Термопары. Пусконаладочный опыт
При проведении пусконаладочных работ встречаются случаи, когда сложно разобраться в причинах некорректного измерения температуры термопар. В этом случае необходимо выяснить причины недостоверных измерений. В данной статье я хотел бы поделиться способами поиска недостатков, анализа ситуации и разъяснить ряд спорных моментов.
Сначала немного теории.
Термопара состоит из соединения разных сплавов, которые в силу своих физико-химических свойств при соприкосновении начинают являться источником слабого электрического тока (ЭДС). При воздействии температуры на термопару в ней изменяется разность потенциалов, измеряемая несколькими милливольтами. Данная разность потенциалов зависит от типа используемых для изготовления термопары материалов. Термопара по принципу своей работы похожа на электрическую батарейку, где при взаимодействии двух материалов и электролита возникает потенциал (ЭДС).
Принцип работы измерительного канала типа «термопара»
http://lapshinvr.ru/upload/medialibrary/db9/shem.png
Точка соединения металлов в самой термопаре определяется как «горячий спай». «Холодный спай» - это все остальные соединения в данном канале измерения. Чтобы определить температуру зоны, в которой установлена термопара, достаточно измерить количество милливольт на входе в канал измерения.
Соединение между термопарой и измерителем напряжения (например, милливольтметром или модулем ввода-вывода) обычно выполняется при помощи термокомпенсационных кабелей или удлинительных кабелей. В первом случае материалы проводников имеют характеристики, аналогичные характеристикам термопары, во втором - из одинакового материала.
Несмотря на использование термокомпенсационных материалов, всегда будет точка, в которой термопара вступит в контакт с другим материалом, например, медью дорожек электронных цепей. В этом случае будут созданы новые соединения («холодный спай»), которые будут вносить вклад в общую измеряемую ЭДС (искажая показания).
Давайте рассмотрим пример.
Имеется термопара типа «Cromel-Alumel». Когда проводники Cromel и Alumel находятся в контакте с медью, образуются две новые термопары: «Cromel-Copper» (будет вырабатываться ЭДС = V1) и Copper-Alumel (будет вырабатываться ЭДС = V2). Следовательно, будут сгенерированы два дополнительных и противоположных друг другу по полярности ЭДС, которые будут складываться с ЭДС соединения Cromel-Alumel (будет вырабатываться ЭДС = V).
В конечном итоге мы будем иметь в схеме измерения такой ЭДС:
Vобщий = V+(V1-V2),
где V1-V2 обычно является отрицательным значением. Если бы все «холодные спаи» находились бы при 0 °C, то они не оказали бы никакого влияния на общую цепь измерения, так как весь генерируемый ими ЭДС был бы равен нулю. Однако чаще всего приходится нивелировать влияние «холодных спаев» путем добавления дополнительного ЭДС к измерительной цепи по такой формуле:
Vкомпенс = V2-V1
Чтобы убрать ЭДС «холодного спая» (V1-V2), необходимо прибавить рассчитанную часть ЭДС (V2-V1). Таким образом, вычитание близких по величинам чисел позволит повысить качество измерения линии.
Формула, по которой должно вычисляться корректное напряжение термопары, следующая:
Vобщ = V + V1-V2 + V2-V1, где:
V1-V2 – это напряжение холодного спая;
V2-V1 – это коэффициент термокомпенсации.
Термокомпенсация может осуществляться через аппаратные настройки контроллера (Hardware) или через программное обеспечение со специальными программами (Software).
Тем, кто терпеливо дочитал до этого места, еще немного теории, но уже более углубленной.
Например, на объекте завершен монтаж, а показания температур не соответствуют ожидаемым.
Что в первую очередь нужно проверить:
1. Заземление удлиняющего кабеля. Случайные наводки могут влиять на результат измерения, искажая показания.
2. Нужно быть уверенным, что в аппаратной конфигурации ПЛК правильно выставлены параметры RTD в Hardware. Фиксированная опорная температура установлена в 0 °C.
3. Выбор определения термопары лучше всего выставить в ручном режиме, так как это дает большое количество возможных вариантов для настройки.
4. Проверить, какие выставлены параметры компенсации «холодного спая» в HW (аппаратно) или SW (программно). Они не должны дублироваться. Если нигде ничего не выставлено, то ошибка может достигать величины температуры окружающей среды.
Обычно при проведении заводских испытаний до отправки шкафов на производство каналы измерения тестируют специальными задатчиками напряжения (калибраторами). Так, например, если подать на канал термопары типа «К» 50мВ, то значение температуры должно быть 1233 °C. Необходимо отметить, что соединения термокомпенсационных кабелей до контроллера образуют поле «компенсированного типа» и в линиях могут образовываться «паразитные», «холодные» соединения. Необходимо убедиться, что удлинительные кабели или компенсационные кабели не соединяются через проходной металл (клеммник) другого типа металла, так как всё это увеличивает погрешности «холодного спая».
Желательно обратить внимание на полярность жил проводников в канале измерения. Важно соблюдать цвета проводников в соответствии с полярностью термопары. Если их перепутать, то будет невозможно получить корректные показания температуры. Иногда специалисты оценивают полярность жил термокомпенсационных кабелей по магнитной жиле (жилы в кабеле магнитятся). Для термопары типа «К» магнитящейся жилой обычно является отрицательный провод белого цвета.
Что нужно делать для проверки линии измерения термопары? Разрывать поочередно линию связи от термопары, распределительной коробки, контроллера, осуществляя замеры и ведя учет замеров в таблице. Если разница на различных термопарах относительно постоянна, то потребуется пересмотреть процедуру компенсации «холодного спая» в контроллере. Так, например, если мы по записям в таблице видим, что имеется отклонение во всех точках замеров, то мы можем их суммировать и учесть в виде поправочного коэффициента в программной или аппаратной конфигурации.
В дополнение хотелось бы отметить, что на объектах инженеры пользуются приборами недостаточного класса точности. Для замеров напряжения термопар необходимо замерять с точностью сотых, а лучше тысячных вольта. Если не использовать такие точные приборы, то ошибка в сверке показаний может достигать 30 °C.
http://lapshinvr.ru/upload/medialibr...alibrator.jpeg
На промышленных объектах (печи, колонны и пр.), все термопары подключаются к контроллеру после монтажа через специальные распределительные коробки. Длина термокомпенсационного кабеля обычно составляет около 300 м. Соединение между соединительным разъемом термопары и модулем ввода-вывода контроллера осуществляется через двуполярный термокомпенсационный кабель. Например, бывают кабели для типа «K» по 24 пары в каждом.
Соединение между каждой термопарой и распределительной коробкой осуществляется путем вставки штекеров каждой термопары в соответствующее предварительно смонтированное гнездо. Данные соединения должны строго соответствовать внешним схемам подключения.
Чтобы проверить целостность термопары, необходимо отсоединить штекер, идущий от датчика в распределительную коробку, предварительно сделав замер в милливольтах. Это значение должно приблизительно соответствовать температуре среды, в которой установлен датчик. Если это не так, термопару и ее удлинительный кабель необходимо заменить одним из запасных аналогичного типа.
Внимание: термокомпенсационные кабели имеют полярность и не должны быть перепутаны. Пары проводников окрашены в соответствии с международным стандартом STD, причем один цвет соответствует положительному, а другой - отрицательному. Цвет проводников для всех термокомпенсационных кабелей может варьируется от типа к типу. На следующем рисунке показана окраска и полярность проводников в соответствии с принятым стандартом.
http://lapshinvr.ru/upload/medialibrary/6ac/color.png
Важно, чтобы соединение между термопарой и контроллером осуществлялось с учетом полярности сигнала (мВ). Ниже приводится таблица соответствия/преобразования милливольт к температуре, для термопар типа «K» (NiCr-Ni) в соответствии со стандартом IEC 584-1 (значения, выделенные жирным, – температура, значения в таблице – милливольты).
http://lapshinvr.ru/upload/medialibrary/a67/t1.png http://lapshinvr.ru/upload/medialibrary/2cc/t2.png
http://lapshinvr.ru/upload/medialibrary/efc/t3.png
http://lapshinvr.ru/upload/medialibrary/412/t4.png
Оригинал статьи
#Термопара, #термопары, #холодный, #горячий, #спай, #простым, #языком, #разъяснение, #пусконаладочныепроблемы, #ЭДС
