کنند.

از نظر دقت اندازه گیری، RTD های باکیفیت به طور کلی دقت و پایداری عالی را در محدوده دمایی رایج خود ارائه می دهند. بنابراین برای کاربردهایی که نیاز به اندازه گیری دما نسبتاً دقیق دارند مناسب هستند. از طرف دیگر ترموکوپل ها به دلیل گستره اندازه گیری گسترده، پاسخ سریع و توانایی کار در محیط های با دمای بالا از مزیت خاصی برخوردار هستند.
از نظر مشخصات سیگنال، یک RTD به جای سیگنال ولتاژ مستقیم، تغییری در مقاومت ایجاد می کند، بنابراین مدار اندازه گیری به طور کلی نیاز به جریان تحریک دارد. ترموکوپل یک ولتاژ ترموالکتریک در سطح میلی ولت تولید می کند. از آنجایی که این سیگنال بسیار کوچک است، اندازه گیری ترموکوپل به جبران دقیق اتصال سرد، تهویه سیگنال و کنترل نویز نیاز دارد.

از نظر کاربرد، RTD هایی مانند PT100 و PT1000 معمولاً در مخازن ذخیره سازی، خطوط لوله، مبدل های حرارتی، کمپرسورها، پمپ ها، راکتورها و سایر فرآیندهای دمای متوسط ​​و پایین استفاده می شوند. ترموکوپل هایی مانند نوع K، نوع J، نوع E، نوع T، نوع S، نوع R و نوع B به طور گسترده در کوره های صنعتی، کوره ها، تجهیزات عملیات حرارتی، بویلرها و سایر فرآیندهای با دمای بالا استفاده می شوند.

بنابراین، مهندسان باید حسگر را با توجه به محدوده دمای واقعی فرآیند، الزامات دقت، زمان پاسخگویی و محیط عملیاتی انتخاب کنند نه اینکه صرفاً حسگر را بر اساس نوع تجهیزات انتخاب کنند.

5. سیگنال خروجی چگونه باید انتخاب شود؟

سیگنال خروجی یک فرستنده دما به طور مستقیم تعیین می کند که آیا می تواند به درستی با PLC، DCS، سیستم جمع آوری داده یا سایر تجهیزات کنترلی ارتباط برقرار کند یا خیر. پرکاربردترین خروجی در کاربردهای صنعتی، سیگنال آنالوگ 4-20 میلی آمپر است. گزینه های دیگر عبارتند از 4-20 میلی آمپر + HART، RS485/Modbus و پروتکل های ارتباط دیجیتال مختلف.

سیگنال 4-20 میلی آمپر به یکی از پرکاربردترین استانداردهای صنعتی تبدیل شده است زیرا مقاومت خوبی در برابر تداخل الکتریکی دارد و برای انتقال از راه دور مناسب است. در مقایسه با انتقال مستقیم ولتاژ سطح میلی ولت تولید شده توسط ترموکوپل یا سیگنال مقاومت از یک RTD، 4-20 میلی آمپر سازگاری بهتری با محیط های پیچیده صنعتی فراهم می کند.

استفاده از 4 میلی آمپر به عنوان حد پایین اندازه گیری نیز تمایز مفیدی از شرایط جریان صفر فراهم می کند. اگر خط سیگنال قطع شود، سیستم کنترل می تواند وضعیت جریان غیرعادی را شناسایی کرده و تشخیص دهد که ممکن است یک خطا رخ داده باشد.

اگر برنامه نه تنها به انتقال دما بلکه به پیکربندی ابزار، تنظیم محدوده، تشخیص یا دسترسی به پارامترهای دستگاه اضافی نیاز دارد، می توان فرستنده دمای 4-20 میلی آمپر + HART را در نظر گرفت. HART ارتباطات دیجیتال را در بالای سیگنال آنالوگ معمولی 4-20 میلی آمپر اضافه می کند و پیکربندی و تشخیص ابزار جامع تر را امکان پذیر می کند.

برای کارخانه‌های هوشمند، شبکه‌سازی تجهیزات و سیستم‌های جمع‌آوری داده‌های دیجیتال، زمانی که PLC یا تجهیزات جمع‌آوری داده از پروتکل مربوطه پشتیبانی می‌کنند، می‌توان RS485/Modbus را در نظر گرفت. ارتباطات دیجیتالی می‌تواند داده‌های دما را مستقیماً به شکل دیجیتال، همراه با وضعیت دستگاه خاص و اطلاعات تشخیصی انتقال دهد، که آن را برای برخی از برنامه‌های جمع‌آوری داده‌های چند نقطه‌ای مناسب می‌سازد.

بنابراین، انتخاب سیگنال خروجی نباید تنها بر اساس خود فرستنده باشد. ماژول ورودی سیستم کنترل، پروتکل ارتباطی، فاصله انتقال و معماری کلی شبکه نیز باید در نظر گرفته شود.

6. چه مواد Thermowell در دسترس هستند؟

سنسورهای دما معمولاً به یک ترموول یا لوله محافظ برای جداسازی و محافظت از عنصر حسگر از محیط فرآیند نیاز دارند. ترموول نه تنها حفاظت مکانیکی را فراهم می کند، بلکه مستقیماً بر عمر مفید و قابلیت اطمینان اندازه گیری سنسور دما تأثیر می گذارد. در کاربردهای شیمیایی، نفتی، دارویی و صنعتی در دمای بالا، انتخاب مواد ترموول اهمیت ویژه ای دارد.

مواد متداول ترموول شامل فولاد ضد زنگ 304، فولاد ضد زنگ 316L، و آلیاژهای ویژه مختلف. 304 فولاد ضد زنگ عملکرد کلی خوبی را ارائه می‌دهد و برای محیط‌های صنعتی عمومی مناسب است. 316فولاد ضد زنگ L مقاومت در برابر خوردگی بهتری ارائه می‌دهد و به‌ویژه برای کاربردهایی که شامل یون‌های کلرید، مواد شیمیایی خاص یا نیازهای مواد شیمیایی بالاتر و مواد غذایی است، مناسب است.

برای محیط های با دمای بالا، فشار بالا یا بسیار خورنده، فولاد ضد زنگ معمولی ممکن است عملکرد کافی را ارائه نکند. در چنین مواردی، ماده باید با توجه به ترکیب محیط فرآیند، دمای عملیاتی، فشار و خورندگی انتخاب شود. بسته به کاربرد، آلیاژهای خاصی مانند Hastelloy یا آلیاژهای مبتنی بر نیکل ممکن است در نظر گرفته شوند.

استحکام مکانیکی یکی دیگر از نکات مهم در هنگام انتخاب ترموول است. هنگامی که یک سنسور دما مستقیماً در یک خط لوله با سرعت بالا قرار می گیرد، ترموول ممکن است در معرض نیروهای سیال، لرزش و تنش مکانیکی قرار گیرد. بنابراین، علاوه بر مقاومت در برابر خوردگی، مهندسان باید قطر بیرونی ترموول، ضخامت دیواره، طول درج و مقاومت در برابر ارتعاشات ناشی از جریان را در نظر بگیرند.

7. روش های نصب ترانسمیترهای دما چیست؟

روش نصب یک فرستنده دما به طور کلی باید با توجه به ساختار تجهیزات، لوله کشی فرآیند، الزامات نگهداری و محیط کار انتخاب شود. روش های متداول نصب شامل نصب یکپارچه، نصب از راه دور یا جدا، نصب رزوه ای، نصب فلنجی و نصب گیره است.

یک فرستنده دما یکپارچه سنسور دما، ترموول و فرستنده را در یک مجموعه واحد ترکیب می کند. این یک ساختار فشرده ارائه می دهد و نصب میدانی را ساده می کند و آن را برای خطوط لوله صنعتی عمومی، تجهیزات و مخازن ذخیره سازی مناسب می کند. برای برنامه‌هایی با فضای نصب محدود، یک پیکربندی یکپارچه می‌تواند سیم‌کشی میدانی و کار نصب را کاهش دهد.

نصب رزوه ای یکی از رایج ترین روش های مورد استفاده در کاربردهای صنعتی است. مشخصات رزوه معمولی ممکن است شامل M20 × 1.5، G1/2 و NPT1/2 باشد. مشخصات دقیق رزوه باید با توجه به اتصال فرآیند تجهیزات یا خط لوله انتخاب شود. اتصالات رزوه ای ساده هستند و به طور گسترده برای کاربردهای اندازه گیری دمای عمومی استفاده می شوند.

نصب فلنجی برای کاربردهای فشار بالا، خطوط لوله با قطر زیاد و فرآیندهایی که نیاز به برداشتن و نگهداری منظم است، مناسب‌تر است. استانداردهای مختلف فلنج و درجه بندی فشار را می توان با توجه به اتصال فرآیند و شرایط عملیاتی انتخاب کرد.
در فرآیندهای غذایی و آشامیدنی و بیودارویی معمولاً از اتصالات گیره بهداشتی استفاده می شود. ساختار آن‌ها نصب، جداسازی، تمیز کردن و نگهداری را آسان‌تر می‌کند و می‌تواند به کاهش مناطقی که ممکن است بقایای فرآیند یا آلودگی در آن‌ها تجمع می‌یابد کمک کند.

محل نصب به همان اندازه مهم است. سنسور دما باید در جایی نصب شود که بتواند دمای واقعی محیط فرآیند را به طور دقیق نشان دهد. به طور کلی باید از مکان هایی مانند مناطق راکد، پاهای مرده یا مناطقی که مستقیماً تحت تأثیر منابع گرمای خارجی قرار گرفته اند اجتناب شود.
برای اندازه گیری دمای خط لوله، عمق درج کافی باید فراهم شود تا عنصر حسگر به اندازه کافی در معرض محیط فرآیند قرار گیرد. در غیر این صورت، حتی یک فرستنده دمای بسیار دقیق ممکن است به دلیل نصب نامناسب، خطاهای اندازه گیری قابل توجهی ایجاد کند.

8. اشتباهات رایج انتخاب فرستنده دما که مهندسان اغلب مرتکب می شوند

یکی از رایج ترین مشکلات در انتخاب فرستنده دما، انتخاب نادرست بین PT100 و ترموکوپل نیست، بلکه تمرکز تنها بر محدوده اندازه گیری و دقت در حالی که شرایط واقعی فرآیند را نادیده می گیرد.

به عنوان مثال، اگر دمای محیط فرآیند 200 درجه باشد، یک مهندس ممکن است فرض کند که یک فرستنده دما با محدوده اندازه گیری 0-300 درجه کافی است. با این حال، نوع سنسور، درجه حرارت ترموول، فشار فرآیند، سرعت جریان، خورندگی و ساختار نصب نیز باید ارزیابی شوند.

یکی دیگر از تصورات غلط رایج این است که "دقت بالاتر همیشه بهتر است." در واقع، دقت کلی یک سیستم اندازه گیری دما تنها به فرستنده دما بستگی ندارد. همچنین تحت تأثیر کلاس دقت سنسور، پیکربندی سیم کشی، روش نصب، طراحی ترموول و محیط عملیاتی اطراف آن قرار می گیرد.

اگر خود سنسور دقت کافی را ارائه نکند، انتخاب یک فرستنده دمایی با دقت بالا نمی تواند اساساً دقت کل زنجیره اندازه گیری را بهبود بخشد.

عامل دیگری که اغلب نادیده گرفته می شود زمان پاسخگویی است. در فرآیندهایی که شامل گرمایش سریع، خنک‌کننده یا کنترل دمای دینامیکی می‌شود، یک ترموول خیلی ضخیم یا سنسوری با زمان پاسخ طولانی می‌تواند باعث شود که دمای اندازه‌گیری شده به طور قابل‌توجهی از دمای واقعی فرآیند عقب بماند.
در چنین مواردی، فرستنده ممکن است هنوز اندازه گیری دقیق دمای سنسور را ارائه دهد، اما سیگنال ممکن است دیگر شرایط فرآیند بلادرنگ را به اندازه کافی سریع برای کنترل موثر منعکس نکند.

تداخل الکتریکی نیز باید در نظر گرفته شود. سیگنال های ترموکوپل معمولاً بسیار کوچک هستند. اگر محیط نصب شامل درایوهای فرکانس متغیر، موتورها، تجهیزات پرقدرت یا کابل‌های برق با ولتاژ بالا باشد، سیم‌کشی سیگنال نامناسب، محافظ یا اتصال به زمین می‌تواند باعث نوسانات سیگنال دما شود.

بنابراین، در محیط های پیچیده صنعتی، انتقال سیگنال حسگر خام در مسافت طولانی معمولاً راه حل ترجیحی نیست. در عوض، تبدیل سیگنال باید تا حد عملی نزدیک به سنسور انجام شود و سپس یک سیگنال استاندارد مانند 4-20 میلی آمپر می تواند به سیستم کنترل منتقل شود.

یکی دیگر از اشتباهات رایج انتخاب فرستنده بدون بررسی کامل سیستم اندازه گیری دما است. یک نقطه اندازه‌گیری کامل دما ممکن است شامل سنسور، ترموول، فرستنده، اتصال فرآیند، کابل سیگنال و ماژول ورودی سیستم کنترل باشد. انتخاب نادرست در هر یک از این نقاط می تواند بر نتیجه اندازه گیری نهایی تأثیر بگذارد.

بنابراین، هنگام انتخاب یک فرستنده دما، توصیه می شود کاربرد را به ترتیب زیر ارزیابی کنید:
محیط فرآیند ← دما ← فشار ← سنسور ← ترموول ← اتصال فرآیند → سیگنال خروجی → روش نصب → سیستم کنترل

به طور کلی، اگرچه فرستنده دما یک ابزار رایج در اتوماسیون صنعتی است، اما انتخاب آن شامل رشته‌های متعددی از جمله اندازه‌گیری حرارتی، مهندسی مواد، طراحی مکانیکی، پردازش سیگنال الکتریکی و کاربردهای فرآیندی است.

انتخاب فرستنده دما واقعاً مناسب صرفاً تعیین محدوده اندازه گیری نیست. در عوض، سنسور، ترموول، فرستنده، ساختار نصب و سیستم کنترل باید به درستی به عنوان یک سیستم اندازه گیری کامل مطابقت داده شوند.

تنها با در نظر گرفتن کامل شرایط فرآیند واقعی، مهندسان می‌توانند به تعادل مناسب بین دقت اندازه‌گیری، پایداری، زمان پاسخگویی، عمر سرویس و هزینه نگهداری دست یابند.