Nastavení termočlánků

Při provádění prací na uvedení do provozu existují případy, kdy je obtížné pochopit důvody nesprávného měření teploty termočlánků

V tomto případě je nutné zjistit důvody nespolehlivých měření. V tomto článku bych se rád podělil o způsoby, jak najít nedostatky, analyzovat situaci a objasnit řadu kontroverzních otázek.
Nejprve trochu teorie.
Termočlánek se skládá ze sloučeniny různých slitin, které díky svým fyzikálním a chemickým vlastnostem začnou být při kontaktu zdrojem slabého elektrického proudu (EMF). Když je termočlánek vystaven teplotě, mění se jeho potenciálový rozdíl, měřený několika milivolty. Tento potenciální rozdíl závisí na typu materiálů použitých k výrobě termočlánku. Princip činnosti termočlánku je podobný elektrické baterii, kde interakcí dvou materiálů a elektrolytu vzniká potenciál (emf).
Princip činnosti měřicího kanálu termočlánkového typu

Bod, kde se kovy setkávají v samotném termočlánku, je definován jako „horký spoj“. „Studený spoj“ jsou všechna ostatní připojení v daném měřicím kanálu. K určení teploty zóny, ve které je termočlánek instalován, stačí změřit počet milivoltů na vstupu do měřicího kanálu.
Spojení mezi termočlánkem a měřičem napětí (jako je milivoltmetr nebo I/O modul) se obvykle provádí pomocí kabelů pro kompenzaci teploty nebo prodlužovacích kabelů. V prvním případě mají materiály vodičů vlastnosti podobné vlastnostem termočlánku, ve druhém – ze stejného materiálu.
Navzdory použití materiálů pro teplotní kompenzaci bude vždy existovat bod, ve kterém se termočlánek dostane do kontaktu s jiným materiálem, jako je měď stopy elektronického obvodu. V tomto případě se vytvoří nová spojení (“studený spoj”), která přispějí k celkovému naměřenému EMF (zkreslení odečtů).
Podívejme se na příklad.
Existuje termočlánek Cromel-Alumel. Když jsou vodiče Cromel a Alumel v kontaktu s mědí, vytvoří se dva nové termočlánky: “Cromel-Copper” (bude generovat EMF = V1) a Copper-Alumel (bude generovat EMF = V2). V důsledku toho budou generovány dvě další a opačné polarity EMF, které se přidají k EMF spojení Cromel-Alumel (bude generováno EMF = V).
Nakonec budeme mít v měřicím obvodu následující EMF:
Vcelkem = V+(V1-V2),
kde V1-V2 je obvykle záporná hodnota. Pokud by všechny studené spoje byly na 0 °C, pak by neměly žádný vliv na celkový měřicí obvod, protože všechny jimi generované EMF by byly nulové. Nejčastěji je však nutné neutralizovat vliv „studených spojů“ přidáním dalšího EMF do měřicího obvodu podle následujícího vzorce:
Vkompenzace = V2-V1
Pro odstranění studeného konce EMF (V1-V2) je nutné přidat vypočtenou část EMF (V2-V1). Odečtením čísel, která jsou si blízká, se tedy zlepší kvalita liniových měření.
Vzorec, podle kterého by se mělo vypočítat správné napětí termočlánku, je následující:
Vcelkem = V + V1-V2 + V2-V1, kde:
V1-V2 je napětí studeného konce;
V2-V1 je koeficient teplotní kompenzace.
Tepelnou kompenzaci lze provést pomocí hardwarového nastavení regulátoru (Hardware) nebo pomocí softwaru se speciálními programy (Software).
Pro ty, kteří trpělivě dočetli až sem, trochu více teorie, ale více do hloubky.
Například instalace byla dokončena na místě, ale naměřené hodnoty teploty neodpovídají očekáváním.
Co musíte nejprve zkontrolovat:
1. Uzemnění prodlužovacího kabelu. Náhodné rušení může ovlivnit výsledek měření a zkreslit naměřené hodnoty.
2. Musíte se ujistit, že parametry RTD v Hardware jsou správně nastaveny v hardwarové konfiguraci PLC. Pevná referenční teplota je nastavena na 0 °C.
3. Volbu definice termočlánku je nejlepší nastavit v manuálním režimu, protože to dává velké množství možných možností nastavení.
4. Zkontrolujte, jaké parametry kompenzace studeného konce jsou nastaveny v HW (hardware) nebo SW (software). Neměly by být duplikovány. Pokud není nikde nic nastaveno, tak chyba může dosáhnout hodnoty okolní teploty.
Obvykle jsou při provádění továrních testů před odesláním skříní do výroby měřicí kanály testovány speciálními regulátory napětí (kalibrátory). Pokud tedy například přivedete 50 mV do kanálu termočlánku typu „K“, hodnota teploty by měla být 1233 °C. Je třeba poznamenat, že připojení kabelů teplotní kompenzace k regulátoru tvoří pole „kompenzovaného typu“ a ve vedení se mohou tvořit „parazitní“, „studená“ spojení. Je nutné zajistit, aby prodlužovací kabely nebo kompenzační kabely nebyly připojeny přes průchodkový kov (svorkovnici) z jiného typu kovu, protože by se tím zvýšily chyby studeného konce.
Je vhodné dbát na polaritu vodičů v měřicím kanálu. Je důležité sladit barvy vodičů s polaritou termočlánku. Pokud se zamíchají, nebude možné získat správné údaje o teplotě. Někdy odborníci hodnotí polaritu žil kabelů pro teplotní kompenzaci podle magnetického jádra (jádra v kabelu jsou magnetická). U termočlánku typu K je magnetickým jádrem obvykle bílý záporný vodič.
Co byste měli udělat pro kontrolu měřicího vedení termočlánku? Přerušte komunikační linku od termočlánku, spojovací skříňky, regulátoru jeden po druhém, proveďte měření a zaznamenejte si měření do tabulky. Pokud je rozdíl mezi různými termočlánky relativně konstantní, bude nutné revidovat postup kompenzace studeného konce v regulátoru. Pokud tedy například ze záznamů v tabulce vidíme, že ve všech bodech měření je odchylka, pak je můžeme sečíst a zohlednit ve formě korekčního faktoru v konfiguraci softwaru nebo hardwaru.
Kromě toho bych rád poznamenal, že inženýři na místě používají přístroje s nedostatečnou třídou přesnosti. Pro měření napětí termočlánků je nutné měřit s přesností na setiny, nebo ještě lépe tisíciny voltu. Pokud nepoužijete tak přesné přístroje, může chyba při porovnávání naměřených hodnot dosáhnout 30 °C.

U průmyslových objektů (pece, sloupy atd.) jsou všechny termočlánky připojeny k regulátoru po instalaci přes speciální rozvodné skříně. Délka teplotního kompenzačního kabelu je obvykle cca 300 m Spojení mezi termočlánkovým konektorem a I/O modulem regulátoru je provedeno bipolárním teplotním kompenzačním kabelem. Například existují kabely pro typ „K“ po 24 párech.
Spojení mezi každým termočlánkem a propojovací krabicí se provede zasunutím zástrček každého termočlánku do odpovídající předem zapojené zásuvky. Tato připojení musí striktně odpovídat externím schématům připojení.
Chcete-li zkontrolovat integritu termočlánku, musíte po prvním měření v milivoltech odpojit zástrčku vedoucí ze snímače do propojovací krabice. Tato hodnota by měla přibližně odpovídat teplotě prostředí, ve kterém je čidlo instalováno. Pokud tomu tak není, musí být termočlánek a jeho prodlužovací kabel nahrazeny náhradním podobným typem.
Pozor: kabely pro teplotní kompenzaci mají polaritu a nesmí se přehodit. Páry vodičů jsou zbarveny podle mezinárodní normy STD, přičemž jedna barva představuje pozitivní a druhá barva představuje negativní. Barva vodičů pro všechny kabely pro teplotní kompenzaci se může lišit typ od typu. Následující obrázek ukazuje barvu a polaritu vodičů v souladu s přijatou normou.

Je důležité, aby spojení mezi termočlánkem a regulátorem bylo provedeno podle polarity signálu (mV). Níže je uvedena převodní/převodní tabulka milivoltů na teplotu pro termočlánky typu K (NiCr-Ni) v souladu s IEC 584-1 (hodnoty tučně jsou teploty, hodnoty v tabulce jsou milivolty).