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A Temperaturtransmitter funktioniert, indem es den elektrischen Ausgang von einem Temperatursensorelement empfängt, ihn durch interne Signalaufbereitungs- und Linearisierungsschaltungen verarbeitet und einen standardisierten Ausgang proportional zur gemessenen Temperatur erzeugt. Die interne Architektur eines modernen digitalen Temperaturtransmitters besteht aus vier Funktionsstufen, die zusammen ein rohes, nichtlineares Sensorsignal in einen präzisen, rauschresistenten Ausgang umwandeln, der für die Übertragung über große Entfernungen und die direkte Verarbeitung durch ein verteiltes Steuerungssystem oder eine speicherprogrammierbare Steuerung geeignet ist.
Die Signalverarbeitungskette in einem modernen industriellen Temperaturtransmitter folgt einer konsistenten Architektur, unabhängig davon, ob der Eingang von einem Thermoelement, einem RTD oder einem anderen Sensortyp stammt:
Ein Thermoelement ist eine Verbindung zweier unterschiedlicher Metalldrähte, die eine kleine elektromotorische Kraft (EMF) erzeugt, die proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle (der heißen Verbindungsstelle, am Prozessmesspunkt platziert) und der Referenzstelle (der kalten Verbindungsstelle, an der Stelle, an der der Thermoelementdraht in Kupferleiter übergeht, typischerweise an den Eingangsanschlüssen des Senders) liegt. Das Thermoelement misst keine absolute Temperatur; Es misst eine Temperaturdifferenz, und der Temperaturtransmitter muss die Temperatur der Vergleichsstelle addieren, um diese Differenz in eine absolute Prozesstemperatur umzuwandeln.
Moderne Temperaturtransmitter verfügen über einen internen Vergleichsstellenkompensationssensor, typischerweise einen Präzisionsthermistor oder einen Silizium-Bandlückensensor, der an den Thermoelement-Eingangsanschlüssen montiert ist. Dieser Sensor misst die tatsächliche Temperatur der Eingangsanschlüsse des Messumformers und addiert diese Vergleichsstellentemperatur während der Linearisierungsberechnung zur gemessenen EMK des Thermoelements. Die Genauigkeit der Vergleichsstellenkompensation trägt wesentlich zur Gesamtmessunsicherheit von Thermoelement-Transmittersystemen bei, und hochwertige Transmitter geben ihre Genauigkeit der Vergleichsstellenkompensation getrennt von der Signalaufbereitungsgenauigkeit des Transmitters an. Ein Kaltstellenkompensationsfehler von 0,5 Grad Celsius trägt direkt zum Gesamtmessfehler bei, unabhängig von der Qualität aller anderen Systemkomponenten.
Die Wahl des Thermoelementtyps bestimmt den Messbereich, die Empfindlichkeit und die chemischen Verträglichkeitseigenschaften der Sensor-Transmitter-Kombination. Die am häufigsten bei industriellen Temperaturtransmittern verwendeten Typen sind:
Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs) arbeiten nach einem grundlegend anderen physikalischen Prinzip als Thermoelemente und messen den Anstieg des elektrischen Widerstands eines reinen Metallelements (Platin in den Typen Pt100 und Pt1000) bei steigender Temperatur. Der Sender liefert einen kleinen bekannten Strom durch das RTD-Element und misst die resultierende Spannung, um den Widerstand zu berechnen. Anschließend wendet er die Callendar-Van-Dusen-Gleichung oder das IEC 60751-Charakterisierungspolynom an, um diesen Widerstand in Temperatur umzuwandeln.
Um den Einfluss des Leitungswiderstands auf die Messgenauigkeit zu eliminieren, werden Drei- und Vierdraht-RTD-Anschlusskonfigurationen verwendet. Bei einer Zweileiterkonfiguration addiert sich der Leitungswiderstand (der je nach Umgebungstemperatur und Leitungslänge variiert) direkt zum gemessenen RTD-Widerstand und führt zu einem Fehler, der nicht korrigiert werden kann. In einer Dreileiterkonfiguration verwendet der Sender eine Wheatstone-Brücke oder eine gleichwertige Schaltung, die den Leitungswiderstand der gemeinsamen Rückleitung aufhebt und den Fehler auf den Widerstandsunterschied zwischen den beiden separaten Leitungsdrähten reduziert. In einer Vierleiterkonfiguration eliminieren separate Stromführungs- und Spannungserfassungsdrahtpaare den Einfluss des Leitungsdrahtwiderstands auf die Messung vollständig und erreichen so die volle intrinsische Genauigkeit des RTD-Sensors. Vierdrahtanschlüsse sind Standard für Labor- und hochpräzise Prozessanwendungen; Dreidrahtverbindungen sind in Industrieanlagen üblich, bei denen ein gewisser Fehler des Restleitungswiderstands akzeptabel ist.
Die Genauigkeit eines Temperaturtransmittersystems setzt sich aus mehreren einzelnen Fehlerquellen zusammen, die jeweils zur gesamten Messunsicherheit beitragen. Das Verständnis dieser Fehlerquellen und ihrer Kombination ist für die Auswahl eines Senders mit angemessener Genauigkeit für eine bestimmte Anwendung und für die Interpretation der in den Datenblättern des Senders angegebenen Genauigkeitsspezifikationen von entscheidender Bedeutung.
Ein vollständiges Genauigkeitsbudget für ein Temperaturtransmittersystem umfasst Beiträge aus den folgenden Quellen:
Die kombinierte Genauigkeit eines gut aufeinander abgestimmten Sensor- und Sendersystems in einer typischen industriellen Prozessanlage liegt unter Berücksichtigung aller Fehlerquellen typischerweise im Bereich von plus/minus 0,5 bis 2 Grad Celsius für RTD-basierte Systeme und plus/minus 1,5 bis 5 Grad Celsius für thermoelementbasierte Systeme. Der größere Unsicherheitsbereich für Thermoelementsysteme spiegelt die Kombination aus der geringeren inhärenten Genauigkeit des Sensors, dem Vergleichsstellenkompensationsfehler am Sender und der größeren Anfälligkeit von Thermoelement-EMF-Messungen gegenüber elektrischen Störungen wider.
Für Anwendungen, die eine Messunsicherheit unter plus oder minus 0,5 Grad Celsius erfordern, wählen Sie einen Pt100-RTD mit Klasse A oder 1/3 DIN-Toleranz, schließen Sie ihn in einer Vierleiterkonfiguration an, verwenden Sie einen hochpräzisen Sender, der für den RTD-Eingang spezifiziert ist, und installieren Sie den Sender an einem Ort mit stabiler und mäßiger Umgebungstemperatur. Vierleiter-Pt100-Systeme führender Hersteller können in gut kontrollierten Installationen eine kombinierte Messunsicherheit von plus/minus 0,2 bis 0,3 Grad Celsius erreichen und eignen sich für Pharma-, Lebensmittel- und Präzisionsprozessanwendungen, bei denen eine strengere Temperaturkontrolle erforderlich ist.
| Faktor | Thermoelement-Sendersystem | RTD (Pt100)-Transmittersystem |
|---|---|---|
| Typische Systemgenauigkeit | Plus oder minus 1,5 bis 5 Grad C | Plus oder minus 0,2 bis 1,0 Grad C |
| Temperaturbereich | Bis 1.600 Grad C (Edelmetallarten) | Typischerweise bis zu 600 bis 850 Grad C |
| Langzeitstabilität | Niedriger (EMF-Drift aufgrund metallurgischer Veränderungen) | Höher (Widerstandsstabilität von Platin) |
| Reaktionszeit | Schneller (kleinere thermische Masse) | Etwas langsamer (größere Elementmasse) |
| Kosten (Sensor) | Niedriger | Höher |
| Lärmanfälligkeit | Höher (millivolt signal) | Niedriger (resistance measurement) |
| Beste Anwendungen | Hohe Temperatur, schnelle Reaktion, große Reichweite | Hohe Genauigkeit, moderate Temperatur, Langzeitstabilität |
An integrierter Temperaturtransmitter vereint das Sensorelement und die Senderelektronik in einer einzigen physischen Baugruppe, die typischerweise direkt am Schutzrohr oder im Kopf der Temperatursensorbaugruppe montiert wird. Dieser integrierte Ansatz steht im Gegensatz zur herkömmlichen Split-Architektur, bei der ein separater Fernsensor über ein Verlängerungskabel mit einem separat montierten Sender verbunden ist. Er bietet mehrere praktische und Leistungsvorteile, die integrierte Sender zur bevorzugten Konfiguration für die meisten neuen industriellen Prozesstemperaturinstallationen gemacht haben.
Integrierte Temperaturtransmitter sind in zwei primären physikalischen Konfigurationen erhältlich:
Die integrierte Architektur bietet messbare Leistungsverbesserungen gegenüber Split-Sensor-Transmittersystemen in mehreren Bereichen, die sich direkt auf die Messqualität und Systemzuverlässigkeit auswirken:
Um den richtigen Temperaturmessumformer für eine Prozesssteuerungsanwendung auszuwählen, müssen die Spezifikationen des Messumformers an die Messanforderungen der Anwendung in mehreren Dimensionen gleichzeitig angepasst werden. Das folgende Framework befasst sich mit den wichtigsten Auswahlkriterien in einer praktischen Entscheidungssequenz.
Die erste Auswahlentscheidung ist der Sensortyp, der das grundsätzliche Genauigkeitspotenzial, den Messbereich und die Umweltverträglichkeit des Systems bestimmt. Verwenden Sie RTD-Sensoren (Pt100 oder Pt1000) und kompatible Sender für Anwendungen, die eine Messgenauigkeit von mehr als plus oder minus 1 Grad Celsius erfordern, für Temperaturen unter 600 Grad Celsius und bei denen Langzeitstabilität über Jahre hinweg im Dauerbetrieb erforderlich ist. Verwenden Sie Thermoelementsensoren und kompatible Sender für Temperaturen über 600 Grad Celsius, für Anwendungen, bei denen eine schnelle Reaktion auf schnelle Temperaturänderungen erforderlich ist oder bei denen die Kosten für RTD-Sensoren für eine große Anzahl von Messpunkten unerschwinglich sind.
Universelle Eingangstransmitter, die sowohl Thermoelement- als auch RTD-Eingänge akzeptieren, sind von den meisten großen Herstellern erhältlich und eignen sich besonders für Einrichtungen mit unterschiedlichem Sensorbestand oder für Nachrüstanwendungen, bei denen der vorhandene Sensortyp zum Zeitpunkt der Senderbeschaffung möglicherweise nicht bekannt ist. Universelle Eingangstransmitter weisen im Vergleich zu sensorspezifischen Transmittern aufgrund der Kompromisse bei der Gestaltung der Eingangsschaltungen zur Verarbeitung sowohl des Thermoelementsignals im Millivolt-Bereich als auch der für RTD-Eingänge erforderlichen Widerstandsmessung in der Regel einen geringen Genauigkeitszuwachs auf. Moderne Designs haben diesen Genauigkeitsverlust jedoch in den meisten Fällen auf weniger als 0,05 Grad Celsius reduziert.
Das Ausgabeprotokoll des Senders muss mit der Infrastruktur des empfangenden Steuerungssystems kompatibel sein:
Die physische Umgebung, in der der Sender installiert wird, stellt Anforderungen an das Gehäuse des Senders, die Schutzart und die Zertifizierung für explosionsgefährdete Bereiche:
| Auswahlparameter | Optionen | Entscheidungsgrundlage |
|---|---|---|
| Sensoreingangstyp | RTD, Thermoelement, Universal | Temperaturbereich, accuracy requirement, response time |
| Ausgabeprotokoll | 4 bis 20 mA, HART, Feldbus, Wireless | Steuerungssystemkompatibilität, Diagnosebedarf |
| Montageart | Kopfmontage, DIN-Schiene, Fernbedienung | Installationsort, Umgebungstemperatur, Zugang |
| Schutz vor Eindringen | IP65, IP67, IP68 | Exposition im Freien, Abwaschen, Untertauchgefahr |
| Zertifizierung für explosionsgefährdete Bereiche | Ex ia, Ex ib, Ex d, ungefährlich | Bereichsklassifizierung, Gasgruppe, Temperaturklasse |
| Genauigkeitsklasse | Standard (plus oder minus 0,5 bis 1,0 °C), Hoch (plus oder minus 0,1 bis 0,3 °C) | Anforderungen an die Prozesssteuerung, Spezifikation des Sicherheitssystems |
Temperatursender Die Fehlerbehebung folgt einer logischen Diagnosesequenz, die den Fehler systematisch auf den Sensor, die Verkabelung oder die Senderelektronik eingrenzt, bevor Schlussfolgerungen darüber gezogen werden, welche Komponente Aufmerksamkeit erfordert. Die Lösung von Senderproblemen ohne diese systematische Struktur führt zu unnötigem Komponentenaustausch und längeren Prozessausfallzeiten. Die folgende Reihenfolge deckt die häufigsten Fehlerkategorien in industriellen Temperaturtransmitterinstallationen ab.
Ein bei 20,5 mA (oder dem oberen Fehlerstrom des Senders) oder bei 3,6 mA (unterer Fehlerstrom) gesperrter Senderausgang zeigt an, dass der Sender einen Zustand außerhalb des Bereichs oder einen Sensorfehler erkannt und seinen Ausgang auf einen voreingestellten ausfallsicheren Wert gesetzt hat. Diagnostizieren Sie wie folgt:
Ein Ausgang, der schnell über das Maß hinaus schwankt, das durch die Prozesstemperatur selbst verursacht werden könnte, weist auf die Aufnahme elektrischer Störungen in der Sensor- oder Senderverkabelung, auf eine lockere Verbindung oder auf ein Problem mit dem Eindringen von Feuchtigkeit in das Sendergehäuse oder den Sensoranschlusskopf hin. Untersuchen Sie Folgendes der Reihe nach:
Ein Temperaturtransmitter, der einen Messwert konstant über oder unter der tatsächlichen Prozesstemperatur mit einem festen Offset über den gesamten Messbereich liefert und durch Vergleich mit einem kalibrierten Referenzthermometer im selben Prozess bestätigt wird, weist entweder auf eine Kalibrierungsdrift des Senders, eine falsche Senderkonfiguration oder eine systematische Fehlerquelle wie den Leitungswiderstand in einer unkompensierten Zweidraht-RTD-Verbindung hin. Überprüfen Sie die Konfigurationsparameter des Messumformers (Sensortyp, Verbindungstyp, Spanne und Nullpunkt) anhand der ursprünglichen Inbetriebnahmedokumentation, bevor Sie eine Kalibrierungsprüfung durchführen, da Konfigurationsfehler, die während der Wartung auftreten, eine häufige und leicht korrigierbare Ursache für systematische Messwertabweichungen sind. Wenn bestätigt wird, dass die Konfiguration korrekt ist, führen Sie eine Zweipunkt-Kalibrierungsprüfung mit einer Präzisionstemperaturquelle und einem zertifizierten Referenzsender oder -kalibrator durch, um die Größe und Temperaturabhängigkeit des Offsets zu charakterisieren, und nehmen Sie eine Kalibrierungskorrektur vor oder ersetzen Sie den Sender, wenn der Offset die Genauigkeitsanforderung der Anwendung überschreitet.
Ein disziplinierter Temperaturtransmitter Das Wartungsprogramm erhält die Messgenauigkeit aufrecht, verhindert unerwartete Messfehler, die die Prozesssteuerung beeinträchtigen, und maximiert die Nutzungsdauer der Geräteinvestition. Das Wartungsprogramm für industrielle Temperaturtransmitter umfasst die regelmäßige Überprüfung der Kalibrierung, die physische Inspektion, die Überprüfung der Diagnosedaten für vorausschauende Wartung und den geplanten Austausch von Sensorkomponenten, die im Betrieb einer beschleunigten Alterung unterliegen.
Das Kalibrierungsüberprüfungsintervall für Temperaturtransmitter sollte auf der Grundlage der Genauigkeitsanforderungen der Anwendung, der spezifizierten Langzeitstabilität des Transmitters und der Folgen unerkannter Messfehler für die Qualität und Sicherheit der Prozesssteuerung festgelegt werden. Typische Kalibrierungsüberprüfungsintervalle für industrielle Temperaturtransmitter reichen von 6 Monaten für sicherheitskritische Messungen, bei denen jede Abweichung über plus oder minus 0,5 Grad Celsius sofort erkannt werden muss, bis zu 2 bis 5 Jahren für nicht kritische Überwachungsmessungen, bei denen die Langzeitstabilitätsspezifikation des Transmitters (normalerweise plus oder minus 0,1 bis 0,25 Prozent der Spanne pro Jahr von führenden Herstellern) längere Intervalle zwischen den Überprüfungen rechtfertigt.
Die Kalibrierungsüberprüfung sollte unter Verwendung einer kalibrierten Temperaturquelle (Trockenblockkalibrator oder Temperaturbad) durchgeführt werden, die auf nationale Messstandards rückführbar ist, wobei ein kalibriertes Referenzthermometer mit höherer Genauigkeit als der überprüfte Sender als Vergleichsstandard dient. Notieren Sie die Messwerte wie gefunden und übrig bei mindestens zwei Temperaturpunkten innerhalb der konfigurierten Spanne (normalerweise bei 25 Prozent und 75 Prozent der Spanne), um sowohl den Nullpunktversatz als auch den Spannenfehler zu charakterisieren. Dokumentieren Sie alle Kalibrierungsergebnisse im Kalibrierungsprotokoll des Instruments und zeichnen Sie einen Trend der Ergebnisse über aufeinanderfolgende Kalibrierungen auf, um eine allmähliche Abweichung zu erkennen, die auf eine Verschlechterung des Sensorzustands hinweisen kann, bevor sie zu einem Messproblem wird.
Das physische Inspektionsprogramm für Temperaturtransmitter sollte bei jedem geplanten Wartungsbesuch die folgenden Prüfungen umfassen:
HART-fähige und digitale Feldbus-Temperaturtransmitter generieren kontinuierlich Diagnosedaten, mit denen sich auftretende Probleme erkennen lassen, bevor sie zu Messausfällen führen. Moderne integrierte Temperaturtransmitter überwachen und melden Parameter wie die Vergleichsstellentemperatur, den Sensorwiderstand (für RTD-Eingänge), die Schleifenversorgungsspannung, die interne Elektroniktemperatur des Transmitters und die Gesamtbetriebsstunden seit dem letzten Zurücksetzen. Die Überprüfung dieser Diagnoseparameter durch ein Asset-Management-System während des normalen Betriebs, anstatt darauf zu warten, dass der Sender einen Alarm meldet, ermöglicht vorausschauende Wartungsansätze, die den Sensoraustausch auf der Grundlage tatsächlicher Zustandsindikatoren und nicht auf der Grundlage fester Kalenderintervalle planen.
Ein fortschreitender Anstieg des Widerstands des RTD-Sensors über den erwarteten Wert für die Prozesstemperatur, der in den Diagnosedaten bei aufeinanderfolgenden Messwerten beobachtet wird, ist ein Frühindikator für eine Verunreinigung des Sensorelements oder eine mechanische Beschädigung, die letztendlich zu einem erheblichen Messfehler oder einem Ausfall des offenen Stromkreises führt. Durch die Planung des Sensoraustauschs zum nächsten geplanten Wartungsfenster, wenn dieser Trend zum ersten Mal erkannt wird, anstatt auf einen vollständigen Messfehler zu warten, werden Prozessunterbrechungen vermieden, die mit einem außerplanmäßigen Sensoraustausch während der Produktion einhergehen. Dieser vorausschauende Ansatz zur Wartung von Temperaturtransmittern ist eine der kostengünstigsten Anwendungen der digitalen Diagnosefähigkeit, die in moderne industrielle Temperaturtransmitter integriert ist.
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