Współczesne przetworniki pomiarowe mogą więcej

Spis treści

Obecnie w przemyśle używane są głównie przetworniki pomiarowe o funkcjonalności, która znacznie wykracza poza ich podstawowe zadanie. Oprócz przetwarzania sygnału mierzonego do zestandaryzowanej postaci wykonują one bowiem różne operacje poprawiające jego jakość, które w przeciwnym wypadku wymagałyby implementacji programowej w systemie nadrzędnym, oraz realizują funkcje diagnostyczne.

Te ostatnie ułatwiają rozwiązywanie problemów. Na przykład pozwalają one wykryć uszkodzenie czujnika, zmniejszenie się jego dokładności pomiarowej spowodowane zmianami starzeniowymi albo jego odłączenie się od przetwornika.

Bloki składowe przetworników pomiarowych

Rys. 1. Główne bloki funkcyjne przetwornika temperatury

W konstrukcji przetworników pomiarowych można z reguły wyróżnić kilka głównych bloków funkcyjnych. Zostały one wymienione na rysunku 1, na którym przedstawiono przykładowy, uproszczony schemat takiego urządzenia do pomiaru temperatury.

Przetwornik pomiarowy jest zwykle zbudowany z: sekcji wejściowej, do której podłączany jest czujnik, przetwornika A/C, którego zadaniem jest konwersja sygnału z sensora do postaci cyfrowej oraz bloku z izolatorem optycznym. Ten ostatni zapewnia separację galwaniczną, która blokuje przepływ zaburzeń z miejsca, w którym czujnik monitoruje proces do systemu nadrzędnego.

Częścią przetwornika jest również mikroprocesor, który wykonuje na sygnale cyfrowym różne operacje. W bloku wyjściowym wyróżnić można przetwornik cyfrowo-analogowy i wyjście, na przykład z sygnałem prądowym 4... 20 mA + HART. Dalej charakteryzujemy wybrane sekcje.

Jakie czujniki podłącza się do wejść miliwoltowych?

Przetworniki pomiarowe wyposażane są w wejścia różnego typu. Na przykład w przypadku przyrządów do pomiaru temperatury są to obowiązkowo wejścia, do których można podłączyć czujniki rezystancyjne oraz termopary. Przetworniki pomiarowe mają także przeważnie wejścia napięciowe miliwoltowe.

Jeżeli chodzi o wejścia miliwoltowe, to w przypadku sygnałów pomiarowych o wartościach tego rzędu, ze względu na warunki panujące w otoczeniu, często zachodzi potrzeba ich konwersji na sygnał prądowy 4... 20 mA. Ten bowiem charakteryzuje większa odporność na zaburzenia.

Do wejść tego rodzaju podłączane są m.in. sensory, które wykorzystują efekt Halla i czujniki tensometryczne. Te pierwsze używane są na przykład w pomiarach prędkości, położenia oraz poziomu. Tensometry są natomiast częścią m.in. wag elektronicznych i urządzeń do pomiaru sił ściskających, rozciągających oraz naprężeń.

Jak zapewnić redundancję?

Wybierając przetwornik, należy się zastanowić nad tym, ile powinien mieć wejść, żeby jak najlepiej pasował do potrzeb danego systemu pomiarowego. Często warto rozważyć kupno takiego, który ma więcej niż jedno wejście. Pomiar tej samej wielkości jednocześnie przez, na przykład, dwa sensory podłączone do dwóch niezależnych wejść ma bowiem wiele zalet.

Po pierwsze zapewnia to redundancję. W razie awarii jednego czujnika drugi w dalszym ciągu będzie monitorował zmiany wielkości mierzonej. Dzięki temu system pomiarowy będzie bardziej niezawodny. Oprócz tego porównując ze sobą wyniki z kilku wejść, można bardzo szybko wykryć dryft wskazań jednego z sensorów. To niepożądane zjawisko może mieć wiele przyczyn i groźne skutki.

Powodem nieprawdziwych wyników pomiaru są m.in. zmiany starzeniowe elementu pomiarowego czujnika. Do zafałszowania wskazań przyczyniają się też zabrudzenia, które się na nim gromadzą.

Przyczyny i skutki dryftu wskazań

Na przykład w przypadku termopar dryft nasila się zwłaszcza w wysokich temperaturach oraz w atmosferach o specyficznym składzie chemicznym. Na przykład w sensorach typu K w wysokich temperaturach chrom ulega szybszemu utlenianiu niż nikiel. Ma to wpływ na wartość generowanej siły termoelektrycznej, a przez to na wiarygodność pomiaru.

Brak tlenu również nie jest korzystny. Jeśli materiał termoelektrod się nie utlenia, na ich powierzchni nie wytwarza się ochronna warstwa. Dryft wskazań jest także większy, jeżeli termopara zostanie bardzo szybko schłodzona.

Błędne wskazania czujnika lub brak aktualnej informacji pomiarowej mogą mieć groźne skutki. Na przykład precyzyjna kontrola temperatury jest ważna w przypadku procesów wsadowych. Jeśli do systemu sterowania trafi nieprawdziwa informacja o wartości tej wielkości, zmarnować może się nawet cała partia produktu.

Wybierając model przetwornika, należy się zastanowić, jaki typ obudowy i sposób montażu będzie najlepszy w danym przypadku. W podjęciu decyzji pomocne jest znalezienie odpowiedzi na kilka pytań. Większość z nich dotyczy charakterystyki środowiska, w jakim planujemy zamontować to urządzenie i mierzonego procesu.

Czynniki środowiskowe
Trzeba się m.in. upewnić co do wartości temperatury, natężenia wibracji i stopnia zapylenia oraz agresywności chemicznej środowiska i mierzonego procesu. Temperatura, która wykracza poza dopuszczalny zakres danego modelu, może uszkodzić jego komponenty elektroniczne.

Nadmierne wibracje powodują m.in. poluzowanie połączeń. Agresywne oddziaływanie mediów albo atmosfery sprzyja rozwojowi korozji. Zaburzenia elektromagnetyczne, przewodzone, jak i promieniowane, zafałszowują wyniki pomiarów.

Jeśli ocenimy, że powyższe czynniki w danym miejscu występują, lecz ich poziom nie przekracza wartości bezpiecznych, warto wybrać przetwornik głowicowy dwukomorowy, który ma rozdzielone przedziały: przyłączeniowy i ten z elektroniką. Jeżeli jednak stopień ich nasilenia jest na tyle wysoki, że przetwornik może ulec uszkodzeniu albo jego działanie będzie zakłócane, lepiej jest zainstalować go w odpowiednim oddaleniu od sensora.

Lokalny odczyt i konfiguracja
Kolejną ważną kwestią jest dostępność do miejsca, w którym planujemy zainstalować przetwornik pomiarowy. Determinuje ona łatwość konserwacji tego urządzenia i możliwość lokalnego odczytu wyników pomiarów. Jeśli w danym miejscu brak jest przestrzeni do swobodnego poruszania się albo panują uciążliwe warunki, możemy spodziewać się utrudnień. Wówczas przetwornik lepiej zainstalować w pewnej odległości od czujnika.

Jeżeli przewidujemy, że zaistnieje potrzeba ręcznego wprowadzenia zmian w konfiguracji przetwornika, warto zdecydować się na model, który poza wyświetlaczem będzie udostępniał interfejs użytkownika. Zwykle ma on postać panelu dotykowego albo przycisków, przy użyciu których można się przełączać między kolejnymi opcjami w menu z ustawieniami tego urządzenia. Aby zapobiec niepożądanym, na przykład przypadkowym, zmianom konfiguracji, przetworniki wyposaża się w specjalną zworę. Zmiana jej pozycji blokuje albo odblokowuje możliwość modyfikacji ustawień.

Wersje specjalne
Czasem potrzebujemy przetworników w wykonaniu specjalnym. Przykładem są urządzenia pomiarowe, których można używać w systemach bezpieczeństwa i te, które można instalować w strefach zagrożonych wybuchem.

W obu przypadkach przetwornik powinien mieć certyfikaty, które potwierdzają, że ich konstrukcja spełnia wymogi odpowiednich norm. Na przykład w strefach zagrożonych wybuchem wymagane jest m.in. świadectwo zgodności z normami ATEX w zakresie iskrobezpieczeństwa, niezapalności oraz niezapalności pyłów, ognioszczelności oraz przeciwwybuchowości.

Dostępne są też przetworniki w wersji higienicznej. Znajdują one zastosowanie m.in. w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym. Do ich budowy używa się stali nierdzewnej oraz materiałów, które są odporne na sterylizację. Dzięki specjalnym uszczelnieniom przetworniki w wersji higienicznej można spłukiwać.

Inne zalety przetworników z wieloma wejściami

Trzeba również pamiętać o tym, że wzrost temperatury przyspiesza reakcje chemiczne. Błędne wskazania jej czujnika mogą zatem doprowadzić do wybuchu pożaru albo eksplozji.

Ponadto temperatura zmienia objętość cieczy i gazów. Nieprawdziwe wyniki jej pomiaru mogą z tego powodu utrudnić odmierzenie właściwej ilości tych substancji. Stanowi to problem m.in. w przypadku ich sprzedaży.

Przetworniki pomiarowe z więcej niż jednym wejściem pomiarowym przydają się również w innych sytuacjach. Ich przykładowe zastosowania to: pomiar różnicy temperatur i wyznaczanie temperatury średniej.

Takie urządzenia warto jest także zainstalować tam, gdzie wiele punktów pomiarowych jest skupionych na jednym obszarze. Przykładowe zastosowanie to pomiar rozkładu temperatury w zbiorniku za pomocą kilku czujników tej wielkości, które zamocowano w jego ścianie na różnych głębokościach. W porównaniu do korzystania z wielu oddzielnych przetworników jest to lepszym rozwiązaniem pod względem kosztów instalacji i łatwości konserwacji.

Przetworniki temperatury serii TCD
Wybrane cechy: możliwość podłączenia czujników rezystancyjnych Pt100 (dwu-/ trójprzewodowo) i termopar typów: J, K, N, S, R, B, obudowa przystosowana do montażu na szynie 35 mm, DIN EN 50022-35, zakres pomiarowy od -50... +50°C (Pt100) do +300°C...+1600°C (termopary S, R, B), sygnał wyjściowy: 0...20 mA (TCD-1, TCD-4), 4...20 mA (TCD-2), 0...10 V (TCD-3), błąd przetwarzania: 0,15% wartości zakresu, dryft temperaturowy: 0,02% wartości zakresu / °C, linearyzacja charakterystyki, automatyczna kompensacja temperatury zimnych końców termoelementu, sygnalizacja przekroczenia zakresu.
Przetworniki temperatury serii RT-01
Wybrane cechy: obudowa z poliwęglanu, montaż w głowicy B (dostępny również w wersji do montażu na szynie DIN TS-35), konfiguracja na PC za pomocą specjalnego oprogramowania, wejście: Pt100, 2-, 3-, 4-przewodowe, wyjście: 4...20 mA, 20...4 mA, zakres pomiarowy: -200°C...+650°C, dokładność przetwarzania: 0,08% maks. zakresu, czas odpowiedzi: 1 s.
Przetworniki ciśnienia z serii Rosemount 2051C Coplanar
Wybrane cechy (w zależności od modelu): pomiar ciśnienia różnicowego albo względnego, zakres pomiarowy: od -62,2 do 62,2 milibara i od -0,98 do 137,9 bara, wyjścia: 4-20 mA z cyfrowym sygnałem zgodnym z protokołem HART, Foundation Fieldbus, Profibus PA lub transmisja bezprzewodowa WirelessHART, obudowa z aluminium, stali nierdzewnej lub polimeru, certyfikat ATEX, wyświetlacz LCD, w tym z lokalnym interfejsem operatora, przyciski konfiguracyjne zera i szerokości zakresu pomiarowego, kalibracja cyfrowa zera cyfrowego.
Przetworniki ciśnienia serii FCX AII V5
Wybrane cechy: modele: FKP - nadciśnienie, FKH - ciśnienie absolutne, FKH/P - przetwornik z separatorem, temperatura medium: -40...+100°C, wyjście: 4...20 mA + HART, dokładność: ±0,1%, ±0,2%, stabilność: ±0,1% / 10 lat, zakres: 16:1, stopień ochrony: IP67, certyfikat ATEX.
Sygnał z czujnika zwykle wymaga pewnego przygotowania, zanim zostanie doprowadzony do przetwornika analogowo-cyfrowego. Podstawowe operacje, jakie są najczęściej realizowane, to jego: wzmocnienie, tłumienie oraz filtrowanie. Ponadto charakterystykę przetwarzania sensora linearyzuje się.

Wzmocnienie sygnału z czujnika jest wymagane, aby można było w pełni wykorzystać zakres wejściowy przetwornika A/C w przypadku, gdy sygnał pomiarowy ma bardzo małą wartość. Dzięki temu zwiększa się rozdzielczość i czułość pomiaru.

Z kolei tłumienie jest konieczne, gdy sygnał pomiarowy wykracza poza zakres przetwarzania przetwornika A/C. Filtrowanie jest wymagane, aby usunąć z sygnału wejściowego przetwornika zakłócenia. Przenikają one do niego na przykład przez przewody, którymi połączone jest wyjście czujnika i przetwornik. Źródłem zaburzeń mogą być m.in. maszyny i przewody zasilające.

Ostatnie działanie dotyczące charakterystyki przetwarzania jest niezbędne wtedy, gdy zależność pomiędzy sygnałem wyjściowym czujnika a mierzoną wielkością fizyczną nie jest liniowa. Sensorami, które wymagają przeprowadzenia powyższych operacji, są m.in. te, które mierzą temperaturę oraz tensometry.

Jeżeli przetwornika nie zainstalujemy prawidłowo, wiarygodność wyników pomiarów będzie niska. Aby tego uniknąć, w tym zakresie warto przestrzegać pewnych zasad. W dużym stopniu zależą one od specyfiki mierzonej wielkości. Wybrane reguły przedstawimy na przykładzie przetwornika ciśnienia zintegrowanego z sensorem tej wielkości.

Jaką funkcję pełni membrana?
W urządzeniu tego typu możemy wyróżnić moduł pomiarowy i część przetwarzania sygnału. Ten pierwszy może być zrealizowany w technice pojemnościowej. Składa się wówczas z komory, która jest wypełniona cieczą, na przykład olejem silikonowym, umieszczonej między membranami, wykonanymi na przykład ze stali nierdzewnej. Pod wpływem ciśnienia wywieranego przez mierzone medium membrana ulega odkształceniu, ściskając olej.

Ciecz w podobny sposób oddziałuje na kolejną membranę, która stanowi elektrodę kondensatora. Zmiana odległości pomiędzy jego okładkami powoduje zmianę pojemności kondensatora. Kolejnym blokiem jest przetwornik A/C, który przetwarza tę wielkość na sygnał cyfrowy.

Częścią modułu pomiarowego jest też sensor temperatury. Zmierzona przez niego wartość wraz z informacją o pojemności są przetwarzane w mikroprocesorze. Stąd trafiają do przetwornika C/A. Sygnałem wyjściowym może być na przykład pętla prądowa 4...20 mA.

Za co odpowiada rurka impulsowa?
Przetwornik do mierzonego procesu podłącza się za pośrednictwem rurki impulsowej. Jej zadaniem jest przeniesienie ciśnienia mierzonego medium na membranę czujnika. Dokładność pomiaru tej wielkości w ogromnym stopniu zależy od poprawnej instalacji rurki impulsowej.

Wiele czynników ma wpływ na to, jak dokładnie za jej pośrednictwem jest przekazywane ciśnienie. Wśród tych, które zwiększają błąd, wymienić można: wycieki, straty na tarcie, występowanie w rurce pęcherzy powietrza w przypadku pomiarów ciśnienia cieczy oraz skropleń w przypadku pomiarów ciśnienia gazów.

Najlepiej, żeby rurka impulsowa była możliwie jak najkrótsza. Jej optymalne ustawienie względem rurociągu zależy od specyfiki transportowanego nim medium.

Jak podłączyć rurkę impulsową, a jak przetwornik?
W przypadku cieczy powinna być ona nachylona w górę, w kierunku od przetwornika do przyłącza procesowego. W przypadku gazów powinna być skierowana w dół, od przetwornika do przyłącza procesowego. Nachylenie w obu konfiguracjach powinno wynosić co najmniej kilka cm / m.

Aby uniknąć tarcia i zatkania, rurka powinna być odpowiednio duża. Trzeba również zapobiegać gromadzeniu się w niej zanieczyszczeń oraz odprowadzać zbierające się w niej gazy. Obie odnogi rurki impulsowej powinny być utrzymywane w takiej samej temperaturze.

Jeśli natomiast chodzi o przetwornik pomiarowy, to instalując go, musimy pamiętać o prawidłowym uziemieniu jego obudowy. Kabel sygnałowy przetwornika powinien być prowadzony oddzielnie od kabla go zasilającego. Nie wolno go też kłaść w pobliżu innych źródeł zaburzeń elektromagnetycznych.

Oprócz tego trzeba zadbać o to, żeby ekran kabla nie miał kontaktu z obudową przetwornika. Jeżeli kabel przechodzi przez obudowę połączeniową, jego ekran trzeba połączyć z kolejnym ekranem. Od strony zasilacza ekran kabla przetwornika powinien być podłączony do uziemiania.

Czym są zimne złącza?

Rys. 2. Zimne złącza to połączenia, które tworzą druty termopary z przewodami albo zaciskami wejść przetwornika

Sygnał wyjściowy czujników do pomiaru temperatury, czyli termopar, termistorów i sensorów rezystancyjnych ma typowo wartość na poziomie miliwoltów. Jeśli więc na przykład napięcie wyjściowe termopary mieści się w zakresie ±80 mV, a do jego obróbki zostanie użyty 16-bitowy przetwornik A/C o zakresie wejściowym ±10V, zakres ten będzie wykorzystywany tylko w 0,8%. Dlatego konieczne jest wzmocnienie tego sygnału.

W przypadku tych czujników należy też wyzerować napięcie offsetu, które jest skutkiem wpływu otoczenia. Termopary wymagają ponadto operacji tzw. kompensacji zimnych złączy.

Potrzebę tę wyjaśniono na rysunku 2. Zimne złącza to połączenia, które tworzą druty termopary z przewodami albo zaciskami wejściowymi przetwornika pomiarowego. Tam również generowane jest napięcie, które sumuje się z tym właściwym. W rezultacie nie jest mierzona tylko temperatura w punkcie AB, ale jej suma z temperaturami w punktach AC i BC. Wynik pomiaru jest więc przez to zafałszowany.

Na czym polega cjc?

Aby uzyskać rzeczywistą wartość, od wyniku pomiaru powinno się odjąć znaną temperaturę w punktach AC oraz BC. Ta ingerencja w wynik pomiaru jest nazywana kompensacją zimnych złączy (Cold Junctions Compenation, CJC). Implementuje się ją w przetwornikach pomiarowych sprzętowo i programowo.

W tym celu wyposaża się je w czujnik temperatury na wejściu pomiarowym. Na podstawie jego wskazań oprogramowanie wprowadza odpowiednią poprawkę w ostatecznym wyniku.

Warto przy tym zauważyć, że chcąc zminimalizować jeden błąd pomiarowy, którego źródłem są zimne złącza, generujemy kolejny błąd. Jego powodem jest korekcja CJC oraz sposób jej realizacji. Ważnym składnikiem tego błędu jest m.in. dokładność, która charakteryzuje sensory, które mierzą temperaturę zimnych złączy.

Dodatkowe komponenty

Dlatego, aby błąd pomiaru temperatury zimnych złączy zminimalizować, używa się zazwyczaj czujników rezystancyjnych oraz termistorów o dużej precyzji. Istotne jest również to, żeby umieścić je możliwie jak najbliżej miejsca, w których powstaje niepożądane złącze.

Wzmacniacze, filtry i inne czujniki nie są jedynymi dodatkowymi komponentami, w które wyposaża się przetworniki pomiarowe. Na przykład te przetwarzające sygnały pomiarowe z tensometrów wymagają rezystorów do skompletowania mostka pomiarowego.

W zależności od tego, jak skonfigurowany jest czujnik, czyli ile gałęzi mostka Wheatstona jest w nim dostępnych, mostek pomiarowy trzeba uzupełnić o jeden lub dwa rezystory. Podobnie jak w przypadku sensorów temperatury ze względu na małą wartość, zazwyczaj poniżej 100 mV, także sygnał wyjściowy tensometrów trzeba wzmocnić.

Tensometry wymagają oprócz tego źródła napięcia wzbudzenia. W przypadku czujników rezystancyjnych oraz termistorów potrzebne jest natomiast źródło prądu wzbudzenia. Stałość i precyzja tych źródeł mają kluczowe znaczenie dla dokładności pomiaru.

Nieliniowość charakterystyki

Czujniki rezystancyjne oraz termopary mają nieliniowe charakterystyki przetwarzania. W przypadku tych pierwszych taki przebieg ma zależność zmian rezystancji pod wpływem zmian temperatury. Natomiast w termoparach wraz ze zmianą temperatury nieliniowo zmienia się ich napięcie.

Większa liniowość charakteryzuje czujniki rezystancyjne. Wyjątkiem są sensory rezystancyjne z niklu. Ich charakterystyka przetwarzania wykazuje silną nieliniowość w temperaturze już powyżej 300°C, m.in. dlatego, wraz ze spadkiem cen czujników platynowych, te niklowe są używane coraz rzadziej.

W przypadku termopar natomiast różne rodzaje sensorów pod tym względem znacznie się różnią. Niektóre charakteryzuje duża nieliniowość w szerokim zakresie temperatur. Względnie liniową charakterystykę mają z kolei m.in. termopary typu K i typu T. Natomiast w przypadku termopar typu J proporcjonalna zależność występuje tylko w zakresie temperatur od 149 do 427°C.

Linearyzacja oraz filtrowanie

W związku z powyższym ani w przypadku termopar, ani czujników rezystancyjnych, temperatury nie można wyznaczyć wprost przez przemnożenie wyniku pomiaru przez współczynnik skalujący. Zignorowanie w ten sposób nieliniowości ich charakterystyk przetwarzania spowodowałoby zafałszowanie wskazań.

Dlatego w przetworniku pomiarowym wykonywana jest linearyzacja. Polega ona na zniwelowaniu różnic między charakterystyką rzeczywistą a idealnie liniowym przebiegiem.

Jednym z rozwiązań implementowanych w oprogramowaniu mikroprocesorów przetworników pomiarowych jest również filtrowanie wyników pomiarów, które znacząco odbiegają od tych wcześniejszych. Takie odczyty są bowiem przeważnie skutkiem różnych niekorzystnych, lecz przejściowych sytuacji.

Przykładem są silne zaburzenia albo nadmierne wibracje. Aby błędne, jednak tylko chwilowe, wyniki nie wywołały w systemie nadrzędnym nieuzasadnionego alarmu o przekroczeniu wartości progowej, przetwornik, kiedy tylko takowe wykryje, pomija niewiarygodny odczyt i kontynuuje transmisję, powtarzając ostatnią uznaną za prawidłową wartość wielkości mierzonej.

Spis treści