Termopāra un RTD signāla integritāte: kabeļi un zemējums

Kāpēc signāla integritāte ir svarīga

Klases A Pt100 RTD tolerances robeža ir ±0,15°C pie 0°C. K tipa termopāra tolerance ir ±2,2°C pie 500°C. Šīs precizitātes nav nozīmīgas, ja signāla kabelis ievieš lielāku kļūdu. Termopāra signāli ir milivoltu diapazonā — 1°C kļūda atbilst 40 µV, un inducēts troksnis 200 µV rada 5°C mērījuma kļūdu. Kļūdu budžetā jāiekļauj arī kabelis. Honeywell MC-TAIH02 augsta līmeņa analogā ieejas modulis un Honeywell CC-PUIO01/C universālais I/O modulis pieņem termopāra un RTD ieejas tieši, taču neviens no tiem nevar noteikt kabeļa radītās kļūdas — regulāra cilpas kalibrācija ir vienīgais veids, kā tās atklāt.

Termopāra pagarinājuma vada izvēle

Termopāra pagarinājuma vadi izmanto sakausējuma vadus, kas atbilst termopāra EMF līknei. Parasta vara vada izmantošana ir bezjēdzīga — varš rada parazītiskas termopāra savienojuma vietas katrā galā, un kļūda var pārsniegt 20°C. Izvēlieties pareizo izolāciju: PVC ir piemērots līdz 105°C, XLPE līdz 150°C. Augstākām temperatūrām izmantojiet stikla šķiedras pinumu vai nerūsējošā tērauda apvalku. Izvēlieties pareizo ekrānu — Phoenix Contact FLK sērijai ir tinēts vara pinums ar 85% pārklājumu. Ekrānu zemējiet tikai vienā punktā, parasti raidītāja galā. Zemējot abos galos, rodas zemējuma cilpa, kas inducē troksni signāla vadītājos.

RTD kabeļa izmērs un vadu savienojums

RTD sensori izmanto 1 mA pastāvīgu strāvas izsaukumu. Trīsvadu un četrvadu konfigurācijas kompensē kabeļa pretestību. Trīsvadu RTD gadījumā raidītājs pieņem, ka diviem vadiem ir vienāda pretestība — tas ir derīgi tikai tad, ja visi trīs vadi ir vienāda garuma un šķērsgriezuma.

• Vada pretestība: 0,5 mm² vara vadam ir 36 milliohmi uz metru. 50 metru garumā pretestība ir 1,8 omi uz vadu. Ja viens vads ir 1,8 omi, bet otrs 2,0 omi, kļūda ir 0,1 oms jeb 0,26°C Pt100 gadījumā. Izmantojiet vienāda šķērsgriezuma un garuma vadus visiem RTD vadiem.
• Kabeļa ekrāns: Izvēlieties RTD kabeli ar folijas ekrānu un drenāžas vadu. Drenāžas vadu zemējiet vienā punktā. Bīstamās zonās izmantojiet IS sertificētu kabeli ar zilu apvalku. Pārmērīga kabeļa kapacitāte (>200 nF/km) var izraisīt IS barjeras svārstības un nepareizus mērījumus.

Zemēšanas filozofija

Termopāra ķēdēs negatīvais vads parasti tiek zemēts pie raidītāja, lai samazinātu kopējā režīma troksni. Tomēr, ja termopāra apvalks ir zemēts arī mērījuma punktā, veidojas zemējuma cilpa. Risinājums ir izolēts raidītājs — Emerson Rosemount 644 ar izolāciju un Honeywell STT3000 ar kanālu savstarpējo izolāciju efektīvi pārtrauc zemējuma cilpas.

RTD ķēdēs ekrānu zemējiet tikai pie raidītāja gala. RTD elements parasti nav zemēts — elementa zemēšana palielina zemējuma cilpas risku. Ja RTD apvalks ir zemēts pie procesa savienojuma, izmantojiet izolētu ieejas raidītāju. Katras savienojuma kārbas izmantojiet vienas vietas zemējuma stieņi un savienojiet to ar rūpnīcas zemes tīklu ar vienu vadītāju, nevis ķēdes veidā.

Troksņa samazināšanas soļi

• 1. solis: Atvienojiet sensoru un izmēriet atvērtās ķēdes spriegumu. Termopāram izmantojiet voltmetru ar ieejas pretestību >1 MΩ. Rādījumam jābūt stabilam ±10 µV robežās. RTD gadījumā izmantojiet četrvadu ommetru. Rādījumam jābūt stabilam ±0,05 omi robežās.
• 2. solis: Pārbaudiet ekrāna nepārtrauktību. Izmēriet pretestību no ekrāna drenāžas vada līdz zemējuma stieņam — tai jābūt mazākai par 1 omu. Pārliecinieties, ka ekrāns ir zemēts tikai vienā punktā. Atvienojiet ekrānu pie sensora gala un izmēriet pretestību pret zemi — tai jābūt bezgalīgai.
• 3. solis: Izmēriet maiņstrāvas spriegumu starp signāla vadiem un zemi. Voltmetru iestatiet uz AC milivoltu diapazonu. Vērtības virs 10 mV AC norāda uz elektromagnētisko traucējumu. Novietojiet signāla kabeli vismaz 300 mm attālumā no barošanas kabeļiem.
• 4. solis: Uzstādiet signāla izolatoru, ja zemējuma cilpas nevar novērst. Phoenix Contact MINI Analog Pro nodrošina 3-veidu izolāciju ar kļūdu <0,1%. Tas pārtrauc visas zemējuma cilpas un nodrošina kopējā režīma trokšņu slāpēšanu līdz 2 kV.

Neīstās nolasīšanas novēršana

• Pēkšņa pārlēkšana uz maksimālo rādījumu: Norāda uz atvērtu ķēdi. Pārbaudiet savienojumu pie sensora galvas. Vibrācija var atbrīvot skrūvju spailes. Pieskrūvējiet visas spailes ar norādīto griezes momentu (parasti 0,5 N·m priekš 1,5 mm² vadiem).
• Pastāvīga nobīde: Norāda uz neatbilstošu termopāra tipu. Pārbaudiet raidītāja konfigurāciju. K tips, konfigurēts kā J tips, pie 500°C rādīs aptuveni par 50°C par zemu. RTD, konfigurēts kā “Cu10” nevis “Pt100”, rādīs 26 reizes augstāku temperatūru nekā patiesā.
• Lēna reakcija: Norāda uz sliktu siltuma kontaktu. Termovellā uzstādītam RTD izmantojiet atsperu elementu. Virsmas termopāram izmantojiet jutīgu spilventiņu ar augstas siltumvadītspējas līmi. Slikti uzstādīts virsmas termopārs var reaģēt ilgāk par 10 minūtēm.

Nobeigums un ieteikumi darbībām

Signāla kabeļa izvēle, zemēšana un ekrāns ir tikpat svarīgi kā sensora izvēle. Izmantojiet pareizo termopāra pagarinājuma vada tipu. Ekrānus zemējiet tikai vienā punktā. Garumiem virs 30 metriem izmantojiet trīsvadu vai četrvadu RTD. Ja zemējuma cilpas nevar novērst, izolējiet raidītāju. Glabājiet rezerves termopāra pagarinājuma vadu ārkārtas remontiem. Katru kabeli abos galos marķējiet ar sensora numuru.

Autors: Weijie Huang ir rūpnieciskās automatizācijas inženieris ar vairāk nekā 10 gadu pieredzi PLC, DCS un vadības sistēmās.