Мониторинг и контрол на температура

Cъществува голямо разнообразие от устройства за мониторинг и контрол на температурата в индустриална среда, като се започне от прости температурни контролери и се стигне до сложни разпределени системи за управление.

Повечето устройства за измерване на температурата и събиране на данни са с универсално приложение, но трябва да се внимава при прилагането им в тежки индустриални условия и сложни технологични процеси.

Голяма част от тях се предлагат на сравнително ниска цена и работят устойчиво, когато не са подложени на тежки условия като например голям електрически шум (смущения в електрическата мрежа) или претоварване на захранването. Затова от важно значение при подбора на подходящо устройство е то да се съобрази с работните условия, което ще повиши точността и надеждността на цялата система.

Целта при избора на система за измерване и контрол на температурата е да се намери такава, която осигурява стабилна и надеждна работа. Изисква се и тя да предоставя измерените данни във формат, който е съгласуван с приложението им, например данните да се използват за проверка на съответствие или да могат да са съвместими с архивиращата система на предприятието.

Не е за пренебрегване и тяхната ефикасност, т.е. съотношението цена-качество, което трябва да води до рентабилност, но и до устойчива работа и дълъг живот на системата. Намирането на правилния тип устройство сред голямото разнообразие на системи за измерване и контрол на температурата може да е дълъг процес. Изборът започва с определянето на вида на измервателния преобразувател (сензор).

Сензори за измерване на температура
Съществуват десетки видове измервателни преобразуватели или сензори, които се използват за измерване на температура. Тяхното действие се основава на различни физични феномени, но тук ще обърнем внимание само на най-често използваните.

Термодвойки
Те се състоят от два разнородни проводника, наречени термоелектроди, заварени в една обща точка – гореща точка. Прието е заварените краища да се наричат топли, а свободните – студени (неработни). Ако горещата точка се постави при температура t1 = tx (измерваната температура), а студените краища се намират при температура t2, като t1 > t2, то между двата свободни края възниква термоелектродвижещо напрежение (термо-е.д.н.), което е функция на разликата от двете температури. Този ефект се нарича термоелектрически ефект и е познат още като ефект на Зеебек.

Основната част от грешките при измерване с термодвойки се обуславя от непостоянството на температурата на студените краища. В лабораторни условия студените краища се термостатират, като се поставят в топящ се лед или в термостат. В производствени условия студените краища могат да се термостатират или като се поставят достатъчно дълбоко в земята, или като се поместят в масивна кутия с добра топлоизолация. Този процес е познат още като температурна компенсация на студените краища.

Много често, за да се отстрани систематичната грешка от промяната на температурата на студените краища, термодвойката се свързва в измервателния диагонал на мостова схема – единичен мост (мост на Уитстоун), като в едното му рамо е включен друг термочувствителен елемент най-често термистор, който е поставен при температура, която е същата като тази на студентите краища на термодвойката. За предпазване от химически агресивни среди, термодвойките се поставят в защитни арматури.

Предимство на термодвойките е широкият температурен диапазон, в който те намират приложение, от -200 °С до 1700 °С, когато се използва платинородий. Недостатък на термодвойките при измерване на променливи температури е голямата им топлинна инертност (времеконстанта) – от десетки секунди до 10 минути.

Терморезистори
Терморезистивните преобразуватели са термозависими проводници или полупроводници. При измерване през тях протича ток, като те се намират в топлообмен с околната среда. Съпротивлението на терморезистора зависи от температурата и се определя от топлинното му равновесие със средата. Топлообменът може да бъде двустранен – от средата към резистора и обратно.

Така че температурата и съпротивлението на терморезистора при топлинно равновесие зависят не само от тока и околната температура, но и от редица други фактори като геометричните размери и формата на преобразувателя, основата и арматурата, физическите свойства, скоростта и температурата на околния флуид и др.

Тези фактори определят възможността терморезистивните преобразуватели да се използват за измерване на различни величини. Основните изисквания към материалите за терморезисторите са: да имат голям температурен коефициент на съпротивление (ТКС); да са температурно устойчиви; да имат голямо специфично електрическо съпротивление. Последното е важно за получаване на малогабаритни преобразуватели.

В практиката се използват метални, платинени и никелови терморезистори, като температурният им диапазон на приложение е от -180  до над 700 оС. Предавателната им характеристика има линейна и нелинейна част, като в практиката се предпочита използването им само в линейната област, което ограничава и температурния обхват, при който се прилагат.

Термистори
Термисторите са полупроводникови резистивни преобразуватели с голям ТКС в широк температурен диапазон. Практически се изпълняват в точкова, плоска или цилиндрична форма. При всички случаи се поставят метални изводи (електроди). В зависимост от знака на ТКС, се различават два типа термистори: с отрицателен ТКС, чието съпротивление намалява с увеличаване на температурата и с положителен ТКС, чието съпротивление се увеличава с увеличаването на температурата.

Термисторите от двата типа се изготвят от полупроводникови материали, като диапазонът на изменение на ТКС е от -6,5 до +70%/°С. Работният температурен диапазон на съвременните термистори е разширен до 75 - 1275 К, което дава възможност да намират изключително широко приложение. За извършването на прецизни измервания се използват термистори с отрицателен ТКС.

Термодиоди, термотран-зистори и интегрални температурни сензори
Тези полупроводникови елементи обикновено се използват за измерване на температура в диапазона от -80° до 150 °С. При тях се използва зависимостта на съпротивлението на p-n прехода от температурата. Предимство на тези елементи е бързодействието и големият диапазон, в който предавателната им функция е линейна.

Елементи на системите за мониторинг и контрол на температура
Различните системи за наблюдение и контрол на температурата може да имат различни елементи в структурата си, но в повечето от случаите те съдържат сензор за температура, измервателно устройство, база за съхранение на данни, програмно осигуряване и средства за известяване. Вече бяха разгледани най-често използваните измервателни преобразуватели, които намират приложение в тези системи.

Средствата за измерване на температура, които са част от система, са свързани със сензорите и измерват и записват получената информация в тяхна вътрешна памет или външно устройство за съхранение на данни. Това се прави от регистри на данни, които са електронни устройства, обикновено не по-големи от длан и с ниска цена, които са предназначени да събират и съхраняват част или всички стойности на измерваната величина независимо от компютъра.

По този начин устройството може да запише данни от измервателна процедура навсякъде и те по-късно да бъдат свалени на компютър. Тези регистри са надеждни и точни. Те позволяват в тях да се впишат входни параметри и гранични стойности, които системата да следи и съответно да известява при наличие на събитие, например преминаване на максимално зададената температура.

Важен параметър при тях е честотата на запис, т. е. през какъв интервал от време да се записва измервателната информация. Изборът зависи най-вече от приложението на системата. При някои индустриални процеси записи трябва да се правят много по-често, отколкото при други.

Друг критерий на избор е консумацията на енергия. Обикновено устройствата се захранват от батерия и по-високата честота на запис означава по-бързо изтощаване на батерията. Повечето регистри на данни могат да записват данни с честота 1 Hz (един път в секунда). Обикновено такава честота се използва рядко, особено като се има предвид, че в повечето случаи процесите на загряване и охлаждане са с голяма времеконстанта.

Тук трябва да се има предвид и бързодействието на измервателния преобразувател, който сме избрали, т.е. не може да се записват данни по-бързо от времето за установяване на предавателната функция на сензора. Комуникацията с тези устройства се извършва посредством почти всички видове интерфейси, включително серийните RS232 и USB или Ethernet.

Използват се безжични връзки като радиочестотна трансмисия, GPRS/GSM модеми и дори сателитни модеми. По този критерий съществуват три основни типа регистърни устройства - преносими, самостоятелни модели, мрежови модели и модели с възможност за безжична комуникация.

Самостоятелните модели не изискват свързаност с компютър или други външни устройства, за да се направят записите. В този смисъл те са доста по-гъвкави и преносими, в сравнение със системите за събиране на данни (DAQ системи или DAS), които обикновено изискват връзка с компютър. Тези модели обикновено са снабдени и с LCD монитор, на който се изписва необходимата информация за стойността на измервания параметър, границите и предупрежденията, заложени от граничните условия.

Мрежовите модели са в контраст със самостоятелните и предоставят възможност за автоматично препращане на данните към компютър. Те са свързани с LAN или директно изпращат информацията по Интернет чрез Етернет връзка или Wi-Fi интерфейс.

Безжичните модели представляват най-голям интерес в днешно време и позволяват изпращане на измервателната информация безжично към базова станция или портал, а оттам до компютър пространствено отдалечен на стотици километри.

Такива безжични системи се използват, когато има различни, отдалечени една от друга точки, в които трябва да се измери температурата; при трудно или скъпо жично свързване на точките за измерване с центъра за обработка на данните; в случай че измервателната информация трябва да се предава от движещ се в процеса на измерване обект.

Някои от основните характеристики на такива безжични системи са обхватът на безжичната мрежа, честотата на обновяване и цена. Те имат връзка с избора на прилаганата технология. В зависимост от приложението може да се наложи събиране на измервателна информация няколко минути или няколко месеца, дори години.

Размерът на базата за съхранение на данни се определя, като се умножи броят на измервателните канали по честотата на записа и времето за запис или:
Общ брой точки = Брой канали x Честота на записа x Време за запис

В зависимост от вида на използвания регистър ограниченията може да са съществени, ако вътрешната памет е малка, при което се налага разширяване най-често чрез допълнителна USB памет. От значение е практическото приложение и широчината на анализа, който трябва да бъде извършен. Неправилното определяне на необходимия брой точки за запис не само може да препълни излишно базата данни, но и да забави и затрудни значително анализа на данните от измерването. Най-разпространени са четири „пространства“ за съхранение на данни:

Вътрешно – вътрешната памет на регистрите, която обикновено до голяма степен е ограничена, а някои регистри дори нямат такава и изискват използването на карти памет.
Локален портал – безжичен портал, който автоматично събира и предава данни към мрежата или компютър.
Компютър – най-използваното и най-евтино средство за съхранение на данни.
Облак – сравнително нова технология за съхранение на данни, която позволява на по-усъвършенстваните системи да изпращат данните директно в облака. Този метод е много удобен, когато се налага няколко потребители да имат едновременно достъп до тези данни.
Управлението на базата данни, интерфейсите, устройствата в системата и дори цялата функционалност на системата се извършва чрез подходящо програмно осигуряване.

Софтуерът е сърцето на системата за мониторинг и контрол на температурата. Той обработва и визуализира измервателната информация, помага на потребителя при извършването на настройките на системата и конфигурирането на устройствата и връзките между тях, осъществява връзката с крайния потребител, като го води при изпълнението на процедурите и, не на последно място, следи за грешки и сривове в системата и предупреждава.

Повечето системи за мониторинг и контрол на температура са снабдени със средства за известяване. Тези средства може да са LED индикатори, които известяват за преминаване на заложените гранични стойности на температурата. Светлинният сигнал може да е придружен и със звуков.

По-сложните средства автоматично изпращат електронно съобщение до електронната поща или смарт телефона. Някои дори изпращат данните директно към обезопасен сървър в облака, при което се изпраща телефонно обаждане при поява на критично събитие.

Безжични сензорни системи за мониторинг и контрол на температура
Безжичните технологии са все по-предпочитано решение за изграждане на системи за наблюдение и контрол в индустрията. Основа на тези системи са т. нар. безжична сензорна мрежа (WSN) - разпределена система, която се състои от пространствено разпръснати сензори за мониторинг и записване на физическите условия на околната среда, и организира събирането на измервателна информация на по-централно място.

Този тип мрежи измерват условия на околната среда като температура, звук, нивата на замърсяване, влажност, скорост и посока на вятъра, налягане и др. Обикновено една такава мрежа се състои от няколкостотин до хиляди сензорни възли. Апаратното осигуряване включва радиоприемник заедно с антена, микроконтролер за взаимодействие електронна схема и източник на енергия, обикновено батерия.

Размерът на възлите на сензора може да варира от размера на кутия за обувки до големината на прахови частици. Техните цени също се различават в зависимост от параметрите и функционалността на сензора като потреблението на енергия, изчислителна скорост на скорост, трафик и памет.

Архитектурата на мрежата има три основни компонента: възли, портали и софтуер. Пространствено разделените измервателни възли са свързани със сензори за мониторинг на средата. Събраните данни се предават безжично към портали, които могат да работят самостоятелно или да са свързани в хост система, където данните от измерването се събират, обработват, анализират и визуализират с помощта на подходящо програмно осигуряване.

Маршрутизаторите са специален вид измервателни възли, които се използват, за да се разшири обхватът на безжичната мрежа, а така също и нейната надеждност.
Безжичните системи за наблюдение и контрол на температурата (WTMS) осигуряват 24/7 онлайн следене на температурата на критичните точки.

Непрекъснатият мониторинг осигурява средства за оценка на текущото състояние на оборудването и откриване на аномалии на по-ранен етап. С използването на безжична технология се елиминира необходимостта от специални кабели и се осигуряват по-ниски разходи за монтаж в сравнение с други видове онлайн оборудване за мониторинг на състоянието.

Тези системи имат следните предимства:
• Осигуряват непрекъснат онлайн мониторинг на критичните точки на свързване – точките, в които са поставени сензорите;
• Мониторират няколко точки едновременно;
• Своевременно откриват условия в несъответствие с нормалните, при което се извършва: ранно предупреждение чрез средства за известяване на няколко нива и се предприемат действия за предотвратяване на бъдещи сривове;
• Удължават интервалите за поддръжка;
• Лесна инсталация и ниска цена;
• Отворена комуникационна мрежа.

Принципът на работа се състои в безжично предаване на данни от сензора към намиращ се наблизо приемник, като най-често това се извършва по радио-канал. Приемникът е свързан с компютър чрез сериен интерфейс или Етернет връзка. Компютърът компилира, анализира и отчита данните от измерванията чрез подходящ софтуер. Обработената информация се разпространява по описаните начини към крайните потребители.

Отново тук ще подчертаем ролята на софтуера. Революция в съвременните системи от този тип се състои именно във внедрения в тях софтуерен пакет, който сам конфигурира интерфейсните връзки между възлите в системата, което е значително улеснение и вече не се изисква персонал със специални познания в сферата на телекомуникациите и софтуерното инженерство.