Come migliorare il processo di misura di temperatura Precisione

Da Gary Prentice, National Sales Manager Moore Industries-International, Inc.

Per molte applicazioni a temperatura, ottenendo un elevato livello di precisione è vitale. Questo nuovo white paper evidenzia come impianti e del sito gli ingegneri possono garantire la misurazione della temperatura più accurata per le applicazioni critiche. In dettaglio i passi che possono anche aiutare gli utenti finali migliorare la stabilità delle loro misure e ridurre i costi di calibrazione.

"Una guida pratica per Migliorare l'accuratezza di misura di temperatura" mostra come selezionare il miglior sensore per una particolare applicazione e modi per migliorare la precisione del sensore si sceglie. In particolare, esso descrive le ragioni per le quali sensori 4 fili di RST sono quasi sempre la scelta migliore per applicazioni di temperatura ad alta precisione. Utilizzando sensori RTD 4 fili elimina gli errori causati da un cavo di rame. Il documento spiega anche il rapporto tra classi di sensori (come Standard e Premium Grade termocoppie e RTD classe A) e dei loro tassi di errore.

Insieme a imparare a selezionare i sensori, la carta copre anche come ridurre gli errori causati da rumore dell'impianto, utilizzando la calibrazione bagno per ridurre al minimo gli errori di misura di RST e il rapporto tra I / O remoto e precisione della temperatura.

Introduzione

Alcuni processi non richiedono precisione di misura della temperatura, e altri. Tuttavia, si può essere sicuri che la precisione è importante per la vostra particolare applicazione, o se migliorando la precisione farà abbastanza di una differenza nei risultati di processo per giustificare il costo e lo sforzo. Il presente documento individua i problemi che derivano da misurazioni imprecise e delinea modi per risolvere i loro che sono sia efficace ed economica.

Le misure di temperatura possono essere classificati in tre gruppi:

  1. Coloro che non richiedono precisione. Hai semplicemente bisogno di sapere se la temperatura è stabile o in salita o in discesa.
  2. Quelli che vi richiedono precisione. Le strategie in questo documento aiuterà con quelle misurazioni.
  3. Quelli in cui vi è incertezza sui requisiti di precisione. Se le misure in questa categoria sono su un programma di manutenzione preventiva per la calibrazione o la verifica si consiglia di prendere provvedimenti per migliorare la precisione. Le stesse procedure adottate per ottenere una maggiore accuratezza tradursi anche in deriva ridotta e che avrebbe un impatto positivo sulla vostra frequenza di manutenzione.

Migliorando la precisione e riducendo variazione di misura sono spesso correlati e può avere risultati misurabili. Questo documento mostra come:

  • Selezionare il miglior sensore di applicazione
  • Ridurre l'errore dovuto all'ambiente esterno
  • Ridurre gli errori causati da cavi
  • Ridurre gli errori di misura

sensori e precisione

Ci sono momenti in cui il sensore di temperatura viene selezionata in base convenienza, ciò che è sullo scaffale o la "norma dell'impianto". Non è raro vedere un tipo J o K termocoppia di misurazione della temperatura che dovrebbe essere misurato con un RTD platino. ASTM e IEC standard di temperatura ci forniscono l'incertezza di misura del sensore. Se prendiamo una temperatura del campione di 500 ° F (260 ° C), l'incertezza di un J qualità standard o termocoppia K è ± 4 ° F (± 2.2 ° C), mentre una classe A 100Ω Pt RTD ha un'incertezza di ± 1.2 ° F (± 0.67 ° C).

sensore di temperatura

sensore di temperatura

Molti ingegneri di processo e tecnici preferiscono RTD. Selezione del sensore migliore per l'applicazione influisce notevolmente sulla precisione della misura e di un RTD è il sensore più accurato per utilizzare quando la temperatura di processo è all'interno del suo campo di misura. Ma avrete bisogno di utilizzare termocoppie meno precise quando si devono misurare le temperature che sono più caldo di limiti di misura superiori della RST. In questi casi si vuole adottare misure specifiche con termocoppie per migliorare la precisione dei risultati di misura.

È possibile migliorare la precisione del sensore utilizzando termocoppie costruite con filo di tolleranza speciale (detto anche grado Premium). L'errore ridotto si ottiene utilizzando il filo con leghe di elevata purezza. A 500 ° F (260 ° C), l'incertezza di una termocoppia di tolleranza speciale è di circa ± 2.0 ° F (1.1 ° C).

Selezione sensore è molto importante precisione di misura. Come detto sopra, un'incertezza Classe A Pt RST è di circa ± 1.2 ° F (± 0.67 ° C) alla stessa temperatura operativa. Per semplificare il processo di scelta di un sensore, è possibile operare dal presupposto che il passaggio da una termocoppia grado standard ad una termocoppia Premium Grade taglia il tasso di errore a metà; passando da una termocoppia grado premio per un classe A RST taglia di nuovo l'errore a metà.

Trasmettitore TDZ3

Il ruolo di termocoppia cavo di estensione a Precisione di misura

Le termocoppie collegate a un PLC o DCS devono utilizzare il cavo di prolunga della termocoppia. Sfortunatamente il cavo di estensione è un'altra fonte di errore di misura. Usando il cavo di prolunga standard J o K si aggiunge anche un altro errore ± 4 ° F (± 2.2 ° C). È possibile ridurre il tasso di errore utilizzando un cavo di estensione di qualità premium, che ha metà del tasso di errore del cavo di prolunga standard, proprio come con le termocoppie di qualità superiore. (Queste cifre di errore sono valide solo quando il filo è nuovo e "puro".) Nel corso del tempo l'errore peggiora quando il filo viene contaminato dall'atmosfera nell'impianto e il filo è esposto a temperature maggiori o inferiori alle tolleranze del filo . Ci sono molti casi in cui la contaminazione causa ancora più "deriva" rispetto all'incertezza originale del nuovo filo di termocoppia.

Trasmettitore TCM Remote10

Se l'incertezza causata dalle termocoppie è stato un offset fisso, potremmo semplicemente calibrarlo fuori e da fare con esso. Ma quando l'errore è in forma di deriva che cambia nel tempo, la calibrazione diventa un programma di manutenzione preventiva che pochi vogliono assumere. La maggior parte delle piante preferiscono evitare che il lavoro in più, quando possibile.

Come si fa a risolvere questi problemi? Inizia determinare la quantità di errore è causato dal filo estensione termocoppia. La maggior parte delle persone si affacciano su questa opzione fino a quando le operazioni di impianto dichiara che c'è un problema o si verifica un errore di misurazione catastrofico. Sappiamo tutti termocoppie falliscono, ma è facile dimenticare che filo estensione della termocoppia non riesce anche. Quando lo fa, deve essere sostituita. Se si sostituisce il cavo di estensione con nuovo filo interno, è perpetuare gli stessi problemi reintroducendo l'errore e deriva che provoca. Si può vivere con termocoppie, ma non dovete vivere con cavo di estensione della termocoppia - lo si può sostituire con altre soluzioni.

Due opzioni per la sostituzione del cavo di estensione della termocoppia sono trasmettitori di temperatura e hardware I / O remoto. (Figura 1) Entrambi usano il filo di rame per trasportare i segnali al sistema di controllo. A differenza della prolunga della termocoppia, è possibile aspettarsi che il rame duri la vita dell'impianto. I moderni prodotti I / O hanno caratteristiche prestazionali simili ai trasmettitori e possono far risparmiare un sacco di soldi. Sono comunque necessarie brevi sezioni di prolunghe quando si utilizzano questi trasmettitori o prodotti I / O. In questi casi, utilizzare filo di termocoppia di grado speciale anziché filo di prolunga standard per ridurre ulteriormente l'errore.

Compensazione per la RST Conduttore Imprecisioni

Il filo di rame viene utilizzato per i fili conduttori RTD. Se si ha dimestichezza con gli RTD a filo 3, si sa che una derivazione è denominata conduttore di compensazione. Tra il rame e un cavo di compensazione si potrebbe pensare che il filo conduttore di RTD non contribuisca all'errore di misurazione.

Purtroppo, questo non è vero. Filo di rame può causare errori significativi in ​​una misura RST perché RTD sono resistenze e filo di rame è di resistenza. Ci sono molti contaminanti in un impianto tipico processo che causano la corrosione e la corrosione modifica la resistenza dei cavi di rame. Questa variazione di resistenza del cavo può causare errori. Per eliminare l'errore filo conduttore la soluzione è quella di utilizzare RTD 4 fili.

Ecco perché: Quando un terzo cavo viene aggiunto alla RST, la misurazione viene effettuata con elettronica di oggi prendendo due misure di tensione (come mostrato, e V1 V2). La cosa importante da ricordare è che si tratta di misure di tensione ad alta impedenza. Per tutti gli scopi pratici, non vi è flusso di corrente attraverso questa terza piombo; quindi R2 non entra mai nell'equazione. (Figura 2)

3 wire RTD

Figura 2. Schema RTD 3 fili fonte di corrente costante R1 R2 V1 Rosso = alta impedenza 100 Ω RTD Pt R4 V2

V1 dà il valore della resistenza del filo di piombo R1. V2 dà il valore della resistenza del conduttore RTD + R4. Sottrarre V1 da V2 e finché il comando resistenze R1 = R4, solo il valore di RTD rimane. Questa è una misura esatta.

Renditi conto che troppe cose funzionano per rendere R1 e R4 identici quando la precisione è la tua preoccupazione principale. Intolleranza al calibro del filo e indurimento del lavoro varia la resistenza. Anche se durante l'installazione non si verifica alcun errore umano, la corrosione lavora costantemente contro la misurazione ed è il motivo principale per cui R1 non è mai uguale a R4. Quindi cosa succede se le resistenze del piombo non sono uguali?

Se lo squilibrio resistenza è il meno 1 ohm, un 100Ω Pt RTD ha un errore di circa ± 4.7 ° F (± 2.6 ° C). Se si sta cercando di ottenere un ± 1 ° F (.55 ° C) precisione di misura, questa corrosione è in piedi tra voi e il successo. Si può passare la vita calibrare l'errore fuori o eliminare l'errore del tutto con un 4 fili RTD.

Ricorda che la misurazione della tensione è ad alta impedenza, quindi, per tutti gli scopi pratici, non vi è flusso di corrente attraverso R2 e R3 e nessuna caduta di tensione (Figura 3). La tensione viene misurata solo attraverso l'RTD. R1 e R4 non vengono mai misurati, quindi non possono creare una resistenza differenziale e un errore. Quando si utilizzano RTD 4-wire, per tutti gli scopi pratici, non vi è alcun errore causato dal filo conduttore.

Gli RTD con filo 4 possono avere un filo di piombo di qualsiasi lunghezza e i cavi possono subire costanti variazioni di resistenza e non causare ancora errori di misurazione. È comunque importante assicurarsi che la resistenza totale non superi la capacità di guida della sorgente di corrente costante. In genere i trasmettitori di temperatura diurni offrono una corrente sufficiente per supportare circuiti RTD che hanno una resistenza totale di 3-4K o totale. Eliminato l'errore del filo conduttore, è possibile mettere a fuoco il sensore e il dispositivo di misurazione per ridurre ulteriormente l'errore. L'unica obiezione ragionevole all'uso di 4-Wire RTD è che la scheda di ingresso legacy esistente accetta solo RTD con cavo 3. Questa è una vecchia tecnologia e dovrebbe essere presa in considerazione per la sostituzione.

4-wire-RTD

C'è un'altra opzione da considerare se non si è in grado di utilizzare RTD 4 fili: passare da 100Ω Pt RTD a 1000Ω Pt RTD. Come affermato in precedenza in questo documento, 1Ω della resistenza squilibrio nelle attuali gambe di carico di un elemento 100Ω Pt produce circa ± 4.7 ° F (± 2.6 ° C) errore. Se si passa a un sensore 1000Ω quello stesso 1Ω di squilibrio avrà un decimo degli effetti. Il 1Ω dell'errore squilibrio scende a circa ± 0.47 ° F (± 0.26 ° C).

Mentre l'uso del 1000Ω 3-wire RTD è un grande miglioramento rispetto all'uso di un 100Ω 3-wire RTD, non è una panacea. Quando lo sbilanciamento della resistenza del filo guida cambia, ciò causa la modifica della precisione della misurazione. Ciò significa che hai ancora bisogno di un programma di calibrazione per eliminare temporaneamente l'errore. L'RTD con cavo 4 è ancora la soluzione migliore in quanto rimuove tutti gli errori del filo conduttore ed elimina la necessità di calibrare a causa dell'inevitabile corrosione.

Rumore pianta

I VFD, i motori e le radio creano livelli "normali" di EMI e RFI che possono causare errori nelle misurazioni della temperatura. I segnali termocoppia e RTD sono segnali mV di livello molto basso. Non richiede molto rumore per causare una distorsione significativa delle misurazioni. Se si collegano questi segnali di basso livello al sistema di controllo, utilizzare le migliori pratiche per mantenere il rumore fuori da questi cavi di segnale utilizzando i cavi di drenaggio, la messa a terra adeguata e la separazione fisica.

Una soluzione migliore è convertire i segnali di basso livello in segnali di alto livello il più vicino possibile al sensore di temperatura. La stessa quantità di rumore influenzerà i segnali alti meno dei segnali di basso livello. Segnali come 4-20mA, HART o RS-485 sopravvivono ai più tipici livelli di rumore.

Il dispositivo di misurazione della temperatura e I / O remoti

Quando finalmente arriva al dispositivo reale misurazione della temperatura la capacità di apportare miglioramenti significativi per la precisione è passato. Trasmettitori moderni di temperatura e temperatura sistemi I / O di importanti aziende di strumenti hanno caratteristiche di prestazioni simili. Se si sta cercando di differenziare i punti più delicati si potrebbe confrontare queste specifiche:

  • Maggiore è la risoluzione di ingresso del circuito di misura in grado di rilevare, le piccole variazioni di temperatura del sensore può essere rilevato
  • Lungo drift spec termine è una misura della stabilità del trasmettitore
  • Corrente di eccitazione RTD dovrebbe essere bassa per ridurre al minimo l'errore di auto-riscaldamento
  • Cercate la più alta impedenza di ingresso possibile, in modo che il dispositivo di misura non disegna corrente
  • Diagnostica avanzata aiutano a prevenire i guasti

precisione della misurazione della temperatura

Se si sta perseguendo la massima precisione molto, bisogna fare i conti con l'errore finale "come costruito" nella RST. Il trasmettitore può essere usato per calibrare finale che compensato errore e corrisponde alla curva ideale. Tale processo fornisce un trasmettitore e sensore precisione tipica globale inferiore 0.05% dello span.

Mettendo un trasmettitore di temperatura o un I / O remoto vicino al sensore digitalizza la tua misurazione della temperatura. Si creano due più errori se si quindi inviare il segnale al sistema di acquisizione dati di controllo o utilizzando 4-20mA:

  1. D / A errore si verifica durante la creazione del 4-20mA
  2. Al sistema di controllo, un errore A / D si verifica quando si accende il segnale al digitale

Utilizzando il segnale digitale HART è un modo per evitare gli errori di conversione. MODBUS seriale o Modbus over Ethernet è un'altra opzione per mantenere il valore digitale misurato.

In sintesi, utilizzando trasmettitori e I / O remoti aiuta:

  • Eliminare gli errori causati da cavo di estensione della termocoppia
  • Evitare gli errori causati da rumore
  • Mantiene il segnale digitale ed evita gli errori di conversione analogico

Se sei sensori di temperatura cablaggio diretti di nuovo al DCS o PLC, che probabilmente significa che non hai voluto pagare per trasmettitori di temperatura per ciascuno di tali punti di acquisizione dati. Se si utilizza moderna I / O remoto della strumentazione, invece, sarà effettivamente risparmiare sulle strumentazione e cablaggio. Ha la stessa precisione, specifiche di temperatura ambiente e talvolta simili certificazioni zona pericolosa come si ricerca di trasmettitori di temperatura ad una frazione del costo. Il Remote I O digitalizza / tutte le temperature e può consegnarli come 32-bit galleggia alla porta DCS o PLC Modbus con la vostra scelta di strati fisici. I / O remoto elimina inoltre termocoppia estensione filo e tutto la deriva associati, gli errori e costi di sostituzione.

Misure concrete per migliorare le vostre misure

In conclusione, ecco alcuni passi pratici che si possono adottare per migliorare la vostra precisione di misura della temperatura.

Ricorda che questi passaggi migliorano anche la stabilità della vostra misura che riduce al minimo le spese di calibrazione.

  • RTD 4 fili eliminano gli errori causati dal cavo di rame
  • Utilizzare termocoppie Premium Grade e filo estensione grado premio se la temperatura da misurare richiede l'utilizzo di termocoppie
  • Assicurarsi di utilizzare le tecniche di installazione di protezione dal rumore ogni volta che avete corre lungo filo di estensione
  • Monte trasmettitori o I / O remoti il ​​più vicino ai sensori più possibile al fine di sbarazzarsi di estensione termocoppia di fili lunghi che sono una fonte di errore, hanno una durata limitata, e sono costosi da sostituire
  • Sbarazzarsi della RST finale errore di offset da bagno calibratura
  • Acquista la massima precisione e il trasmettitore più alta stabilità o di I / O si può permettere
  • Una volta che avete speso tutti quei soldi per ottenere il segnale digitale, tenerlo digitale in modo non ci sono più errori introdotti

Process Industry Informer

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