Monitoring temperatury z wysoką precyzją pomiaru

Andrzej Łobzowski, Wojciech Szkolnikowski
LAB-EL Elektronika Laboratoryjna

Artykuł ukazał sie w magazynie POMIAR nr 7/2017
pod tytułem "Pomiar temperatury? A może precyzyjniej?"

Kto potrzebuje precyzyjnego pomiaru temperatury?

Pomiary temperatury stanowią największą spośród wszystkich wielkości fizycznych liczbę pomiarów, dokonywanych przez człowieka w kontrolowanych przez niego procesach badawczych i przemysłowych. Wiele procesów mikrobiologicznych czy chemicznych, wymaga pomiaru wartości temperatury z rozdzielczoscia 0,01°C lub nawet 0,001°C. W niektórych procesach ważny jest nie tyle pomiar temperatury, ile jej zmian w funkcji np. czasu, na poziomie bardzo małych przyrostów, co w rezultacie ma dać obraz zmian zachodzących w tychże procesach. Precyzyjne termometry po ich wywzorcowaniu w laboratoriach akredytowanych, mogą stanowić lokalne wzorce robocze, wykorzystywane do sprawdzania innych, mniej precyzyjnych przyrządów. Tak więc, precyzyjny co do rozdzielczości i dokładności (niepewności) pomiar temperatury, jest ze wszech miar potrzebny.

Jak mierzymy i co mierzymy

Rys. 1 Okno pomiarowe w programie LBX

Do pomiaru temperatury wykorzystywany jest termorezystor Pt100 lub Pt1000, umieszczony w odpowiedniej osłonie (do wyboru są różne opcje wykonania). Czujnik temperatury podłączany jest do modułu precyzyjnego jednokanałowego termometru LB-499-PT. Moduł LB-499-PT może być zainstalowany w koncentratorze LB-480, który daje możliwość wbudowania do 3 takich modułów lub w rejestratorze danych LB-490 (stacja meteorologiczna) w którym jest możliwość wbudowania do 6 takich modułów. Moduł LB-499-PT dokonuje precyzyjnego pomiaru rezystancji czujnika, a następnie automatycznie przelicza wartość zmierzonej rezystancji na temperaturę wykorzystując współczynniki równania Callendar-van Dusen'a zgodnie z normą PN-EN 60751 („Czujniki platynowe przemysłowych termometrów rezystancyjnych i platynowe czujniki temperatury”). W celu lepszego dopasowania czujnika  do modułu pomiarowego, w obudowie złącza czujnika umieszczona jest pamięć EEPROM, w której zapisywane są dane kalibracyjne tego właśnie czujnika. Kalibracja modułu precyzyjnego jednokanałowego termometru LB-499-PT, polega na wywzorcowaniu jego układu pomiarowego znanym precyzyjnym rezystorem wzorcowym (np. 100,000 Ω) oraz na wpisaniu współczynników kalibracji czujnika do pamięci nieulotnej EEPROM. Temperaturę oblicza się:

• dla zakresu temperatur –200°C do 0°C - wg wzoru: R_t = R₀[1+At+Bt²+C(t-100 ^oC)t³];
• dla zakresu temperatur 0°C do 850°C – wg wzoru: R_t=R₀(1+At+Bt²),

gdzie: t - temperatura mierzona, R_t - rezystancja w temperaturze mierzonej, R₀ = 100,000Ω (rezystancja odniesienia w temperaturze 0°C) oraz współczynniki kalibracji wg normy PN-EN 60751 wynoszące: A = 3,908x10^-3,  B = -5,775 x 10^-7, C = -4,183 x 10^-12 lub na podstawie danych uzyskanych od producenta czujnika lub też uzyskane w laboratorium wzorcującym dla wzorcowanego zakresu temperatury.

Na rys. 1 przedstawiono okno program LBX, na którym w pozycji M2 zainstalowano moduł LB-499PT, którego pomiar rezystancji oraz wyliczoną wartość temperatury widać na samym dole rysunku.

Rys 2. a) rejestrator LB-490 b) koncentartor LB-480 z trzema czujnikami temperatury Pt100
c). okienko pomiarowe koncentratora LB-480 d) moduł termometru precyzyjnego LB-499PT

Kilka szczegółów

Moduł precyzyjnego jednokanałowego termometru LB-499-PT wykorzystuje złącze żeńskie DB-9 do dołączenia czteroprzewodowo zewnętrznego czujnika oraz do dołączenia EEPROM-u z danymi kalibracyjnymi czujnika. Wszystkie wejścia są zabezpieczone przed przeciążeniami, jednak nie zwalnia to z konieczności przestrzegania zasad ochrony ESD. W koncentratorze LB-480 można zainstalować jednocześnie od 1 do 3 modułów precyzyjnego jednokanałowego termometru LB-499-PT, tworząc w ten sposób dodatkowo (pozostaje jeszcze 8 standardowych wejść pomiarowych dla czujników z interfejsem S-300) 1, 2 albo 3 kanałowy precyzyjny termometr. W rejestratorze danych LB-490 można zainstalować dodatkowo (pozostaje jeszcze 16 standardowych wejść pomiarowych dla czujników z interfejsem S-300) od 1 do 6 modułów precyzyjnego jednokanałowego termometru LB-499-PT, tworząc w ten sposób od 1 do 6 kanałowy precyzyjny termometr.

W pamięci koncentratora LB-480 lub rejestratora LB-490 są zapisywane wyniki zmierzonej rezystancji i wyliczonej temperatury maksymalnie z częstotliwością 1 sps (pomiar na sekundę). Wyniki mogą być uśredniane w okresie od 1 do 10 sekund. Wyniki pomiarów mogą być wysyłane z termometru do zewnętrznych systemów z wykorzystaniem wszystkich mechanizmów dostępnych w przyrządach LB-480 lub  LB-490 (Ethernet, USB, GSM/GPRS, RS-232/RS-485, Bluetooth). Termometr współpracuje z programem SCADA LBX, który zapewnia archiwizację, wizualizację i sygnalizację przekroczenia zadanych wartości progów alarmowych.

Rys. 3 Schemat poglądowy systemu opartego o przyrządy LB-480 i LB-490

Zastosowanie

Zastosowania moduł precyzyjnego jednokanałowego termometru LB-499-PT obejmują:

• laboratoryjne pomiary temperatury;
• wzorcowanie termometrów;
• kontrola działania termostatów;
• układy automatyki i zdalnych pomiarów.

Podstawowe dane techniczne

Uwagi: * Wybór czujnika Pt-100 lub Pt-1000 jest możliwy na etapie produkcji modułu. Ze względu na lepszą stabilność długoterminową zalecane jest stosowanie czujnika z termorezystorem drutowym Pt-100, co jednak podniesie cenę takiego czujnika.