Integritet signala termopara i RTD senzora: kablovi i uzemljenje

Zašto je integritet signala važan

RTD klase A Pt100 ima toleranciju od ±0,15°C na 0°C. Termopar tipa K ima toleranciju od ±2,2°C na 500°C. Ove tačnosti su beznačajne ako kabl za signal uvodi veću grešku. Signali termopara su u milivoltima — greška od 1°C odgovara 40 µV, a indukovani šum od 200 µV proizvodi grešku očitavanja od 5°C. Budžet greške mora uključivati i kabl. Honeywell MC-TAIH02 modul za analogni ulaz visokog nivoa i Honeywell CC-PUIO01/C univerzalni I/O modul prihvataju ulaze termopara i RTD direktno, ali nijedan ne može detektovati greške izazvane kablom — redovna kalibracija petlje je jedini način da se one otkriju.

Izbor produžnog kabla za termopar

Produžni kablovi za termopar koriste legure provodnika koje odgovaraju EMF krivoj termopara. Korišćenje običnog bakarnog kabla poništava svrhu — bakar stvara parazitske spojeve termopara na svakom kraju, a greška može premašiti 20°C. Izaberite odgovarajuću izolaciju: PVC je za maksimalno 105°C, XLPE za 150°C. Za više temperature koristite staklenu tkaninu ili pletenicu od nerđajućeg čelika. Izaberite odgovarajuću zaštitu — Phoenix Contact FLK serija ima kalajisanu bakarnu pletenicu sa 85% pokrivenosti. Uzemljite zaštitu na samo jednom mestu, obično na kraju kod predajnika. Uzemljenje na oba kraja stvara uzemljenu petlju koja indukuje šum u provodnicima signala.

Dimenzionisanje i ožičenje RTD kabla

RTD senzori koriste konstantnu struju pobude od 1 mA. Konfiguracije sa tri i četiri žice kompenzuju otpor kabla. Kod RTD sa tri žice, predajnik pretpostavlja da dve žice imaju isti otpor — ovo važi samo ako su sve tri žice iste dužine i preseka.

• Otpor žice: Bakarna žica od 0,5 mm² ima otpor od 36 miliohma po metru. Za 50 metara, otpor je 1,8 oma po žici. Ako je jedna žica 1,8 oma, a druga 2,0 oma, greška je 0,1 oma, odnosno 0,26°C za Pt100. Koristite isti presek i dužinu žice za sve RTD žice.
• Zaštita kabla: Izaberite RTD kabl sa folijskom zaštitom i odvodnom žicom. Uzemljite odvodnu žicu na jednom mestu. Za opasna područja koristite IS-kabl sa plavom jaknom. Prevelika kapacitivnost kabla (>200 nF/km) može izazvati oscilacije IS barijere i lažna očitavanja.

Filozofija uzemljenja

Za termoparske krugove, negativna žica se obično uzemljuje na predajniku da bi se smanjio šum zajedničkog režima. Međutim, ako je i omotač termopara uzemljen na mestu merenja, formira se uzemljena petlja. Rešenje je izolovani predajnik — Emerson Rosemount 644 sa izolacijom i Honeywell STT3000 sa izolacijom između kanala efikasno prekidaju uzemljene petlje.

Za RTD krugove, uzemljite zaštitu samo na kraju kod predajnika. RTD element obično nije uzemljen — uzemljenje elementa povećava rizik od uzemljene petlje. Ako je omotač RTD uzemljen na procesnoj vezi, koristite izolovani ulazni predajnik. Koristite jednopojasni uzemljeni sabirnički blok u svakoj spojnoj kutiji i povežite ga sa zemljanim sistemom postrojenja jednim provodnikom, a ne serijski.

Korak po korak smanjenje šuma

• Korak 1: Isključite senzor i izmerite napon na otvorenom kolu. Za termopar koristite voltmetar sa ulaznim otporom >1 MΩ. Očitavanje treba biti stabilno unutar ±10 µV. Za RTD koristite četvorožični ommetar. Očitavanje treba biti stabilno unutar ±0,05 oma.
• Korak 2: Proverite kontinuitet zaštite. Izmerite otpor od odvodne žice zaštite do uzemljenog sabirničkog bloka — treba biti manji od 1 oma. Proverite da li je zaštita uzemljena na samo jednom mestu. Isključite zaštitu na strani senzora i izmerite otpor do zemlje — treba biti beskonačan.
• Korak 3: Izmerite AC napon između žica signala i zemlje. Podesite voltmetar na AC milivoltni opseg. Vrednosti iznad 10 mV AC ukazuju na elektromagnetne smetnje. Postavite kabl signala najmanje 300 mm udaljen od kablova za napajanje.
• Korak 4: Instalirajte izolator signala ako se uzemljene petlje ne mogu ukloniti. Phoenix Contact MINI Analog Pro pruža trostruku izolaciju sa greškom manjoj od 0,1%. Prekida sve uzemljene petlje i pruža odbacivanje šuma zajedničkog režima do 2 kV.

Otklanjanje lažnih očitavanja

• Iznenadni skok na maksimalno očitavanje: Ukazuje na prekid u kolu. Proverite vezu na glavi senzora. Vibracije mogu olabaviti šrafne priključke. Zategnite sve priključke na propisani moment (obično 0,5 N·m za žicu od 1,5 mm²).
• Konstantni pomak: Ukazuje na neusklađen tip termopara. Proverite konfiguraciju predajnika. Termopar tipa K podešen kao tip J očitava oko 50°C niže na 500°C. RTD podešen kao „Cu10“ umesto „Pt100“ očitava 26 puta veću temperaturu od stvarne.
• Spora reakcija: Ukazuje na loš termalni kontakt. Za RTD montiran u termovelu koristite element sa oprugom. Za termopar montiran na površinu koristite senzor sa podlogom i lepak visoke toplotne provodljivosti. Loše montiran površinski termopar može imati vreme odziva duže od 10 minuta.

Zaključak i saveti za akciju

Izbor kabla za signal, uzemljenje i zaštita su podjednako važni kao i izbor senzora. Koristite odgovarajući tip produžnog kabla za termopar. Uzemljujte zaštitu na samo jednom mestu. Za dužine preko 30 metara koristite RTD sa tri ili četiri žice. Izolujte predajnik ako se uzemljene petlje ne mogu izbeći. Čuvajte rezervni produžni kabl za termopar za hitne popravke. Obeležite svaki kabl brojem oznake senzora na oba kraja.

Autor: Weijie Huang je inženjer industrijske automatizacije sa preko 10 godina iskustva u PLC, DCS i kontrolnim sistemima.