Преобразователь температуры — это электронный прибор, широко используемый в области управления промышленными процессами. Его основная функция заключается в преобразовании слабых сигналов, обнаруженных датчиками температуры (такими как термопары, терморезисторы RTDS или термисторы), в стандартные сигналы промышленного процесса (наиболее распространенными являются сигналы постоянного тока 4–20 мА или цифровые сигналы), а затем передача этого сигнала на устройства отображения, контроллеры, системы сбора данных или исполнительные механизмы, расположенные в диспетчерской или на расстоянии.
Принцип работы преобразователя температуры можно свести к следующим ключевым этапам:
Восприятие температуры и генерация необработанного сигнала:
Датчик температуры (обычно термопара или терморезистор, такой как Pt100) вступает в непосредственный контакт с измеряемой средой, чтобы обнаружить изменения ее температуры.
Термопара (T/C): на основе эффекта Зеебека, когда существует разница температур между двумя разными металлами на измерительном конце (горячий конец) и эталонном конце (холодный конец), в цепи генерируется термоэлектрический потенциал (сигнал напряжения уровня милливольт-, мВ), пропорциональный разнице температур.
Термическое сопротивление (RTD): например, Pt100, основанное на физическом свойстве, согласно которому значение сопротивления металлического проводника увеличивается с повышением температуры (положительный температурный коэффициент). Изменения температуры приводят к изменению значения его сопротивления (например, оно составляет 100 Ом при 0 градусах).
Термисторы: на основании того, что значение сопротивления полупроводниковых материалов значительно меняется в зависимости от температуры, они подразделяются на типы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) и положительным температурным коэффициентом (PTC).
Формирование сигнала (ключевой этап):
Усиление: Исходный сигнал, генерируемый датчиком (напряжение уровня MV- или изменения сопротивления), чрезвычайно слаб. Электронная схема внутри передатчика сначала линейно усиливает его до стандартного уровня, пригодного для последующей обработки.
Компенсация холодного конца (для термопар): Термоэлектрический потенциал, генерируемый термопарой, является функцией разницы температур между горячим и холодным концом (опорный конец, обычно расположенный на внутренней клемме преобразователя). Чтобы получить точную измеренную температуру (относительно 0 градусов), датчику необходимо измерить фактическую температуру на своем терминале (температуру холодного конца), рассчитать термоэлектрический потенциал, который необходимо компенсировать на основе этой температуры, и наложить (или эквивалентную обработку) его на исходный сигнал, тем самым устраняя ошибку, вызванную изменением температуры холодного конца.
Линеаризация. Зависимость термоэлектрического потенциала/сопротивления-температуры между термопарами и терморезисторами не является идеально прямой линией, но имеет определенную степень нелинейности. Преобразователь обычно хранит внутри себя кривую линеаризации, соответствующую типу датчика (или рассчитывает ее по формуле). Усиленный/компенсированный сигнал линеаризуется, чтобы напрямую и линейно представлять измеренное значение температуры.
Фильтрация нижних-частот: удаляет высокочастотный-шум, который может присутствовать в сигнале (например, электромагнитные помехи, вибрационные помехи и т. д.), чтобы повысить стабильность и точность сигнала.
Преобразование сигнала
Преобразуйте аналоговый сигнал (напряжение), который был обработан (усилен, компенсирован, линеаризован, отфильтрован) и точно представляет измеренную температуру, в выходной сигнал промышленного стандарта.
Наиболее часто используемый выходной сигнал — это сигнал тока 4-20 мА: преобразованный сигнал тока проходит через контур. Нулевая температура или нижний предел диапазона обычно соответствует 4 мА, а полная температура соответствует 20 мА. Почему 4–20 мА?
Смещение нуля 4 мА: позволяет легко отличить действительно эффективные сигналы низкого уровня (4 мА) от неисправностей линии отключения датчика (0 мА).
Сильная защита от-помех. По сравнению с сигналами напряжения, сигналы тока не чувствительны к изменениям сопротивления проводов и падениям напряжения во время передачи на большие-расстояния и с меньшей вероятностью подвергаются воздействию электромагнитных помех.
Двухпроводной-источник питания. Многие передатчики имеют двухпроводную-конструкцию, то есть они подают питание и передают сигналы тока одновременно по двум проводам. Минимальное значение 4 мА обеспечивает минимальный требуемый рабочий ток преобразователя (обычно называемый «активной нулевой точкой»).
Передача сигнала
Преобразованный стандартный сигнал (например, 4–20 мА) передается на удаленный конец по проводам. Благодаря стандартизированным характеристикам диспетчерские или ПЛК и другое оборудование могут напрямую получать и обрабатывать этот сигнал для:
Отобразить значение температуры (на табло-таблице операторской станции РСУ/SCADA).
Вход в контроллер (например, ПИД-регулятор) для логических операций и регулирования.
Сохраняется в базе данных исторических данных или используется для оценки сигналов тревоги.
Приведите в действие привод (если требуется управление-по температуре).
