Цялостност на сигнала при термодвойки и RTD: Кабели и заземяване

Защо е важна целостта на сигнала

Клас A Pt100 RTD има толеранс от ±0,15°C при 0°C. Тип K термодвойка има толеранс от ±2,2°C при 500°C. Тези точности нямат значение, ако сигналният кабел въвежда по-голяма грешка. Сигналите от термодвойки са в миливолтовия диапазон — грешка от 1°C съответства на 40 µV, а индуциран шум от 200 µV води до грешка в измерването от 5°C. Бюджетът за грешки трябва да включва и кабела. Honeywell MC-TAIH02 модул за аналогов вход с високо ниво и Honeywell CC-PUIO01/C универсален входно-изходен модул приемат директно входове от термодвойки и RTD, но нито един от тях не може да открие грешки, причинени от кабела — редовната калибрация на цикъла е единственият начин да ги засечете.

Избор на удължителен проводник за термодвойки

Удължителните проводници за термодвойки използват сплави, които съответстват на ЕМП кривата на термодвойката. Използването на обикновен меден проводник обезсмисля целта — медта създава паразитни термодвойкови съединения на всеки край, а грешката може да надвиши 20°C. Изберете правилната изолация: PVC е за максимум 105°C, XLPE за 150°C. За по-високи температури използвайте стъкленоплетена оплетка или оплетка от неръждаема стомана. Изберете правилния щит — серията Phoenix Contact FLK има калайдисана медна оплетка с 85% покритие. Заземявайте щита само на едно място, обикновено в края на предавателя. Заземяването на двата края създава заземителна верига, която индуцира шум в сигналните проводници.

Размер и окабеляване на RTD кабел

RTD сензорите използват постоянен ток на възбуждане от 1 mA. Конфигурациите с три и четири проводника компенсират съпротивлението на кабела. При трипроводников RTD предавателят приема, че двата проводника имат еднакво съпротивление — това е валидно само ако всички три проводника са с еднаква дължина и сечение.

• Съпротивление на проводника: Меден проводник 0,5 мм² има 36 милиома на метър. За 50 метра съпротивлението е 1,8 ома на проводник. Ако един проводник е 1,8 ома, а друг 2,0 ома, грешката е 0,1 ома или 0,26°C за Pt100. Използвайте еднакъв сеч и дължина за всички проводници на RTD.
• Екран на кабела: Изберете RTD кабел с фолио и дренажен проводник. Заземявайте дренажния проводник само на едно място. За опасни зони използвайте IS-сертифициран кабел със синя обвивка. Прекомерната капацитивност на кабела (>200 nF/km) може да предизвика осцилации в IS бариерата и да доведе до фалшиви показания.

Философия на заземяване

При термодвойкови вериги отрицателният проводник обикновено се заземява в предавателя, за да се намали общошумовият сигнал. Въпреки това, ако обвивката на термодвойката също е заземена в точката на измерване, се образува заземителна верига. Решението е изолиран предавател — Emerson Rosemount 644 с изолация и Honeywell STT3000 с изолация между каналите ефективно прекъсват заземителните вериги.

При RTD вериги заземявайте екрана само в края на предавателя. Елементът на RTD обикновено не се заземява — заземяването му увеличава риска от заземителна верига. Ако обвивката на RTD е заземена на процесната връзка, използвайте изолиран входен предавател. Използвайте едноточкова заземителна шина във всяка разклонителна кутия и свържете шината към земната мрежа на завода с един проводник, а не с верижно свързване.

Стъпка по стъпка намаляване на шума

• Стъпка 1: Изключете сензора и измерете напрежението на отворена верига. За термодвойка използвайте волтметър с входно съпротивление >1 MΩ. Показанието трябва да е стабилно в рамките на ±10 µV. За RTD използвайте четирипроводен омметър. Показанието трябва да е стабилно в рамките на ±0,05 ома.
• Стъпка 2: Проверете непрекъснатостта на екрана. Измерете съпротивлението от дренажния проводник на екрана до заземителната шина — трябва да е под 1 ом. Уверете се, че екранът е заземен само на едно място. Изключете екрана в края на сензора и измерете съпротивлението до земя — трябва да е безкрайно.
• Стъпка 3: Измерете променливо напрежение между сигналните проводници и земята. Настройте волтметъра на AC миливолтов диапазон. Над 10 mV AC показва електромагнитни смущения. Прекарайте сигналния кабел поне на 300 мм разстояние от захранващи кабели.
• Стъпка 4: Инсталирайте сигнален изолатор, ако не може да се премахнат заземителните вериги. Phoenix Contact MINI Analog Pro осигурява тройна изолация с грешка под 0,1%. Той прекъсва всички заземителни вериги и осигурява отхвърляне на общошумов сигнал до 2 kV.

Отстраняване на проблеми с фалшиви показания

• Внезапно скок до максимално показание: Означава отворена верига. Проверете връзката на главата на сензора. Вибрациите разхлабват винтовите клеми. Затегнете всички клеми с указан въртящ момент (обикновено 0,5 N·m за проводник 1,5 мм²).
• Постоянен офсет: Означава несъответствие на типа термодвойка. Проверете конфигурацията на предавателя. Тип K, конфигуриран като Тип J, отчита около 50°C по-ниско при 500°C. RTD, конфигуриран като „Cu10“ вместо „Pt100“, отчита 26 пъти по-висока температура от реалната.
• Бавно реагиране: Означава лош топлинен контакт. За RTD, монтиран в термокожух, използвайте елемент с пружинно натоварване. За термодвойка, монтирана на повърхност, използвайте сензорна подложка с лепило с висока топлопроводимост. Лошо монтирана повърхностна термодвойка може да има време за реакция над 10 минути.

Заключение и препоръки за действие

Изборът на сигнален кабел, заземяването и екранирането са толкова важни, колкото и изборът на сензор. Използвайте правилния тип удължителен проводник за термодвойки. Заземявайте екраните само на едно място. Използвайте три- или четирипроводников RTD за дължини над 30 метра. Изолирайте предавателя, ако не може да се избегнат заземителни вериги. Дръжте резервен удължителен проводник за термодвойки за аварийни ремонти. Етикетирайте всеки кабел с номера на сензора и на двата края.

Автор: Вейджи Хуанг е инженер по индустриална автоматизация с над 10 години опит в PLC, DCS и системи за управление.