Pro přímé použití bezkontaktních senzorů teploty v průmyslu jsou nejvhodnější již kompletní odolně zapouzdřené senzory s optikou a již upraveným výstupem vhodný pro přímé napojení do automatizačních systémů (PLC). Takové senzory obsahující infratermočlánky (thermopile senzory) jsou v nabídce firmy Omega.

V návaznosti na již dříve uvedený teoretický článek "Thermopile sensors = radiační pyrometry" na stránkách serveru automatizace.HW.cz, se v tomto článku zaměřím na praktické vestavné senzory firmy Omega pro bezdotykové (bezkontaktní) měření teploty v průmyslu.

Samotný infratermočlánek jako integrovaný obvod je věc jedna, ale pro samotné bezdotykové měření teploty je takový snímač nutné ještě doplnit o optickou část, která provádí zaměření infračervených paprsků na samotný snímač a pak hlavně vyhodnocovací obvody, které umožní celý senzor přímo připojit například k PLC. Navíc je nutné celý senzor zapouzdřit do vodě i prachu odolného pouzdra tvaru vhodného pro okamžité upevnění například do výrobní linky. Pro ukázky současné produkce na poli již kompletních senzorů s výše uvedenými parametry jsem vybral výrobky z široké nabídky firmy Omega.

Vlastnosti dnešních kompletních senzorů s infratermočlánky

• Senzor a zařízení s infratermočlánky pokrývají měřený teplotní rozsah -45 až 2760°C
• Dosahují přesnosti až 0.01°C
• Vestavné senzory s výstupy simulujícími klasické termočlánkové rozhraní J, K, T, E, R a S
• Tradiční analogové napěťové výstupy 0-5 nebo 0-10 V nebo proudová smyčka 4-20 mA
• Podporované hodnotyzorného pole 1:2 až 100:1
• Minimální snímaná oblast (skvrna) 1 mm ze vzdálenosti 4 až 12 mm
• Napájení napětím 12 až 24 V

• Umožňuje měření teploty pohybujících se objektů (rotujících součástí, výrobků na dopravnících apod.).
• Bezpečné měření na nebezpečných nebo nesnadno dostupných objektech (součásti pod elektrickým napětím, pohyblivé součásti, vzdálené objekty).
• Měření v potravinářství je naprosto hygienické.

Použití

• Detekce ohně a plamenů
• Detekce výbuchu
• Bezdotykové měření teploty
• Monitorování teploty procesů
• Měření teploty částí pohyblivých strojů
• Měření teploty v potravinářském průmyslu
• Detekce teploty výrobků na dopravním pásu
• Měření velmi vysokých teplot uvnitř pecí
• Měření teploty kapalných nebo pevných látek
• Spektrometrie
• Analýza plynů v průmyslu a Lékařské aplikace

Stručný úvod do konstrukce senzorů s infratermočlánky

Jak již bylo uvedeno v článku "Thermopile sensors = radiační pyrometry", celý princip bezdotykového měření teploty je obecně založen na fyzikálním principu vyzařování infračerveného elektromagnetického záření objektu o dané teplotě (viz. obrázek 1.). Vlnová délka záření je určována teplotou tělesa. Čím je teplota objektu vyšší, tím odpovídá maximální intenzita vyzařování nižším vlnovým délkám.

Toto záření je pak zachycováno snímačem použitým v senzoru, který ho převede na elektricky měřitelnou veličinu, kterou již dále zpracovávají analogové nebo digitální obvody uvnitř senzoru (viz. obrázek 2.). Před snímačem je obvykle umístěná optika senzoru, která směruje paprsky z určitého místa (úhlu) v prostoru na samotný IR snímač. Za snímačem často hned následuje zesilovač, který upraví slabý napěťový signál na úroveň vyšší, která je více odolná proti rušení (větší odstup signál/šum). Pak již se vyskytuje A/D převodník v případě digitálního zpracování a výstupu, nebo analogové linearizační a kalibrační obvody, které na výstupu doplňuje výkonový stupeň.

Materiál optiky senzoru však vždy z úží rozsah vlnových délek dopadající na IR snímač, protože každá optika se chová jako pásmová propust - viz obrázek 3. To tedy omezuje měřitelný teplotní rozsah měřeného objektu. Často se lze setkat s jednou řadou senzoru, kde existuje více typů pro různé teplotní rozsahy. To je obvykle hlavně dáno jinou použitou optikou před samotným snímačem.

Různé materiály použití v optice senzoru mají různé "okno", ve kterém propouštějí různé vlnové délky. Příklady materiálů používaných pro optiky bezkontaktních senzorů a jejich velikost "okna" jsou na obrázku 4. Někdy je u údaje o rozsahu měřitelných vlnových poznamenáno označení typu G a číslo (např. G5). Tato označení udává typ použité optiky senzorů, obvykle používané pro detekci přítomnosti plynů. Příklady rozsahů některých těchto oken jsou na obrázku 5.

Z pohledu podporovaných výstupů jsou v nabídkách firem, včetně firmy Omega, senzory s analogovým nebo digitálním výstupem, často v podobě, jako nabízejí například ultrazvukové nebo indukční senzory přiblížení. Tzn. takové výstupy, které jsou standardizované a široce podporované všemi PLC systémy nebo průmyslovými počítači. Příklad rozdělení je ve stromovém diagramu na obrázku 6.

Obr. 6. Rozdělení vestavných moderních senzorů - pyrometrů podle výstupů (detail)

Průmyslové thermopile senzory firmy Omega

Řada OS136 (OS136-1 a OS136-2)

Miniaturní bezdotykové teplotní čidlo/převodník zapouzdřené v nerezovém krytu s IP65 a s fixní hodnotou emisivity, umožňující rychlé a jednoduché měření bez nastavování během instalace nebo provozu. Miniaturní čidla jsou ideální pro měření v místech s obtížnou dostupností pro klasická dotyková čidla.

Vlastnosti:

• Měřitelný teplotní rozsah měřeného objektu: -18 až 202°C (OS136-1), 149 až 538 °C (OS136-2)
• Přesnost: 3% z měřené hodnoty nebo 4.4 °C
• Chyba opakovatelnosti: 1 % z měřené hodnoty
• Emisivita: 0.95
• Spektrální odezva: 5 až 14 µm
• Časová odezva: 150 ms
• Zorné pole (Vzdálenost vs. měřená oblast): 6:1 (tzn. 1 m kruhová plocha při 6 m vzdálenosti snímání)
• Rozhraní:
  • termočlánek typ K (OS136-x-K )
  • analogový výstup 10 mV/°C (OS136-x-MV-C)
  • napěťový signál 0-5 V (OS136-x-V1)
  • napěťový signál 0-10 V (OS136-x-V2)
  • proud. smyčka 4-20 mA (OS136-1-MA)
  => možnost přímého propojení s PLC
• Výstup fyzický: 1.8 m dlouhý stíněný kabel pro napájení i výstupní rozhraní dle typu senzoru
• Napájení: 12 až 24 V
• Pracovní rozsah teplot senzoru: 0 až 70 °C (bez přídavného chlazení), s chlazením až 200°C
• Pouzdro: průměr 19 mm (34"), délka 89 mm (3.5"), nerezová ocel - NEMA-4, IP65

Řada OS137

Kompaktní bezdotykový teplotní senzor/převodník pro širokou škálu aplikací s možností nastavení emisivity.

Vlastnosti:

• Měřitelný teplotní rozsah měřeného objektu: 0 až 100 °C (OS137-1), -18 až 260 °C (OS137-2), -18 až 538 °C (OS137-3)
• Přesnost: 1.5 % z naměřené hodnoty nebo 2°C
• Chyba opakovatelnosti: 1 % z naměřené hodnoty
• Emisivita: 0.4 až 1.0 (nastavitelná pomocí potenciometru)
• Spektrální odezva: 5 až 14 µm
• Časová odezva: 150 ms
• Zorné pole (Vzdálenost vs. měřená oblast): 10:1
• Výstupy: termočlánek typ K, analogový výstup 10 mV/°C, signál 0 až 5 V, proud. smyčka 4-20 mA
• Výstup fyzický: 1.8 m dlouhý stíněný kabel pro napájení i výstupní rozhraní dle typu senzoru
• Napájení: 12 až 24 V
• Pouzdro: průměr 25.4 mm (1"), délka 127 mm (5"), nerezová ocel - NEMA-4, IP65

OS36 (OS36-2, OS36-5, OS36-10)

Kompaktní infračervený bezdotykový teplotní senzor pro měření teploty v úzkém rozsahu teplot a se standardními výstupy klasických termočlánků. Výhodou jsou nízké ceny a náklady.

Vlastnosti:

• Měřitelný teplotní rozsah měřeného objektu: –18 až 27°C, 10 až 49°C, ... 170 až 250°C (dle zvoleného konkrétního typu)
• Přesnost: 1.5 % z naměřené hodnoty
• Chyba opakovatelnosti: 1 % z naměřené hodnoty
• Předpokládaná emisivita: 0.8 až 1.0
• Spektrální odezva: 6.5 až 14 µm
• Časová odezva: 80 ms
• Zorné pole: 60° (definováno do vzdálenosti 12.7 mm)
• Výstupy: jako termočlánek typu J, K, T, E, výstupní odpor 3kΩ
• Pracovní teplotní rozsah: -18 až 85°C (bez kompenzace studeného spoje) nebo až 538°C (při chlazení vodou)
• Pouzdro: průměr 12.7 mm, délka 44.5 mm , nerezová ocel se silikonem, hermeticky uzavřeno

 

Závěr

Uvedené typy senzorů je možné použít v libovolné aplikaci, kde vyhovují jejich parametry. Nerezové provedení pouzder i vysoký stupeň krytí umožňuje nasazení i v agresivním prostředí strojírenského průmyslu. Provedení pouzder se závitem je navíc možné použít klasických držáků vhodná i pro jiná čidla jako jsou ultrazvukové nebo indukční. Bližší informace o parametrech i použití těchto i dalších senzorů pak doporučuji navštívit české stránky firmy Omega. Obecné informace o thermopile senzorech, tj. infratermočlánkách, lze najít v článku "Thermopile sensors = radiační pyrometry" na stránkách serveru automatizace.HW.cz.

 

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy Omega - www.omega.com
• Domovská stránka distributora v ČR - www.omegaeng.cz, www.newport.cz
  
  
• Obecný článek o thermopile detektorech a principu pyrometrie
• Článek o bolometrech a mikrobolometrech
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz