Του Γιώργου Μαλιώτη
Η μέτρηση και καταγραφή της θερμοκρασίας είναι πολύ σημαντική σε πολλές βιομηχανίες. Υπάρχουν διεργασίες κατά τις οποίες είναι αναγκαίο να γίνεται συνεχής μέτρηση της θερμοκρασίας, προκειμένου να επιτυγχάνεται ο έλεγχος της παραγωγής. Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας απαιτείται η εγκατάσταση ενός θερμομέτρου σε κατάλληλο σημείο, αλλά για την καταγραφή των τιμών σε συνεχή βάση είναι αναγκαία η εγκατάσταση ενός πιο σύνθετου οργάνου: ενός μεταδότη θερμοκρασίας.
Στη βιομηχανική ηλεκτρική μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται πυρόμετρα, θερμόμετρα αντιστάσεων και θερμοστοιχεία. Τα αισθητήρια αυτά πραγματοποιούν μέτρηση της θερμοκρασίας με επαφή και χρησιμοποιούνται σε μεγάλο βαθμό, για παράδειγμα, σε μετρήσεις αερίων, υγρών και λιωμένων μετάλλων, καθώς και για επιφανειακές ή εσωτερικές μετρήσεις των στερεών. Οι αισθητήρες και τα εξαρτήματα προστασίας που χρησιμοποιούνται εξαρτώνται από την απαιτούμενη ακρίβεια, την αντίδραση, την κλίμακα θερμοκρασίας και τις χημικές ιδιότητες των μετρούμενων υλικών.
Τα θερμόμετρα αντίστασης εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι η ηλεκτρική αντίσταση ενός ηλεκτρικού αγωγού αλλάζει με τη θερμοκρασία. Γίνεται ένας διαχωρισμός ανάμεσα στους αισθητήρες θετικού συντελεστή θερμοκρασίας (PTC) και στους αισθητήρες αρνητικού συντελεστή θερμοκρασίας (NTC). Με τους αισθητήρες PTC η αντίσταση μεγαλώνει με την αύξηση της θερμοκρασίας, ενώ με τους αισθητήρες NTC η αντίσταση μειώνεται με την πτώση της θερμοκρασίας.
Οι αισθητήρες PTC περιλαμβάνουν τους μεταλλικούς αγωγούς. Τα μέταλλα που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι πλατίνα, νικέλιο, ιρίδιο, χαλκός και μη τοξικό πυρίτιο (διαχεόμενη αντίσταση), ενώ πιο συχνά χρησιμοποιείται το θερμόμετρο με την πλατινένια αντίσταση. Τα πλεονεκτήματά του οφείλονται στη χημική ανοσία του μετάλλου, που μειώνει τον κίνδυνο μόλυνσης λόγω οξείδωσης ή άλλων χημικών επιδράσεων.
Τα θερμόμετρα με αντίσταση από πλατίνα είναι οι πιο ακριβείς αισθητήρες για βιομηχανικές εφαρμογές, και έχουν την καλύτερη σταθερότητα για μακρά περίοδο. Μια αντιπροσωπευτική τιμή για την ακρίβεια μιας πλατινένιας αντίστασης μπορεί να ληφθεί ως ±0,5% της μετρούμενης θερμοκρασίας, ενώ μπορεί να υπάρξει μια απόκλιση περίπου ±0,05οC μετά από ένα χρόνο, λόγω γήρανσης. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μια κλίμακα θερμοκρασίας περίπου 800οC, ενώ το φάσμα της εφαρμογής τους εκτείνεται από κλιματισμό μέχρι και χημική επεξεργασία.
Οι αισθητήρες NTC φτιάχνονται από οξείδια ορισμένων μετάλλων που η αντίστασή τους μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Μερικές φορές αναφέρονται σαν «θερμοί αγωγοί», επειδή παρουσιάζουν μόνο καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα σε αυξημένες θερμοκρασίες. Επειδή το γράφημα θερμοκρασίας/αντίστασης έχει ένα καθοδικό χαρακτηριστικό, αναφέρονται επίσης ως αντιστάσεις NTC (αρνητικός συντελεστής θερμοκρασίας).
Λόγω της φύσης της υποκειμενικής διαδικασίας, ο αριθμός των αγώγιμων ηλεκτρονίων αυξάνει εκθετικά με την αύξηση της θερμοκρασίας, δίνοντας ένα γράφημα με χαρακτηριστικό απότομης ανόδου. Αυτή η δυνατή μη γραμμικότητα είναι βασικό μειονέκτημα των αντιστάσεων NTC, και περιορίζει το μετρήσιμο πλάτος θερμοκρασίας περίπου στους 50οC.
Αν και οι αντιστάσεις αυτές μπορούν να γραμμικοποιηθούν συνδεόμενες σε σειρά με μια απλή αντίσταση δίνοντας περίπου δέκα φορές την τιμή της αντίστασης, η ακρίβεια και η γραμμικότητά τους σε μεγαλύτερα διαστήματα θερμοκρασίας είναι ανεπαρκείς για τις περισσότερες ανάγκες.
Επίσης, όταν πρόκειται για εναλλασσόμενες θερμοκρασίες, η παρέκκλιση είναι μεγαλύτερη από ό,τι με τις άλλες μεθόδους που παρουσιάζονται. Εξαιτίας του χαρακτηριστικού τους, είναι ευαίσθητες στη θερμοκρασία που αναπτύσσουν λόγω υπερβολικών ρευμάτων μέτρησης. Το πεδίο χρήσης τους εκτείνεται απλώς σε εφαρμογές παρακολούθησης και ένδειξης, όπου οι θερμοκρασίες δεν υπερβαίνουν τους 200οC και αποκλίσεις μερικών βαθμών Κελσίου είναι αποδεκτές.
Λόγω της χαμηλότερης τιμής τους και τα σχετικά απλά ηλεκτρονικά που απαιτούνται, στην πράξη προτιμούνται από τα πιο ακριβά θερμοστοιχεία και από τα θερμόμετρα (μεταλλικών) αντιστάσεων για τέτοιες απλές εφαρμογές. Επίσης, μπορούν να κατασκευαστούν σε πολύ μικρούς τύπους, με γρήγορη απόκριση και χαμηλή θερμική μάζα, αλλά δεν θα εξεταστούν εδώ με λεπτομέρειες.
Τα θερμοστοιχεία βασίζονται στο γεγονός ότι όταν υπάρξει μια μεταβολή θερμοκρασίας κατά μήκος ενός σύρματος, εμφανίζεται στον αγωγό μια μετακίνηση φορτίου που εξαρτάται από την ηλεκτρική αγωγιμότητα του υλικού. Εάν δύο αγωγοί με διαφορετικές αγωγιμότητες έρθουν σε επαφή σε κάποιο σημείο, μπορεί να μετρηθεί από τις διαφορετικές μετακινήσεις φορτίου ένα θερμοηλεκτρικό emf, το οποίο εξαρτάται από το πλάτος της μεταβολής της θερμοκρασίας.
Σε σύγκριση με τα θερμόμετρα αντίστασης, τα θερμοστοιχεία έχουν το καθαρό πλεονέκτημα ενός υψηλότερου ανώτατου ορίου μέχρι μερικές χιλιάδες βαθμούς Κελσίου. Από την άλλη, η μακροπρόθεσμη σταθερότητά τους δεν είναι τόσο καλή, ενώ η ακρίβειά τους είναι κάπως μικρότερη. Συνήθως χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικές κουζίνες και φούρνους, για μετρήσεις σε λιωμένα μέταλλα, σε μηχανήματα πλαστικών και σε άλλες περιπτώσεις με θερμοκρασίες πάνω από 250οC.
Δυνατότητες μεταδοτών θερμοκρασίας
Οι μεταδότες θερμοκρασίας είναι κατά κανόνα όργανα μόνιμης εγκατάστασης με ηλεκτρονικό σήμα εξόδου, που χρησιμοποιούνται κυρίως σε διατάξεις για την παρακολούθηση της μεταβαλλόμενης θερμοκρασίας σε κάποια φάση της παραγωγικής διαδικασίας.
Επειδή στους περισσότερους τύπους μεταδοτών θερμοκρασίας το αισθητήριο της θερμοκρασίας είναι είτε θερμοστοιχείο είτε θερμοζεύγος, η βασική λειτουργία των μεταδοτών θεμοκρασίας είναι να μετατρέπουν τη μεταβολή της αντίστασης των θερμοαντιστάσεων ή τη μεταβολή της τάσης των θερμοζευγών, που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία, σε ένα αναλογικό σήμα ρεύματος ανεξάρτητο του φορτίου, το οποίο συνήθως είναι 4-20 mA.
Οι μεταδότες θερμοκρασίας είναι ένα σύγχρονο εργαλείο αυτοματισμού για τη βιομηχανία, και γι? αυτό έχουν διάφορες δυνατότητες οι οποίες εξελίσσονται με τον καιρό.
Μέτρηση θερμοκρασίας χωρίς επαφή
Αυτή η κατηγορία καλύπτει κινούμενα αντικείμενα και αντικείμενα που δεν είναι προσεγγίσιμα για μετρήσεις. Παραδείγματα αυτών περιλαμβάνουν περιστροφικούς φούρνους, μηχανές χαρτιού ή αλουμινόχαρτου, κυλιόμενους μύλους, χυτό μέταλλο που ρέει κτλ.
Η κατηγορία επίσης καλύπτει αντικείμενα με χαμηλή θερμική χωρητικότητα και αγωγιμότητα, καθώς και τη μέτρηση ενός αντικειμένου μέσα σε ένα φούρνο ή σε κάποια μεγαλύτερη απόσταση. Αυτές οι συνθήκες αποκλείουν τη χρήση μέτρησης επαφής, και η θερμική ακτινοβολία από το μετρούμενο αντικείμενο χρησιμοποιείται σαν τιμή μέτρησης.
Η βασική σχεδίαση τέτοιων οργάνων θερμοκρασίας χωρίς επαφή, που λέγονται πυρόμετρα, αναλογεί σε ένα θερμοστοιχείο που μετράει τη θερμική ακτινοβολία από ένα θερμό σώμα μέσω ενός οπτικού συστήματος. Εάν μπορεί να εξασφαλιστεί ότι το ίδιο (ολικό) οπτικό πεδίο του πυρομέτρου καταλαμβάνεται από το μετρούμενο αντικείμενο, αυτή η απλή αρχή μέτρησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μέτρηση θερμοκρασίας.
ʼλλοι τύποι λειτουργούν λίγο διαφορετικά. Διαχωρίζουν ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος από την ακτινοβολία που λαμβάνεται και υπολογίζουν την αναλογία αυτής της συνιστώσας ακτινοβολίας στην ολική ακτινοβολία. Όσο υψηλότερη η θερμοκρασία ενός σώματος, τόσο μεγαλύτερη η αναλογία μικρότερων μηκών κύματος. Το φως που εκπέμπεται από το σώμα φαίνεται αυξανόμενα γαλαζωπό.
Όπως πολύ καλά ξέρουμε, το χρώμα ενός σώματος που λάμπει σταδιακά αλλάζει από το αρχικό κόκκινο στην λευκοπύρωση, λόγω του υψηλότερου στοιχείου του γαλάζιου. Τα πυρόμετρα είναι ευαίσθητα στην υπέρυθρη ακτινοβολία και δεν αποδίδουν συνήθως στην ορατή περιοχή, καθώς οι θερμοκρασίες του αντικειμένου που αντιστοιχούν στη μετρούμενη ακτινοβολία είναι πολύ χαμηλές για να εκπέμψουν ορατά μήκη κυμάτων σε μετρήσιμες ποσότητες.
Α) Βασικές δυνατότητες.
Υπάρχουν τύποι μεταδοτών θερμοκρασίας που προσφέρουν μεγάλη σταθερότητα μέτρησης για αρκετά χρόνια, γεγονός που μειώνει το κόστος συντήρησης.
Οι είσοδοι σημάτων στους μεταδότες μπορεί να είναι διαφόρων τύπων, όπως DC current/voltage, Thermocouple, RTD ή ποτενσιόμετρου. Σε διάφορους τύπους υπάρχει δυνατότητα απομόνωσης μεταξύ εισόδου – εξόδου.
Οι περισσότεροι τύποι μεταδοτών θερμοκρασίας έχουν ενσωματωμένο LCD μετρητή με μεγάλη και ευανάγνωστη οθόνη. Ορισμένοι μεταδότες διαθέτουν οθόνη δυο γραμμών, η οποία επιτρέπει την ταυτόχρονη ένδειξη της μέτρησης και όλων των λειτουργιών.
Το μεταλλικό κέλυφος μέσα στο οποίο είναι προσαρμοσμένος ένας μεταδότης θερμοκρασίας συνιστά ένα ηλεκτρικό κουτί που μπορεί να κατασκευαστεί με υψηλές προδιαγραφές μηχανικής αλλά και αντιεκρηκτικής προστασίας. Είναι αξιοσημείωτο ότι σε πολλούς τύπους μεταδοτών θερμοκρασίας η ζώνη θερμοκρασιών εντός της οποίας μπορούν να εργάζονται είναι από -40 ως +85 βαθμούς Κελσίου.
Ορισμένοι τύποι μεταδοτών έχουν τη δυνατότητα μονού αισθητήρα (Single-sensor) ή και διπλού αισθητήρα (dual-sensor) σε ένα όργανο, και διαθέτουν κατάλληλο συνδυασμό μεταδότη – αισθητήρα ο οποίος μπορεί να βελτιώνει σε μεγάλο βαθμό την ακρίβεια των μετρήσεων.
Β) Options
Μια λυχνία και ορισμένα επιπλέον στοιχεία ένδειξης μπορούν να δώσουν μια αξιόπιστη ένδειξη όλων των καταστάσεων λειτουργίας, τη μέθοδο λειτουργίας, καθώς και μηνύματα σφάλματος. Όλες οι ρυθμίσεις μπορούν να γίνουν και μέσω των πλήκτρων στην πρόσοψη.
Ορισμένοι εξελιγμένοι μεταδότες μπορούν να κάνουν αυτοδιάγνωση για τις εσωτερικές συνθήκες λειτουργίας τους και να στέλνουν δεδομένα στο PC/PLC. Παράλληλα ενεργοποιούνται διαδικασίες ανταπόκρισης στις εντολές του. Διάφοροι σύγχρονοι μεταδότες διαθέτουν αυτόματη βαθμονόμηση στους αισθητήρες, η οποία μπορεί να πραγματοποιηθεί σε 2 οποιαδήποτε σημεία εντός της περιοχής μέτρησης.
Ορισμένοι σύγχρονοι μεταδότες μπορούν να προγραμματισούν και να ρυθμιστούν επίσης μέσω κατάλληλου προγράμματος, που περιλαμβάνει την προσομοίωση του μεταδότη και την εύκολη σύνδεση με τον υπολογιστή. Έτσι ο χρήστης μπορεί να λύσει οποιοδήποτε πρόβλημα χωρίς να χρειάζεται να εργάζεται βάσει οδηγιών.
Εάν απαιτείται, μπορεί να αποφευχθεί η πρόσβαση σε επίπεδα ρύθμισης του μεταδότη από μη εξουσιοδοτημένα πρόσωπα μέσω κωδικού πρόσβασης. Μπορούν επίσης να κλειδωθούν όλα τα επίπεδα μέσω κωδικού πρόσβασης ή μπορούν να κλειδωθούν όλα τα επίπεδα προγραμματισμού.
