Pt100 – Mittauksen epätarkkuus ja mittauspoikkeamat
Mätosäkerhet och mätavvikelser
Jokaisessa lämpötilamittauksessa väistämättä esiintyvien mittausvirheiden minimoimiseksi on tärkeää tuntea mittaukseen vaikuttavat tekijät:
1. Viive *
2. Upotussyvyys
3. Ohjeiden mukaisesta asennuksesta poikkeaminen
4. Itselämpeneminen
5. Tärinä ja muut mekaaniset rasitukset *
6. Ympäristön lämpötila/ Lämmön johtuminen *
7. Mittauselementissä perusarvojen suhteen ilmenevät erot
8. Kemialliset reaktiot *
9. Ionisoiva säteily
10. Anturin sisäinen eristysvastus
11. Indusoidut (aiheutuneet) lämpöjännitykset
12. Sähköiset ja magneettiset häiriökentät
13. Lämpörasitus *
14. Väliaineen virtauksen aiheuttama kitka
15. Lämpösäteily
* Katso lisätietoja alla.
Kuten nähdään, mittaustulosta vääristäviä tekijöitä on runsaasti. Siksi on tärkeää ennen jokaista yksittäistä mittausta tutkia tarkkaan vallitsevat olosuhteet.
KROHNE Inorin asiantuntijoilla on laaja kokemus ja he voivat antaa käytännön neuvontaa niin yksinkertaisissa kuin monimutkaisissakin mittauksissa.
Mekaanisen rasituksen virhevaikutukset
Paine, tärinä ja taipuminen ovat yleisimpiä mekaanisia rasituksia, joille lämpötila-anturit altistuvat. Paineelle tai taipumiselle altistuvien mittausvastusten vastusarvo muuttuu enemmän tai vähemmän rakenteesta riippuen. Muutos on sitä suurempi, mitä lujempi vastusmetallin ja rungon välinen liitos on. Siksi lämpötila-anturi on suunniteltava niin, etteivät rasitukset siirry mittausvastukseen.
Voimakas tärinä voi johtaa mittaussauvan sisäjohtimien ja suojaputken katkeamiseen. Siksi tärinänkestävien vastusantureiden sisäisten johtimien tulee voida liikkua mahdollisimman vähän. Lämpötila-antureissa, jotka ovat alttiina paineelle tai taipumisrasituksille tulee sen sijaan antaa suurin mahdollinen liikkumisvapaus, jotta estetään rasituksen siirtyminen.
Kemiallisten reaktioiden aiheuttamat virheet
Anturin suojaputken korroosionkestävyydellä on ratkaiseva merkitys kemiallisessa altistuksessa. Siksi on erittäin tärkeää, että suojaputki valmistetaan materiaalista, joka soveltuu prosessisäiliöön, prosessiväliaineelle ja korkeimmalle esiintyvälle väliainelämpötilalle. Anturivalmistajan tulee huolehtia siitä, että mittaussauva suljetaan niin, ettei kosteus pääse tunkeutumaan sen sisään. Lisäksi korkeassa lämpötilassa voi suuri hapenpuute vastuksessa saada aikaan vastuksen rungossa reaktion, jossa metallit diffusoituvat mittauslankoihin. Tämän seurauksena sähköiset ominaisuudet voivat muuttua.
Lämpörasituksen vaikutus
Pt100 ei varsinaisesti ole altis hapettumaan. Sitä vastoin sähköiset arvot saattavat ajelehtia mm. riippuen mittausvastuksen rakenteesta sekä siitä, miten lähellä lämpötilaraja on. Muutokset aiheutuvat useimmiten metallin ja ympärillä olevien eristysmateriaalien epäpuhtauksista. Sen lisäksi lämpörasitus voi pienentää eristysvastusta, mikä voi vaikuttaa mittaustulokseen huomattavasti.
Lämmön johtumisesta aiheutuvat virheet
Lämpötilamittaus kosketusanturilla edellyttää, että anturi saa suoran kosketuksen väliaineeseen. Anturi joko upotetaan väliaineeseen, joka tällöin ympäröi lämpöherkän osan kokonaan, tai se asetetaan vä¬liaineen pintaa vasten. Kummassakin tapauksessa vallitseva lämpövirtaus häiriintyy anturin siirtäessä energiaa väliaineesta ympäristöön. Erityisesti pin¬talämpötilamittauksessa lämmön johtumisesta ai¬heutuva virhe on huomattava. Pinnan lämpösäteily ja siten myös lämpötilaprofiili muuttuu mittauspisteen ympärillä. Mittaustarkkuus paranee huomattavasti, jos:
- anturin massa ja tilavuus on pieni
- anturilla on hyvä lämpökosketus
- anturin lämmönjohtokyky ympäristöön on pieni
Mittamuuntimet
Mittamuuntimia käytetään vastusanturin vastusarvon muuttamiseen prosessiin yhteensopivaksi mittausviestiksi. Anturi voidaan kytkeä muuntimeen kolmella eri tavalla; 2-,3- ja 4-johdinkytkennällä. Kaikilla kytkentätavoilla muunnin lähettää tietyn suuruisen vakiovirran vastuksen läpi, jonka yli tapahtunut jännitteen lasku sitten mitataan. Muuntimet valmistetaan 2- tai 4-johtimisina (mitä ei pidä sekoittaa anturien 2- ja 4-johdinkytkentöihin). 4-johdinmuuntimille syötetään virtaa kahdella erillisellä johtimella (mistä johtuu käsite erillinen virransyöttö), jotka on erotettu ulostu¬lon kahdesta johtimesta.
2-johdinmallissa virta tulee muuntimelle ulostulon kahden johtimen kautta, jotka näin suorittavat molemmat toiminnot. Siitä seuraa automaattisesti, ettei 2-johdinmuuntimen viesti voi omakulutuksen vuoksi laskea 0:aan, vaan sen alin arvo on 4 mA. Vakioalue (prosessinormi) on näin ollen 4-20 mA. Sitä vastoin 4-johdinmuutimen lähtöviesteil¬le voidaan ohjelmoida mitä tahansa prosessisignaalien arvoja.
Sisäänmeno
Muuntimia käytetään mitattujen arvojen muuntamiseen, esimerkiksi vastusanturin vastusarvon muuttamiseen prosessiin yhteensopivaksi mittausviestiksi. Anturin kytkemiseksi muuntimeen käytetään yleensä kolmea eri kytkentätapaa: 2-, 3- ja 4-johdinkytkentää. Kaikissa kytkennöissä muunnin lähettää vakiovirran mittausvastuksen läpi, jonka yli jännitehäviö mitataan. On tärkeää, että mittausvirta pidetään pienenä itselämmityksen minimoimiseksi. Hyvä muunnin lähettää mittausvirran joka on alle 1 mA.
Ulostulo
Muuntimet valmistetaan 2- tai 4-johtimisina (mitä ei pidä sekoittaa anturien 2- ja 4-johdinkytkentöihin). 4-johdinmuuntimille syötetään virtaa kahdella erillisellä johtimella (josta käsite erillinen virransyöttö), jotka on erotettu ulostulon kahdesta johtimesta.
2-johdinmallissa virta tulee muuntimelle ulostulon kahden johtimen kautta, jotka näin suorittavat molemmat toiminnot. Siitä seuraa automaattisesti, ettei 2-johdinmuuntimen viesti voi omakulutuksen vuoksi laskea 0:aan, vaan sen alin arvo on 4 mA. Vakioalue (prosessinormi) on näin ollen 4-20 mA. Sitä vastoin 4-johdinmuutimen lähtöviesteil¬le voidaan ohjelmoida mitä tahansa prosessisignaa¬lien arvoja kuten 0-20 mA, 4-20 mA, 0-5 V tai 1-5 V.
Anturikatkos
Suuret rasitukset, joille lämpötila-anturit altistuvat, aiheuttavat usein myös vaaran, että anturin sisällä syntyy sähköinen katkos. Katkos voi tapahtua mittausjohdoissa tai mittausvastus voi vahingoittua. Kaikista näistä vioista käytetään nimitystä anturikatkos. Anturikatkoksen tavallisin syy on tärinä kriittisessä taajuudessa tai sen ympärillä. Nykyaikainen muunnin antaa anturikatkoksesta hälytyksen. Se tapahtuu siten, että ulostuloviesti siirtyy tiettyyn, ennalta määriteltyyn arvoon, joka on tavallisesti hiukan yli 20 mA. Johdonmukaisella anturikatkossuojalla tarkoitetaan sitä, että muunnin antaa hälytyksen, ts. ulostuloviesti siirtyy ennalta määriteltyyn arvoon, riippumatta siitä missä johtimessa katkos on tapahtunut (tärkeä tietää 3-tai 4-johdinkytkennässä). Krohne Inorin muuntimien käyttäjä määrittelee itse ulostuloviestin arvon anturikatkoksen yhteydessä.
HUOM! Kun anturin eristysvastus laskee tietyn tason alle voi sattua, että muunnin tulkitsee alhaisen eristysvastuksen mittausarvoksi, eikä vastusarvoksi, johon mittausvastus asettuu. Tästä on seurauksena, että mittamuunnin erehtyy luulemaan, että mittausketju on kunnossa, silloinkin kun katkos on tapahtunut. Suurimmassa osassa Krohne Inorin lähettimiä tämä ongelma on ratkaistu SmartSence-toiminnolla, joka valvoo jatkuvasti lämpötila-anturin eristysvastusta ja antaa viestin, kun se on liian matala.
Linearisointi
Lämpötilalinearisoinnilla tarkoitetaan sitä, että muunnin antaa aina saman lähtöviestimuutoksen tietystä tulolämpötilamuutoksesta, riippumatta siitä missä kohden mittausaluetta tämä muutos tapahtuu. Sen tähden lämpötilan ja ulostuloviestin suhteen kuvaajaksi saadaan suora linja. Vastuslineaarisilla muuntimilla sitä vastoin on siirtymä lämpötilan suhteen epälineaarinen, mikä aiheuttaa ulostulosig¬naaliin eri suuruisia muutoksia mittausalueen eri osissa. Digitaalisissa muuntimissa on vastus- ja lämpötilalineaarisuutta helppo vaihtaa.
2-johdinkytkentä
Tässä liitännässä liitäntäjohtimien vastus ja mittausvastus ovat sarjassa. Siksi muutokset mittausjohdoissa vaikuttavat suoraan mittaustulokseen. Näiden ilmiselvien haittapuolien takia tätä tapaa käytetään harvoin.
Mittausvirhe aiheutuu, koska johtojen vastus on yleensä noin 2,6 °C / ohm Pt100-anturilla ja 10 kertaa vähemmän Pt1000:lla. Jos linjan vastus tunnetaan, signaalimuunninta voidaan säätää manuaalisesti linjan vastuksen kompensoimiseksi. Koska tämä on kiinteä säätö, lämpötilan vaihteluista johtuvia linjan vastuksen muutoksia ei kompensoida.
3-johdinkytkentä
Tämä on kaikkein yleisin liitäntätapa. Tavallisesti se suurin piirtein eliminoi mittausjohdoissa ilmenevien muutosten vaikutuksen silloin, kun muutokset ovat samat kaikissa kolmessa johtimessa (Krohne Inorin IPAQ-per¬heessä tämä vaikutus on kokonaan eliminoitu). Kun lähetin asennetaan anturin kytkentäkoppaan, 3-joh¬dinkytkentä on tavallisimmin käytetty tapa.
4-johdinkytkentä
4-johdinkytkentää käytetään tarkoissa mittauksissa. Mittausvirta johdetaan kahden johdon kautta ja jännitehäviö mitataan kahden jäljellä olevan yli. Tämä eliminoi kaikki kaapeleiden resistanssimuutokset, vaikka ne poikkeaisivat toisistaan. Useimmat modernit signaalimuuntimet tukevat tätä suositeltua kytkentää.
