De temperatuurtransmitter is een elektronisch instrument dat veel wordt gebruikt op het gebied van industriële procescontrole. De kernfunctie ervan is het omzetten van de zwakke signalen die worden gedetecteerd door temperatuursensoren (zoals thermokoppels, thermische weerstanden, RTDS of thermistoren) in standaard industriële processignalen (de meest voorkomende zijn 4-20 mA DC-stroomsignalen of digitale signalen), en dit signaal vervolgens verzenden naar instrumenten, controllers, data-acquisitiesystemen of actuatoren die zich in de controlekamer of op afstand bevinden.
Het werkingsprincipe van een temperatuurtransmitter kan in de volgende belangrijke stappen worden samengevat:
Temperatuurwaarneming en ruwe signaalgeneratie:
Een temperatuursensor (meestal een thermokoppel of thermische weerstand zoals Pt100) komt in direct contact met het medium dat wordt gemeten om de temperatuurveranderingen waar te nemen.
Thermokoppel (T/C): Gebaseerd op het Seebeck-effect, wanneer er een temperatuurverschil is tussen twee verschillende metalen aan het meetuiteinde (hete uiteinde) en het referentie-uiteinde (koude uiteinde), wordt in het circuit een thermo-elektrisch potentieel (millivolt-niveauspanningssignaal, mV) gegenereerd dat evenredig is aan het temperatuurverschil.
Thermische weerstand (RTD): zoals Pt100, gebaseerd op de fysieke eigenschap dat de weerstandswaarde van de metalen geleider toeneemt bij stijgende temperatuur (positieve temperatuurcoëfficiënt). Temperatuurveranderingen zorgen ervoor dat de weerstandswaarde verandert (deze is bijvoorbeeld 100Ω bij 0 graden).
Thermistoren: Gebaseerd op het kenmerk dat de weerstandswaarde van halfgeleidermaterialen aanzienlijk verandert met de temperatuur, worden ze geclassificeerd in typen met een negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) en een positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC).
Signaalconditionering (belangrijke stap):
Versterking: het oorspronkelijke signaal dat door de sensor wordt gegenereerd (MV-niveauspanning of weerstandsveranderingen) is extreem zwak. Het elektronische circuit in de zender versterkt het eerst lineair tot een standaardniveau dat geschikt is voor daaropvolgende verwerking.
Compensatie voor het koude uiteinde (voor thermokoppels): Het thermo-elektrische potentieel dat door een thermokoppel wordt gegenereerd, is een functie van het temperatuurverschil tussen het hete uiteinde en het koude uiteinde (referentie-uiteinde, meestal gelegen aan de interne aansluiting van de zender). Om een nauwkeurig gemeten temperatuur te verkrijgen (ten opzichte van 0 graden), moet de zender de werkelijke temperatuur aan de terminal meten (koude eindtemperatuur), het thermo-elektrische potentieel berekenen dat moet worden gecompenseerd op basis van deze temperatuur, en dit over het oorspronkelijke signaal heen leggen (of een gelijkwaardig proces uitvoeren), waardoor de fout wordt geëlimineerd die wordt veroorzaakt door de verandering in de koude eindtemperatuur.
Linearisatie: De thermo-elektrische potentiaal/weerstand-temperatuurrelatie tussen thermokoppels en thermische weerstanden is geen perfecte rechte lijn, maar heeft een zekere mate van niet-lineariteit. De zender slaat gewoonlijk de linearisatiecurve op die overeenkomt met het sensortype binnenin (of berekent deze met behulp van een formule). Het versterkte/gecompenseerde signaal wordt gelineariseerd om de gemeten temperatuurwaarde direct en lineair weer te geven.
Laag-doorlaatfilter: het verwijdert hoog-frequente ruis die in het signaal aanwezig kan zijn (zoals elektromagnetische interferentie, trillingsinterferentie, enz.) om de stabiliteit en nauwkeurigheid van het signaal te verbeteren.
Signaalconversie
Zet het analoge signaal (spanning) dat is geconditioneerd (versterkt, gecompenseerd, gelineariseerd, gefilterd) en nauwkeurig de gemeten temperatuur weergeeft, om in een industrieel standaard uitgangssignaal.
Het meest gebruikte uitgangssignaal is het 4-20mA stroomsignaal: het omgezette stroomsignaal stroomt door de lus. Nultemperatuur of de ondergrens van het bereik komt gewoonlijk overeen met 4 mA, en de volledige temperatuur komt overeen met 20 mA. Waarom 4-20mA?
4mA nulpuntverschuiving: Het kan gemakkelijk echt effectieve lage signalen (4mA) onderscheiden van sensorontkoppelingslijnfouten (0mA).
Sterke anti-interferentie: Vergeleken met spanningssignalen zijn stroomsignalen niet gevoelig voor veranderingen in de draadweerstand en spanningsdalingen tijdens transmissie over lange- afstanden en is de kans kleiner dat ze worden gestoord door elektromagnetische ruis.
Twee-stroomvoorziening: veel zenders gebruiken een twee-draads ontwerp, dat wil zeggen dat ze tegelijkertijd stroom leveren en stroomsignalen verzenden via twee draden. De minimumwaarde van 4mA garandeert de minimale bedrijfsstroomvereiste van de zender zelf (gewoonlijk het "actieve nulpunt" genoemd).
Signaaloverdracht
Het geconverteerde standaardsignaal (zoals 4-20 mA) wordt via draden naar het externe uiteinde verzonden. Vanwege de gestandaardiseerde kenmerken kunnen controlekamers of PLCS en andere apparatuur dit signaal direct ontvangen en verwerken voor:
Geef de temperatuurwaarde weer (op de paneeltafel, DCS/SCADA-bedieningspaneel).
Invoer naar de controller (zoals een PID-controller) voor logische bewerkingen en regeling.
Opgeslagen in de historische database of gebruikt voor alarmbeoordeling.
Bestuur de actuator (als op temperatuur-gebaseerde regeling vereist is).
