Характеристика и принцип работы измерительного преобразователя Rosemount 3144P

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Реализация этой предпосылки в значительной мере определялась возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе, т.е. возможностями датчиков. Датчики, преобразуя измерительный параметр в выходной сигнал, который можно измерить и оценить количественно, являются как бы органами чувств современной техники.

Среди широкого разнообразия измерительных параметров одним из основных является температура. Ее измерение необходимо во всех сложных технологических процессах. Большое разнообразие датчиков температуры, работающих на различных физических принципах и изготовленных из различных материалов, позволяет измерять ее даже в самых труднодоступных местах - там, где другие параметры измерить невозможно. Так например, в активной зоне атомных реакторов установлены только датчики температуры, измерение которой позволяет оценить другие теплоэнергетические параметры, такие как давление, плотность, уровень теплоносителя и т.д.

Контроль над температурой составляет основу многих технологических процессов. Измерение температуры жидкости, газа, твердой поверхности или сыпучего порошка - каждый случай имеет свою особенность, которую необходимо понимать, чтобы измерения максимально соответствовали поставленной задаче. Существует множество датчиков температуры, построенных с использованием различных физических законов. Одни из них прекрасно справляются с конкретной задачей по измерению температуры, другие предназначены для универсального использования.

Измерительный преобразователь Rosemount 3144P, в исполнениях на базе протоколов Hart или Foundation Fieldbus, обладает лучшими в отрасли характеристиками по точности, стабильности и надежности.

1. Датчики температуры. Виды датчиков температуры

В основе работы любых температурных датчиков, использующихся в системах автоматического управления, лежит принцип преобразования измеряемой температуры в электрическую величину. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений: электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью; электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот; они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

Датчики температуры используются везде, где рабочие параметры системы так или иначе зависят от температурных факторов. Сегодня выпускаются различные виды датчиков температуры: термопары, термисторы, терморезистивные датчики с линейной зависимостью выходного сигнала, а также полупроводниковые датчики с цифровым выходом.

Термопреобразователи сопротивления. Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры. Материал, из которого изготавливается такой датчик, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей - медь.

Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от -260 до 1100С. В диапазоне температур от 0 до 650С их используют в качестве образцовых и эталонных средств измерений, причем нестабильность градуировочной характеристики таких преобразователей не превышает 0,001С.

Платиновые терморезисторы обладают высокой стабильностью и воспроизводимостью характеристик. Их недостатками являются высокая стоимость и нелинейность функции преобразования. Поэтому они используются для точных измерений температур в соответствующем диапазоне.

Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы. Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 1800C. По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым.

По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы). Они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). Для измерения температуры наиболее распространены полупроводниковые терморезисторы типов КМТ (смесь окислов кобальта и марганца) и ММТ (смесь окислов меди и марганца). Термисторы имеют линейную функцию преобразования.

Серьезным недостатком термисторов, не позволяющим с достаточной точностью нормировать их характеристики при серийном производстве, является плохая воспроизводимость характеристик (значительное отличие характеристик одного экземпляра от другого).

При изменении сопротивления терморезистора соответственно изменяется положение движка потенциометра, положение которого относительно шкалы формирует показание прибора; шкала градуируется непосредственно в единицах температуры.

Недостатком такой схемы включения является вносимая проводами подключения терморезистора погрешность; поскольку из-за изменения сопротивления проводов при изменении температуры окружающей среды компенсация указанной погрешности невозможна, применяют трехпроводную схему включения проводов, при использовании которой сопротивления подводящих проводов оказываются в различных ветвях, и их влияние значительно уменьшается.

Термоэлектрические преобразователи (термопары). Термопары предлагают идеальное решение для измерений температуры в максимальном диапазоне (до +2300°С). Кроме того, устройства имеют высокую воспроизводимость и точность. Следует отметить, что термопары требуют схем усиления сигнала для его последующей обработки.

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель. При измерениях температуры в широком диапазоне учитывается нелинейность функции преобразования термоэлектрического преобразователя.

Пирометры. Серьезным недостатком рассмотренных выше термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических преобразователей является необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того, непосредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких и сверхвысоких температурах и в агрессивных средах. От этих недостатков свободны пирометры - бесконтактные датчики, основанные на использовании излучения нагретых тел. Тепловое излучение любого тела можно характеризовать количеством энергии, излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени иприходящейся на единицу диапазона длин волн. Такая характеристика представляет собой спектральную плотность и называется спектральной светимостью (интенсивностью монохроматического излучения).

Кварцевые термопреобразователи. Для измерения температур от -80 до 250С часто используются так называемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла кварца. Кварцевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность (до 103Гц/К), высокую временную стабильность и разрешающую способность, что и определяет перспективность. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах.

Шумовые датчики. Действие шумовых термометров основано на зависимости шумового напряжения на резисторе от температуры. Практическая реализация метода измерения температуры на основе шумовых резисторов заключается в сравнении шумов двух идентичных резисторов, один из которых находится при известной температуре, а другой -при измеряемой. Шумовые датчики используются, как правило, для измерения температур в диапазоне -270 - 1100 0С. Достоинством шумовых датчиков является принципиальная возможность измерения термодинамической температуры на основе указанной выше закономерности. Однако это значительно осложняется тем, что среднее квадратическое значение напряжения шумов очень трудно измерить точно вследствие его малости и сопоставимости с уровнем шума усилителя.

ЯКР - датчики. ЯКР-термометры (термометры ядерного квадрупольного резонанса) основаны на взаимодействии градиента электрического поля кристаллической решетки и квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонением распределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие обусловливает прецессию ядер, частота которой зависит от градиента электрического поля решетки и для различных веществ имеет значения от сотен килогерц до тысяч мегагерц. Градиент электрического поля решетки зависит от температуры, и с повышением температуры частота ЯКР снижается. Датчик ЯКР-термометра представляет собой ампулу с веществом, заключенную внутрь катушки индуктивности, включенной в контур генератора. При совпадении частоты генератора с частотой ЯКР происходит поглощение энергии от генератора. Погрешность измерения температуры -263 0С составляет ± 0.02 0С, а температуры 27 0С - ± 0.002 0С. Достоинством ЯКР-термометров является его неограниченная во времени стабильность, а недостатком - существенная нелинейность функции преобразования.

Акустические датчики. Акустические термометры основаны на зависимости скорости распространения звука в газах от их температуры и используются в основном диапазоне средних и высоких температур. Акустический термометр содержит пространственно разнесенные излучатель акустических волн и их приемник, обычно включаемые в цепь автогенератора, частота колебаний которого меняется с изменением температуры; обычно такой датчик использует и различного типа резонаторы.

2. Измерительный преобразователь Rosemount 3144Р

Особенности измерительного преобразователя Rosemount 3144Р.

Измерительный преобразователь Rosemount 3144P, в исполнениях на базе протоколов HART или FOUNDATION Fieldbus, обладает лучшими в отрасли характеристиками по точности, стабильности и надежности. Прибор 3144P имеет корпус с двумя отсеками для более надежной защиты от попадания воды и агрессивных сред. Стабильность измерений в течение 5 лет и дополнительное встроенное устройство защиты от переходных процессов делают модель 3144P наиболее надежным средством измерения температуры среди имеющихся на рынке. Rosemount 3144P способен принимать входные сигналы как от одного, так и от двух чувствительных элементов. Чувствительные элементы могут находиться в одном первичном преобразователе или в двух независимых.

Также особенностями данного преобразователя являются:

- Универсальный вход.

- Выходной сигнал 4-20 мА/HART или Fieldbus Foundation.

- Лучшая точность в своем классе.

- Возможность работы с двумя первичными преобразователями.

- Возможность измерения средней температуры.

- Возможность измерения разности температур.

- Цифровой индикатор.

- Взрывозащищенные исполнения Exd или Exi.

- Сигнализация дрейфа первичного преобразователя.

- Горячая замена первичного преобразователя.

- Индивидуальное согласование измерительного преобразователя с термометром сопротивления.

- Контроль сопротивления петли термопары.

- Классический, трубный или настенный монтаж ЭМС по Namur NE21.

На рисунке 1 показан измерительный преобразователь Rosemount 3144P.

Рисунок 1 - Измерительный преобразователь Rosemount 3144P

Назначение и область применения. Преобразователи измерительные Rosemount 3144Р предназначены для преобразования сигналов, поступающих от термопреобразователей сопротивления, термоэлектрических преобразователей, омических устройств и милливольтовых устройств постоянного тока в унифицированный выходной сигнал постоянного тока 4-20 мА с наложением цифрового сигнала по HART-протоколу или в полностью цифровой сигнал по протоколу Foundation Fieldbus. Преобразователи измерительные 3144Р применяются для измерения температуры на самых ответственных участках производства, в системах управления и безопасности.

Конструктивные особенности. Корпус соединительной головки преобразователя Rosemount 3144Р состоит из двух отсеков: отсек электроники и клеммный отсек. Изоляция между отсеками повышает надежность работы 3144Р в жестких промышленных условиях. В отсеке электроники расположен электронный блок с микропроцессором. В клеммном отсеке расположены клеммы для подключения входного сигнала и клеммы питания преобразователя и вывода выходного сигнала. Электронная схема преобразователя обеспечивает предварительное аналоговое усиление/преобразование сигнала от первичного преобразователя температуры, дальнейшее аналого-цифровое преобразование, цифровую обработку результатов преобразования в микропроцессоре, цифро-аналоговое преобразование результатов измерения в стандартный унифицированный выходной сигнал 4-20 мА с наложением цифрового сигнала по протоколу HART либо преобразование в стандартный выходной сигнал по цифровому протоколу Foundation Fieldbus.

Преобразователи 3144Р могут быть одноканальными или двухканальными.

Цифровая индикация в процессе измерений может осуществляться на встроенном 5-разрядном ЖК-дисплее. Конфигурацию преобразователя (тип входного сигнала, диапазон измерений, схему подключения и т.д.) можно изменять, используя коммуникаторы HART 475, HART+Fieldbus 475 или через интерфейсы Foundation Fieldbus при помощи персонального компьютера.

Основные технические, функциональные и эксплуатационные характеристики Rosemount 3144Р-HART/4-20 мА.

Питание. Для работы преобразователя требуется внешний источник питания. Преобразователь может работать при напряжении питания на клеммах от 12,0 до 42,4 В постоянного тока при сопротивлении нагрузки от 250 до 1100 Ом. При сопротивлении нагрузки 250 Ом напряжение на выходе источника питания должно быть не менее 18,1 В постоянного тока. Клеммы питания рассчитаны на максимальное напряжение 42,4 В. Rн max =40,8(Uпит - 12), где Rн max максимальная нагрузка, Ом, Uпит напряжение питания, В. На рисунке 2 показаны ограничение нагрузки преобразователя.

Рисунок 2 - Ограничение нагрузки

Для работы HART коммуникатора требуется, чтобы сопротивление контура было в пределах от 250 до 1100 Ом. Нельзя устанавливать связь с преобразователем, если напряжение на его клеммах менее 12 В постоянного тока.

Для преобразователей 3144Р HART с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» питание осуществляется от искробезопасных цепей блоков питания (барьеров). Входные искробезопасные параметры преобразователей:

- 30 В максимальное входное напряжение Ui;

- 300 мА максимальный входной ток Ii;

- 0,005 мкФ максимальная внутренняя емкость Сi;

- 1,0 Вт максимальная входная мощность Рi;

- 0 мГн максимальная внутренняя индуктивность Li.

Программный режим обнаружения неисправности. Особенностью преобразователей модели Rosemount 3144Р является программный и аппаратный контроль исправности. Выработка сигнала тревоги по неисправности процессора или микропрограммы производится независимым контуром. Уровни сигналов тревоги выбираются пользователем, который устанавливает перемычку режима сигнализации в нужное положение. Положение перемычки определяет уровень выходного сигнала (высокий HI или низкий LO)преобразователя при неисправности. Перемычка стоит в цепи питания цифро аналогового преобразователя, который устанавливает нужное состояние выхода даже при неисправности микропроцессора. Уровень, на который устанавливается выходной сигнал, зависит от выбора конфигурации преобразователя стандартная или совместимая с рекомендациями NAMUR (NE43). Уровни аварийных сигналов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Уровни аварийных сигналов

Режим насыщения. При выходе температуры за пределы диапазона измеряемых температур выходной аналоговый сигнал устанавливается согласно верхнему или нижнему уровню насыщения:

- нижний уровень насыщения должен находиться между нижним значением аварийного сигнала плюс 0,1 мА и 3,9 мА;

- верхний уровень насыщения должен находиться между значением 20,5 мА и верхним значением аварийного сигнала минус 0,1 мА.

Климатическое исполнение. При температуре окружающей среды от 20 до 85°С - со встроенным ЖКИ, от 40 до 85°С - без ЖКИ; при относительной влажности воздуха до 100% (без образования конденсата).

Основные технические, функциональные и эксплуатационные характеристики Rosemount 3144Р-Foundation Fieldbus.

Функциональные блоки. Блок ресурсов cодержит физические данные преобразователя, включая информацию о пространстве памяти, идентификации изготовителя, типе устройства, программной маркировке и уникальном идентификаторе; обеспечивает диагностику, связь и рекомендуемые решения за счет предупреждающих сигналов системы PlantWeb. Блок преобразователя содержит физические данные по измерениям температуры, включая температуру ПП1, ПП2 и на клеммах преобразователя; включает следующую информацию: тип и конфигурацию ПП, инженерные единицы, данные о линеаризации, диапазон, величину демпфирования и диагностические сообщения. Блок ЖКИ используется для конфигурирования установок дисплея встроенного индикатора (или используется ЖКИ). Аналоговый вход (АI) обрабатывает результаты измерений и делает их доступными для использования другими функциональными блоками; обеспечивает функции фильтрации, генерирования аварийных сигналов и изменения инженерных единиц.

Блок ПИД выполняет пропорциональное интегральное дифференциальное управление (ПИД); используется для управления одиночным контуром, каскадного регулирования или для управления с обратной связью в полевых условиях.

Все функциональные блоки, используемые преобразователем, имеют привязку к пространству памяти, т.е. общее число функциональных блоков ограничивается только физическим пространством памяти. Любое сочетание функциональных блоков можно использовать в заданный момент времени, не превышая объем физической памяти. В таблице 2 указано время выполнения блока.

Таблица 2 - Время выполнения блока

Индикация. Дисплей отображает все измерения, включая температуру первичного преобразователя 1, первичного преобразователя 2, разность температур и температуру на клеммах преобразователя. На дисплее поочередно отображаются максимум четыре выбранные единицы. Индикатор может отображать максимум пять цифр в технических единицах (°F, °C, °R, К, Ом, мВ), в процентах или мА. Установки дисплея конфигурируются на заводе согласно конфигурации (стандартной или пользовательской). Эти установки могут быть переконфигурированы в полевых условиях с помощью коммуникатора 475. На дисплее также отображается диагностика первичного преобразователя. Если состояние измерений удовлетворительное, отображается измеренное значение. Если состояние измерений неопределенное, в дополнение к измеренному значению на дисплее выводится информация о состоянии. Если состояние измерений неудовлетворительное, отображается причина отказа измерений.

Сигналы тревоги PlantWeb. Cистема программного обеспечения преобразователя обнаруживает события, активизирующие сигнал тревоги. Существует 3 уровня сигнала тревоги: неисправность выход из строя; техническое обслуживание; консультация.

Сигнал тревоги «выход из строя» будет иметь самый высокий приоритет, средний приоритет у сигнала «техническое обслуживание», сигнал тревоги «консультация» самый низкий приоритет.

На дисплее ЖКИ отображается текстовая строка с рекомендуемыми действиями для сигнала тревоги наивысшего приоритета.

Сигнал тревоги «выход из строя» (например, выход из строя электроники, выход из строя энергонезависимой памяти и др.) указывает на неисправность, которая, характеризуется нерабочим состоянием и предполагает ремонт преобразователя.

Сигнал тревоги «техническое обслуживание» (например, ошибка конфигурации, ошибка калибровки и др.) указывает на то, что преобразователь нуждается в ближайшее время в техническом обслуживании. Если данное условие будет не выполнено, преобразователь выйдет из строя.

Сигнал тревоги «консультация» (например, задержка записи в энергонезависимую память) указывает на условия, которые не оказывают влияния на функции и целостность преобразователя.

Значение параметра «статус». Вместе с измеренным или вычисленным значением переменной процесса каждый блок Foundation fieldbus передает дополнительный параметр, называемый «статус» («Status»). Значение параметра «статус» может быть «исправно» и «не исправно», «не определено». Когда в процессе самодиагностики проблемы не обнаружены, значением параметра «статус» будет «исправно». Если система самодиагностики обнаруживает повреждение первичного преобразователя или отказ измерительного преобразователя, то значение параметра «статус» будет «неисправно» и статус измерений будет обновлен.

Активный планировщик связей (LAS). Преобразователь 3144Р может функционировать как активный планировщик связей при отказе текущего главного устройства или его удаления из сегмента. В качестве резервного LAS преобразователь 3144Р будет принимать управление коммуникацией до тех пор, пока главное устройство не будет восстановлено.

Обновление программного обеспечения (ПО). ПО для преобразователя модели 3144Р с полевой шиной Foun-dation fieldbus легко обновляется в процессе работы в полевых условиях. Пользователи могут получить модернизированную версию путем загрузки нового программного приложения в память преобразователя.

Питание. Питание через полевую шину Foundation fieldbus от стандарных источников питания. Преобразователь работает в диапазоне от 9 до 32 В постоянного тока, максимум 12 мА. Клеммы преобразователя рассчитаны на максимальное напряжение 42,4 В постоянного тока.

Для преобразователей 3144Р Foundation fieldbus с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» питание осуществляется от искробезопасных цепей блоков питания (барьеров).

Входные искробезопасные параметры преобразователей: 30В максимальное входное напряжение Ui;

- 300 мА максимальный входной ток Ii;

- 0,0021 мкФ максимальная внутренняя емкость Сi;

- 1,0 Вт максимальная входная мощность Рi;

- 0 мГн максимальная внутренняя индуктивность Li.

Маркировка взрывозащиты, сертификация. Вид взрывозащиты взрывонепроницаемая оболочка, маркировка взрывозащиты 1ExdIICT5/Т6 Х.

Диапазон температуры окружающей среды:

- при температурном классе Т5 - от 40 до 80°С;

- при температурном классе Т6 - от 40 до 70°С.

Сертификаты: сертификат соответствия №РОСС US.ГБ05.В03259 требованиям ГОСТ Р 51330.0, ГОСТ Р 51330.1, ГОСТ Р 51330.10; разрешение на применение №РРС 00 28340.

Вид взрывозащиты искробезопасная электрическая цепь, маркировка взрывозащиты ExiaIICT5/Т6 Х для 3144Р HART/4 20 мА и ExiaIICT4 Х для 3144Р Foundation fieldbus.

Диапазон температуры окружающей среды для 3144Р HART/4 20 мА:

- при температурном классе Т5 от 60 до 75°С; при температурном классе Т6 от 60 до 50°С;

для 3144Р Foundation Fieldbus при температурном классе Т4 от 60 до 60°С. Сертификаты: сертификат соответствия №РОСС US.ГБ05.В03259 требованиям ГОСТ Р 51330.0, ГОСТ Р 51330.1, ГОСТ Р 51330.10; разрешение на применение №РРС 00 28340.

Габаритные и присоединительные размеры. На рисунках 3-5 предоставлены чертежи и габаритные размеры преобразователя Rosemount 3144Р.

электрический термопреобразователь датчик температурный

Рисунок 3 - Габаритный чертеж преобразователя. Кабельный ввод 1/4 NPT

Рисунок 4 - Габаритный чертеж преобразователя. Кабельный ввод М20х1,5; PG13,5 и JIS G1/2

Рисунок 5 - ЖК индикатор

Заключение

Будь то платиновый термометр сопротивления, термопара, инфракрасный датчик или термистор, каждый из них обладает рядом уникальных свойств, позволяющих наилучшим образом решить задачу по измерению температуры. В частности, рассмотренный Интеллектуальный измерительный преобразователь температуры Rosemount 3144P характеризуется высочайшей точностью, стабильностью и надежностью, что обеспечивает его лидерство в применениях, связанных с контролем температуры на ответственных участках производства.

Размещено на Allbest.ru