Przemysłowe systemy monitoringu temperatury: metody i dobór

System monitoringu temperatury zbiera wartości z wybranych punktów urządzenia elektrycznego, mechanicznego lub procesowego. Wyniki służą do wyświetlania, alarmowania albo przekazywania danych do sterowania. Projekt zaczyna się od miejsca pomiaru: powierzchni lub wnętrza, części uziemionej albo pod napięciem, dostępnej lub zabudowanej. Te warunki wyznaczają zasadę pomiaru, liczbę kanałów, alarmy i integrację z PLC lub SCADA.

Co to jest system monitorowania temperatury?

Monitoring termiczny łączy pięć elementów w jeden łańcuch pomiarowy:

• Czujniki lub urządzenia pomiarowe w punktach zainteresowania
• Pozyskiwanie sygnału
• Przyrząd monitorujący
• Wyjścia alarmowe i komunikacyjne
• Opcjonalna integracja PLC lub SCADA

Cztery terminy są często mylone i każdy opisuje inną warstwę:

• Czujnik temperatury: element reagujący na temperaturę, taki jak element RTD, złącze termopary lub sonda światłowodowa.
• Czujnik monitorowania temperatury: czujnik w pakiecie do zadania monitorowania, obejmujący jego obudowę, kabel lub światłowód i sposób montażu.
• Przyrząd do monitorowania temperatury: jednostka, która odczytuje sygnał czujnika, przetwarza go na temperaturę i zapewnia wyświetlanie, alarmowanie lub funkcje komunikacyjne.
• System monitorowania temperatury: kompletny łańcuch od punktu pomiarowego do alarmu, komunikacji i integracji instalacji.

Ciągłe monitorowanie temperatury to nie to samo, co kontrola okresowa. W przypadku monitorowania ciągłego punkty pomiarowe są obserwowane wielokrotnie lub w sposób ciągły za pomocą zainstalowanych czujników i przyrządów monitorujących. Zachowanie aktualizacji zależy od wybranego instrumentu i konfiguracji, dlatego wymagane zachowanie odświeżania należy do specyfikacji.

Ciągłe monitorowanie temperatury a okresowa kontrola temperatury

Ciągły monitoring termiczny i inspekcja okresowa różnią się sposobem uzyskiwania danych i ilością historii powstałej później.

Przegląd okresowy może zidentyfikować warunki występujące w momencie przeglądu, takie jak gorące połączenie widoczne podczas przeglądu. Ciągłe monitorowanie temperatury umożliwia śledzenie zachowania temperatury w czasie, w tym zmian związanych z obciążeniem, warunkami otoczenia i wydajnością chłodzenia.

Żadne podejście nie jest lepsze w każdym przypadku. Badania kamerą termowizyjną pozwalają szybko objąć wiele komponentów bez instalowania sprzętu, a zainstalowane czujniki zapewniają historię i alarmy w wybranych punktach. Wiele zakładów łączy jedno i drugie: badania pokazują, gdzie należy zwrócić uwagę, a zainstalowany monitoring utrzymuje się w punktach wymagających ciągłej obserwacji.

Główne metody stosowane w systemach monitorowania termicznego

Czujniki monitorowania temperatury dzielą się na typy kontaktowe, bezkontaktowe i urządzenia elektroniczne wbudowane w sprzęt. Monitoring termiczny systemów przemysłowych często łączy w sobie więcej niż jeden z nich. Przewodnik INNO po przemysłowych czujnikach temperatury opisuje rodziny czujników bardziej szczegółowo, a punktowy i bezdotykowy pomiar temperatury omawia kompromisy pomiędzy podejściem kontaktowym i bezkontaktowym.

Monitorowanie RTD i Pt100

Czujniki RTD, w tym elementy Pt100, określają temperaturę na podstawie zmiany rezystancji elementu metalowego. Pomiar kontaktowy za pomocą czujników RTD jest dojrzały, dokładny i powtarzalny, a wspiera go szeroka gama instrumentów. Okablowanie przewodzące łączy element z instrumentem, dlatego należy zwrócić uwagę na kompensację i prowadzenie przewodu. Czujniki RTD nadają się do konwencjonalnych środowisk przemysłowych, w których izolacja elektryczna i silne pola nie są ograniczające. Aby uzyskać bezpośrednie porównanie, zobacz światłowodowy czujnik temperatury vs Pt100 .

Monitorowanie termopary

Termopary generują małe napięcie na styku dwóch różnych metali. Są wytrzymałe, szeroko stosowane i spotykane w szerokim zakresie procesów przemysłowych. Wymagana jest kompensacja odniesienia, a przewodzące okablowanie przedłużające przenosi sygnał niskiego poziomu. Dlatego też zakłócenia elektryczne w pobliżu napędów, sprzętu przełączającego lub silnych pól zasługują na uwagę przy routingu i ekranowaniu. Zobacz światłowodowy czujnik temperatury a termoparę , aby zobaczyć widok obok siebie.

Obrazowanie w podczerwieni i termowizyjne

Czujniki podczerwieni i kamery termowizyjne są bezdotykowe: odczytują energię wypromieniowaną z powierzchni. Wymagana jest widoczność na dostępną powierzchnię, a ustawienia emisyjności i odbicia wpływają na odczyt. Kamery termowizyjne szybko skanują większe obszary, co jest przydatne w przypadku badań.

Obraz termowizyjny nie jest osadzonym pomiarem punktowym. Kamera termowizyjna nie może bezpośrednio mierzyć ukrytej temperatury uzwojenia ani innych warunków wewnętrznych, a jedynie to, co pojawia się na widocznej powierzchni.

Światłowodowe monitorowanie temperatury punktu

Oparta na fluorescencji punktowa, światłowodowa metoda pomiaru temperatury jest metodą światłowodową, na której skupia się INNO. Czas zaniku fluorescencji zmienia się w zależności od temperatury, a przyrząd monitorujący analizuje odpowiedź optyczną zwracaną przez włókno. Informacje są dostępne na temat fluorescencyjnych światłowodowych czujników temperatury i światłowodowych czujników temperatury .

Każda sonda definiuje jeden fizyczny punkt wykrywania, a wiele sond zapewnia wiele niezależnych punktów. Wykrywanie punktów nie jest funkcją DTS: nie dokonuje ciągłego pomiaru wzdłuż kabla i nie może automatycznie zlokalizować nieznanego, gorącego punktu.

Korzyści są specyficzne dla określonych warunków: izolacja galwaniczna, wysoka odporność na zakłócenia elektromagnetyczne i przydatność do środowisk wysokiego napięcia, silnych pól EMI, RF i mikrofalowych, silnych pól magnetycznych i wybranych osadzonych punktów.

Półprzewodnikowe i wbudowane czujniki elektroniczne

Czujniki półprzewodnikowe umieszcza się na płytkach PCB, elektronice sterującej i kompaktowym sprzęcie wbudowanym lub w ich pobliżu. Obwód bezpośrednio odczytuje ich dane wyjściowe. Chronią samą elektronikę i nie zastępują pomiaru temperatury uzwojenia, szyny zbiorczej ani procesu.

Porównanie systemów monitorowania temperatury

Wybór metody zależy bardziej od punktu pomiarowego i środowiska niż od jakiejkolwiek pojedynczej specyfikacji.

Porównanie metod monitorowania temperatury

Wpisy podsumowują ogólną charakterystykę. Konkretne produkty i instalacje są różne.

Kluczowe parametry przy określaniu systemu monitorowania temperatury

Wymagania pomiarowe

Liczba punktów pomiarowych

Liczba punktów ustawia liczbę kanałów. Monitoring jednopunktowy obejmuje jedną określoną lokalizację, natomiast wiele punktów wymaga niezależnych kanałów oraz kanałów zapasowych na potrzeby późniejszych dodań. W przypadku sond fluorescencyjnych INNO jedna sonda równa się jednemu punktowi pomiarowemu, zatem N lokalizacji wymaga N sond. Wiele punktów nie jest miarą rozproszoną.

Miejsce pomiaru

Lokalizacja określa formę sondy, metodę montażu i ścieżkę routingu. Typowe lokalizacje obejmują powierzchnię, uzwojenie wewnętrzne, połączenie szyn zbiorczych, łożysko, obiekt testowy, element osadzony lub komorę procesową. Temperatura powierzchni i temperatura wewnętrzna to różne wielkości, a odczyt należy dopasować do zadawanego pytania.

Oczekiwany zakres temperatur

Rzeczywisty zakres pracy, w tym warunki nietypowe i testowe, wybór czujnika sterującego. Podane zakresy różnią się w zależności od technologii czujników oraz pomiędzy modelami w ramach jednej technologii. Zamiast zakładać ogólny zakres technologii, należy porównywać arkusze danych konkretnej sondy lub czujnika.

Wydajność czujnika

Dokładność

Dokładność czujnika opisuje sam element. Dokładność systemu obejmuje również instrument, kabel lub światłowód i kalibrację. Błąd instalacji, taki jak słaby kontakt termiczny lub źle umiejscowiona sonda, może przekroczyć oba. Jedna wartość dokładności z arkusza danych nie opisuje zainstalowanej wydajności.

Rozdzielczość

Rozdzielczość to najmniejszy przyrost, jaki może pokazać wyświetlacz lub dane wyjściowe. Dokładność opisuje, jak blisko wartości rzeczywistej jest odczyt. Rozdzielczość 0,1°C nie oznacza dokładności 0,1°C.

Czas reakcji

Odpowiedź zależy od konstrukcji sondy, styku termicznego, masy termicznej i instalacji. Sonda osadzona w masywnym elemencie lub materiale izolacyjnym reaguje wolniej niż ta sama sonda umieszczona w cienkim, dobrze sprzężonym miejscu. Dane z arkusza danych dotyczą określonych warunków testowych.

Warunki elektryczne i środowiskowe

Wysokie napięcie

Punkty pomiarowe wysokiego napięcia wymagają izolacji elektrycznej pomiędzy punktem pomiarowym a przyrządem. Czujniki bez ścieżki przewodzącej w punkcie pomiarowym unikają jej tworzenia. Wymagania dotyczące izolacji wynikają z projektu sprzętu i standardów projektowych. Patrz monitorowanie temperatury urządzeń wysokonapięciowych .

Zakłócenia elektromagnetyczne

Silne pola elektromagnetyczne mogą powodować zakłócenia w przewodzących przewodach czujników i przedłużaczach, co ma największe znaczenie w przypadku sygnałów o niskim poziomie, takich jak napięcie termopary. Ekranowanie, skrętki i staranne prowadzenie zmniejszają ten efekt w wielu instalacjach. Detekcja światłowodowa charakteryzuje się dużą odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne, ponieważ sygnał przemieszcza się w postaci światła, a nie prądu elektrycznego.

Pola RF i mikrofalowe

Sondy i przewody przewodzące w polach RF lub mikrofalach mogą pobierać energię, lokalnie nagrzewać się lub zakłócać mierzone pole. Nieprzewodzące sondy światłowodowe zmniejszają tę interakcję, chociaż materiały i sposób prowadzenia sond nadal wymagają przeglądu dla każdej konfiguracji.

Silne pola magnetyczne

Magnesy badawcze, stanowiska badawcze związane z MRI i środowiska testów magnetycznych mogą indukować prądy w pętlach przewodzących i wpływać na części metalowe. Niemetalowe elementy czujnikowe zmniejszają ten wpływ na sondę, podczas gdy elementy montażowe i prowadzenie kabli nadal wymagają przeglądu.

Wymagania dotyczące monitorowania i integracji

Funkcje alarmowe

System monitorowania temperatury z alarmem porównuje każdy kanał ze skonfigurowanymi progami i sygnalizuje wynik poprzez wyjścia lub komunikację, w zależności od przyrządu. Progi alarmowe zależą od rzeczywistej konstrukcji sprzętu i wymagań operacyjnych. Pochodzą one od producenta sprzętu, obowiązujących norm i doświadczenia eksploatacyjnego, a nie od uniwersalnej temperatury.

Komunikacja

Przyrządy mogą oferować łączność RS485, Modbus-RTU, PLC lub SCADA, w zależności od wybranego przyrządu monitorującego i konfiguracji. Przed dokonaniem wyboru należy określić wymagane interfejsy, punkty danych i zachowanie odpytywania. Zobacz Integracja systemów PLC i SCADA .

Rejestracja danych i analiza trendów

Rejestrowana historia temperatur umożliwia porównywanie obciążenia, sprawdzanie wydajności chłodzenia, przeglądanie nieprawidłowego wzrostu temperatury i analizę konserwacji. Trendy dodają kontekst do pojedynczego odczytu, ale samo rejestrowanie nie gwarantuje przewidywania usterek.

Typowa architektura systemu monitorowania temperatury

Każdy system monitorowania czujników temperatury wykorzystuje ten sam łańcuch sygnałowy, niezależnie od technologii czujnika:

 Punkt pomiarowy
→ Czujnik / Sonda
→ Kabel/światłowód
→ Instrument monitorujący
→ Alarm / Komunikacja
→ PLC/SCADA 

Punkt pomiarowy

Fizyczna lokalizacja i warunki definiują każdy późniejszy wybór. Dostępność, temperatura, napięcie i narażenie na pole w punkcie decydują o możliwych typach czujników.

Czujniki i sondy

Elementy RTD, złącza termopar, sondy światłowodowe i urządzenia półprzewodnikowe przetwarzają temperaturę na sygnał elektryczny lub optyczny. Kształt sondy i sposób montażu muszą odpowiadać lokalizacji i dostępnej przestrzeni montażowej.

Przyrząd monitorujący

Przyrządy rejestrują sygnał, przekształcają go na temperaturę, stosują skonfigurowane limity i wyświetlają wyniki. Typ wejścia, liczba kanałów i interfejsy wyjściowe różnią się w zależności od modelu, a długość kabla lub światłowodu prowadzącego do instrumentu powinna zostać określona wcześniej.

Alarm i komunikacja

Wyjścia alarmowe lokalnie sygnalizują warunki progowe, a komunikacja cyfrowa przekazuje odczyty do innych systemów. To, które wyjścia i protokoły istnieją, zależy od instrumentu.

Integracja PLC i SCADA

Integracja instalacji umieszcza dane dotyczące temperatury w warstwie sterującej w celu wyświetlania, alarmowania i rejestrowania, często poprzez Modbus-RTU w odpowiednich przyrządach. Istniejące zakłady rodzą dodatkowe pytania dotyczące okien dostępu i zamykania, objętych modernizacją i integracją starszych systemów .

Wielopunktowy monitoring termiczny

Określenie systemu monitorowania wielu temperatur oznacza zdefiniowanie kilku niezależnych punktów, każdy z własnym czujnikiem i kanałem. Liczba kanałów powinna uwzględniać kanały zapasowe do późniejszych dodań. Jednoczesne monitorowanie wszystkich punktów zależy od konstrukcji instrumentu, a integracja danych ze sterownikami PLC lub SCADA wymaga wcześniej zdefiniowanej listy punktów.

Pomiary wielopunktowe nie są wykrywaniem rozproszonym. W przypadku INNO kilka sond fluorescencyjnych reprezentuje kilka zdefiniowanych punktów pomiarowych i pomiędzy nimi nie istnieje żadna wartość. Opcje konfiguracji można znaleźć w artykule wielopunktowe monitorowanie temperatury .

Tam, gdzie stosowane są systemy monitorowania temperatury

Ciągły monitoring termiczny stosowany jest tam, gdzie temperatura pod obciążeniem ma znaczenie w określonych punktach.

Transformatory

Monitorowanie transformatora oddziela pomiar bezpośredni w wybranych lokalizacjach uzwojeń od metod pośrednich opartych na górnej warstwie oleju lub temperaturze zewnętrznej, w zależności od systemu. Pomiar bezpośredni umieszcza sondę w wybranym miejscu, w którym znajduje się gorący punkt, dlatego też lokalizację tę należy ustalić z projektantem sprzętu. Wartości alarmowe i wyłączające wynikają z projektu transformatora i zasad działania. Patrz monitorowanie temperatury transformatora i bezpośrednie monitorowanie gorącego punktu .

Rozdzielnica

Monitorowanie rozdzielnicy koncentruje się na złączach szyn zbiorczych, stykach i zakończeniach. Punkty te są pod napięciem i znajdują się na ograniczonej przestrzeni, więc sondy muszą mieścić się w dostępnych odstępach, a wyprowadzenie ich z przedziału wymaga planowania. Patrz monitorowanie temperatury rozdzielnicy .

Silniki i generatory

Monitorowanie silnika i generatora obejmuje uzwojenia i wybrane punkty stojana. Silne pola elektromagnetyczne wpływają na przewodzące przewody czujników, co sprawia, że ​​poprowadzenie czujnika jest kwestią projektową. Monitorowanie łożysk może wykorzystywać inne technologie, lepiej dostosowane do danej lokalizacji. Patrz monitorowanie temperatury silnika i generatora .

Testowanie wysokim napięciem

Testowanie wysokim napięciem umieszcza obiekt testowany pod napięciem w pobliżu sprzętu pomiarowego. Izolacja galwaniczna w punkcie pomiarowym oraz zdefiniowany pomiar punktowy umożliwiają rejestrację temperatury w wybranych miejscach podczas badania. Patrz wysokonapięciowe monitorowanie temperatury .

Sprzęt RF i mikrofalowy

Sprzęt RF i mikrofalowy odsłania sondy przewodzące i prowadzi do silnych pól. Pomiar nieprzewodzący i staranne prowadzenie sondy ograniczają interakcję z polem. Patrz przemysłowe mikrofalowe monitorowanie temperatury .

Sprzęt przemysłowy i laboratoryjny

Stanowiska testowe, stanowiska badawczo-rozwojowe i sprzęt laboratoryjny często wymagają systemów wielopunktowych, często w połączeniu z wymaganiami dotyczącymi wysokiego napięcia, zakłóceń elektromagnetycznych lub izolacji elektrycznej. Elastyczne rozmieszczenie sond i liczba kanałów zwykle mają większe znaczenie niż ustalony układ instalacji.

Kiedy światłowodowy monitoring termiczny jest lepszym rozwiązaniem

Światłowodowy monitoring termiczny zasługuje na uwagę, jeśli ma zastosowanie jeden lub więcej z poniższych warunków:

• Punkt pomiarowy znajduje się pod wysokim napięciem
• Występuje silne zakłócenia elektromagnetyczne
• Występuje pole RF lub mikrofalowe
• Występują silne pola magnetyczne
• Wymagana jest izolacja galwaniczna
• Punkt jest osadzony lub wewnętrzny
• Okablowanie przewodzące w punkcie pomiarowym jest niepożądane

Metody RTD, termopary i podczerwieni pozostają prostsze, bardziej ekonomiczne i często bardziej odpowiednie w zwykłych środowiskach przemysłowych. Tam, gdzie punkty są dostępne, uziemione i wolne od silnych pól, konwencjonalne czujniki zwykle spełniają wymagania przy mniejszej złożoności.

Światłowodowe wykrywanie punktu dodaje wartości, gdy mają zastosowanie powyższe warunki i pozostaje wykrywaniem punktu: każda sonda mierzy jedną wybraną wcześniej lokalizację. Dalszy odczyt jest dostępny w światłowodowych systemach monitorowania temperatury i światłowodowych systemach pomiaru temperatury .

Tabela specyfikacji systemu monitorowania temperatury

Informacje wymagane do wyboru systemu monitorowania temperatury

Przykładowe parametry monitorowania światłowodu

Typowe wartości zależą od konfiguracji sondy i instrumentu.

Wartości te opisują typowe konfiguracje oparte na fluorescencji i nie powinny być traktowane jako uniwersalne specyfikacje dla każdego produktu INNO.

Typowe błędy w wyborze systemu monitorowania temperatury

Wybór czujnika przed określeniem punktu pomiarowego

Typ czujnika zależy od lokalizacji, temperatury, napięcia i warunków terenowych. Wybór sprzętu w pierwszej kolejności często prowadzi do sytuacji, w której sondy nie można zamontować w miejscu, w którym potrzebny jest pomiar.

Mylenie temperatury powierzchni z temperaturą wewnętrzną

Odczyty powierzchniowe i wewnętrzne różnią się, szczególnie pod obciążeniem i w izolowanym sprzęcie. Obrazowanie termowizyjne informuje o stanie powierzchni, a osadzone punkty wymagają czujników umieszczonych wewnątrz.

Traktowanie rozdzielczości jako dokładności

Wysoka rozdzielczość wyświetlacza może sprawić, że odczyt będzie wyglądał na bardziej niezawodny niż w rzeczywistości. Określ dokładność czujnika i całego łańcucha, a także sprawdź warunki montażu.

Ignorowanie trasowania kabli lub światłowodów

Ścieżki tras, zakręty, przejścia i odległość od instrumentu mogą decydować o tym, czy projekt jest praktyczny. Przewody przewodzące w silnych polach wymagają dodatkowego przeglądu.

Wybieranie zbyt małej liczby kanałów monitorowania

Liczba kanałów dopasowana dokładnie do początkowej listy punktów nie pozostawia miejsca na dodane punkty podczas uruchamiania. Zapasowe kanały kosztują mniej niż drugi instrument.

Zakładając, że każdy system obsługuje ten sam interfejs komunikacyjny

Interfejsy takie jak RS485 i Modbus-RTU zależą od wybranego instrumentu i konfiguracji. Przed złożeniem zamówienia sprawdź interfejs i punkty danych pod kątem wymagań PLC lub SCADA.

Definiowanie właściwej architektury monitorowania temperatury

Wybór systemu monitorowania termicznego rozpoczyna się od punktu pomiarowego, następnie przechodzi się do technologii czujników, monitorowania ciągłego lub okresowego, liczby punktów, zakresu temperatur i środowiska elektrycznego. Dokładność, reakcja, zachowanie alarmowe, komunikacja i integracja z PLC lub SCADA uzupełniają specyfikację.

Żadna metoda monitorowania termicznego nie jest odpowiednia dla każdego zastosowania przemysłowego. Konwencjonalne czujniki nadal nadają się do wielu środowisk przemysłowych. Światłowodowe wykrywanie punktów staje się szczególnie przydatne tam, gdzie izolacja elektryczna, wysokie napięcie, silne zakłócenia elektromagnetyczne, częstotliwości radiowe, pola magnetyczne lub wbudowane punkty pomiarowe wpływają na wybór czujnika.

Parametry projektu, takie jak liczba punktów, zakres temperatur, potrzeby w zakresie routingu i komunikacji, można przesłać do , kontaktując się z inżynierią INNO w celu przeglądu konfiguracji.