جهاز إرسال درجة الحرارة: كيف يعمل، الدقة والاختيار

ما هو جهاز إرسال درجة الحرارة وكيف يعمل؟

أ مرسل درجة الحرارة يعمل عن طريق استقبال الخرج الكهربائي من عنصر استشعار درجة الحرارة، ومعالجته من خلال تكييف الإشارة الداخلية ودوائر الخطية، وتوليد خرج موحد يتناسب مع درجة الحرارة المقاسة. تتكون البنية الداخلية لجهاز إرسال درجة الحرارة الرقمي الحديث من أربع مراحل وظيفية تعمل معًا على تحويل إشارة مستشعر خام غير خطية إلى مخرجات دقيقة ومقاومة للضوضاء مناسبة للإرسال لمسافات طويلة والمعالجة المباشرة بواسطة نظام تحكم موزع أو وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة.

المراحل الداخلية الأربع لجهاز إرسال درجة الحرارة

تتبع سلسلة معالجة الإشارات داخل جهاز إرسال درجة الحرارة الصناعي الحديث بنية متسقة بغض النظر عما إذا كان الإدخال من مزدوج حراري أو RTD أو أي نوع آخر من أجهزة الاستشعار:

• الحصول على إشارة الإدخال: تستقبل دائرة إدخال جهاز الإرسال إشارة المستشعر، والتي قد تكون عبارة عن EMF بمستوى ميلي فولت من مزدوج حراري (عادةً من 0 إلى 60 مللي فولت اعتمادًا على النوع ونطاق درجة الحرارة) أو قيمة مقاومة من RTD (عادةً من 100 إلى 400 أوم لمستشعر Pt100 عبر نطاق القياس الخاص به). توفر دائرة الإدخال تيار الإثارة لأجهزة استشعار RTD (عادةً من 0.2 إلى 1.0 مللي أمبير لتقليل خطأ التسخين الذاتي) وتطبق تضخيم مقاومة الإدخال العالية على إشارات الميليفولت الحرارية لتجنب تحميل خرج المستشعر.
• أnalog to digital conversion: يتم تحويل إشارة الإدخال المضخمة إلى تمثيل رقمي بواسطة محول تناظري إلى رقمي عالي الدقة، عادةً بدقة 16 إلى 24 بت. تضمن هذه الدقة العالية أن يتمكن جهاز الإرسال من حل التغيرات الصغيرة جدًا في درجات الحرارة ضمن نطاق القياس الذي تم تكوينه. يعمل محول 16 بت عبر نطاق 100 درجة مئوية على حل التغيرات في درجات الحرارة الفردية التي تبلغ حوالي 0.0015 درجة مئوية، وهو ما يعد أدق بكثير من عدم اليقين في القياس النهائي للنظام ولكنه يوفر الدقة الداخلية اللازمة للحفاظ على الدقة بعد الخطية وحساب المخرجات.
• الخطية والتعويض: يطبق المعالج الرقمي توصيفًا محددًا للمستشعر متعدد الحدود مخزنًا في ذاكرة جهاز الإرسال لتحويل القيمة الرقمية الأولية إلى قيمة درجة الحرارة. تعتبر خطوة الخطية هذه ضرورية لأن العلاقات EMF المزدوجة الحرارية مقابل درجة الحرارة ولا مقاومة RTD مقابل علاقات درجة الحرارة خطية؛ إن كثيرات حدود التوصيف المحددة في معيار IEC 60584 للمزدوجات الحرارية ومعيار IEC 60751 لـ Pt RTDs تعوض عن هذه الخطوط اللاخطية. بالنسبة لأجهزة الإرسال المزدوجة الحرارية، تطبق هذه المرحلة أيضًا تعويض الوصلة الباردة الذي يمثل درجة حرارة الوصلة المرجعية في أطراف جهاز الإرسال، والتي يجب قياسها وطرحها من مخرج المزدوجة الحرارية لإنتاج قراءة دقيقة لدرجة حرارة العملية.
• توليد الإخراج: يتم استخدام قيمة درجة الحرارة الخطية لحساب تيار الخرج عن طريق تعيين درجة الحرارة المقاسة خطيًا على النطاق الحالي من 4 إلى 20 مللي أمبير. يقوم جهاز الإرسال بتشغيل مصدر تيار دقيق يحافظ على خرج التيار المحسوب بشكل مستقل عن جهد إمداد الحلقة ومقاومة الكابل، مما يوفر إشارة حلقة التيار المستقلة عن الجهد والتي يراها جهاز الاستقبال كمتغير العملية.

كيف يعمل جهاز إرسال درجة الحرارة مع المزدوجات الحرارية؟

أ thermocouple is a junction of two dissimilar metal wires that generates a small electromotive force (EMF) proportional to the temperature difference between the measurement junction (the hot junction, placed at the process measurement point) and the reference junction (the cold junction, located at the point where the thermocouple wire transitions to copper conductors, typically at the transmitter's input terminals). The thermocouple does not measure absolute temperature; it measures a temperature difference, and the temperature transmitter must add the reference junction temperature to convert this difference to an absolute process temperature.

تتضمن أجهزة إرسال درجة الحرارة الحديثة مستشعرًا داخليًا لتعويض الوصلة الباردة، عادةً ما يكون عبارة عن ثرمستور دقيق أو مستشعر فجوة نطاق السيليكون، مثبت على أطراف إدخال المزدوجة الحرارية. يقيس هذا المستشعر درجة الحرارة الفعلية لأطراف إدخال جهاز الإرسال ويضيف درجة حرارة الوصلة المرجعية هذه إلى EMF المزدوجة الحرارية المقاسة أثناء حساب الخطية. تعد دقة تعويض الوصلة الباردة مساهمًا كبيرًا في عدم اليقين العام في القياس لأنظمة الإرسال المزدوجة الحرارية، وتحدد أجهزة الإرسال عالية الجودة دقة تعويض الوصلة الباردة الخاصة بها بشكل منفصل عن دقة تكييف إشارة المرسل. يضيف خطأ تعويض الوصلة الباردة بمقدار 0.5 درجة مئوية مباشرة إلى خطأ القياس الإجمالي بغض النظر عن جودة جميع مكونات النظام الأخرى.

يحدد اختيار نوع المزدوجة الحرارية نطاق القياس والحساسية وخصائص التوافق الكيميائي لمجموعة أجهزة إرسال المستشعر. الأنواع الأكثر شيوعًا المستخدمة مع أجهزة إرسال درجة الحرارة الصناعية هي:

• النوع K (كروميل/ألوميل): المزدوج الحراري الصناعي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع، ويغطي نطاقًا يتراوح من 200 إلى 1260 درجة مئوية تقريبًا مع معامل سيبيك يبلغ حوالي 41 ميكروفولت لكل درجة مئوية. النوع K مناسب للأجواء المؤكسدة والخاملة ويوفر دقة كافية لمعظم تطبيقات مراقبة درجة الحرارة الصناعية.
• النوع J (الحديد/القسطنطين): مناسب لتقليل أو تفريغ الأجواء، بنطاق يتراوح من 40 إلى 750 درجة مئوية ومعامل سيبيك يبلغ حوالي 51 ميكروفولت لكل درجة مئوية. إن الخرج الأعلى لكل درجة مقارنة بالنوع K يعني إشارات إدخال جهاز إرسال أصغر للمعالجة، لكن الموصل الحديدي يحد من درجة الحرارة القصوى والجو المسموح به.
• النوع T (النحاس/القسطنطين): يستخدم لقياس درجات الحرارة المنخفضة ودرجات الحرارة المنخفضة من 200 إلى 350 درجة مئوية، مع إمكانية تكرار ممتازة عند درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية، مما يجعله الخيار المفضل لتطبيقات مراقبة التخزين المبرد والغرف الباردة.
• النوع R والنوع S (سبائك البلاتين/الروديوم): المزدوجات الحرارية المعدنية النبيلة تستخدم في درجات حرارة عالية من 0 إلى 1600 درجة مئوية في تطبيقات مثل الزجاج والسيراميك وإنتاج الصلب حيث لا يمكن للمزدوجات الحرارية المعدنية الأساسية البقاء على قيد الحياة. تتطلب معاملات Seebeck المنخفضة (حوالي 10 ميكروفولت لكل درجة مئوية) تضخيم مدخلات جهاز الإرسال عالي الدقة لتحقيق الدقة الكافية.

معالجة مدخلات RTD في أجهزة إرسال درجة الحرارة

تعمل كاشفات درجة حرارة المقاومة (RTDs) على مبدأ فيزيائي مختلف تمامًا عن المزدوجات الحرارية، حيث تقيس الزيادة في المقاومة الكهربائية لعنصر معدني نقي (البلاتين في النوعين Pt100 وPt1000) مع ارتفاع درجة الحرارة. يقوم المرسل بتزويد تيار صغير معروف من خلال عنصر RTD ويقيس الجهد الناتج لحساب المقاومة، ثم يطبق معادلة Callendar Van Dusen أو متعدد الحدود للتوصيف IEC 60751 لتحويل هذه المقاومة إلى درجة حرارة.

يتم استخدام تكوينات اتصال RTD بثلاثة أسلاك وأربعة أسلاك للتخلص من تأثير مقاومة سلك الرصاص على دقة القياس. في تكوين السلكين، تضيف مقاومة سلك الرصاص (التي تختلف باختلاف درجة الحرارة المحيطة وطول السلك) مباشرة إلى مقاومة RTD المقاسة وتقدم خطأ لا يمكن تصحيحه. في تكوين ثلاثي الأسلاك، يستخدم جهاز الإرسال جسر ويتستون أو دائرة مكافئة تلغي مقاومة الرصاص لسلك الإرجاع المشترك، مما يقلل الخطأ إلى الفرق في المقاومة بين سلكي الرصاص المنفصلين. في تكوين من أربعة أسلاك، تعمل أزواج أسلاك حمل التيار واستشعار الجهد المنفصلة على التخلص تمامًا من تأثير مقاومة سلك الرصاص على القياس، مما يحقق الدقة الجوهرية الكاملة لمستشعر RTD. أربعة توصيلات سلكية قياسية لتطبيقات العمليات المختبرية وعالية الدقة؛ تعد ثلاثة توصيلات سلكية شائعة في المنشآت الصناعية حيث يكون بعض الأخطاء المتبقية في مقاومة الرصاص مقبولاً.

ما مدى دقة أجهزة إرسال درجة الحرارة؟

دقة نظام إرسال درجة الحرارة عبارة عن مركب من مصادر خطأ فردية متعددة يساهم كل منها في عدم اليقين الإجمالي للقياس. يعد فهم مصادر الأخطاء هذه وكيفية دمجها أمرًا ضروريًا لاختيار جهاز إرسال بدقة كافية لتطبيق معين، ولتفسير مواصفات الدقة المذكورة في أوراق بيانات جهاز الإرسال.

مكونات دقة الارسال

أ complete temperature transmitter system accuracy budget includes contributions from the following sources:

• دقة الاستشعار: يحدد معيار IEC 60751 فئتين من دقة Pt100 RTD. تتمتع أجهزة الاستشعار من الفئة A بدقة زائد أو ناقص (0.15 × 0.002 أضعاف القيمة المطلقة لـ T) درجة مئوية، حيث T هي درجة الحرارة بالدرجات المئوية، والتي تنتج تقريبًا زائد أو ناقص 0.25 درجة مئوية عند 50 درجة مئوية، وزائد أو ناقص 0.55 درجة مئوية عند 200 درجة مئوية. تتمتع مستشعرات الفئة B بضعف التسامح مع الفئة A. ويتم التعبير عن دقة المزدوجات الحرارية بموجب المواصفة IEC 60584 كنسبة مئوية من القراءة أو قيمة ثابتة بالدرجات المئوية، أيهما أكبر: تتمتع المزدوجات الحرارية القياسية من الفئة 1 من النوع K بدقة زائد أو ناقص 1.5 درجة مئوية أو زائد أو ناقص 0.4 بالمائة من القراءة، أيهما أكبر.
• الدقة المرجعية للمرسل: دقة تكييف الإشارة الخاصة بجهاز الإرسال، المحددة عند درجة حرارة محيطة مرجعية (عادةً من 20 إلى 25 درجة مئوية) في ظل ظروف مستقرة. تحقق أجهزة إرسال درجة الحرارة الصناعية عالية الجودة من الشركات المصنعة مثل Emerson Rosemount وABB وEndress Hauser وYokogawa مواصفات دقة مرجعية تتراوح بين زائد أو ناقص 0.05 إلى 0.1 درجة مئوية لمدخلات RTD وزائد أو ناقص 0.1 إلى 0.5 درجة مئوية للمدخلات الحرارية، مما يجعل جهاز الإرسال مساهمًا صغيرًا نسبيًا في عدم اليقين الكلي للنظام عند استخدام أجهزة استشعار عالية الدقة.
• أmbient temperature effect: تنخفض دقة جهاز الإرسال عندما تختلف درجة حرارة التشغيل عن درجة الحرارة المرجعية. يتم تحديد تأثيرات درجة الحرارة المحيطة بجهاز الإرسال النموذجية على أنها تغير في الإخراج لكل درجة مئوية من تغير درجة الحرارة المحيطة، غالبًا ما تكون في حدود 0.005 إلى 0.02 درجة مئوية لكل درجة مئوية من التغير في البيئة المحيطة. في جهاز الإرسال الموجود في حاوية ميدانية قد تتعرض لدرجات حرارة محيطة تتراوح من -20 إلى +60 درجة مئوية، يمكن أن يضيف تأثير درجة الحرارة المحيطة 0.4 إلى 1.6 درجة مئوية من عدم اليقين الإضافي إلى خطأ القياس الإجمالي.
• الانجراف على المدى الطويل: تنحرف دقة جهاز إرسال درجة الحرارة تدريجيًا بمرور الوقت بسبب تقادم المكونات الإلكترونية والضغط الميكانيكي الناتج عن التدوير الحراري. تحدد أجهزة الإرسال الصناعية المصممة جيدًا استقرارًا طويل المدى بنسبة زائد أو ناقص 0.1 إلى 0.25 بالمائة من الامتداد على مدار فترة خدمة مدتها 10 سنوات، وهو ما يترجم إلى أقل من 0.1 درجة مئوية من الانجراف سنويًا لنطاق قياس نموذجي يبلغ 100 درجة مئوية. يعد التحقق من الانجراف من خلال فحص المعايرة الدورية هو الممارسة القياسية للحفاظ على سلامة القياس طوال فترة خدمة جهاز الإرسال.

الدقة العملية في تطبيقات العمليات

تقع الدقة المجمعة لنظام الاستشعار والإرسال المتوافق جيدًا في تركيب العمليات الصناعية النموذجية، مع مراعاة جميع مصادر الأخطاء، في نطاق زائد أو ناقص 0.5 إلى 2 درجة مئوية للأنظمة القائمة على RTD، و1.5 إلى 5 درجات مئوية للأنظمة القائمة على المزدوجات الحرارية. يعكس نطاق عدم اليقين الأكبر لأنظمة المزدوجة الحرارية مزيجًا من الدقة المتأصلة المنخفضة للمستشعر، وخطأ تعويض الوصلة الباردة في جهاز الإرسال، والقابلية الأكبر لقياسات المجالات الكهرومغناطيسية الحرارية للتداخل الكهربائي.

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب عدم اليقين في القياس أقل من زائد أو ناقص 0.5 درجة مئوية، حدد Pt100 RTD مع تحمل الفئة A أو 1/3 DIN، وقم بتوصيله بتكوين أربعة أسلاك، واستخدم جهاز إرسال عالي الدقة محددًا لإدخال RTD، وقم بتثبيت جهاز الإرسال في مكان بدرجة حرارة محيطة مستقرة ومعتدلة. يمكن لأنظمة Pt100 ذات الأسلاك الأربعة من الشركات المصنعة الرائدة تحقيق عدم يقين في القياس مجتمعة يتراوح بين زائد أو ناقص 0.2 إلى 0.3 درجة مئوية في منشآت يتم التحكم فيها جيدًا، ومناسبة لتطبيقات الأدوية والمواد الغذائية والعمليات الدقيقة التي تتطلب تحكمًا أكثر صرامة في درجة الحرارة.

أccuracy Comparison: Thermocouple vs RTD Transmitter Systems

أجهزة إرسال درجة الحرارة المتكاملة: التصميم والمزايا

أn جهاز إرسال درجة الحرارة المتكامل يجمع بين عنصر الاستشعار وإلكترونيات جهاز الإرسال في مجموعة مادية واحدة، يتم تركيبها عادةً مباشرة على البئر الحراري أو في رأس مجموعة مستشعر درجة الحرارة. يتناقض هذا النهج المتكامل مع البنية التقليدية المنفصلة حيث يتصل جهاز استشعار عن بعد منفصل بجهاز إرسال مثبت بشكل منفصل من خلال كابل تمديد، ويوفر العديد من المزايا العملية ومزايا الأداء التي جعلت أجهزة الإرسال المدمجة هي التكوين المفضل لمعظم تركيبات درجة حرارة العمليات الصناعية الجديدة.

التكوينات الفيزيائية لأجهزة إرسال درجة الحرارة المتكاملة

تتوفر أجهزة إرسال درجة الحرارة المتكاملة في تكوينين ماديين أساسيين:

• أجهزة الإرسال المثبتة على الرأس: أ compact transmitter module mounted inside the connection head of a thermowell mounted temperature sensor assembly. The transmitter module typically occupies a DIN B or DIN A format housing that fits within the standard connection head, and the sensor leads connect directly to the transmitter terminals within the sealed head enclosure. Head mounted transmitters eliminate the extension wire run between sensor and transmitter, removing the sources of EMF pickup, lead resistance error, and connector induced measurement degradation that affect extended wire systems. They output the standard 4 to 20 mA current loop signal on two wires that exit the connection head to the control system, requiring only standard control cable rather than the specialized extension wire or thermocouple extension wire required in split architecture systems.
• أجهزة إرسال السكك الحديدية المثبتة على السكك الحديدية أو DIN: وحدات إرسال مدمجة مصممة للتركيب على سكة DIN 35 القياسية داخل خزانات الأجهزة أو لوحات التنظيم، وعادةً ما تتلقى مدخلات أجهزة الاستشعار من أجهزة استشعار المجال البعيد عبر تشغيل الكابلات القصيرة إلى المتوسطة. تقبل أجهزة الإرسال هذه نفس نطاق مدخلات المستشعرات مثل الأنواع المثبتة على الرأس ولكنها تقع في بيئة خاضعة للتحكم في خزانة الأجهزة، مما يقلل من اختلاف درجة الحرارة المحيطة التي تواجهها ويسهل الوصول إلى التكوين والاستبدال. تُستخدم أجهزة الإرسال المثبتة على السكك الحديدية بشكل شائع في التطبيقات المجمعة حيث يتم تغذية أجهزة استشعار متعددة في خزانة واحدة، وفي المنشآت التي لا يسمح فيها موقع اتصال العملية بتركيب جهاز إرسال مثبت على الرأس بسبب درجة الحرارة أو الاهتزاز أو قيود الوصول.

مزايا أداء أجهزة الإرسال المتكاملة

توفر البنية المتكاملة تحسينات قابلة للقياس في الأداء عبر أنظمة إرسال أجهزة الاستشعار المنفصلة في العديد من المجالات التي تؤثر بشكل مباشر على جودة القياس وموثوقية النظام:

• القضاء على أخطاء سلك التمديد المزدوج الحراري: يحمل سلك التمديد المزدوج الحراري إشارة الميليفولت الخاصة بالمزدوجة الحرارية من رأس المستشعر إلى جهاز الإرسال عن بعد أو نظام التحكم. يؤدي أي انقطاع أو موصل أو حلقة أرضية في سلك التمديد هذا إلى حدوث أخطاء لا يمكن تمييزها عن إشارات درجة الحرارة المشروعة في جهاز الاستقبال. تقوم أجهزة الإرسال المثبتة على الرأس بإزالة سلك التمديد تمامًا عن طريق تحويل إشارة الميلي فولت إلى إشارة حلقة تيار من 4 إلى 20 مللي أمبير عند رأس المستشعر، وتكون إشارة الحلقة الحالية محصنة تمامًا ضد أخطاء الضوضاء والتسرب التي تفسد إشارات الميلي فولت على المدى الطويل.
• تحسين مناعة الضوضاء: يعد خرج الحلقة الحالية من 4 إلى 20 مللي أمبير لجهاز الإرسال المدمج أكثر مقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI) من المحركات القريبة، ومحركات التردد المتغير، وكابلات الطاقة من إشارات مستشعر الميليفولت المنقولة عبر أسلاك تمديد طويلة. في البيئات الصناعية ذات الضوضاء الكهربائية الكبيرة، غالبًا ما يؤدي تحسين مناعة الضوضاء إلى انخفاض قابل للقياس في تباين القياس، مما يترجم مباشرة إلى تحكم أكثر استقرارًا في العملية.
• انخفاض تكاليف الأسلاك: يكلف الكابل المزدوج الملتوي المحمي القياسي المستخدم لتوصيلات الحلقة الحالية من 4 إلى 20 مللي أمبير ما بين 40 إلى 60 بالمائة أقل لكل متر من سلك تمديد المزدوج الحراري المتخصص المطلوب للمسافات الطويلة للمزدوجة الحرارية غير المعوضة. بالنسبة للتركيبات الكبيرة التي تحتوي على مئات من نقاط قياس درجة الحرارة على مسافات تصل إلى 50 مترًا أو أكثر من غرفة التحكم، يمثل فرق تكلفة الكابلات هذا توفيرًا كبيرًا في تكلفة رأس المال يعوض جزئيًا أو كليًا تكلفة الوحدة الأعلى لأجهزة الإرسال المثبتة على الرأس مقارنة برؤوس الأطراف الطرفية البسيطة.

اختيار جهاز إرسال درجة الحرارة المناسب للتحكم في العمليات

يتطلب تحديد جهاز إرسال درجة الحرارة الصحيح لتطبيق التحكم في العمليات مطابقة مواصفات جهاز الإرسال مع متطلبات القياس الخاصة بالتطبيق عبر أبعاد متعددة في وقت واحد. يتناول الإطار التالي معايير الاختيار الرئيسية في تسلسل القرار العملي.

نوع المستشعر ونطاق القياس

قرار الاختيار الأول هو نوع المستشعر، الذي يحدد إمكانية الدقة الأساسية ونطاق القياس والتوافق البيئي للنظام. استخدم مستشعرات RTD (Pt100 أو Pt1000) وأجهزة الإرسال المتوافقة للتطبيقات التي تتطلب دقة قياس أفضل من زائد أو ناقص 1 درجة مئوية، لدرجات حرارة أقل من 600 درجة مئوية، وحيثما يكون الاستقرار على المدى الطويل على مدار سنوات من الخدمة المستمرة مطلوبًا. استخدم أجهزة الاستشعار المزدوجة الحرارية وأجهزة الإرسال المتوافقة لدرجات حرارة أعلى من 600 درجة مئوية، للتطبيقات التي تتطلب استجابة سريعة للتغيرات السريعة في درجات الحرارة، أو حيث تكون تكلفة أجهزة استشعار RTD باهظة بالنسبة لعدد كبير من نقاط القياس.

تتوفر أجهزة إرسال الإدخال العامة التي تقبل كلاً من المدخلات الحرارية ومدخلات RTD من معظم الشركات المصنعة الكبرى وهي ذات قيمة خاصة في المرافق التي تحتوي على مخزون متنوع من أجهزة الاستشعار أو في التطبيقات التحديثية حيث قد لا يكون نوع المستشعر الحالي معروفًا في وقت شراء جهاز الإرسال. عادةً ما تضحي أجهزة إرسال الإدخال العامة بزيادة صغيرة في الدقة مقارنةً بأجهزة الإرسال الخاصة بأجهزة الاستشعار بسبب التنازلات التي ينطوي عليها تصميم دوائر الإدخال للتعامل مع كل من الإشارة الحرارية لمستوى الميليفولت وقياس المقاومة المطلوبة لمدخلات RTD، لكن التصميمات الحديثة خفضت عقوبة الدقة هذه إلى أقل من 0.05 درجة مئوية في معظم الحالات.

بروتوكول الإخراج ومتطلبات الاتصالات

يجب أن يكون بروتوكول إخراج جهاز الإرسال متوافقًا مع البنية التحتية لنظام التحكم في الاستقبال:

• 4 إلى 20 مللي أمبير تناظري فقط: أppropriate for older DCS and PLC systems without digital field communication capability, or for simple applications where only the current process temperature value is required at the control system and no diagnostic data needs to be transmitted. The analog only transmitter is the simplest and lowest cost option, requiring only a standard analog input card in the receiving control system.
• 4 إلى 20 مللي أمبير مع هارت: يقوم بروتوكول HART (محول الطاقة عن بعد القابل للعنونة على الطريق السريع) بتركيب إشارة رقمية على الحلقة الحالية من 4 إلى 20 مللي أمبير، مما يسمح بالتكوين والتشخيص وبيانات متغير العملية الثانوية ليتم توصيلها إلى نظام إدارة الأصول المتوافق مع HART بينما تستمر الإشارة الأساسية من 4 إلى 20 مللي أمبير في العمل مع البنية التحتية للإدخال التناظري الحالية. تعد أجهزة الإرسال القادرة على HART هي الخيار السائد لتركيبات أجهزة إرسال درجة الحرارة الصناعية الجديدة في جميع أنحاء العالم لأنها توفر القدرة على التشخيص الرقمي دون الحاجة إلى استبدال البنية التحتية الحالية للأسلاك التناظرية.
• مؤسسة Fieldbus أو PROFIBUS PA: نواقل المجال الرقمية النقية التي تحل محل الحلقة الحالية من 4 إلى 20 مللي أمبير ببروتوكول اتصالات رقمي بالكامل يحمل متغيرات عملية متعددة وتشخيصات ومعلمات تكوين عبر زوج واحد من الأسلاك التي يمكنها توصيل أجهزة متعددة في طوبولوجيا الناقل. مناسب للتركيبات الجديدة حيث يدعم نظام التحكم هذه البروتوكولات، كما أن فوائد القياس متعدد المتغيرات والتشخيص الشامل من زوج سلكي واحد تبرر التكلفة الهندسية الأعلى للتركيب مقارنة بالأنظمة التناظرية أو أنظمة HART.
• لاسلكي (WirelessHART أو ISA100): أجهزة إرسال درجة الحرارة اللاسلكية التي تنقل القياسات إلى بوابة لاسلكية بدون أي كابل إشارة، تعمل بالبطاريات أو بجمع الطاقة من بيئة العملية. تعتبر أجهزة الإرسال اللاسلكية ذات قيمة خاصة في التطبيقات التحديثية حيث يكون تشغيل كابلات الإشارة الجديدة إلى مواقع يتعذر الوصول إليها أو خطرة باهظ التكلفة، وفي تطبيقات مراقبة الأصول التي تتحرك أو تدور، حيث تكون الاتصالات السلكية غير عملية.

الظروف البيئية والعملية

تفرض البيئة المادية التي سيتم تركيب جهاز الإرسال فيها متطلبات على مبيت جهاز الإرسال، وتصنيف حماية الدخول، وشهادة المنطقة الخطرة:

• حماية الدخول: يجب أن يحمل مبيت جهاز الإرسال الحد الأدنى من تصنيف IP65 (محكم ضد الغبار ومحمي ضد نفاثات الماء) للتركيبات الخارجية وبيئات الغسيل؛ IP67 (الغمر حتى عمق 1 متر) للتطبيقات المعرضة لخطر فيضانات المياه؛ وIP68 (الغمر المستمر) لأجهزة الإرسال المثبتة في المواقع المغمورة. يجب التحقق من تصنيف IP لرأس الاتصال وأي إدخالات للكابلات، حيث قد تحمل إلكترونيات جهاز الإرسال تصنيف IP أعلى من تركيبات الإدخال المستخدمة فعليًا في التثبيت.
• شهادة المنطقة الخطرة: يجب أن تحمل أجهزة الإرسال المثبتة في المناطق المصنفة على أنها قابلة للانفجار بموجب معايير تصنيف المناطق الخطرة الوطنية أو الدولية الشهادة المناسبة لتصنيف المنطقة المحددة. أكثر طرق حماية المناطق الخطرة شيوعًا لأجهزة إرسال درجة الحرارة هي السلامة الجوهرية (Ex ia أو Ex ib) للاستخدام في المناطق 0 و1 و2 (خطر الغاز)، ومرفقات مقاومة للاشتعال ومقاومة للانفجار (Ex d) للتطبيقات التي تتطلب أجهزة إرسال ذات طاقة أعلى. تأكد من أن الموافقة المحددة لجهاز الإرسال تغطي مجموعة الغاز وفئة درجة الحرارة المطبقة على موقع التثبيت.
• مقاومة الاهتزاز والصدمات: في المنشآت المعرضة لاهتزاز آلات المعالجة، حدد أجهزة إرسال تم اختبارها وتقييمها وفقًا لتردد وسعة الاهتزاز المتوقع. يجب تصنيف أجهزة الإرسال الخاصة بتطبيقات مراقبة الضاغط والمضخة والتوربين وفقًا لمعايير اختبار الاهتزاز IEC 60068 2 6 بمستويات اهتزاز لا تقل عن 2 جرام عبر نطاق التردد من 10 إلى 2000 هرتز لتجنب الفشل المبكر الناتج عن إجهاد المكونات الناجم عن الاهتزاز.

ملخص معلمات التحديد الرئيسية

كيفية استكشاف أخطاء جهاز إرسال درجة الحرارة وإصلاحها؟

جهاز إرسال درجة الحرارة يتبع استكشاف الأخطاء وإصلاحها تسلسلًا تشخيصيًا منطقيًا يعزل الخطأ بشكل منهجي عن المستشعر أو الأسلاك أو إلكترونيات جهاز الإرسال قبل التوصل إلى استنتاجات حول المكون الذي يتطلب الاهتمام. يؤدي التعامل مع مشكلات جهاز الإرسال بدون هذه البنية المنهجية إلى استبدال المكونات غير الضرورية وإطالة وقت توقف العملية. يغطي التسلسل التالي فئات الأخطاء الأكثر شيوعًا في تركيبات أجهزة إرسال درجة الحرارة الصناعية.

الحد الأقصى أو الحد الأدنى الثابت للإخراج (إشارة مشبعة)

أ transmitter output locked at 20.5 mA (or the transmitter's upscale failure current) or at 3.6 mA (downscale failure current) indicates that the transmitter has detected an out of range condition or a sensor fault and has driven its output to a preset failsafe value. Diagnose as follows:

1. التحقق من وجود رموز الخطأ النشطة: قم بتوصيل جهاز اتصال HART أو برنامج التكوين الخاص بالشركة المصنعة بجهاز الإرسال وقراءة أي تشخيصات نشطة للأخطاء. سيحدد نظام التشخيص الذاتي لجهاز الإرسال عادةً ما إذا كان الخلل هو إدخال مستشعر مفتوح، أو ماس كهربائى عند إدخال المستشعر، أو إدخال المستشعر خارج النطاق، أو خطأ داخلي في جهاز الإرسال. تقوم هذه المعلومات التشخيصية بتوجيه التحقيق على الفور إلى المكون الصحيح دون الحاجة إلى إجراء فحص مادي لكل عنصر في حلقة القياس.
2. قياس استمرارية الاستشعار في محطات الإرسال: افصل أسلاك المستشعر عن أطراف إدخال جهاز الإرسال وقم بقياس مقاومة المستشعر (لـ RTD) أو الاستمرارية (للمزدوجة الحرارية) عند البراغي الطرفية باستخدام مقياس متعدد تمت معايرته. يجب أن يقيس جهاز Pt100 RTD عند درجة الحرارة المحيطة ما يقرب من 109 إلى 110 أوم لكل 25 درجة مئوية فوق مرجع المستشعر وهو 0 درجة؛ تشير قراءة الدائرة المفتوحة إلى وجود عنصر RTD مكسور أو سلك مستشعر مقطوع. يجب أن تنتج المزدوجة الحرارية عند درجة الحرارة المحيطة قراءة مقاومة منخفضة جدًا (عادةً من 1 إلى 10 أوم اعتمادًا على مادة المزدوجة الحرارية وطولها)؛ تشير الدائرة المفتوحة إلى وجود تقاطع أو سلك مزدوج حراري مكسور.
3. أعد توصيل المستشعر وتحقق من القراءة مقابل مرجع: إذا قام المستشعر بالقياس بشكل صحيح عند أطراف جهاز الإرسال ولكن خرج جهاز الإرسال لا يزال مشبعًا، فتحقق من أن نطاق القياس الذي تم تكوينه لجهاز الإرسال مناسب لدرجة حرارة العملية الفعلية. جهاز الإرسال الذي يعمل بشكل صحيح ويستقبل إشارة مستشعر لدرجة حرارة خارج النطاق الذي تم تكوينه سوف يشبع خرجه؛ إن تقليل نطاق القياس أو إعادة تكوين النطاق ليشمل درجة حرارة العملية الفعلية يجب أن يؤدي إلى استعادة التشغيل العادي.

إخراج صاخب أو غير مستقر

أn output that fluctuates rapidly beyond what the process temperature itself could account for indicates electrical noise pickup in the sensor or transmitter wiring, a loose connection, or a moisture ingress problem in the transmitter housing or sensor connection head. Investigate the following in order:

• تحقق من تأريض الدرع: تأكد من أن درع كابل المستشعر مؤرض عند طرف واحد فقط (عادةً في غرفة التحكم أو نهاية خزانة التنظيم)، مع عدم إنهاء الطرف الميداني للدرع. يؤدي تأريض الدرع عند كلا الطرفين إلى إنشاء حلقة أرضية يمكنها حقن الضوضاء في دائرة القياس بنفس ترددات مصدر التداخل. يؤدي تصحيح الدروع ذات التأريض المزدوج بشكل متكرر إلى حل مشكلات ضوضاء جهاز الإرسال دون أي تدخل آخر.
• فحص أطراف التوصيل بحثًا عن الرطوبة والتآكل: افتح رأس توصيل جهاز الإرسال وافحص جميع البراغي والتوصيلات الطرفية بحثًا عن تراكم الرطوبة أو منتجات التآكل أو البراغي الطرفية السائبة. تؤدي الرطوبة بين أطراف أسلاك التمديد المزدوجة الحرارية والأشغال المعدنية المؤرضة إلى خلق تيارات تسرب تظهر كضوضاء في القياس. قم بتجفيف رأس التوصيل بالهواء المضغوط الجاف، ومعالجة الأطراف المتآكلة باستخدام منظف التلامس، وربط جميع مسامير الأطراف إلى عزم الدوران المحدد قبل إعادة تجميع الرأس بختم دخول كابل جديد.
• فصل كابلات الاستشعار عن كابلات الطاقة: تأكد من توجيه كابل المستشعر بشكل منفصل عن كابلات الطاقة وكابلات محرك التردد المتغير ومصادر الضوضاء العالية الأخرى طوال فترة تشغيله من المستشعر إلى جهاز الإرسال أو غرفة التحكم. يؤدي التوجيه المتوازي لأجهزة الاستشعار وكابلات الطاقة إلى إنشاء اقتران حثي وسعوي يعمل على إدخال الضوضاء في إشارة القياس؛ يؤدي الحفاظ على فصل لا يقل عن 300 مم عن كابلات الطاقة، أو وضع كابلات الاستشعار في قناة معدنية منفصلة، ​​إلى التخلص من مسار الاقتران هذا.

إزاحة القراءة: خطأ في القياس المتسق

أ temperature transmitter that produces a reading consistently above or below the actual process temperature by a fixed offset across the measurement range, confirmed by comparison with a calibrated reference thermometer in the same process, indicates either a transmitter calibration drift, an incorrect transmitter configuration, or a systematic error source such as lead resistance in an uncompensated two wire RTD connection. Verify the transmitter configuration parameters (sensor type, connection type, span, and zero) against the original commissioning documentation before performing a calibration check, as configuration errors introduced during maintenance are a common and easily corrected cause of systematic reading offsets. If the configuration is confirmed correct, perform a two point calibration check using a precision temperature source and a certified reference transmitter or calibrator to characterize the magnitude and temperature dependence of the offset, and apply a calibration correction or replace the transmitter if the offset exceeds the application's accuracy requirement.

صيانة أجهزة إرسال درجة الحرارة للتطبيقات الصناعية

أ disciplined مرسل درجة الحرارة يحافظ برنامج الصيانة على دقة القياس، ويمنع حالات فشل القياس غير المتوقعة التي تعطل التحكم في العملية، ويزيد من عمر الخدمة المفيد لاستثمار الأداة. يغطي برنامج الصيانة لأجهزة إرسال درجة الحرارة الصناعية التحقق الدوري من المعايرة، والفحص المادي، ومراجعة البيانات التشخيصية للصيانة التنبؤية، والاستبدال المخطط لمكونات المستشعر التي تعاني من التقادم المتسارع أثناء الخدمة.

جدول التحقق من المعايرة

يجب تحديد الفاصل الزمني للتحقق من المعايرة لأجهزة إرسال درجة الحرارة بناءً على متطلبات دقة التطبيق، واستقرار جهاز الإرسال المحدد على المدى الطويل، وعواقب خطأ القياس غير المكتشف على جودة التحكم في العملية وسلامتها. تتراوح فترات التحقق من المعايرة النموذجية لأجهزة إرسال درجة الحرارة الصناعية من 6 أشهر لقياسات السلامة الحرجة حيث يجب اكتشاف أي انحراف فوق زائد أو ناقص 0.5 درجة مئوية على الفور، إلى 2 إلى 5 سنوات لقياسات المراقبة غير الحرجة حيث تبرر مواصفات ثبات جهاز الإرسال على المدى الطويل (عادةً زائد أو ناقص 0.1 إلى 0.25 بالمائة من الامتداد سنويًا من الشركات المصنعة الرائدة) فترات زمنية أطول بين عمليات الفحص.

ينبغي إجراء التحقق من المعايرة باستخدام مصدر درجة حرارة معاير (معاير كتلة جافة أو حمام درجة حرارة) يمكن تتبعه وفقًا لمعايير القياس الوطنية، مع مقياس حرارة مرجعي معاير بدقة أعلى من جهاز الإرسال الذي يتم فحصه ليكون بمثابة معيار المقارنة. قم بتسجيل القراءات الموجودة والقراءات اليسرى عند نقطتي درجة حرارة على الأقل ضمن النطاق الذي تم تكوينه (عادة عند 25 بالمائة و75 بالمائة من النطاق) لتوصيف كل من الإزاحة الصفرية وخطأ النطاق. قم بتوثيق جميع نتائج المعايرة في سجل معايرة الجهاز وتوجيه النتائج عبر المعايرات المتعاقبة لتحديد الانحراف التدريجي الذي قد يشير إلى تدهور حالة المستشعر قبل أن يصبح مشكلة في القياس.

الفحص المادي والصيانة الوقائية

يجب أن يتضمن برنامج الفحص المادي لأجهزة إرسال درجة الحرارة الفحوصات التالية في كل زيارة صيانة مجدولة:

• سلامة الضميمة: افحص مبيت جهاز الإرسال بحثًا عن أي ضرر مادي أو تآكل أو تدهور في الطلاءات الواقية. تأكد من أن جميع مداخل الكابلات محكمة الغلق بحشوات الكابلات الأصلية وأن الحشيات الموجودة على غطاء جهاز الإرسال غير تالفة وتتصل بشكل كامل. استبدل الحشيات التالفة للحفاظ على معدل حماية الدخول الخاص بالمبيت.
• الاتصالات الطرفية: افحص جميع التوصيلات الطرفية للتأكد من إحكامها وتآكلها ووجود أي رطوبة في رأس التوصيل. أعد ربط البراغي الطرفية حتى تصل إلى عزم الدوران المحدد؛ يعد التآكل في التوصيلات الطرفية خطأً تدريجيًا ينتج عنه خطأ متزايد في القياس بمرور الوقت وفشل الدائرة المفتوحة في نهاية المطاف إذا لم تتم معالجته.
• حالة Thermowell (حيثما تم تركيبها): افحص البئر الحراري بحثًا عن التآكل الخارجي والأضرار الميكانيكية الناجمة عن الاهتزاز الناجم عن التدفق (المرئي كتآكل أو تشقق عند توصيل العملية)، والنظافة الداخلية. يخلق البئر الحراري الذي يعاني من ترقق كبير في الجدار بسبب التآكل خطر إطلاق سائل المعالجة عند فشل الجدار المتبقي، مما يتطلب الاستبدال قبل أن تتعرض وظيفة حماية القياس للبئر الحراري للخطر.
• حالة عنصر الاستشعار: بالنسبة لعناصر RTD المكشوفة والمزدوجة الحرارية، قم بفحص الغلاف الواقي بحثًا عن الأضرار الميكانيكية، وتأليب التآكل، وأي علامات على تلوث سائل العملية بتجويف المستشعر. مقارنة مقاومة المستشعر الحالية (لـ RTD) أو مقاومة العزل (للغلاف الحراري) مع القيم الأساسية المسجلة عند التشغيل؛ تشير مقاومة العزل المتدهورة في الغلاف المزدوج الحراري (أقل من 1 ميجا أوم عند درجة حرارة التشغيل) إلى دخول الرطوبة أو تدهور الغلاف الذي سيؤدي إلى أخطاء في القياس ويتطلب استبدال المستشعر.

استخدام البيانات التشخيصية للصيانة التنبؤية

تعمل أجهزة إرسال درجة الحرارة ذات ناقل المجال الرقمي القادرة على استخدام HART على توليد بيانات تشخيصية بشكل مستمر يمكن استخدامها لتحديد المشكلات النامية قبل أن تتسبب في فشل القياس. تقوم أجهزة إرسال درجة الحرارة المتكاملة الحديثة بمراقبة المعلمات والإبلاغ عنها بما في ذلك درجة حرارة الوصلة الباردة، ومقاومة المستشعر (لمدخلات RTD)، وجهد إمداد الحلقة، ودرجة الحرارة الإلكترونية الداخلية لجهاز الإرسال، وإجمالي ساعات التشغيل منذ آخر عملية إعادة ضبط. إن مراجعة هذه المعلمات التشخيصية من خلال نظام إدارة الأصول أثناء العمليات العادية، بدلاً من انتظار جهاز الإرسال للإبلاغ عن تنبيه، يتيح أساليب الصيانة التنبؤية التي تحدد موعد استبدال المستشعر بناءً على مؤشرات الحالة الفعلية بدلاً من فترات التقويم الثابتة.

أ progressive increase in RTD sensor resistance above its expected value for the process temperature, observed in diagnostic data over successive readings, is an early indicator of sensor element contamination or mechanical damage that will eventually produce a significant measurement error or open circuit failure. Scheduling sensor replacement at the next planned maintenance window when this trend is first identified, rather than waiting for a complete measurement failure, avoids the process disruption associated with an unscheduled sensor replacement during production. This predictive approach to temperature transmitter maintenance is one of the most cost effective applications of the digital diagnostic capability built into modern industrial temperature transmitters.