หลักการทำงานของเครื่องส่งสัญญาณอุณหภูมิ

เครื่องส่งสัญญาณอุณหภูมิเป็นเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการควบคุมกระบวนการทางอุตสาหกรรม หน้าที่หลักคือการแปลงสัญญาณอ่อนที่เซ็นเซอร์อุณหภูมิตรวจพบ (เช่น เทอร์โมคัปเปิล ตัวต้านทานความร้อน RTDS หรือเทอร์มิสเตอร์) ให้เป็นสัญญาณกระบวนการทางอุตสาหกรรมมาตรฐาน (สัญญาณที่พบบ่อยที่สุดคือสัญญาณกระแส DC หรือสัญญาณดิจิทัล 4-20mA) จากนั้นส่งสัญญาณนี้ไปยังจอแสดงผลเครื่องมือ ตัวควบคุม ระบบเก็บข้อมูล หรือแอคชูเอเตอร์ที่อยู่ในห้องควบคุมหรือในระยะไกล

หลักการทำงานของเครื่องส่งสัญญาณอุณหภูมิสามารถสรุปได้เป็นขั้นตอนสำคัญดังต่อไปนี้:

การรับรู้อุณหภูมิและการสร้างสัญญาณดิบ:

เซ็นเซอร์อุณหภูมิ (โดยปกติคือเทอร์โมคัปเปิลหรือตัวต้านทานความร้อน เช่น Pt100) จะสัมผัสโดยตรงกับตัวกลางที่วัดเพื่อรับรู้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

เทอร์โมคัปเปิล (T/C) : ตามผลของ Seebeck เมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างโลหะสองชนิดที่แตกต่างกันที่ปลายการวัด (ปลายร้อน) และปลายอ้างอิง (ปลายเย็น) ความต่างศักย์ของเทอร์โมอิเล็กทริก (สัญญาณแรงดันไฟฟ้าระดับมิลลิโวลต์-, mV) จะเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิจะถูกสร้างขึ้นในวงจร

ความต้านทานความร้อน (RTD) : เช่น Pt100 ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพที่ค่าความต้านทานของตัวนำโลหะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น (ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก) การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิทำให้ค่าความต้านทานเปลี่ยนแปลง (เช่น 100Ω ที่ 0 องศา )

เทอร์มิสเตอร์: ขึ้นอยู่กับคุณลักษณะที่ว่าค่าความต้านทานของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญตามอุณหภูมิ เทอร์มิสเตอร์แบ่งออกเป็นประเภทค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ (NTC) และค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก (PTC)

การปรับสภาพสัญญาณ (ขั้นตอนสำคัญ):

การขยายสัญญาณ: สัญญาณดั้งเดิมที่สร้างโดยเซ็นเซอร์ (ระดับแรงดันไฟฟ้าหรือความต้านทานของ MV{0}} เปลี่ยนแปลงไปอ่อนมาก วงจรอิเล็กทรอนิกส์ภายในเครื่องส่งสัญญาณจะขยายเชิงเส้นเป็นระดับมาตรฐานก่อนซึ่งเหมาะสำหรับการประมวลผลในภายหลัง

การชดเชยปลายเย็น (สำหรับเทอร์โมคัปเปิล) : ศักย์เทอร์โมอิเล็กทริกที่สร้างโดยเทอร์โมคัปเปิลเป็นฟังก์ชันของความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายร้อนและปลายเย็น (ปลายอ้างอิง โดยปกติจะอยู่ที่ขั้วภายในของเครื่องส่งสัญญาณ) เพื่อให้ได้อุณหภูมิที่วัดได้แม่นยำ (เทียบกับ 0 องศา) เครื่องส่งสัญญาณจำเป็นต้องวัดอุณหภูมิจริงที่เทอร์มินัล (อุณหภูมิปลายเย็น) คำนวณศักย์เทอร์โมอิเล็กทริกที่ต้องได้รับการชดเชยตามอุณหภูมินี้ และวางซ้อน (หรือกระบวนการที่เทียบเท่า) เข้ากับสัญญาณต้นฉบับ ซึ่งจะช่วยขจัดข้อผิดพลาดที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิปลายเย็น

การทำให้เป็นเส้นตรง: ความสัมพันธ์ระหว่างศักย์ไฟฟ้า/ความต้านทานเทอร์โมอิเล็กทริก-ระหว่างเทอร์โมคัปเปิลและตัวต้านทานความร้อนไม่ใช่เส้นตรงที่สมบูรณ์แบบ แต่มีความไม่เชิงเส้นในระดับหนึ่ง เครื่องส่งสัญญาณมักจะเก็บเส้นโค้งเชิงเส้นตรงที่สอดคล้องกับประเภทเซ็นเซอร์ไว้ภายใน (หรือคำนวณโดยใช้สูตร) สัญญาณที่ขยาย/ชดเชยจะถูกทำให้เป็นเส้นตรงเพื่อแสดงค่าอุณหภูมิที่วัดได้โดยตรงและเป็นเส้นตรง

การกรองความถี่ต่ำ-: จะกำจัดสัญญาณรบกวนความถี่สูง-ที่อาจมีอยู่ในสัญญาณ (เช่น สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า สัญญาณรบกวนการสั่นสะเทือน ฯลฯ) เพื่อเพิ่มความเสถียรและความแม่นยำของสัญญาณ

การแปลงสัญญาณ

แปลงสัญญาณอะนาล็อก (แรงดันไฟฟ้า) ที่ได้รับการปรับสภาพ (ขยาย ชดเชย เชิงเส้น กรอง) และแสดงอุณหภูมิที่วัดได้อย่างแม่นยำให้เป็นสัญญาณเอาต์พุตมาตรฐานอุตสาหกรรม

สัญญาณเอาท์พุตที่ใช้กันมากที่สุดคือสัญญาณกระแส 4-20mA: สัญญาณกระแสที่ถูกแปลงจะไหลผ่านลูป อุณหภูมิเป็นศูนย์หรือขีดจำกัดล่างของช่วงมักจะสอดคล้องกับ 4mA และอุณหภูมิเต็มสเกลสอดคล้องกับ 20mA ทำไมต้อง 4-20mA?

ออฟเซ็ตศูนย์ 4mA: สามารถแยกแยะสัญญาณต่ำที่มีประสิทธิภาพอย่างแท้จริง (4mA) ออกจากข้อบกพร่องของสายขาดการเชื่อมต่อของเซ็นเซอร์ (0mA) ได้อย่างสะดวก

การป้องกัน-การรบกวนที่รุนแรง: เมื่อเปรียบเทียบกับสัญญาณแรงดันไฟฟ้า สัญญาณปัจจุบันไม่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงความต้านทานของสายไฟและแรงดันไฟฟ้าที่ตกในระหว่างการส่งระยะไกล- และมีโอกาสน้อยที่จะถูกรบกวนจากสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า

แหล่งจ่ายไฟแบบสอง-: เครื่องส่งสัญญาณจำนวนมากใช้การออกแบบแบบสายไฟสอง- กล่าวคือ ให้พลังงานและส่งสัญญาณปัจจุบันพร้อมกันผ่านสายไฟสองเส้น ค่าต่ำสุด 4mA ช่วยให้มั่นใจได้ถึงข้อกำหนดกระแสไฟฟ้าในการทำงานขั้นต่ำของเครื่องส่งสัญญาณ (โดยทั่วไปเรียกว่า "จุดศูนย์ที่ใช้งานอยู่")

การส่งสัญญาณ

สัญญาณมาตรฐานที่แปลงแล้ว (เช่น 4-20mA) จะถูกส่งไปยังปลายระยะไกลผ่านสายไฟ เนื่องจากมีลักษณะมาตรฐาน ห้องควบคุมหรือ PLCS และอุปกรณ์อื่นๆ จึงสามารถรับและประมวลผลสัญญาณนี้ได้โดยตรงสำหรับ:

แสดงค่าอุณหภูมิ (บนโต๊ะแผงควบคุม สถานีควบคุม DCS/SCADA)

อินพุตไปยังคอนโทรลเลอร์ (เช่น คอนโทรลเลอร์ PID) สำหรับการดำเนินการและการควบคุมเชิงตรรกะ

เก็บไว้ในฐานข้อมูลประวัติหรือใช้สำหรับการตัดสินสัญญาณเตือน

ขับแอคทูเอเตอร์ (หากจำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิ-)