KONICA MINOLTA

Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Uchopte správně měření teploty

Požadované správnosti měření teploty lze dosáhnout jen při správném výběru, instalaci a obsluze snímače teploty. Článek přehledovým způsobem upozorňuje na hlavní aspekty, k nimž je třeba přihlížet při měření teploty v průmyslové praxi zejména v chemických a příbuzných provozech, má-li být účelné a hospodárné.
 
Měřit správně teplotu není tak těžké. Je však třeba neustále myslet na nejistotu měření – při určování požadavků na snímač teploty, při jeho výběru, při instalaci i používání. Ve všech těchto etapách se nabízejí jak příležitosti zmenšit nejistotu měření, tak i příležitosti, jak veškeré již vynaložené úsilí o zlepšení nahodile zmařit.
 

Určení nejistoty

Prvním a nejčastěji opomíjeným krokem je určit, s jakou nejistotou je třeba měřit, aby tím byla vyřešena daná úloha. Při každém měření teploty je požadována určitá jeho správnost, jinak by se nikdo nenamáhal s tím, aby do svého zařízení instaloval snímač teploty. Ať už je přípustná nejistota padesát kelvinů, nebo polovina kelvinu, vždy je třeba mít jistotu, že použité přístroje a postupy fungují tak, aby daný požadavek byl splněn.
 
Potřebné nejistoty měření lze dosáhnout buď snadno a s malými přídavnými náklady, nebo s velkými obtížemi a výdaji – záleží na povaze úlohy. Zvážit přínosy menší nejistoty měření v porovnání s námahou a náklady, které pro to patrně bude třeba vynaložit, je na uživateli. Někdy bude výdaj navíc představovat o něco dražší snímač, jindy zase průběžná údržba s použitím vhodného kalibračního postupu.
 
Poněkud obtížnější může být zjistit, co konkrétního může větší správnost, tj. menší nejistota měření teploty, ekonomice podniku přinést. Podrobně analyzovat každý jednotlivý požadavek na měření teploty v závodě by jistě bylo nesnadné a nákladné, mj. i časově. Pravděpodobně však v každém závodě existují určité tepelné procesy, u nichž by se zmenšením nejistoty při měření teploty mohlo dosáhnout významných ekonomických přínosů. Vhodné je začít s klíčovými výrobními zařízeními s přímým vlivem na kvalitu výrobků a výkonnost závodu, podívat se na zařízení vyžadující nákladnou údržbu nebo časté odstávky z důvodu čištění apod. Jestliže jste to ve vašem závodě neudělali již dříve, je nanejvýš pravděpodobné, že na svém zařízení najdete místo, které si z hlediska nejistoty měření teploty zasluhuje pozornost větší, než jaká mu byla věnována doposud.
 

Výběr snímače

Po stanovení potřebné nejistoty měření je dalším krokem výběr snímače, se kterým by mělo být možné jí dosáhnout. Ve většině úloh v chemickém průmyslu se používají ponorné odporové teploměry (Resistance Temperature Detector – RTD) a termočlánky. Má-li se dosáhnout menší nejistoty měření, přednostně se použije odporový teploměr. Důvody jsou menší základní nejistota snímače a jeho vynikající dlouhodobá stabilita. Nejistota měření bude záviset také na měřené provozní teplotě. Poblíž horní meze použitelnosti odporových teploměrů budou správněji měřit termočlánky. Existují však další důležité skutečnosti, které jsou často opomíjeny.
 

Kompenzace vnějších chyb

Za prvé, údaje o nejistotě snímače, ať už jde o termočlánky nebo odporové teploměry (třídy A, B, nebo i individuálně kalibrované), platí jen pro samotný snímač. Způsob montáže, šum, běžný drift a řídicí systém mohou k vlastní chybě snímače přidat dodatečné chyby. Je tedy třeba se vyhnout tomu, abyste celou svoji přípustnou nejistotu vypotřebovali na samotný snímač. Relativně nepříliš nákladné je použít kvalitnější snímač s menší nejistotou nebo nejistotu měření zmenšit kalibrací snímače. Tím ochráníte svůj systém před většinou nepředvídaných nebo kvantitativně nepostižitelných chyb, které se mohou vyskytnout v měřicím řetězci. V praxi, vezmou-li se v úvahu náklady na pravidelnou kalibraci snímačů a převodníků, lze často ušetřit čas i peníze použitím přístrojů s menší nejistotou a větší stabilitou, které stačí kalibrovat méně často.
 

Kvalita konstrukce

Za druhé, přesvědčte se, že volíte snímače kvalitní a odolné konstrukce, které budou ve vašich provozních podmínkách poskytovat konzistentní a správné údaje. Odporové teploměry a termočlánky tzv. průmyslového standardu vyrábí mnoho výrobců v nejrůznějších podmínkách, takže kvalita jejich konstrukce ani vlastního provedení není nijak zaručena.
 
Například možnost volného přístupu k vodičům na „studeném konci“ snímače je bezcenná, protože svařované nebo letované spoje ponechané působení vlivů okolního prostředí mohou korodovat, a tím zavléci do měřicího řetězce chybu. Tyto vodiče by měly být zakryty zalévacím nebo jiným materiálem bránícím jejich degradaci vlivem vlhkosti nebo chemické koroze (obr. 1).
 
Výrazné rozdíly v kvalitě existují také pokud jde o zamezení vzniku rušivých mechanických napětí, kvalitu svarů, izolační odpor a úroveň výstupní kontroly u výrobce. Všechny tyto odlišnosti mohou ovlivnit metrologické vlastnosti a skutečnou dobu provozního života přístrojů pro měření teploty. Ačkoliv průmyslové odporové teploměry si jsou většinou vzhledem i základním uspořádáním navzájem velmi podobné, existují mezi nim některé zásadní rozdíly, zjistitelné pouze na jejich rentgenových snímcích nebo při opatrné demontáži. Podle těchto rozdílů lze odlišit robustní snímač s dlouhou dobou života od levného snímače, který nemusí pracovat tak, jak se od něj očekává, nebo se popř. může brzy porouchat.
 
Přestože se při výrobě snímače použije přesně tentýž typ citlivého odporového prvku i jeho připojovacích vodičů, mohou být zvoleny různé způsoby jejich spojení. Někteří výrobci dva přívodní vodiče k odporovému prvku připojí zalemováním, jiní použijí letování, zatímco další je přivaří.
 
Z uvedených tří variant jsou nejrobustnější a, pokud jde o správnost měření, nejkvalitnější spoje svařované. Protože platinové vodiče citlivého prvku jsou jak součástí elektrického připojení prvku, tak přispívají k celkovému odporu snímače, je důsledkem nepřesného umístění přívodních vodičů celkový odpor snímače buď větší, nebo menší než odpor jmenovitý, tedy chyba snímače. Neadekvátní spoj mezi přívodním vodičem a odporovým prvkem může také být slabým bodem, který zapříčiní brzkou poruchu snímače (obr. 2). Přednostně se přívodní vodiče přivařují laserem.
 
Rozdíly lze nalézt i na úrovni samotného odporového prvku. Ten není jen rezistorem, je to měřicí zařízení. Zabránit mechanickému namáhání je důležité u každého elektrického připojení, zvláště v zařízení s jemnými drátky, jakými jsou odporové teploměry. U citlivých prvků odporových teploměrů, u nichž není zabráněno mechanickému namáhání přívodů, může dojít k tomu, že tepelná roztažnost přívodních vodičů ovlivňuje odpor mechanickým napětím, což se projeví nárůstem nejistoty měření, či může být příčinou předčasné poruchy přístroje (obr. 3).
 
Důležitá je i kvalita převodníků teploty. Metrologické údaje o převodnících jsou často uváděny nejednotně. Výsledkem mohou být potíže při porovnávání nejistoty měření, kterou jednotlivé modely převodníků vnášejí do měřicího řetězce. Některé vlivy a chyby navíc nemusí být uvedeny, což znemožňuje udělat si úplný obrázek o celkové nejistotě měření. Použitím velmi přesného převodníku namísto jiného, který jinak může být pro většinu úloh v chemickém průmyslu vyhovující, lze dosáhnout zmenšení nejistoty o dalších 0,5 °C. Převodníky musí v provozech pracovat i ve vnějším prostředí, kde mohou být vystaveny změnám teploty a vlhkosti, které mohou způsobit poruchu elektronických částí převodníků. Je proto třeba se ujistit, že převodník, který chcete použít, je navržen s ohledem na možné tvrdé provozní prostředí ve vašem závodě a je z tohoto hlediska také patřičně ověřen.
 

Vinuté versus plošné odporové teploměry

Za třetí, citlivé odporové prvky nejsou ve všech odporových teploměrech stejné. Existují dvě jejich základní uspořádání: s navinutými drátky a plošné (tenkovrstvé).
 
V minulosti se pro dosažení menší nejistoty měření často používaly snímače s vinutými citlivými prvky, které však mohou být méně odolné proti působení provozních vibrací a mechanických rázů. Odporové prvky v těchto snímačích mají tvar cívky volně navinutého drátku, což umožňuje měřicímu drátku bez překážek expandovat i při širokém rozmezí pracovních teplot. Působením rázů či vibrací může dojít ke zdeformování, či dokonce zkřížení závitů těchto cívek, což se navenek projeví jako chyba snímače.
 
Plošný citlivý prvek vyrobený technikou tenkých vrstev je sice použitelný v mnohem užším rozmezí teplot, zato však lépe odolává vibracím. Materiál citlivý na teplotu je v tomto případě pevně spojen s podložkou, typicky z keramiky. Výsledkem je konstrukce velmi dobře odolávající působení rázů a vibrací. Vlastní citlivý prvek (obvykle vodivá vrstva z platiny) a podložka mají obecně různý koeficient tepelné roztažnosti. Při velkém rozpětí teploty tudíž může dojít k nežádoucímu mechanickému namáhání konstrukce a v jeho důsledku ke změnám vlastností citlivé odporové vrstvy, popř. až k jejímu přetržení nebo oddělení od podložky. Plošné citlivé prvky mají obvykle nepříliš nízko posazenou dolní mez měřicího rozsahu, a to okolo –50 °C.
 
Nevhodné použití snímače, ať už jednoho či druhého typu, zásadně ovlivní jeho životnost i metrologické vlastnosti. Při současných zdokonalených vlastnostech plošných konstrukcí a existenci dodatečných nástrojů umožňujících zmenšit nejistotu měření by se u většiny měřicích úloh s odporovými teploměry měly volit především plošné konstrukce, a to pro svou odolnost proti vibracím.
 

Vliv rozsahu teploty na nejistotu

Na závěr si připomeňme, že, jak je patrné z obr. 4, existuje kvantifikovatelná souvislost mezi rozmezím teplot, které je třeba měřit, a chybou snímače. Snímač typu standardního termočlánku může mít přípustnou chybu 2 °C. Jeho náhradou speciálním termočlánkem se zúženým tolerančním polem lze chybu zmenšit na polovinu. S odporovým teploměrem toleranční třídy B lze, v závislosti na měřené teplotě, zmenšit chybu opět na polovinu, třebaže při vyšších teplotách může být přesnější variantou termočlánek. Přechodem z odporového teploměru třídy B na teploměr třídy A se chyba snímače opět zmenší o polovinu. Mají-li se odporovými teploměry měřit velmi vysoké nebo velmi nízké teploty, je třeba dát přednost přístrojům s vinutými drátky. Je zapotřebí postupovat pozorně a vzít v úvahu nejen nejistotu samotného snímače, ale i vlivy jeho zástavby a elektrické instalace.
 

Zástavba snímače

Poté, co je snímač vybrán, je třeba ho zabudovat do příslušného technologického zařízení, kde je mnoho příležitostí, jak ovlivnit nejistotu měření. Některé z nich jsou nasnadě, jako např. minimalizace délky přívodních vodičů a počtu mezilehlých spojů. Delší vodiče a násobné svorkovnice znamenají přídavné odpory a větší chybu při měření.
 

Odporové teploměry

Vliv odporu přívodních vodičů odporového teploměru lze částečně kompenzovat třívodičovým zapojením, přičemž se měří odpor ve dvou vodičích a předpokládá se, že odpory všech tří přívodních vodičů jsou stejné. Při krátkých přívodních vodičích je tento předpoklad správný, při dlouhých však může nepříznivě ovlivnit nejistotu měření. Předpokládejme, že snímač je připojen k převodníku nebo řídicímu systému kabelem délky 150 m s vodiči o průřezu 0,5 mm2 se jmenovitým odporem 0,033 Ω/m. Celkem 300 m délky vodičů tedy znamená dodatečný odpor 9,9 Ω – hodnotu, kterou je možné vykompenzovat třívodičovým připojením snímače. Budou-li všechny tři vodiče zcela stejné, kompenzace bude naprosto korektní. Odpor vodičů se ovšem může lišit o 10 %, neboli asi o 1 Ω, který tudíž zůstane nevykompenzovaný. Tato chyba 1 Ω způsobí při použití průmyslového odporového teploměru PT100-385 rozdíl v naměřené teplotě o velikosti asi 2,6 °C.
 
Dalším zdrojem změn odporu přívodního vedení, a tudíž příčinou přídavných chyb, mohou být svorkovnice. Má-li být při třívodičové instalaci odporového teploměru správně vykompenzován vliv přívodního vedení, musí být všechny tři přívodní vodiče zapojeny stejně. Ve všech třech větvích vedení je nutné použít vodiče téhož průřezu a typu, tytéž svorky a tentýž počet i způsob připojení vodičů. Je třeba mít na paměti, že třívodičová kompenzace je založena na předpokladu, že všechny tři větve vedení jsou naprosto stejné. Jakýkoliv rozdíl mezi nimi vnese do měření chybu.
 
Uvedené chyby se výrazně zmenší, je-li odporový teploměr připojen čtyřvodičově. Přestože jsou čtyřvodičové odporové teploměry na tyto chyby méně citlivé, je důležité mít po celé trase mezi řídicí jednotkou nebo převodníkem teploty a citlivým prvkem snímače čtyři navzájem oddělené vodiče. Přidáním čtvrtého vodiče k třívodičovému odporovému teploměru nebo připojením dvou vodičů do jedné společné svorky vzniknou chyby. Důvodem je, že při čtyřvodičové kompenzaci prochází dvěma z vodičů malý proud a měří se napětí mezi zbylými dvěma. Nejsou-li použité čtyři vodiče zcela odděleny, naměřené napětí v sobě zahrnuje úbytek napětí způsobený průchodem proudu částí přívodních vodičů a vzniká chyba. Má-li se odporovými teploměry měřit přesně, je třeba jako nejlepší osvědčený postup (best practice) použít techniku čtyřvodičového připojení.
 

Termočlánky

Svorkovnice, do nichž jsou připojeny termočlánky, tvoří druhotný termočlánkový spoj, který může vnášet do měření dodatečnou chybu. Základní teorie termočlánku a běžná praxe při připojování termočlánků v průmyslu předpokládají, že jestliže další spoje mají tutéž teplotu, nezpůsobí žádnou doplňkovou chybu. Nemá-li další spoj tutéž teplotu jako spoj v převodníku teploty, jistá chyba vznikne. Další spoje v termočlánkovém vedení mohu také být zdrojem přídavného odporu, který zmenší signál měřený převodníkem nebo řídicím a monitorovacím systémem. Tyto chyby mohou být v porovnání s předpokládanou nejistotou termočlánku poměrně malé. Protože je však důležitá také konzistence měřicích řetězců a mnoho malých chyb se sčítá, je nutné se takovýmto praktikám vyhnout. Významné redukce vlivu přívodního vedení a zjednodušení instalace i kalibrace snímačů teploty lze dosáhnout při použití lokálně instalovaných převodníků.
 

Zemnění

Spolu s minimalizací délky přívodních vodičů použitím převodníků instalovaných co možná nejblíže ke snímači teploty je důležité používat vhodné způsoby zemnění. U všech použitých přístrojů je v tomto ohledu třeba se řídit doporučeními jejich výrobců. Převodníky pro termočlánky a odporové teploměry i vstupní karty řídicích systémů jsou určeny k měření malých elektrických signálů. Dbejte tedy, abyste měřili skutečně teplotní signály, a nikoliv ty signály, které sami vytváříte nesprávně provedenou kabeláží či zemněním.
 

Péče o snímače z hlediska nejistoty měření

Po nainstalování teploměrného zařízení je ještě mnoho věcí, které můžete udělat, abyste jeho nejistotu udrželi v patřičných mezích. Očividně nejdůležitější je mít kvalitní plán kalibrací použitých snímačů, převodníků a vstupních karet. To neznamená, že je nutné kalibrovat každý jednotlivý měřicí řetězec každého půl roku. Je však třeba, abyste věděli, jak se převodníky a snímače chovají při plnění svých specifických úloh, porovnávat jejich chování s požadavky uživatele na nejistotu měření a plánovat jejich kalibrace podle potřeby tak, aby měřicí zařízení pracovalo tím způsobem, jak je od něj požadováno. Někdy lze doporučit kalibraci po uplynutí určité doby, jindy na základě podezření na výskyt chyby vysloveného po porovnání naměřených údajů s údaji z jiného měřicího zařízení nebo diagnostického nástroje. Je třeba volit ty nástroje, které umožní měřit s požadovanou nejistotou či lépe, a přitom úsporně z hlediska času i nákladů.
 

Kalibrace odporových teploměrů

Nejsnazší cestou, jak dosáhnout výrazného zmenšení nejistoty odporových teploměrů, je určit jejich kalibrační závislost ve tvaru tzv. Callendarovy-Van Dusenovy (CVD) rovnice, tedy stanovit hodnoty tzv. CVD konstant. V úlohách, kde je kladen velký důraz na správnost měření a kde lze použít odporové teploměry, se při použití CVD konstant výrazně zmenší nejistota měření. Platí to zejména tehdy, pohybují-li se měřené teploty v poměrně úzkém rozsahu.
 
K dosažení minimální nejistoty je třeba postupovat tak, že se snímač vystaví působení různých teplot v teplotním rozsahu, v němž se bude pohybovat teplota měřené látky. Při každé z vybraných teplot se zaznamená aktuální odpor snímače.
 
Po zpracování zaznamenaných údajů je závislost odporu snímače na teplotě reprezentována křivkou popsanou CVD konstantami. Po vložení těchto konstant do převodníku teploty, řídicího systému nebo systému pro sběr dat je možné převádět naměřené hodnoty odporu daného jednotlivého odporového snímače teploty na údaje teploty. Tato převodní křivka platí jen v tom rozsahu teplot, který byl použit k výpočtu CVD konstant. Jak ukazují čárkované čáry na obr. 4, získané při použití příslušných CVD konstant, lze přitom zvolit rozsah co možná nejužší a navíc ještě obsahující všechny teploty, které jsou v daném případě zajímavé. Je tedy možné získat kalibrační křivky mnohem přiléhavější (správnější) a současně platné právě v těch rozsazích, v nichž je jednotlivé provozní teploty třeba měřit.
 

Diagnostické nástroje

Vnitřní diagnostické funkce v přístrojích a nástroje pro správu výrobních aktiv v závodě mohou v reálném čase poskytovat informace umožňující proaktivně plánovat rekalibrace a údržbářské zásahy minimalizující nejistotu měřicího systému. Použití diagnostických funkcí dostupných v inteligentních převodnících může současně představovat snadný způsob, jak zjistit, zda se v měřicím zařízením neděje něco, co by mohlo mít nežádoucí vliv na nejistotu měření. K nejužitečnějším diagnostickým funkcím dostupným v současné době patří např. sledování driftu snímače, odporu obvodu termočlánku a zaznamenávání minimální a maximální teploty.
 
Nejistotu lze zmenšit také použitím násobných snímačů nebo snímačů se zdvojeným citlivým prvkem. Existují-li dva snímače měřící tutéž veličinu na zařízení a oba dva pracují ve svých tolerančních mezích, je pravděpodobné, že údaj jednoho se bude nacházet nad a údaj druhého pod skutečnou teplotou měřené látky. Průměr z těchto dvou údajů se pravděpodobně nachází blíže skutečné teploty než kteréhokoliv z obou údajů jednotlivě a aktuální nejistota měření bude určitě menší než při alternativní úvaze největší možné nejistoty. Při použití dvou snímačů současně lze jejich výstupy nejen s výhodou průměrovat, ale také mezi sebou navzájem porovnávat. Začnou-li se jejich údaje navzájem vzdalovat, může to znamenat, že jeden ze snímačů měří s chybou anebo se schyluje k jeho poruše. Toto nelze použít jako náhradu programu kalibrace, protože je možné, že oba dva snímače měří nesprávně. Nicméně jde o jasnou známku toho, že je něco špatně.
 
Jinou diagnostickou veličinou, která zřetelně ukazuje, že od instalace nebo poslední kalibrace se něco změnilo, je elektrický odpor obvodu termočlánku. Metoda měření odporu termočlánkového obvodu je známa již dlouho. Příliš často se však nevyužívá, protože prodlužuje dobu potřebnou na kalibraci a vyžaduje, aby o každém termočlánku byly vedeny patřičné záznamy. Inteligentní převodníky mohou danou úlohu zjednodušit tím, že nepřetržitě sledují odpor obvodu termočlánku a upozorní obsluhu na každou jeho významnější změnu. Tyto metody mohou upozornit na opotřebované termočlánky, korozi, uvolněné vodiče ve svorkách, otravu termočlánku a další zdroje chyb.
 
Nakonec je zde metoda zaznamenávání minima a maxima, která může pomoci při hledání a nápravě občasných problémů. Lze ji použít ke sledování rozdílu mezi údaji dvou snímačů, ke zjištění, zda snímač není používán mimo svůj určený rozsah, nebo i ke sledování teploty elektronických komponent převodníku. Pracují-li tyto komponenty, ať už umístěné ve snímači nebo v převodníku, mimo své určené meze provozních podmínek, mohou být příčinou přídavných chyb nebo předčasných poruch. Veličiny charakterizující provozní podmínky zařízení se zpravidla nesledují, takže občasná drobná překročení mezí mohou zůstat nepovšimnuta, dokud nedojde k něčemu většímu. Dlouhodobější sledování podezřelých veličin pomůže diagnostikovat a napravit tyto často obtížně odhalitelné případy nežádoucího chování.
 
Je třeba používat techniku ve svůj prospěch a zavádět vhodné diagnostické nástroje, které obsluhu upozorní na potenciální problémy. Tyto nástroje lze využívat také jako podporu při optimalizaci vašich kalibračních programů a při předcházení nadbytečné údržbě.
 

Závěr

Nezáleží na tom, zda jako součást své práce vybíráte, instalujete nebo používáte teploměrné zařízení, od něhož je požadována určitá úroveň nejistoty měření – vždy můžete tuto úroveň výrazně ovlivnit, a to směrem nahoru i dolů. Vynaložte trochu úsilí navíc a postarejte se o to, abyste používali kvalitní postupy a zařízení umožňující vám měřit teplotu s takovou nejistotou, jakou potřebujete.
 
Obr. 1. Kabel s minerální izolací nebo svarový spoj vystavený vlivu okolního prostředí podléhají korozi, která může nepříznivě ovlivnit správnost měření teploty
Obr. 2. Spoj mezi platinovým měřicím drátkem a přívodními vodiči provedený sevřením výrazně zmenší spolehlivost snímače (rentgenový snímek)
Obr. 3. Platinový měřicí drátek nedostatečně izolovaný před mechanickým namáháním bude mnohem pravděpodobněji citlivý na změnu teploty a náchylný ke zkratu mezi závity (rentgenový snímek)
Obr. 4. Vliv teploty na nejistotu údaje u vybraných snímačů teploty (RTD – Resistance Temperature Detector, odporový teploměr; detailní číselné údaje jsou v tab. 1)
 
Tab. 1. Číselné údaje zachycující vliv teploty na nejistotu vybraných snímačů teploty (údaje použité k vytvoření grafu na obr. 4; zdroje: údaje o termočláncích typu K z dokumentu ASTM-E-230 společnosti ASTM, údaje o odporových teploměrech tříd A i B z dokumentu IEC-751, údaje o odporových teploměrech s vlastní kalibrací podle Callendarovy-Van Dusenovy rovnice z interní zprávy společnosti Emerson)