Калибровка температурных датчиков. Измерение разности температур и калибровка датчиков

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.

Калибратор может быть использован в качестве как сухоблочного, так и жидкостного термостата. В калибраторе для охлаждения термостата до -100°С используется уникальная технология теплового насоса Стирлинга с газовым теплоносителем (FPSC). Внешний вид рабочего места представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Внешний вид рабочего места

Термостат калибратора имеет две зоны с раздельным регулированием. Регулятор нижней зоны поддерживает заданное значение температуры, а верхней - "нулевую" разность температуры относительно нижней зоны. Такой метод обеспечивает высокую однородность температуры в рабочей зоне и низкую погрешность ее задания.

Калибратор снабжен схемой измерения сигнала внешнего эталонного термометра сопротивления. Такой термометр устанавливается рядом с поверяемым датчиком и подключается к специальному разъему калибратора. Это существенно упрощает калибровку методом сличения, который обладает значительно меньшей погрешностью.

Калибратор снабжен схемой DLC - динамической компенсации влияния потерь тепла через поверяемые датчики. Термометр DLC устанавливается рядом с поверяемым датчиком, измеряет перепад температуры в рабочей зоне вставной трубки и управляет регулятором верхней зоны термостата. Это обеспечивает высокую однородность распределения температуры в рабочей зоне до 60 мм от дна трубки вне зависимости от количества и/или диаметра вставленных датчиков.

Калибратор позволяет измерять сигналы поверяемых термопар и термометров сопротивления (мВ, Ом, В, мА) по ГОСТ, IEC и DIN.

Уникальные особенности:

Самая низкая граница отрицательной температуры -100°С;

Чрезвычайно высокая стабильность;

Высокая однородность температуры в рабочей зоне до 60 мм от дна вставной трубки;

Низкая погрешность;

Не имеющая аналогов схема динамической компенсации влияния загрузки термостата;

Быстрый нагрев, охлаждение;

Полная компенсация влияния бросков и нестабильности сетевого питания;

Встроенные средства измерения выходных сигналов различных датчиков температуры;

Встроенная схема измерения сигнала внешнего эталонного интеллектуального термометра сопротивления, в памяти которого сохранены коэффициенты индивидуальной калибровки;

Сохранение результатов калибровки/поверки во внутренней памяти калибратора;

Дружественный русифицированный интерфейс пользователя на основе меню;

Полная автоматизация поверки/калибровки датчиков температуры как в автономном режиме, так и при работе с ПК под управлением ПО, в том числе, поверка одновременно нескольких датчиков с использованием коммутаторов ASM-R.

Кроме обеспечения задания уставок по температуре калибратор автоматически реализует поверку/калибровку в ступенчатом режиме изменения температуры, а также (в исполнении В) калибровку термореле.

Русифицированное ПО позволяет:

Поверить в автоматическом режиме датчики температуры или загрузить в калибратор задания на поверку/калибровку и, после ее выполнения в автономном режиме, перенести результаты поверки в ПК.

Рекалибровать калибратор по температуре и электрическим сигналам.

ПО обеспечивает доступ к управлению всеми функциями калибраторов и, крометого, позволяет загрузить в калибратор множественные задания на калибровку и после их выполнения в автономном или автоматическом режимах перенести результаты в персональный компьютер для обработки и хранения.

С помощью ПО можно производить подстройку внутреннего («READ») термометра калибраторов, а также каналов измерений электрических величин, в том числе и канала внешнего («TRUE») термометра. Данное программное обеспечение позволяет загрузить в калибратор градуировочную характеристику для внешнего термопреобразователя сопротивления повышенной точности.

Структура ПО:

Поддержка поверяемых/калибруемых СИ температуры;

Конфигурирование схемы поверки/калибровки СИ температуры;

Планировщик поверки/калибровки СИ температуры;

Поверка/калибровка СИ температуры с помощью ПК.

Разъемы для подключения к компьютеру, а также для подключения внешних устройств представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Цифровые разъёмы.

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.

Градуировка внешнего температурного датчика для измерения концентрации ионов в режиме автоматической термокомпенсации (типа ТД-1 , ТКА-4 и др. с сопротивлением чувствительного элемента не более 5 кОм) производится с целью подстройки чувствительности по температуре в автоматическом режиме по нескольким точкам (от 2 до 5). Градуировка должна проводится с помощью термостата, обеспечивающего поддержание заданной температуры с точностью не хуже 0,1 о С.

Подключите температурный датчик к разъему «датчик» или «Т/О 2 » измерительного преобразователя. Включите анализатор, войдите в режим “Доп.Режим” и нажмите кнопку “ВВОД” .

Кнопками “  “ и “  “ выберите опцию “ГрадТермометр” и нажмите кнопку “ВВОД” . Для входа в режим градуировки термометра необходимо ввести пароль. На дисплее появится надпись

ВВЕДИТЕ ПАРОЛЬ

Введите число

Необходимо ввести с клавиатуры число "314" и нажать кнопку "ВВОД" .

Введите количество точек градуировки. Для этого нажмите кнопку “N” .На дисплее появиться надпись:

Число точек

Кнопками “  “ и “  “ установите необходимое число калибровочных точек и нажмите кнопку “ВВОД” . При этом на дисплее появится окно со значением температуры раствора в верхней строке, условным калибровочным числом и номером точки калибровки в нижней строке, например:

25.00 0С

ххххх.ххх n1

Установите температуру воды в термостате в начале диапазона температурной компенсации, например (5  0,5) 0 С. Перейдитек первой точке градуировки. Для этого кнопкой “  “ выберите окно с обозначением номера точки градуировки в нижней строке n1 . Затем нажмите кнопку “Изм” . На дисплее появится меняющееся значение градуировочного

числа. После установления его постоянного значения нажмите кнопку “ВВОД” .После сообщения:

Ввод изменения?

ДА - ВВОД НЕТ - ОТМ

нажмите кнопку “ВВОД” . Затем нажмите кнопку “Числ” . Появится сообщение “Введите число” . Введите значение температуры, измеренное эталонным термометром и нажмите кнопку “ВВОД” .После сообщения

Ввод изменения?

ДА - ВВОД НЕТ - ОТМ

нажмите последовательно кнопки “ВВОД” .

Аналогично проведите градуировку остальных температурных точек, например при температурах (20  0,5) 0 С и (35  0,5) 0 С.

Таким образом будет автоматически произведена подстройка чувствительности прибора по температуре.

3.6. Указания по поверке

3.6.1. Поверке подлежат все вновь выпускаемые, выходящие из ремонта и находящиеся в эксплуатации анализаторы.

3.6.2. Периодическая поверка анализаторов должна проводиться не реже одного раза в год территориальными органами метрологической службы Госстандарта.

3.6.3. Поверка анализаторов осуществляется в соответствии с “Методикой поверки”

3.7. Требования к квалификации исполнителя

К выполнению измерений и обработке результатов допускаются лица с высшим или средним специальным образованием, прошедшие соответствующую подготовку, имеющие опыт работы в химической лаборатории и должны ежегодно проходить проверку знаний техники безопасности.

3.8. Меры безопасности

3.8.1. По требованиям безопасности прибор соответствует требованиям ГОСТ 26104, класс защиты III.

3.8.2. При проведении испытаний и измерений должны соблюдаться требования безопасности по ГОСТ 12.1.005, ГОСТ 12.3.019 .

3.8.3. При работе с анализаторами необходимо выполнять общие правила работы с электрическими установками до 1000В и требования, предусмотренные “Основными правилами безопасной работы в химической лаборатории”, М; Химия, 1979-205с.

4. РЕМОНТ

4.1. Условия по ремонту

Анализаторы являются сложным электронным прибором, поэтому к их ремонту допускается квалифицированный персонал предприятия-изготовителя или официальных представителей на условиях сервисного обслуживания. После ремонта обязательна проверка основных технических характеристик прибора в соответствии с “Методикой поверки”.

При ремонте анализаторов следует принимать меры безопасности в соответствии с действующими правилами эксплуатации электроустановок до 1000 В.

4.2. Возможные неисправности и способы их устранения

Перечень некоторых наиболее часто встречающихся или возможных неисправностей анализаторов, их признаки и способы устранения приведены в таблице 4.

Таблица 4.1

Другие неисправности устраняются изготовителем.

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».