L'intégrité du capteur garantit la précision des mesures de température

Qu'il s'agisse de mesurer ou de contrôler la température, tout commence par le capteur. De meilleurs capteurs permettent de meilleures mesures de processus. Cette fonctionnalité est apparue à l'origine dans le numéro de mai 2022 d'InTech Focus Temperature & Pressure.

Bien que toutes les applications de température ne soient pas des mesures de haute précision, les meilleures pratiques peuvent être appliquées pour éliminer la dérive du capteur au début d'une installation. Cela aide les utilisateurs à obtenir des résultats optimaux tout en évitant les temps d'arrêt ou les dépannages qui pourraient résulter d'une dérive future pendant le fonctionnement. Plusieurs facteurs influencent la précision du système de température : précision du capteur individuel, câble d'extension et appareils de mesure. Lorsque vous vous lancez dans un projet impliquant la mesure ou le contrôle de la température, tenez compte de ces règles empiriques de base :

Les capteurs de température les plus courants acceptables pour la mesure et le contrôle de la température comprennent les thermocouples, les détecteurs de température à résistance (RTD), les thermistances et les capteurs à base de semi-conducteurs. Seuls les T/C, les RTD et les entrées/sorties (E/S) distantes sont abordés ici.

Les thermocouples (T/C) sont les capteurs de mesure de température les plus couramment utilisés aux États-Unis pour le contrôle des processus. L'utilisation du T/C est une technologie éprouvée dans l'industrie. Ils sont robustes, relativement peu coûteux et faciles à utiliser.

Théoriquement, deux types de matériaux conducteurs différents pourraient être utilisés pour fabriquer un thermocouple. Cependant, seules quelques combinaisons sont utilisées. Les critères pour les combinaisons de matériaux choisies pour une utilisation dans les thermocouples comprennent l'ampleur de leur coefficient Seebeck relatif, la stabilité chimique, la stabilité métallurgique, la résistance, la ductilité et le coût. Il existe huit types de thermocouples standard établis aux États-Unis. L'American National Standards Institute (ANSI ) ont attribué des lettres à ces huit types : T, J, K, E, N, S, R et B (tableau 1). Les désignations sont basées sur la relation tension/température pour ces thermocouples. Les désignations ne sont pas basées sur leurs compositions. Les T/C construits selon la norme ASTM E230 sont plus précis. La norme ASTM E320 régit la précision des thermocouples.

Les capteurs à thermocouple construits selon la norme ASTM E230 sont plus précis. La norme ASTM E320 régit la précision des thermocouples, comme indiqué ci-dessous dans le tableau 2.

Les thermocouples peuvent être construits avec un fil de qualité supérieure ou spéciale qui réduit de moitié l'incertitude. La désignation premium/spécial indique que ce fil a un mélange d'alliage de pureté supérieure. Même avec des T/C de qualité supérieure/spéciale, Moore Industries recommande d'utiliser des RTD au lieu de T/C dans la mesure du possible, car leur précision, répétabilité et stabilité sont supérieures à celles des T/C. En comparant les données de précision entre le tableau 3 et le tableau 2, notez que l'incertitude est réduite de moitié en utilisant des capteurs de qualité supérieure. Si des T/C doivent être utilisés, le grade premium offre une plus grande stabilité à une différence de coût négligeable. Le problème régulièrement rencontré dans les thermocouples est la contamination des fils. Au fur et à mesure que la contamination se produit, l'erreur augmente progressivement jusqu'à un point nécessitant le remplacement du capteur.

Chaque fois que le fil d'extension du T/C est connecté à un T/C, il introduit plus d'incertitude dans la mesure (Tableau 4). Si le câble d'extension T/C est exposé à des températures en dehors des plages spécifiées, envisagez d'utiliser à la place un câble de thermocouple réel. En plus de l'incertitude, le câble d'extension T/C est sensible aux interférences de radiofréquence (RFI) et aux interférences électromagnétiques (EMI). Le fil d'extension pour les types de thermocouples J et K ajoute une autre incertitude de ±2,2 °C (±4,0 °F) lorsque le fil est propre et non contaminé. De plus, le fil d'extension T/C a tendance à se comporter comme une antenne pour RFI et EMI. Utilisez les meilleures pratiques pour empêcher le bruit perturbateur de ces signaux mV de bas niveau. Le fil d'extension T/C se dégradera jusqu'au point de remplacement ; le remplacer par plus de fil d'extension perpétue la boucle de remplacement du fil d'extension T/C. Cependant, le fil d'extension T/C de qualité supérieure réduit de moitié l'erreur potentielle et doit être sélectionné. Si le fil d'extension est sollicité en étant exposé à des températures en dehors des limites indiquées dans le tableau 3, l'incertitude augmentera. Le fil d'extension de qualité supérieure permet toujours la possibilité d'erreur une fois que les métaux sont contaminés par des influences aéroportées. Il est recommandé d'éliminer le fil d'extension du T/C aussi près que possible du T/C en installant des transmetteurs de température ou des E/S à distance.

Il existe des options qui permettent d'éliminer le fil d'extension T/C, ce qui permet de garantir des mesures fiables. Parmi les options figurent les transmetteurs de température, qui peuvent poser des problèmes de coût, et les transmetteurs d'E/S à distance. en envoyant des mesures de température, une surveillance de processus et des signaux de contrôle entre le terrain et la salle de contrôle sur une seule liaison de communication numérique. Les technologies associées, telles que les modules concentrateurs de température (TCM) et les convertisseurs transmetteur/signal de température, ont des entrées programmables configurables pour RTD, T/C, Ohms, mV ou potentiomètre, et courant ou tension, selon le type de module spécifique. Les sorties prennent souvent en charge HART, PROFIBUS PA, FOUNDATION Fieldbus, MODBUS RTU, etc.

Le fil RTD est un matériau pur, généralement du platine, du nickel ou du cuivre. Le matériau a une relation résistance/température précise, qui est utilisée pour fournir une indication de température. Les éléments RTD sont normalement logés dans des sondes de protection en acier inoxydable isolées et isolées de la gaine de protection avec de l'oxyde de magnésium. Les éléments de détection RTD communs construits en platine, cuivre ou nickel ont une résistance reproductible par rapport à la température (R contre T) et la plage de température de fonctionnement. La relation R contre T est définie comme la quantité de changement de résistance du capteur par degré de changement de température. La variation relative de la résistance (coefficient de température de la résistance) ne varie que légèrement sur la plage utile du capteur.

Moore Industries vieillit thermiquement tous ses RTD pour minimiser la dérive une fois qu'ils entrent sur le terrain. Les RTD sont cyclés en température pendant 1 000 heures à 0° et 600°C et conserveront leur précision pendant plus de cinq ans. En règle générale, seuls les capteurs de classe A sont vieillis thermiquement. Tout comme il est recommandé d'utiliser un fil T/C de qualité supérieure pour les mesures de thermocouple, il est également suggéré de passer aux capteurs RTD de classe A, ce qui réduit de moitié l'incertitude.

Lorsqu'une application particulière exige la plus grande précision possible, Moore recommande de commander un système de mesure de la température avec étalonnage du bain. Un capteur RTD de classe A est étalonné dans un bain pour l'étalonner sur le transmetteur ou l'appareil de mesure d'E/S à distance. Ce processus élimine l'erreur de décalage finale "tel que construit" qui existe dans chaque capteur. Vous recevez ensuite un rapport d'étalonnage traçable NIST qui indique l'incertitude combinée du capteur et du transmetteur de température, qui est généralement meilleure que ±0,01 °F.

Le "secret" RTD en platine de 1 000 Ω. Si vous devez rester avec des RTD à 3 fils et que vous avez de longs câbles de retour vers le DCS, envisagez de remplacer les RTD Pt 100 Ω par des RTD Pt 1 000 Ω. Lorsque cela est fait, l'erreur causée par le déséquilibre de résistance dans le fil conducteur est réduite d'un facteur 10.

Pour optimiser les performances de mesure et minimiser les dépenses de maintenance à long terme, utilisez le guide suivant pour la sélection des capteurs :

Toutes les mesures de température, qu'elles soient utilisées pour l'indication de la température ou le contrôle de processus, commencent par le capteur. Les thermocouples et les RTD sont les capteurs de température les plus couramment utilisés dans les applications industrielles. Les transmetteurs de température, les E/S à distance et les modules de concentrateur de température éliminent les câbles d'extension T/C et RTD coûteux et autres câbles point à point en envoyant des mesures de température, une surveillance de processus et des signaux de contrôle entre le terrain et la salle de contrôle sur une communication numérique lien.Reportez-vous au manuel de référence de température de Moore Industries pour plus d'informations.Cette fonctionnalité est initialement apparue dans le numéro de mai 2022 d'InTech Focus Temperature & Pressure.

Gary Prentice est vice-président des ventes chez Moore Industries. Il gère toutes les activités et responsabilités de vente de l'entreprise, y compris la gestion des ventes directes des bureaux internationaux de Moore Industries situés au Royaume-Uni, en Belgique, aux Pays-Bas, en Chine et en Australie.

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