Jste zde

Měření teploty v průmyslu

Redakce HW serveru, 27. Srpen 2004 - 0:00

Jaké jsou možnosti komunikace teplotních senzorů s nadřazeným řídícím a zpracovávajícím systémem?

Jaká komunikační rozhraní se používají? Následující článek poskytuje obecný přehled současné situace v této

oblasti.

Teplota bývá považována za základní a nejčastější veličinu v oblasti průmyslovém měření, protože na její hodnotě obvykle záleží řada výrobních procesů a regulací, ať již přímo nebo nepřímo.

Samotné měření teploty lze rozdělit na dva sériově spojené bloky:

  • blok převodu teploty na elektricky zpracovatelný signál
  • blok zpracování tohoto elektrického signálu.

První blok obsahuje tzv. senzory teploty - převodníky teploty na elektricky měřitelnou veličinu (odpor, napětí), které mohou pracovat na nejrůznějších principech. Vždy se však využívá vlastností materiálů, které v jiných aplikacích obvykle považujeme za parazitní a nežádoucí.

Druhý blok obsahuje od jednoduchého až po složitý el. obvod pro úpravu signálu pro následný přenos. Tento blok může buď jen přizpůsobovat a zesilovat signál, nebo již unifikovat analogový elektrický signál (napěťový 0-10V, proudový 0-20mA, 4-20mA -analogová proudová smyčka - atd.) ze senzoru s případnými korekcemi nežádoucích vlastností, jakými jsou například nelinearita, odstup signál-šum apod. Také však může provádět přímý převod analogového signálu na digitální, korekce provádět již softwarově a přizpůsobit přenos dat například do obvyklého standardu sériového přenosu (RS-232, RS-485 apod.). V případě, že oba bloky jsou součástí jednoho kompaktního provedení, často se takové čidlo označuje jako smart (inteligentní).

Základní princip měření teploty lze rozdělit do dvou hlavních skupin :

  • Dotykové měření – senzor musí být připevněn (dotýkat se) objektu či látky, jejíž teplotu má měřit. Využívá se zde přímého přenosu tepla mezi dvěma objekty. Lze ho využít všude tam, kde je snadný přístup k měřenému objektu, okolní prostředí nebo sám měřený objekt chemicky nebo jinak nereaguje se senzorem.
  • Bezdotykové měření – senzor se nachází v určité vzdálenosti od měřeného objektu, a tím nedochází k vzájemnému ovlivňování. Využívá se zde jevu, kdy každý objekt o určité teplotě vyzařuje určitou vlnovou délku infračerveného záření - pyrometrie.

Dotykové senzory

Zde se nejčastěji využívá dvou historicky základních fyzikálních principů:
  • Odporové pasivní senzory - převodu změny teploty na změnu odporu (kovové, polovodičové senzory)
  • Napěťové aktivní senzory - převodu změny teploty na změnu napětí (senzory s PN přechodem, termočlánky).

V posledních letech se však začínají uplatňovat i jiné principy, jako jsou krystalové senzory (převod teploty na frekvenci), senzory s tekutými krystaly nebo senzory využívající parazitních vlastností optického vlákna (závislost odrazu, útlumu a disperze světla na teplotě). Zvláště optická vlákna se s úspěchem využívají ve speciálních vysoce výbušných a vznětlivých prostředích.

Odporové pasivní senzory

Tyto se senzory se velmi často využívají v oblastech s velkým rozsahem měřených teplot (až přes 1000 °C), jako jsou oblasti regulace topných systémů, zpracování materiálů, potravinářství atd. Často jeden z hlavních sledovaným parametrů pro výběr senzoru je převodní charakteristika a její linearita a strmost. Ta je různá v závislosti na typů odporového senzoru - kovové (převážně Pt a Ni), polovodičové - termistory (NTC a PTC)  a monokrystalické senzory. Zvláště kovové senzory se vyznačují velkou linearitou, malou chybou měření a dlouhodobou stabilitou. Termistory se zase vyznačují velkou citlivostí.


Porovnání převodních charakteristik odporových senzorů

Napěťové aktivní senzory

Výstup těchto senzorů je již přímo napěťový signál. Zvláště polovodičové křemíkové senzory s PN přechodem mají výhodu v snadné integraci spolu se zpracovávajícími obvody, logikou a AD převodníkem přímo na jenom čipu. Další výhodou je velká citlivost -2mV/°C a linearita.

Jejich nevýhodou je pak nízké měřitelný rozsah teplot daný materiálem (do 125°C). Právě tento způsob je téměř vždy využíván pro senzory teploty s diskrétními či číslicovými sériovými výstupy, jakými jsou součástky MAX657x, AD7816, LM75, SMT-160 nebo známé DS162x a jednovodičové DS182x. Termočlánky se naopak vyznačují velkým rozsahem teplot (až 2000°C) a miniaturními rozměry, ale nízkou citlivostí ( m V/°C).

Bezdotykové senzory

Tohoto principu se tedy dá využít pro stálé měření teploty předmětů v nebezpečných nebo velmi nepřístupných prostorách, pohyblivých částí, stejně tak jako rychlé měření příručními přístroji při technických kontrolách, údržbářských pracích apod. Výhodou je i měření velmi vysokých teplot (až 3000°C), nebo naopak velmi nízkých (od - 200 °C). Záleží na zvoleném fyzikálním principu funkce senzoru a zvolených materiálech. Nevýhodou mohou být chyby měření způsobené nejistotou stanovení emisivity měřeného objektu,prostupností prostředí, odraženým zářením z okolního prostředí apod.

Bezdotykové senzory lze fyzikálního principu rozdělit na:

  • Tepelné senzory infračerveného záření - infračervené termočlánky, bolometry, pyroelektrické senzory
  • Kvantové senzory - polovodičové infračervené fotodiody a fotovodivostní detektory.

První uvedená skupina využívá ohřátí citlivé části senzoru vlivem infračerveného záření a převodu teploty na el. signál. Druhá skupina senzorů využívá přímé interakce fotonů záření s polovodičovým materiálem detektoru.

Zpracování a přenos el.signálu senzorů

Jak již bylo uvedeno, v průmyslu musí být zpravidla přímý signál z čidla předzpracován na signál vhodný pro následující přenos na vzdálenosti desítek a stovek metrů z důvodu odolnosti proti rušení. I v dnešní době se stále ještě využívá plného analogového předzpracování signálu a unifikaci například na signál 0-10 V nebo 4-20 mA pro proudovou smyčku. Převážně však pro odporové senzory. Obvykle se využívá principu odporového můstku nebo proudových zdrojů. Stále více se však využívá přenosu po digitální sériové lince RS-485, která umožňuje pomocí páru kroucených vodičů přenos až na vzdálenost 1200 m i v rušeném průmyslovém prostředí. Na vzdálenosti do 15 m se často využívá sériový přenos RS-232 hlavně z důvodu všeobecné jednoduchosti a rozšířenosti díky PC. Některé inteligentní senzory, jakými jsou například DS182x, umožňují pouze jednovodičovou digitální komunikaci (1-Wire), kdy přenos dat i kladného napájecího napětí probíhá po stejném vodiči. Proto mnoho firem nabízí převodníky (moduly) pro zajištění této komunikace, tzn. pro převod a úpravu ostatních signálů na sériový datový přenos včetně signálů proudové smyčky. Někdy již je tento převodník implementován jako součást krabičky čidla společně se samotným senzorem (čidla Temp-485, Temp-232). Často se vyskytují značné rozdíly v některých parametrech těchto modulů a čidel od různých firem, ať již v rychlosti měření a převodu (odezva na povel k měření), počtu a typů připojitelných senzorů nebo cenou. Některé firmy poskytují rychlé moduly a čidla s měřicím časem několik desítek milisekund oproti sekundám u jiných.


Příklad možnosti komunikace senzorů s využitím převodníků na RS- 485 a modulu Poseidon od HWgroup

S vývojem sítí LAN, Ethernetu, WiFi a Internetu se velmi rozšiřují převodní moduly pro převod sériové linky RS- 232 a RS-485 nebo dalších sběrnic, na přenosový protokol TCP/IP a následně zajišťují připojení do sítě. Takto lze již data ze senzorů přenášet libovolně kamkoliv do zpracovávajícího a monitorujícího centra, respektive PC.    

Závěr

Měření teploty bude vždy patřit k základním měřením v průmyslu i běžné praxi. Rozmach datové komunikace a číslicového zpracování signálu má vliv i v oblasti měření teploty. Množství firem, včetně českých, již dnes nabízí velký sortiment inteligentních digitálních čidel, které již vysílají hodnoty teplot přímo v °C, převodníků a modulů pro libovolné sestavení měřícího řetězce. Díky tomu lze měřit teplotu i na vzdálenosti kilometrů a s využitím internetu vlastně téměř neomezenou.
Antonín Vojáček
Vojaceka1@ seznam.cz

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: