Współczesne przetworniki pomiarowe mogą więcej

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.

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.