To jest odcinek numer 32, a w nim opowiem o pomiarze temperatury. Z tego podcastu dowiesz się o najpopularniejszych termometrach wykorzystywanych w przemyśle. Przedstawię zasadę działania, różnice wady i zalety konkretnych rozwiązań. Będzie kilka ciekawostek historycznych oraz moje doświadczenia. Opowiem Ci jak można wykorzystać jedną z metod pomiaru temperatury do podgrzania choćby wody na herbatę.

Jeżeli przymierzasz się do modernizacji systemu sterowania bądź automatyki swojej linii produkcyjnej bądź proces – pamiętaj, aby wysłać ofertę do JK Automation na adres biuro@jkautomation.pl. Jako wartość dodaną do usługi dodajemy darmowy audyt wybranej sieci przemysłowej PROFINET lub PROFIBUS, abyś miał pewność, że nie spotka Cię żadna niespodzianka w przyszłości

Temperatura jest jednym z najważniejszych wskaźników stosowanych w różnych gałęziach nauki i technologii.

Dopiero od niedawna systematycznie badano zjawiska związane z ciepłem. Wcześniej człowiek był zadowolony z kilku jakościowych, zorientowanych na praktykę doświadczeń związanych z

ciepłem. Wraz z wynalezieniem silnika parowego zainteresowanie naukowców zjawiskiem

ciepła wzrastało. Joseph Black jako pierwszy zdał sobie sprawę z różnicy między

ciepłem i temperaturą. W 1760 roku oświadczył, że zastosowanie tego samego ciepła do różnych materiałów skutkuje różnymi temperaturami.

Początkowo uważano, że ciepło jest substancją materialną, którą można dodać lub

usunąć z materiału lub może zostać przeniesiona z jednego materiału na inny. Ta

substancja została nazwana Kalorią. Zgodnie z tą teorią, gdy spalane jest drewno, kaloria z drewna przenoszona jest do płomienia, a stamtąd dalej do kotła postawionego na płomieniu, a następnie na jego zawartość. Kiedy woda w kotle zostanie nasycona kalorią, zamieniana jest w parę.

Trochę lat minęło, ludzie dalej zastanawiali się nad ciepłem, aż Pewien fizyk – Sadi Carnot – możesz go kojarzyć z cyklu Carnota został ojcem naukowej termodynamiki.  Na początku XiXw  badał ruch ciepła z punktu widzenia tego, jak energia zmagazynowana w parze zamieniana jest na pracę mechaniczną.

Z kolei   Badanie procesu odwrotnego, a mianowicie, jak praca zamienia się w ciepło, doprowadziło do podstawowej myśli, że

energia jest zachowana, tj. nie można jej ani stworzyć, ani zniszczyć. To podejście doprowadziło do

prawo zachowania energii (pierwsza zasada termodynamiki). – właśnie dlatego stosujemy terminatory w sieciach komunikacyjnych, w których wykorzystuje się sygnał różnicowy. Nawet urządzenia ethernetowe wykorzystują terminowanie na końcu segmentu, z tymże każdy segment łączy tylko dwa urządzenia i rezystory terminujące wbudowane są w gniazda ethernetowe.

Wracają do temparatury.

Maxwell zdefiniował temperaturę ciała jako właściwość termiczną, która związana jest z prędkością poruszania się lub drgania cząstek.

Termin temperatura rzekomo pochodzi od łacińskiego słowa „tempera”, które

oznacza „umiarkowanie lub złagodzenie”.

Ponieważ obserwacja i pomiar ruchu cząsteczek jest niepraktyczna i nierealna, w praktyce jest bezużyteczna. Dlatego też, aby wykonać praktyczne pomiary temperatury, należy zastosować inne metody. Wykorzystywane są skutki, że ciepło (energia) ma wpływ na inne właściwości, np. rozszerzalność geometryczna pod wpływem ciepła, czy zmiana parametrów elektrycznych, jak zamiana rezystancji

Ludzkie zmysły oceniają temperaturę ciała tylko subiektywnie. Mimo to

określenia „gorący”, „ciepły”, „zimny” lub „lodowato zimny” oznaczają coś dla każdego w oparciu o ich własne doświadczenie i są stosunkowo przydatne do celów porównawczych. Dotyczy to również

określenia wizualnego, takie jak „do czerwoności” lub „do białości”. Dokładne przypisanie temperatury

wartość (kwantyfikacja) wymyka się jednak subiektywnym możliwościom człowieka.

W celu obiektywnego i odtwarzalnego pomiaru temperatury ciała a

wymagany jest odpowiedni przyrząd pomiarowy.

Historyczny rozwój termometrów

Instrumenty do pomiaru temperatury nazywane są ogólnie termometrami.

Najstarszy znany przyrząd do „pomiaru” – tutaj w cudzysłowie, temperatury był oparty na ekspansji

powietrza i przypisuje się ją grekowi Haronowi z Aleksandrii (ok. 120 rpne). To nie był to

Thermo „Meter” w prawdziwym tego słowa znaczeniu, ponieważ nie miał skali. Termometry oparte

na tej samej zasadzie (tzw. termoskopy) pojawiły się ponownie w Europie na początku

XVII wieku.

Rozwój szklanych termometrów w ówczesnym okresie związany jest ze sztuką dmuchania szkła, która była najbardziej rozwinięta we Włoszech więc nie dziwi fakt, że największy wkład miały osoby z włosko brzmiącymi nazwiskami, jak choćby najbardziej znany Galileusz. Był to wspomniany wcześniej termoskop, który był małą szklaną kilką z lutowaną ze szklaną rurką. Termoskop wypełniony był wodą i nie miał skali więc jego praktyczne zastosowanie było raczej wątpliwe.

Uczeń Galileusza udoskonalił to rozwianie zastępując wodę alkoholem oraz usuwając powietrze, a także dodając skalę. Był to jeden z pierwszych termometrów cieczowych, tak zwany termometr florencki. Wciąż jednak brakowało konkretnej i powtarzalnej skali. Pomysłów było wiele, jak choćby za punkt minimum przyjąć temperaturę zamarzania wody, a za maksimum temperaturę wrzenia wody. Ciekawą skalę zapronował pewien bardzo znany Gdańszczanin o nazwisku Fahrenheit, który wyznaczył 3 stałe punkty:

– punkt zamarzania soli fizjologicznej jako 0 °

– temperaturę mieszaniny wody i lodu 32 °

– temperatura ludzkiego ciała 96°

Potem jeszcze tą skalę zmodyfikował.

Jego przekleństwem stała się rtęć, która była lepszym rozwiązaniem niż alkohol. Sam Fahrenheit, jak i podobno jego rodzice zmarli na niewyjaśnioną chorobę, którą dzisiaj nazwalibyśmy zatruciem rtęcią.

Jego termometr rtęciowy i skala prawdopodobnie obowiązywało by do dzisiaj, gdyby nie pewien szwedzki astronom, który zaproponował skalę opartą na wspomnianych już minimum i maksimum. Jednak Celsius podzielił ten zakres na 100 i tak temperatura zamarzania wody to 0°, a temperatura wrzenia 100°.

To tyle z historii

Temperatura jest jedną z siedmiu najważniejszych wartości międzynarodowego systemu miar i wag i prawdopodobnie jednym z najważniejszych parametrów wykorzystywanym w ogólnopojętek nauce i technice.

Pomiary temperatury z grubsza możemy podzielić na 3 kategorie:

1. Precyzyjne pomiary temperatury w badaniach naukowych
2. Techniczne pomiary temperatury wykorzystywane w przemysłowych systemach sterowania i regulacji
3. Monitoring temperatury, przy pomocy wskaźników

Celem technicznego pomiaru temperatury jest dążenie do praktycznego rozwiązania

wymagań aplikacji, która powinna być optymalna dla wymogów

dokładności przy akceptowalnych kosztach. Nie wszędzie potrzebujemy super dokładnego pomiaru, a czasami potrzebujemy na przykład termometru odpornego na drgania etc.

Spośród wielu metod stosowanych do pomiarów temperatury,

elektryczne czujniki temperatury mają dominującą pozycję w

systemach sterowania i regulacji. Przekształcają zmierzoną wartość w sygnał elektryczny, który następnie może zostać wykorzystany przez elektroniczne urządzenia sterujące, jak sterowniki PLC, regulatory i inne urządzenia.

Zacznijmy od czujników rezystancyjnych – myślę, że kojarzysz taki czujnik, jak PT100. Litery Pt to symbol platyny. Wykorzystuje się ją do budowy czujników ze względu na jej właściwości, a mianowicie prawię liniową charakterystykę zmian rezystancji od temperatury oraz odporność na korozję. Spotkać można różne odmiany typu PT100, PT500, czy PT1000. Ta liczba oznacza rezystancję w temperaturze 0°C. Z praktycznego punktu widzenie i szybkiej diagnostyki ważne, abyś zapamiętał lub zapamiętała, że rezystancja PT100 w temperaturze pokojowe, czyli ok 20°C wynosi blisko 108 Ohm. Czujniki PT100 najczęściej wykorzystuje się do zakresów temperatur od -200 do 600, ponieważ w tym zakresie posiadają wysoką dokładność i stabilność.

Z czujnikami PT jest pewien problem związany z zasadą ich działania i pomiarem tej rezystancji. Podłączając taki termometr np. do wejścia sterownika musimy wykorzystać przewody, które też mają swoją rezystancję, co będzie się dodawać do rezystancji czujnika.

Nie jest tak źle, bo mamy kilka rozwiązań tego problemu. Pierwszą metodą jest umieszczenie przetwornika pomiarowego jak najbliżej sensora, co minimalizuje dodatkową rezystancję, bo przetwornik zamieni rezystancję na inny sygnał standardowy, najczęściej 4-20mA. Przypomnę tylko, że przewagą wykorzystywania 4-20mA w stosunku do 0-20mA lub sygnału napięciowego 0-10V, jest to że jesteśmy w stanie wykryć, czy mamy do czynienia wartością minimalną sygnału, czy przerwą w torze pomiarowym.

Inną metodą kompensacji rezystancji przewodów jest wykorzystanie dodatkowego przewodu lub dwóch przewodów, aby odjąć rezystancję przewodów od rzeczywistej wartości samego termometru. Wadą tego rozwiązania jest dodatkowy koszt przewodu oraz konieczność posiadania odpowiedniego wejścia analogowego przystosowanego do pomiarów PT100, z kolei w pierwszej metodzie należy doposażyć się w przetwornik i odpowiednią obudowę.

Opiszę Ci teraz jeden z problemów, jaki może Ciebie spotkać podczas pracy z tymi termometrami.

Zdarza się, że pomiar wpływa. Temperatura, które powinna być stabilna zmienia się o kilka, w skrajnych przypadkach kilkadziesiąt stopni.

Co zrobić i jak sprawdzić co może być przyczyną takiego zachowania?

1. Źle wykonane ekranowanie przewodów sygnałowych i zakłócenia elektromagnetyczne pokazują swoją naturę.
2. Zepsuty termometr lub przetwornik.

Odłącz termometr i bezpośrednio na wejście sterownika podłącz zwykły rezystor o znanej rezystancji i zobacz, jak w takiej sytuacji zachowuje się wskazanie. Jeżeli jest stabilne, to problem dotyczy termometru i lub toru pomiarowego. Natomiast jeżeli po podłączeniu rezystora pomiar również pływa, to problemem jest wejścia analogowe. Jeżeli może to wykorzystaj inne lub podłącz jedynie na próbę problematyczny termometr.

Pamiętam pewną sytuację, kiedy to raz na jakiś czas pomiar temperatury pokazywał skokową dużą wartość, po prostu pikował do maksymalnego zakresu na krótką chwilę. Był to pomiar temperatury spalin wylotowych z kotła mierzony zaraz przed kominem, gdzie znajdował się również wentylator wyciągowy. Podejrzenia i podejścia to rozwiązania tego problemu były różne, wymiana kabli, potem samego termometru, umieszczenie gdzieś po drodze separatora – nic nie pomagało. I pewnego dnia odwiedził nas producent termometrów i zaproponował czujnik odporny na drgania. Podeszliśmy do tematu dosyć sceptycznie, bo niemożliwe, aby ten wentylator powodował, takie problemy. Drgania wcale nie były wyczuwalne, przynajmniej dla człowieka. Natomiast z drugiej strony pewnie sam spotkałeś lub spotkałaś się z sytuacjami, w których śrubki same się odkręcały i przewody miały luzy w złączkach, co powodowało błędne działanie systemu sterowania. Biegało się potem ze śrubokrętem i dokręcało, co tylko można. I tutaj w tej sytuacji po wymiennie czujnika na ten o podwyższonej odporności na drgania pomiar się uspokoił i nie oberwaliśmy podobnych pików.

Ta historia niech będzie takim podsumowanie, aby odpowiednio dobierać czujnik do aplikacji, bo czujnik czujnikowi nie równy. W jednej aplikacji ważna jest precyzja i szybkość pomiaru, w innej mamy do czynienia z żywnością, czy przemysłem farmaceutyczny, a gdzie indziej jest strefa zagrożenia wybuchem.

Przejdźmy teraz do termopar, które prawdopodobnie są najczęściej używanymi czujnikami. Z drugiej strony mimo prostoty działania pozostają najmniej zrozumiałymi czujnikami temperatury.

Termopara wykorzystuje zjawisko Seebecka, które polega na pojawieniu się różnicy potencjałów na styku dwóch różnych przewodników. Czujniki zbudowane są z pary różnych metali spojonych ze sobą na obu końcach. Jeden z nich umieszczany jest miejscu pomiaru, a drugi tak zwany zimny koniec umieszcza się stałej temperaturze odniesienia, o ile zależy nam na dużej dokładności pomiaru. Jeżeli dokładność rzędu kilku stopni jest dopuszczalna, to tak zwany zimny koniec można umieścić w szafie sterowniczej i mierzyć tam temperaturę, aby ewentualnie skompensować wahania. Różnica temperatur między złączami spowoduje wytworzenie się siły elektromotorycznej, różnicy potencjałów. Mimo że zasad działania i budowa jest bardzo prosta, to może sprawiać wiele kłopotów.

1. Wspomniana siła elektromotoryczna jest rzędy miliwoltów więc bardzo mała
2. Dla precyzyjnych pomiarów tor pomiarowy jest bardzo skomplikowany.

Porównując PT100 do termopary – ogólnie, bo ich typów jest bardzo wiele, nie będę ich wymieniał, ale zapewne kojarzysz typy J, K T, N, zależy od zastosowanych materiałów.

A więc porównując oba termometry, to każde ma swoje wady i zalety.

Klasyczne PT100 mierzą w zakresie 0 do 200°, a termopary od -200 nawet do 2500. Wskazałem wcześniej, że zwykłe pT100 nie radzi sobie w środowiskach narażonych wibracje i wstrząsy, co z kolei dobrze znosi termopara, dodatkowo bardzo szybko reaguje na zmiany temperatury – nawet w przeciągu kilku milisekund.

Tor pomiarowy dla PT100, bez względu czy wykorzystasz przetwornik, czy przewód kompensujący, to jest to bardzo prosty układ. Czego nie można powiedzieć o termoparach. Siła elektromotoryczna generowana na styku dwóch materiałów jest bardzo mała i wymaga wzmocnienia, aby przekształcić sygnał na użyteczny odczyt temperatury. Tak mały sygnał jest wrażliwy na szum pomiarowy, który mogą wprowadzać inne elementy toru pomiarowego.  Jeżeli proces wymaga dokładności i stabilności, to należy kompensować złącza odniesienia. Temperatura zimnego końca musi być znana, aby prawidłowo zmierzyć wartość z gorącego końca. Teoretycznie świetnym rozwiązaniem wydaje się umieszczenie zimnych końców w mieszaninie wodno-lodowej, która to ma stałą temperaturę dopóki cały lód się nie roztopi, ale bardzo często praktyka i teoria nie idą z sobą w parze, bo nie jest to praktyczne rozwiązanie w przypadku większości systemów.

 Innym problem przy korzystaniu z termopar jest ich nieliniowość w całym zakresie pomiaru. Termopary J i K mimo, że również są nieliniowe, to mają bardzo szerokie zakresy, gdzie liniowość jest zachowana i nie ma potrzeby przeliczania i korzystania z tabel.

Myślę, że na dzisiaj wystarczy. Przypomniała mi się dość ciekawa sprawa związana z termoparami. Nie wiem na ile fakt, o którym zaraz usłyszysz jest prawdziwy, ale uważam, że warto o tym wspomnieć. Podobno na Syberii, gdzie temperatury bywają bardzo niskie, wykorzystuje się lub wykorzystywało termopary jako źródło elektryczne do podgrzewania wody na herbatę. Różnica temperatur dosyć duża między temperaturą wewnątrz pomieszczania, a tym co na dworze więc jakaś logika w tym jest.

Na przełomie 2020 i 2021 byłem zaangażowany w projekt uruchomienia bloku energetycznego i byłe odpowiedzialny za część systemy sterowania opartego na SIMATIC PCS7 oraz sterowanie S7-300 i WinCC dla dwóch kotłów gazowych.

Na blok energetyczny składa się instalacji przygotowania wody zasilającej, kotły, gdzie produkowana jest para oraz turbonegerator, gdzie energia kinetyczna pary zamieniana jest na energię elektryczną.

Dostawcami turbiny byli Hindusi i odpowiadali za AKPiA, oprogramowanie S7-400 oraz wizualizację w WinCC. Z pomocą pracowników lokalnych uruchamiali ten system zdalnie. Żaden z nich się w Polsce nie pojawił, co przy tak skomplikowanym urządzeniu było dość niezwykle, ale tłumaczyli, że oni tak pracują i kilka zdalnych uruchomień mają za sobą.

Jest taki moment podczas uruchomienia, a nawet jeszcze przed uruchomieniem, gdzie testuje się wszystkie sygnały, urządzenia etc. Jednym z nich jest tak zwany LOOP Checking, który polega na:

Sprawdzeniu, czy urządzenia polowe są poprawnie zainstalowane oraz podłączone, oraz czy wskazanie na wizualizacji jest poprawne.

Wracając do naszych Hindusów, przygotowali  wizualizację wraz ze stacyjkami, gdzie zakresy pomiarowe były ustawione od 0 do 200°C.

Podczas wykonywania wspomnianego testu zadaje się 4 wartości: 0 25 50 75 100 zakresu pomiarowego. Poza drobnymi czeskimi błędami, typu pomylony zakres pomiarowy, brak dopisanego zera etc. Ich pomiary dla wprowadzonej wartości 0°C pokazywały 6553,5.

W przypadku sterowników firmy SIEMENS i wejść analogowych obsługujących PT100 wystarczy wartość surową, podzielić  przez 10 i otrzymujemy wskazanie pomiaru.

 I najciekawsze jest to, że dla kolegów z Azji nie był to żaden problem i w ogóle nie rozumieli naszych reklamacji – uważali, że wszystko jest dobrze, bo zawsze tak robili i nikt nie robił im nigdy problemów. Tłumaczyli, że to są kwestie, które nie wpływają na pracę systemu sterowania.

Nie wiem, ile w tym prawdy, ale Indie leżą w strefie klimatu zwrotnikowego, gdzie temperatury poniżej zera występują tylko w zamrażalniku więc po co w ogóle komu taka możliwość?

Nie wiem, czy miałeś lub miałaś okazję pracować z Hindusami, jeżeli tak to podziel się swoimi doświadczeniami. Ja zrobiłem swego rodzaju research i popytałem różnych ludzi i okazuje się, że koledzy z nad oceanu Indyjskiego są dosyć specyficzni.

Na koniec jeszcze

Subskrybuj ten podcast w aplikacji z której korzystasz, zostaw komentarz i daj kciuka w górę. Bardzo dużo osób słucha, ale tylko niewielu odwdzięcza się w ten sposób. W każdym bądź razie z góry serdecznie dziękuję.

Adam z Poznania nie zasubskrybował i jadąc na serwis zapomniał sprzętu. Nie bądź jak Adam  i subskrybuj.