Калибровка датчика температуры. Поверка датчиков температуры на объекте(бездемонтажная поверка) Калибровка датчика температуры

Декабрь 2012

Датчики имеют критически важное значение для правильного управления процессами, что зачастую не учитывается при модернизации существующих систем. Точность датчиков должна быть тщательно проверена, иначе всякая модернизация теряет смысл.

Многие производители оборудования обещают простое, как «дважды два», включение заменяемых модулей системы, которые не требуют замены существующих сетей, проводки, системных корпусов и источников питания, и при этом сокращение времени простоя с недель и месяцев до «дня и меньше».

Эффективность датчиков

На самом деле все обстоит немного по-другому. Обновление систем для достижения более высокого уровня управления предприятием при помощи компьютеров и программного обеспечения, без оценки эффективности датчиков, которые снабжают эти системы данными, является бесполезным занятием. Чтобы правильно воспринимать и передавать данные технологических параметров, датчики должны быть точными.

Датчики давления

Точность датчиков давления, составляет, как правило, от 0,25% диапазона измеряемого давления. Для сценариев применения с менее строгими требованиями, точность может быть примерно в районе 1,25% диапазона.

Точность датчика давления зависит от того, насколько хорошо датчик откалиброван и как долго он может сохранять эту калибровку. Первоначальная калибровка промышленных датчиков давления на калибровочной станции достигается путем применения постоянного источника давления, например, дедвейт тестера. После того, как датчик давления установлен, его точность может быть оценена с учетом влияния на первоначальную точность калибровки воздействия окружающей среды, воздействия статического давления и др.

Автоматизированные системы калибровки работают с помощью программируемого источника давления для производства заданных сигналов давления, применяемых к датчику, который должен быть откалиброван. Вначале записываются показания датчика до калибровки. Далее датчик тестируется с увеличением и уменьшением входных сигналов для учета любого появления эффекта гистерезиса. Затем система сравнивает полученные данные с критериями приемлемости калибровки для датчиков давления и автоматически определяет, должен ли датчик быть откалиброван. Если это так, система обеспечивает необходимые сигналы к датчику, чтобы откалибровать его и держит входное значение постоянным на протяжении промежутка, пока вносятся корректировки, и низшее давление, на котором он должен быть откалиброван. После этого система выдает отчет, который включает в себя данные до и после калибровки и сохраняет их для анализа тенденций и обнаружения зарождающегося отказа.

Датчики температуры

Типичный вид промышленных датчиков температуры, термометр сопротивления (ТС), как правило, не достигает точности более 0,05 - 0,12°C при 300°C, при этом, обычно, требуется обеспечить точность более чем 0,1°С при 400°C. Процесс установки термометров сопротивления также может приводить к дополнительным ошибкам в точности. Другой распространенный вид датчика температуры, термопара, как правило, не может обеспечить точность лучше, чем 0,5°C при температурах до 400°C. Чем выше температура, тем меньшую точность термопары обычно можно достичь.

Калибровка термометров сопротивления

Точность датчика температуры устанавливается путем калибровки, сравнивая его показания с универсальной калибровочной таблицей или индивидуальной калибровкой в высокоточной среде. ТС, в отличие от термопары, могут быть «очищены» и перекалиброваны после установки. Промышленные датчики температуры, как правило, калибруются в резервуарах со льдом, водой, маслом или песком, а также в печи, или путем комбинирования этих методов. Тип калибровочного резервуара зависит от выбранного температурного диапазона, требований к точности и от применения датчиков. Процесс калибровки обычно включает в себя измерение температуры калибровочного резервуара с использованием стандартного термометра. Для индивидуально калиброванных ТС, точность обеспечивает процесс калибровки, который в свою очередь зависит от точности оборудования, используемого для калибровки, а также ошибок, таких как гистерезис, самонагревание, интерполяция и ошибки при монтаже.

Калибровка термопары

Если ТС может быть перекалиброван и после установки, то термопара - нет. Термопару, которая потеряла свою калибровку, следует заменить. Промышленные термопары обычно не калибруются индивидуально. Вместо этого, их показания сравниваются со стандартными справочными таблицами. Для калибровки используются, как правило, один из двух методов: метод сличения (в котором ЭДС термопары сравнивается с эталонным датчиком) или метод фиксированной точки (ЭДС термопары измеряется в нескольких установленных состояниях). При оценке точности датчика температуры, важно учитывать не только калибровку самого датчика, но также влияние установки датчика и условий технологического процесса на эту точность.

Датчики. Как оценить время отклика?

Для отображения данных с частотой в соответствии с требованиями установки или отраслевыми нормами, датчики должны быть достаточно быстрыми в выявлении резкого изменения значения параметров процесса. Точность и время отклика по большей части являются независимыми друг от друга показателями. Так как оперативность датчиков имеет важнейшее значение для производственных систем, работы по модернизации систем должны начинаться с ее тщательной оценки, наряду с оценкой точности и надежности датчиков.

В то время, как точность датчика может быть восстановлена путем повторной калибровки, время отклика является неотъемлемой характеристикой, которая обычно не может быть изменена после изготовления датчика. Два основных метода для оценки времени отклика датчиков, это тест погружения (для датчиков температуры) и линейный тест (для датчиков давления).

Калибровка и время отклика датчиков, в особенности датчиков температуры, зависит в большой степени от условий технологического процесса, в том числе статического давления, температуры процесса, температуры окружающей среды и скорости потока жидкости.

Проверка без отрыва от производства

Существуют некоторые методы, которые часто упоминаются как тестирование на месте или он-лайн тестирование. Они были разработаны для проверки калибровки и времени отклика датчиков, уже используемых в каком-либо процессе. Для датчиков температуры, тест LCSR (Loop Current Step Response ) будет проверять динамические характеристики наиболее распространенных датчиков температуры - термопар и термометров сопротивления - там, где они установлены в операционном процессе. Метод LCSR показывает фактическое время отклика ТС (термометра сопротивления) «в процессе эксплуатации».

В отличие от термометров сопротивления и термопар, время отклика датчиков давления, уровня и расхода обычно не изменяется после установки. Это потому, что эти датчики являются электромеханическими устройствами, которые работают независимо от температуры окружающей среды и температуры процесса. Трудность в оценке датчиков давления связана с наличием системы процесс - провод - сенсорный интерфейс, которая соединяет датчик с фактическим процессом. Эти измерительные линии (провода) добавляют несколько миллисекунд задержки времени отклика датчиков. Хотя эта задержка незначительна, гидравлические задержки могут добавить десятки миллисекунд времени отклика для измерения давления системы.

Методика анализа шума позволяет измерять время отклика датчиков давления и измерительных линий в одном тесте. Как и в методе LCSR, техника анализа шума не мешает эксплуатации, использует существующие выходы датчиков для определения их времени отклика, и может быть выполнена удаленно для датчиков, которые установлены на производстве. Методика анализа шума основана на принципе контроля нормального выхода переменного тока датчиков давления с помощью быстрой системы сбора данных (частота от 1 кГц). Переменный ток на выходе датчика, который называется «шум», производится случайным колебаниями в процессе, связанными с турбулентностью, вибрацией и другими естественными явлениями. Так как эти посторонние шумы происходят на более высоких частотах, чем динамический отклик датчиков давления, они могут быть выделены из сигнала с помощью низкочастотной фильтрации. Как только сигнал переменного тока или шум отделяется от сигнала постоянного тока с использованием оборудования обработки сигнала, сигнал переменного тока усиливается, передается через сглаживающую фильтрацию, оцифровывается и хранится для последующего анализа. Этот анализ дает динамическое время реакции датчика давления и измерительных линий.

Существует ряд оборудования для сбора и анализа данных об уровне шума для датчиков давления. Коммерческое оборудование для спектрального анализа может собирать данные шумы и выполнять анализ в реальном времени, но это оборудование обычно не в состоянии справиться с множеством алгоритмов анализа данных, необходимых для получения результатов с точным временем отклика. Именно поэтому системы сбора данных на базе ПК, состоящие из изолированных узлов, усилителей и фильтров для формирования сигнала и его сглаживания, часто являются оптимальным выбором для сбора данных шумов и их анализа.

Срок службы датчиков

Когда следует заменять датчики? Ответ прост: заменять датчики следует по истечению срока службы, установленного производителем на указанный продукт, например 20 лет. Однако, это может быть очень дорого и нецелесообразно.

В качестве альтернативы можно продолжать использовать датчики после истечения их срока службы, но обязательно использовать системы отслеживания производительности датчика, чтобы определять надобность замены датчика и когда это следует сделать. Опыт показал, что высококачественные датчики с большой долей вероятности будут продолжать показывать хорошие результаты работы далеко за пределами диапазона службы, очерченного производителем. Консенсус между заводскими рекомендациями и реальным использованием датчиков может быть достигнут путем эксплуатации последних до тех пор, пока стабильность калибровки является приемлемой и его время отклика не уменьшается.

Многие шутят, что датчики, которые работают правильно надо «оставить в покое», а высококачественные датчики «в возрасте» вполне могут быть так же хороши, если не лучше, чем новые датчики той же модели и того же производителя.

Для определенных целей регулирования, напри­мер для регулирования нагревательной установки, бы­вает важно измерять разность температур. Это изме­рение может быть осуществлено, в частности, по раз­ности между наружной и внутренней температурой или температурой на входе и выходе.

Рис. 7.37. Измерительный мост для определения абсолютных значений температуры и разности температур в 2-х точках; U Br – напряжение моста.

Принципиальное устройство измерительной схемы показано на рис. 7.37. Схема состоит из двух мостов Уитстона, причем используется средняя ветвь (R3 – R4) обоих мостов. Напряжение между точками 1 и 2 ука­зывает разность температур между Датчиками 1 и 2, тогда как напряжение между точками 2 и 3 соот­ветствует температуре Датчика 2, а между точками 3 и 1 - температуре Датчика 1.

Одновременное измерение температуры Т 1 или Т 2 и разности температур Т 1 – Т 2 важно при определе­нии термического КПД тепловой машины (процесс Карно). Как известно, коэффициент полезного дей­ствия W получается из уравнения W = (Т 1 – Т 2)/Т 1 = ∆Т)/Т 1 .

Таким образом, для определения нужно только найти отношение двух напряжений ∆U D 2 и ∆U D 1 между точками 1 и 2 и между точками 2 и 3.

Для точной настройки описанных приборов, пред­назначенных для измерения температуры, нужны до­вольно дорогие калибровочные устройства. Для об­ласти температур 0...100°С в распоряжении пользо­вателя имеются вполне доступные опорные темпера­туры, так как 0°С или 100°С по определению яв­ляются соответственно точками кристаллизации пли кипения чистой воды.

Калибровка по 0°С (273,15°К) осуществляется в воде с тающим льдом. Для этого изолированный со­суд (например, термос) заполняют сильно измельчен­ными кусками льда и заливают водой. Через несколь­ко минут в этой ванне устанавливается температура, точно равная 0°С. Погрузив датчик температуры в эту ванну, получают показания датчика, соответствующие 0°С.

Аналогично действуют и при калибровке по 100°С (373,15 К). Металлический сосуд (например, кастрюлю) наполовину заполняют водой. Сосуд, разу­меется, не должен иметь никаких отложений (на­кипи) на внутренних стенках. Нагревая сосуд на плитке, доводят воду до кипения и тем самым дости­гают 100-градусной отметки, которая служит второй калибровочной точкой для электронного термометра.

Для проверки линейности калиброванного таким образом датчика необходима, по меньшей мере, еще одна контрольная точка, которая должна быть рас­положена как можно ближе к середине измеряемого диапазона (около 50°С).

Для этого нагретую воду снова охлаждают до ука­занной области и ее температуру точно определяют с помощью калиброванного ртутного термометра, имею­щего точность отсчета 0,1°С. В области температур около 40°С для этой цели удобно применять меди­цинский градусник. Путем точного измерения темпе­ратуры воды и выходного напряжения получают третью опорную точку, которая может рассматри­ваться как мера линейности датчика.

Два различных датчика, откалиброванные выше­описанным методом, дают совпадающие показания в точках Р 1 и Р 2 , несмотря на их различные характе­ристики (рис. 7.38). По дополнительное измерение, например температуры тела, выявляет нелинейность характеристики В датчика 2 в точке Р 1 . Линейная характеристика А датчика 1 в точке Р 3 соответствует точно 36,5% полного напряжения в измеряемом диа­пазоне, тогда как нелинейная характеристика В со­ответствует явно меньшему напряжению.

Рис. 7.38. Определение линейности характеристики датчика с диапазоне 0...100ºС. Линейная (А ) и нелинейная (В ) характери­стики датчиков совпадают в опорных точках 0 и 100ºС.

=======================================================================================

Датчики температуры из платины и никеля

Термопары

Кремниевые датчики температуры

Интегральные датчики температуры

Температурный контроллер

Терморезисторы с отрицательным ТКС

Терморезисторы с положительным ТКС

Датчик уровня на основе терморезистора с положительным ТКС

Измерение разности температур и калибровка датчиков

ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ, РАСХОДА И СКОРОСТИ

Как и датчики температуры, датчики давления отно­сятся к наиболее широкоупотребительным в технике. Однако для непрофессионалов измерение давления представляет меньший интерес, так как существую­щие датчики давления относительно дороги и имеют лишь ограниченное применение. Несмотря на это, рас­смотрим некоторые варианты их использования.

Приложение №4: Калибровка датчика температуры.

При выпуске из производства встроенный в амперометрический сенсор датчик температуры калибруется по методике, алгоритм выполнения которой записан в служебном меню анализатора. Прибегать к калибровке датчика температуры следует только при замене сенсора на новый. В этом случае подключите новый сенсор к измерительному устройству и включите анализатор. Для проведения калибровки датчика температуры Вам необходимо собрать установку показанную на рисунке. С помощью этой установки необходимо обеспечить три отметки шкалы температуры в диапазоне 5 -50 о С. Если в вашей лаборатории нет термостата, можно три отметки шкалы температуры обеспечить более простым способом. Для этого Вам необходим термос, стакан с дистиллированной водой комнатной температуры и пластиковый стакан со льдом. В термос налейте дистиллированную воду подогретую до 50 +5 о С. В стакане со льдом выполните отверстие диаметром 10 мм. Для увеличения диаметра этого отверстия до 16 мм залейте в него теплой воды. Через 5-10 минут вода в лунке будет иметь температуру таяния льда ~ 0 о С.

Для проведения калибровки датчика температуры необходимо перейти в служебное меню калибровок. Для этого войдите в меню Калибровок и, удерживая клавишу «ВНИЗ», нажать клавишу «ВВОД». В появившемся служебном меню, выберите опцию «ТЕМПЕРАТУРЫ», нажмите «ВВОД».

В открывшемся окне выберите опцию «Нижней точки» и нажмите «ВВОД».

Погрузите сенсор и образцовый термометр в термостатируемый стакан с температурой нижней отметки шкалы: 5+1 о С или в лунку в стакане со льдом.

В открывшемся окне введите температуру нижней точки с помощью клавиш перемещения курсора и нажмите «ВВОД».

После сообщения об успешной калибровке нижней точки на экране вновь появится меню калибровки датчика температуры. Выберите опцию «Верхней точки» и нажмите «ВВОД».

Погрузите сенсор и образцовый термометр в термостатируемый стакан или термос с температурой верхней отметки шкалы и, дождавшись установления показаний термометра, нажмите «ВВОД».

Считайте показание образцового термометра и с помощью клавиш перемещения курсора введите это значение.

сообщения об успешной калибровке верхней точки на экране вновь появится меню калибровки датчика температуры. Выберите опцию «Поправка Т» и нажмите «ВВОД».

Выполните инструкцию показанную на дисплее анализатора и нажмите «ВВОД».

Дождитесь установления показаний термометра и нажмите «ВВОД».

Считайте показание температуры с образцового термометра и введите это значение с клавиатуры. Нажмите «ВВОД».

Датчики температуры часто устанавливаются на объекты таким образом, что их демонтаж практически невозможен или вызывает большие трудности. В то же время необходимо иметь уверенность в точности их показаний. Для таких случаев разрабатываются методики контроля работоспособности датчиков в процессе их эксплуатации без демонтажа. Кроме того от периодической поверки иногда приходится отказываться по причине дороговизны самой поверки по сравнению со стоимостью датчика. В публикациях по этой теме и в проспектах фирм-производителей описаны несколько подходов в решению проблемы надежности датчиков температуры.

1) Проводится статистический анализ дрейфа характеристик датчиков конкретного типа при рабочих температурах, и устанавливается срок их эксплуатации, в течение которого точность находится в пределах заданных допусков с большой вероятностью. После истечения этого срока все датчики подлежат обязательной замене.

2) На объект устанавливается избыточное количество датчиков. Результат определяется либо по среднему арифметическому из их показаний либо разрабатывается более сложная схема анализа, включающая сравнение дрейфов датчиков и выявление датчиков, показывающих дрейф выше среднего. Распространенной моделью являются датчики с двумя и тремя чувствительными элементами в одном корпусе.

3) На объект устанавливаются датчики разных типов (например, термометры сопротивления и термопары). Это позволяет избежать ошибок, связанных с одинаковым влиянием температурных режимов и условий на датчики одного типа. В США был запатентован само-поверяемый термометр, совмещающий в себе свойства чувствительного элемента сопротивления и термопары.

4) Иногда каналы для размещения датчиков конструируются так, что предусматривается возможность ввода рядом с рабочим датчиком образцового термометра во время поверки и вывода его по окончании поверки. Методы бездемонтажной поверки важны на опасных объектах, таких, например, как активная зона реактора. К сожалению, никаких стандартов по методикам бездемонтажной проверки и контроля работоспособности датчиков нет. Однако, проблема очень часто затрагивается на международных семинарах и конференциях.

Одним из решений проблемы поверки термопар во время эксплуатации без демонтажа с объекта, является метод использования термопар с дополнительным каналом, в который устанавливается на время поверки эталонная термопара. Такую конструкцию термопары и методику ее поверки запатентовало в 2007 г. ООО «ПК «ТЕСЕЙ» (патент на изобретение 2299408). В качестве эталонного средства измерения используется тонкая кабельная термопара типа ТНН (нихросил-нисил) 3 разряда.

Термопара ТНН вводится в дополнительный канал основной термопары только на непродолжительное время - время поверки, поэтому образование термоэлектрической неоднородности в термоэлектродах маловероятно. Подробнее об этом методе можно прочитать в разделе «Публикации» .

Аналогичные конструкции термометров и термопар для бездемонтажной поверки в условиях АЭС с дополнительными каналами для эталонных датчиков производятся в ЗАО НПК «Эталон» (г. Волгодонск).

Следующий материал раздела мы нашли на конференции ТЕМПМЕКО 2010. Там был представлен интересный доклад от немецкой фирмы Electrotherm о термопарах со встроенной реперной точкой плавления металла, позволяющей делать точную периодическую поверку термопар. С разрешения фирмы публикуем краткую информацию об устройстве термопары. (Российские компании, изготавливающие аналогичные установки приглашаем прислать свой материал для публикации на сайте)

Термопара со встроенной реперной точкой

Термопара со встроенной реперной точкой (разработана и выпускается фирмой Electrotherm, Германия) сайт фирмы www.electrotherm.de

Главным элементом данной измерительной системы является термопара со встроенной ячейкой реперной точки и миниатюрным нагревательным элементом. Ячейка реперной точки содержит вещество высокой чистоты (чистый металл или эвтектический сплав). Когда температура среды медленно повышается до значения, превышающего температуру плавления металла, на кривой, отслеживающей сигнал термопары, наблюдается воспроизводимая «площадка» с постоянной ТЭДС, так называемая «площадка плавления». Во время этой площадки происходит фазовый переход, т.е. тепло, поступающее извне, идет на разрушение кристаллической решетки металла, рост температуры останавливается. Регистрируемое значение ТЭДС может использоваться для градуировки термопары при известной температуре фазового перехода. При снижении температуры можно наблюдать «площадку затвердевания».

Нагрев термопары для калибровки может быть также осуществлен без разогрева объекта, с помощью миниатюрного встроенного нагревателя.

В таблице приведены данные о реперных точках для градуировки термопар.

Каждая термопара со встроенной реперной точкой снабжена трансмиттером, сигнал с которого поступает на компьютер и обрабатывается с помощью специального программного обеспечения. Компьютер управляет всем циклом нагрева, калибровки и анализа данных. Он может соединяться сразу с 8 измерительными модулями и также связываться посредством сетевых карт с центральным управляющим компьютером.

Встроенный датчик температуры в большинстве современных жёстких дисков может показывать неверные результаты. Разница между измеренной и фактической температурой может быть в 7-9 градусов Цельсия, а в некоторых случаях даже ещё больше.

Чтобы решить эту проблему, рекомендуется измерить фактическую температуру жёсткого диска с помощью внешнего инфракрасного термометра или лицевой панели с датчиком температуры. А затем установить разницу между измеренным значением и температурой, которую отображает Hard Disk Sentinel (по сообщению самого диска), как температурное смещение. Это называется калибровкой.

После измерения реальной температуры (термометром или другим внешним датчиком) смещение можно рассчитать путём вычитания значения, указанного программой из измеренного значения. Смещение может быть положительным (программа показывает меньшую температуру, чем реальная) или отрицательным (в противном случае).

Это смещение можно указать на вкладке S.M.A.R.T. жёсткого диска, выбрав атрибут № 194 (температура жёсткого диска) и используя кнопки + / – (нажав на число между этими знаками, можно непосредственно ввести значение смещения по Цельсию ).

Hard Disk Sentinel автоматически увеличивает (или уменьшает) все сообщённые значения температуры жёсткого диска согласно настроенным смещениям. Таким образом, правильная (реальная) температура будет отображаться в любом случае (например, при сравнении температуры жёсткого диска с пороговым значением, при сохранении отчётов и т.д.)

Примечание: если калибровка невозможна (компьютерный блок нельзя открывать), предполагаемое значение смещения можно определить, сравнивая первое отображённое значение температуры сразу после запуска компьютера со значением температуры окружающей среды (комната, офис). В это время центральный процессор, видеокарта или другие компоненты не слишком горячие и не влияют на значение температуры жёсткого диска. Конечно, это справедливо только если компьютеру было предоставлено достаточно времени, чтобы остыть до температуры окружающей среды (не включался около 8 часов).

Например, если температура жёсткого диска равна 17 градусов по Цельсию (сразу после запуска компьютера), а температура в помещении 22 градуса, то эта разница (5) может быть настроена как значение смещения (потому что жёсткий диск не может быть прохладнее, чем окружающая температура) . Это смещение лучше, чем ничего, но всё же внешний термометр необходим для определения надлежащего смещения температурного значения.

Примечание : температурное смещение должно определяться по Цельсию , независимо от выбранной единицы измерения температуры (по Цельсию или по Фаренгейту).

Примечание: незарегистрированная версия программы автоматически сбрасывает все значения смещения на 0, если пользователь перезагрузил Hard Disk Sentinel.