Meranie teploty patrí medzi najbežnejšie merania v priemysle. Teplotné snímače nájdeme vo vykurovacích a chladiacich systémoch, energetike, chemickom priemysle, potravinárstve aj technologických linkách.
Samotný výber presného snímača však ešte nezaručuje presné meranie.
V praxi môže byť oveľa väčším zdrojom chyby spôsob montáže snímača do potrubia. Príliš krátka ponorná dĺžka, nevhodná jímka, montáž blízko steny potrubia alebo nesprávne zvolené miesto môžu spôsobiť, že snímač bude merať inú teplotu, než akú má samotné médium.
Pri návrhu meracieho bodu preto treba posudzovať snímač, jímku, potrubie a proces ako jeden merací systém.
Prečo nestačí vybrať iba presný teplotný snímač?
Predstavme si kvalitný odporový snímač Pt100 s vysokou presnosťou.
Ak jeho citlivá časť zasahuje do média iba minimálne a veľká časť snímača zostáva tepelne ovplyvňovaná stenou potrubia a okolitým prostredím, výsledná chyba môže byť väčšia než samotná tolerancia snímača.
Meranie totiž ovplyvňuje nielen presnosť meracieho prvku, ale aj:
- hĺbka ponoru,
- priemer potrubia,
- rýchlosť prúdenia,
- teplota okolia,
- tepelná vodivosť jímky,
- izolácia potrubia,
- umiestnenie meracieho bodu,
- rýchlosť odozvy celej zostavy.
Preto údaj o presnosti v datasheete nemožno automaticky považovať za presnosť celého merania.
Ponorná dĺžka je jeden z najdôležitejších parametrov
Ponorná dĺžka určuje, ako hlboko zasahuje snímač alebo teplomerná jímka do potrubia.
Cieľom je dostať citlivú časť snímača dostatočne do prúdiaceho média a obmedziť vplyv okolitého prostredia a steny potrubia.
Ak je snímač príliš krátky, časť tepla sa môže odvádzať cez:
- procesné pripojenie,
- kovovú stenu potrubia,
- jímku,
- hlavicu snímača.
Vzniká tak chyba spôsobená vedením tepla.
Čím hlbšie, tým lepšie?
Nie automaticky.
Príliš dlhá jímka môže byť pri vysokých rýchlostiach prúdenia vystavená značným mechanickým silám a vibráciám.
Správna ponorná dĺžka je preto kompromis medzi:
kvalitou tepelného kontaktu s médiom a mechanickou bezpečnosťou zostavy.
Kam má siahať citlivá časť snímača?
Pri bežnom potrubnom meraní sa snažíme dostať merací prvok do oblasti reprezentatívneho prúdenia, čo býva spravidla smerom k vnútornej časti potrubia.
Nie je však správne stanoviť jedno univerzálne pravidlo typu „snímač musí byť vždy presne v strede“.
Potrebná dĺžka závisí od:
- konštrukcie snímača,
- typu meracieho elementu,
- priemeru potrubia,
- média,
- prietoku,
- rozdielu medzi procesnou a okolitou teplotou,
- spôsobu montáže.
Pri návrhu preto treba rešpektovať minimálnu ponornú dĺžku odporúčanú výrobcom konkrétneho snímača.
Malé priemery potrubia sú problematickejšie
Pri veľkom potrubí je pomerne jednoduché dostať teplotný snímač dostatočne hlboko do prúdiaceho média.
Pri potrubí malého priemeru to môže byť problém.
Ak snímač namontujeme kolmo na malé potrubie, nemusíme dosiahnuť požadovanú ponornú dĺžku.
Jedným z riešení môže byť šikmá montáž snímača.
V určitých aplikáciách možno snímač orientovať tak, aby jeho aktívna časť zasahovala hlbšie do prúdiaceho média bez potreby zväčšovať potrubie.
Ďalšou možnosťou môže byť vhodne navrhnuté rozšírenie potrubia alebo iné konštrukčné riešenie meracieho bodu.
Vždy však treba zohľadniť tlak, prietok a mechanické namáhanie.
Čo je teplomerná jímka?
Teplomerná jímka – často označovaná aj ako thermowell – je ochranný prvok vložený medzi procesné médium a samotný teplotný snímač.
Snímač sa teda nenachádza priamo v médiu, ale vo vnútri kovovej jímky.
Typická zostava vyzerá približne takto:
procesné médium → stena jímky → teplotný snímač → elektrický signál
Jímka môže byť závitová, prírubová, privarená alebo vyhotovená podľa konkrétnej procesnej aplikácie.
Prečo sa teplomerné jímky používajú?
Ich veľkou výhodou je ochrana snímača.
Jímka môže chrániť teplotný element pred:
- tlakom média,
- vysokou rýchlosťou prúdenia,
- mechanickým poškodením,
- koróziou,
- abrazívnymi časticami,
- priamym kontaktom s procesom.
Zároveň umožňuje v mnohých aplikáciách vybrať alebo vymeniť samotný teplotný snímač bez otvorenia procesného potrubia.
To výrazne zjednodušuje servis a údržbu.
Jímka však ovplyvňuje rýchlosť merania
Ochrana má svoju cenu.
Medzi médiom a snímačom pribudne ďalšia vrstva materiálu, cez ktorú sa musí preniesť teplo.
Výsledkom môže byť pomalšia odozva merania.
Čím je jímka:
- masívnejšia,
- hrubšia,
- väčšia,
tým väčšia môže byť jej tepelná zotrvačnosť.
Pri procesoch s rýchlymi zmenami teploty preto treba zohľadniť nielen presnosť snímača, ale aj časovú odozvu celej meracej zostavy.
Dôležitý je kontakt snímača s jímkou
Samotný snímač musí byť v jímke správne osadený.
Ak medzi špičkou snímača a dnom jímky vznikne nevhodná medzera, tepelný prenos sa môže zhoršiť a meranie bude reagovať pomalšie.
Preto musí dĺžka vložky zodpovedať konkrétnej jímke.
Pri niektorých konštrukciách sa používajú pružinové mechanizmy, ktoré zabezpečujú správny kontakt meracej vložky s dnom jímky.
Aj zdanlivo malý montážny detail teda môže ovplyvniť výsledok merania.
Jímku nemožno vyberať iba podľa závitu
Častou chybou je výber jímky iba podľa procesného pripojenia.
Napríklad:
„Potrebujeme G 1/2, takže použijeme túto jímku.“
To nestačí.
Pri návrhu treba zohľadniť:
- procesný tlak,
- teplotu,
- médium,
- materiál,
- koróziu,
- rýchlosť prúdenia,
- ponornú dĺžku,
- priemer jímky,
- mechanické vibrácie.
Najmä pri vysokých rýchlostiach média môže byť nevhodne navrhnutá dlhá jímka mechanicky namáhaná.
Prúdenie môže jímku rozkmitať
Jímka zasahujúca do prúdiaceho média predstavuje prekážku.
Za ňou sa môžu periodicky odtrhávať víry. Tie vytvárajú dynamické sily pôsobiace na jímku.
Ak sa frekvencia týchto síl nepriaznivo priblíži vlastnej frekvencii jímky, môže dôjsť k výrazným vibráciám a v krajnom prípade aj k mechanickému poškodeniu.
Riziko rastie najmä pri kombinácii:
- vysokej rýchlosti média,
- dlhej jímky,
- nevhodnej geometrie,
- vysokého procesného zaťaženia.
Pri kritických aplikáciách sa preto vykonáva výpočet mechanického namáhania a frekvenčnej odozvy teplomernej jímky, často podľa príslušných technických štandardov, napríklad ASME PTC 19.3 TW.
Kam snímač v potrubí umiestniť?
Merací bod musí byť na mieste, kde teplota reprezentuje stav procesu, ktorý chceme sledovať.
Nie vždy je najjednoduchšie dostupné miesto zároveň správne.
Problematická môže byť montáž napríklad:
- bezprostredne za miestom miešania médií,
- v oblasti so stagnujúcim médiom,
- pri obtoku,
- blízko zdroja lokálneho ohrevu alebo ochladzovania,
- v mieste s výraznou tepelnou stratou,
- tam, kde potrubie nie je úplne zaplnené.
Snímač by mal merať teplotu procesu, nie teplotu potrubia alebo jeho okolia.
Pozor na miesto za zmiešavaním dvoch prúdov
Predstavme si dve potrubia.
Jedným prúdi voda s teplotou 20 °C a druhým voda s teplotou 70 °C.
Po ich spojení nemusí byť teplota okamžite rovnomerná v celom priereze potrubia.
Ak snímač umiestnime príliš blízko za miestom zmiešania, môže merať lokálnu teplotu jedného z prúdov namiesto výslednej teploty zmesi.
Merací bod preto treba umiestniť tam, kde už možno očakávať dostatočné premiešanie média.
Tepelná izolácia potrubia pomáha aj meraniu
Ak je horúce alebo studené potrubie nezaizolované, vznikajú tepelné straty do okolitého prostredia.
Tie môžu ovplyvniť aj merací bod.
Správne navrhnutá izolácia pomáha:
- obmedziť tepelné straty,
- stabilizovať proces,
- znížiť vplyv okolitej teploty na meranie.
Treba však zároveň zabezpečiť, aby zostala zachovaná možnosť servisu snímača a aby elektronická hlavica nebola vystavená nevhodnej teplote.
Pt100, termočlánok alebo prevodník?
Spôsob montáže súvisí aj s použitým meracím princípom.
Pt100
Odporové snímače Pt100 sú veľmi rozšírené tam, kde sa požaduje dobrá presnosť a stabilita merania.
Dôležitá je správna konfigurácia:
- 2-vodičová,
- 3-vodičová,
- 4-vodičová.
Najmä pri dlhších vedeniach môže odpor prívodných vodičov ovplyvniť výsledok merania.
Termočlánok
Termočlánky sú vhodné aj pre veľmi vysoké teploty a dynamické aplikácie.
Použitý typ termočlánku musí zodpovedať požadovanému teplotnému rozsahu a prostrediu.
Teplotný prevodník
Meraciu hlavicu možno doplniť prevodníkom, ktorý signál zo snímača prevedie napríklad na 4–20 mA.
To je výhodné najmä pri prenose signálu na väčšie vzdialenosti do PLC alebo nadradeného systému.
Najčastejšie chyby pri montáži teplotného snímača
V praxi sa oplatí skontrolovať najmä tieto situácie:
- príliš krátka ponorná dĺžka,
- citlivá časť snímača zostáva príliš blízko steny potrubia,
- nevhodne zvolená jímka,
- príliš masívna jímka spôsobujúca pomalú odozvu,
- snímač nedosadá správne na dno jímky,
- meranie je umiestnené v nereprezentatívnom mieste,
- nezohľadní sa rýchlosť prúdenia,
- ignorujú sa vibrácie jímky,
- nevhodný materiál pre dané médium,
- elektronika snímača je vystavená príliš vysokej okolitej teplote.
Niektoré z týchto chýb spôsobia iba malú odchýlku. Iné môžu viesť k výrazne nesprávnym hodnotám alebo dokonca k mechanickému poškodeniu meracej zostavy.
Ako navrhnúť merací bod krok za krokom?
Pred výberom konkrétneho snímača odporúčame poznať minimálne:
- médium,
- minimálnu a maximálnu teplotu,
- pracovný a maximálny tlak,
- priemer potrubia,
- materiál potrubia,
- rýchlosť alebo prietok média,
- požadovanú presnosť,
- požadovanú rýchlosť odozvy,
- spôsob procesného pripojenia,
- požiadavku na jímku,
- dostupný priestor,
- teplotu okolia,
- elektrický výstup.
Až následne má zmysel riešiť konkrétnu dĺžku, priemer a konštrukciu snímača.
Zapamätajte si
Pri meraní teploty v potrubí presnosť snímača nie je presnosť celého meracieho bodu.
Kvalitný Pt100 namontovaný príliš plytko môže merať horšie ako menej presný snímač správne umiestnený v prúdiacom médiu.
Teplomerná jímka chráni snímač a uľahčuje jeho servis, ale zároveň ovplyvňuje rýchlosť odozvy a pri vysokých rýchlostiach média musí byť správne mechanicky dimenzovaná.
Najdôležitejšie je preto posudzovať snímač + jímku + montáž + procesné podmienky ako jeden celok.
Záver
Správne meranie teploty v potrubí nezačína výberom Pt100 alebo termočlánku. Začína pochopením samotnej aplikácie.
Ponorná dĺžka musí zabezpečiť dostatočný kontakt s médiom, jímka musí odolať procesným aj mechanickým podmienkam a merací bod musí byť umiestnený tam, kde teplota skutočne reprezentuje sledovaný proces.
Pri nesprávnej montáži nepomôže ani veľmi presný snímač. Naopak, dobre navrhnutý merací bod dokáže výrazne zlepšiť stabilitu, opakovateľnosť aj dlhodobú spoľahlivosť merania.
Spoločnosť REFLOW SK dodáva snímače a prevodníky teploty pre priemyselné aplikácie a pomáha s návrhom vhodného meracieho princípu, procesného pripojenia, ponornej dĺžky a vyhotovenia podľa konkrétnych prevádzkových podmienok.