Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом

Задача измерения температуры в промышленности не сводится только к выбору точного и стабильного первичного преобразователя. Сигнал от термометра сопротивления или термопары должен качественно, без помех передаваться на измерительный прибор, в систему управления, автоматизации, сигнализации, которые зачастую находятся на большом расстоянии от датчиков. Поэтому измерительные системы в промышленности, как правило, работают не непосредственно с первичным сигналом, полученным от датчика, а с сигналом, преобразованным в унифицированный токовый выходной сигнал. 

Широкое распространение получил унифицированный сигнал 4-20 мА. Это объясняется следующими причинами: 
- на передачу токовых сигналов не оказывает влияния сопротивление соединительных проводов, поэтому требования к диаметру и длине соединительных проводов, а значит, и к стоимости снижаются; 
- наведенные электромагнитные помехи в токовых цепях малы по сравнению с аналогичными цепями, в которых используются сигналы напряжения; 
- обрыв линии передачи токового сигнала 4-20 мА легко определяется измерительными системами по нулевому уровню тока в цепи. 

Нормирующие преобразователи решают еще одну задачу – гальваническое разделение цепей. Необходимость гальванического разделения возникает, прежде всего, в тех случаях, когда многоканальная измерительная система работает с неизолированными источниками сигналов, находящихся под разными потенциалами. Как известно, в промышленных условиях даже заземленные источники, но расположенные на некотором удалении друг от друга, находятся под разными потенциалами частотой 50 Гц, обусловленными электромагнитным наводками от силовых цепей. Гальваническая развязка решает эту проблему: она полностью устраняет влияние разности постоянных потенциалов и значительно подавляет переменные наводки частотой 50 Гц. Кроме того, гальваническое разделение предохраняет измерительные цепи от высокочастотных помех, которые вызваны короткими импульсами тока в силовых цепях. Такие импульсы возникают при работе сварочных аппаратов, индукторов, частотных преобразователей, тиристорных коммутаторов, а также при грозовых разрядах. В некоторых случаях нормирующие преобразователи, наряду с преобразованием и гальваническим разделением сигналов, выполняют важнейшую функцию сигнализации

Современный нормирующий преобразователь не только усиливают слабые сигналы первичных датчиков, но и линеаризуют при необходимости нелинейные характеристики первичных датчиков, осуществляют компенсацию влияния «холодных» спаев термопары.

При работе с унифицированными сигналами часто используется HART протокол передачи данных.

HART протокол

«HART» – это аббревиатура термина «Highway Addressable Remote Transducer» (дистанционно управляемый измерительный преобразователь, адресуемый через магистраль). При создании HART-протокола в 1980 году преследовалась цель сделать его совместимым с широко распространенным в то время стандартом "токовая петля", но добавить возможности, необходимые для управления интеллектуальными устройствами. Поэтому аналоговая "токовая петля" 4-20 мА была модернизирована таким образом, что получила возможность полудуплексного цифрового обмена данными. Для этого аналоговый сигнал A(t) суммируется с цифровым сигналом D(t) (см. рисунок), и полученная таким образом сумма передается с помощью источника тока 4-20 мА по линии связи. Благодаря сильному различию диапазонов частот аналогового (0...10 Гц) и цифрового (1200 Гц и 2200 Гц) сигналов они легко могут быть разделены фильтрами низких и высоких частот в приемном устройстве. При передаче цифрового двоичного сигнала логическая единица кодируется синусоидальным сигналом с частотой 1200 Гц, ноль - 2200 Гц. При смене частоты фаза колебаний остается непрерывной. Такой способ формирования сигнала называется частотной манипуляцией с непрерывной фазой. Выбор частот соответствует американскому стандарту BELL 202 на телефонные каналы связи. 

 

 Кодирование методом частотной манипуляции (FSK)

Таким образом, протокол HART обеспечивает два канала одновременной передачи данных: передачи аналогового сигнала 4-20 мА и цифрового сигнала. Сигнал 4-20 мА передает значение первичного измерения. Цифровой сигнал содержит информацию, поступающую с датчика, включая информацию о состоянии прибора, данные диагностического контроля, дополнительные измеренные или рассчитанные значения и т.п. В совокупности оба этих коммуникационных канала представляют собой недорогое и очень надежное комплексное решение по организации линии связи в полевых условиях, которая проста в использовании и конфигурировании. Организация связи осуществляется с использованием стандартных контрольных проводов и в соответствии со стандартным порядком электромонтажа и концевой заделки.

Технология HART использует протокол «master/slave», построенный по принципу «ведущий-ведомый», при котором slave-устройство только отвечает на запросы главного master-устройства. Протокол HART может использоваться в различных режимах, например, в монодропном или мультидропном режиме для передачи данных как на интеллектуальные полевые устройства и центральные системы управления или контроля, так и от них.

 
Конструктивные исполнения преобразователей унифицированных сигналов

Нормирующие преобразователи желательно размещать как можно ближе к первичным датчикам. Идеальным можно считать решение, когда нормирующий преобразователь размещен в стандартной клеммной головке датчика (т.н. «таблетка»). Ограничение, которое может препятствовать размещению преобразователя в едином конструктиве с датчиком, связано только особыми условиями эксплуатации, недопустимыми для электронных устройств. Прежде всего, это такие факторы, как температура, химически активные среды, взрывоопасные среды, вибрация, рентгеновское излучение и пр. 

Очень распространенным является конструктивное исполнение, рассчитанное на монтаж на стандартный DIN-рельс 35 мм. В этом случае преобразователь и первичный датчик разнесены, но расстояние между ними желательно сделать по-прежнему минимальным. Такое конструктивное решение позволяет, с одной стороны, размещать их за пределами зон с жесткими условиями эксплуатации, а с другой – располагать их в единой защитной оболочке. Существуют также преобразователи, выполненные в виде модулей и рассчитанные на монтаж на коммуникационных платах. 

Основные характеристики нормирующих преобразователей

Перечислим характеристики и параметры, по которым следует оценивать и сравнивать между собой нормирующие преобразователи.

- основная погрешность преобразования. Погрешность на уровне 0,1% является для современных нормирующих преобразователей стандартом, хотя на рынке широко представлены преобразователи (особенно отечественного производства) с погрешностями 0,25 и 0,5%;

- стабильность метрологических характеристик при изменении температуры эксплуатации, сопротивлений нагрузки, которая характеризуется соответствующими дополнительными погрешностями;

 - типы и диапазоны входных и выходных сигналов;

 - подавление помех с частотой 50 Гц общего и нормального вида, а также устойчивость к электромагнитным воздействиями (микро- и наносекундные импульсы, статическое электричество и проч.);

- наличие гальванической изоляции и напряжение гальванической изоляции. Гальваническая изоляция, с одной стороны, позволяет работать с датчиками, находящимися под разными потенциалами, а  с другой, служит защитой измерительных систем от электромагнитных воздействий,  вызванных разрядами молний, сваркой и проч.

- выполняемые функции (индикация, сигнализация, обнаружение аварийных ситуаций и проч.), возможность изменять функции пользователем путем программирования;

- параметры электропитания и их влияние на точность преобразования;

- конструктивное исполнение. Следует особо упомянуть исполнение  преобразователей для применения  во взрывоопасных условиях.

Измерители унифицированных сигналов

Токовый сигнал 4-20 мА от нормирующего преобразователя температуры, давления и других параметров процессов, переданный на расстояние, может быть с помощью измерителей и регистраторов вновь преобразован в единицы измеряемых физических величин: в градусы, паскали  т.д. Существуют универсальные измерительные преобразователи, работающие с унифицированным сигналом от различных типов датчиков.

Нормирование технических и метрологических характеристик термопреобразователей с унифицированным выходным сигналом

  Существует стандарт ГОСТ 30232-94 «Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом. Общие технические требования», устанавливающий требования к термопреобразователям с унифицированным сигналом. Стандарт был переиздан в 2005 г. Текст стандарта можно скачать на нашем сайте в разделе «Российские и межгосударственные стандарты».

Стандарт содержит обязательные и рекомендуемые требования, которые должны проверяться при испытаниях типа с целью внесения приборов в ГосРеестр РФ.

Точность термопреобразователей с унифицированным сигналом характеризуется пределом допустимого значения основной погрешности. Приводим таблицу из ГОСТ 30232-94. 

требования к трансмиттерам

К обязательным требованиям относятся также требования к электрическому сопротивлению изоляции, прочности изоляции, воздействию условий повышенной влажности и температуры.

К рекомендуемым требованиям ГОСТ 30232-94 относятся требования к пределу допустимых вариаций выходного сигнала, пределу допускаемой дополнительной погрешности, вызванной колебаниями напряжения питания, сопротивления нагрузки, температуры окружающего воздуха. Также могут нормироваться степень защиты головки от проникновения воды, от механических воздействий, для отдельных конструкций - специальные требования искробезопасности и взрывозащиты.

Производители термопреобразователей с унифицированным выходным сигналом, как правило, приводят в технической документации на прибор более детальные данные о точности термопреобразователей в зависимости от температурных диапазонов, применяемых датчиков, диапазонов выходных сигналов тока. Часто погрешность выражается в градусах Цельсия. Погрешность может нормироваться для комплекта датчик+ измерительный преобразователь и для измерительного преобразователя отдельно.

Методика поверки и калибровки термопреобразователей с унифицированным выходным сигналом

На методику поверки термопреобразователей с унифицированным выходным сигналом российского стандарта нет. Методики поверки разрабатываются предприятиями при внесении приборов в Реестр РФ.

Как пример типовой методики можно рассмотреть "МИ 2356-2006. Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом ТСМУ-055, ТСМУ-205, ТСПУ-055, ТСПУ-205, ТХАУ-205, ТХКУ-205. Методика поверки" (разработана НПП «ЭЛЕМЕР», утв. ФГУП "ВНИИФТРИ" 18.08.2006) 

Поверка измерительного преобразователя (ИП) в комплекте с датчиком (ТС или ТП) осуществляется в термостате при нескольких градуировочных температурах, обычно соответствующих 5, 25, 50, 75, 95% диапазона измеряемой температуры. Снимают показания эталонного термометра Т0 и токовый сигнал поверяемого термометра Ii . Температуру, соответствующую сигналу тока, рассчитывают по формуле: 

 Погрешность измерительного преобразователя (ИП) в комплекте с датчиком рассчитывают по формуле: 

Надо всегда учитывать, что точность измерения температуры с помощью измерительного преобразователя (ИП) в комплекте с датчиком будет в основном определяться нестабильностью первичного преобразователя – термометра сопротивления или термопары, а не погрешностью преобразования. При смене первичного преобразователя придется делать повторную поверку комплекта.

Поэтому более распространенным методом является поверка датчика температуры и измерительного преобразователя по отдельности. Поверка датчика температуры проводится по соответствующему стандарту (ГОСТ 6651 для ТС и ГОСТ 8.338 для ТП). Для поверки ИП используется калибратор сигналов напряжения (имитация термопары) или сопротивления (имитация термометра сопротивления).

Основную приведенную погрешность и нелинейность ИП определяют в точках соответствующих 1, 20, 40, 60, 80, 100% диапазона изменений выходного токового сигнала для выхода от 0 до 5 мА и 5, 25, 50, 75, 100% диапазона изменений выходного сигнала для выхода от 4 до 20 мА. Для каждого расчетного значения тока Iрасч рассчитывают соответствующее значение сопротивления (или ТЭДС для термопары). Это значение подают на ИП с помощью калибратора сигналов и измеряют выходное значение тока Iвых . Погрешность рассчитывается по формуле: 

где Iн - нормирующее значение выходного сигнала, равное 5 мА для выхода от 

0 до 5 мА, и 16 мА для выхода от 4 до 20 мА.

Нелинейность ИП определяют по значению наибольшего отклонения измеренных значений выходного сигнала от линейной зависимости между входным и выходным сигналами. Значение этого отклонения не должно превышать 0,5 предела допускаемой основной погрешности ИП.

 Примечание: 

В статье использованы материалы Энциклопедии АСУ ТП ( www.bookasutp.ru), материалы сайта НПП «Элемер» (www.elemer.ru), НПФ «КонтрАвт» (www.contravt.ru), а также статья «Нормирующие преобразователи сигналов» (ООО НПФ «КонтрАвт», г. Нижний Новгород), опубликованная в журнале «ИСУП», № 3(27)_2010.

Приглашаем производителей термопреобразователей с унифицированным сигналом дополнять данный раздел. Материалы высылайте по эл. почте на адрес info@temperatures.ru.