От простого к сложному: типы барьеров для термосопротивлений и их применение

Введение

Термосопротивления, или RTD (Resistance Temperature Detectors), являются одним из самых распространённых и точных средств для измерения температуры в промышленных условиях. От контроля процессов в химических реакторах до мониторинга температуры в холодильных камерах – они обеспечивают надёжные данные. Однако когда эти датчики используются в потенциально взрывоопасных зонах, возникает критическая задача: как обеспечить безопасность измерений, не допуская искрообразования? Решением этой проблемы являются барьеры искрозащиты, специально адаптированные для работы с термосопротивлениями. При необходимости барьер для термосопротивлений заказать, важно понимать, какие типы существуют и в каких случаях какой из них применять. В этой статье мы подробно рассмотрим различные виды барьеров для RTD, их принципы работы, а также ключевые преимущества и недостатки, которые помогут вам сделать правильный выбор. Эксперты Proen готовы предоставить свои знания и опыт, чтобы ваши системы работали безопасно и точно.

1. Термосопротивления (RTD): Особенности и Требования к Искрозащите

Чтобы корректно выбрать барьер, необходимо хорошо понимать специфику самого термосопротивления и требования к его безопасной работе.

Что такое RTD? Термосопротивление — это температурный датчик, принцип действия которого основан на изменении электрического сопротивления материала (обычно платины, никеля или меди) в зависимости от температуры. Наиболее распространёнными являются платиновые термосопротивления, такие как Pt100 (сопротивление 100 Ом при 0°C) и Pt1000 (сопротивление 1000 Ом при 0°C). Они ценятся за высокую точность, стабильность и широкий диапазон измеряемых температур.

Почему RTD требуют искрозащиты? Несмотря на то что токи, протекающие через термосопротивления, относительно малы, а напряжения невелики, электрическая цепь RTD всё равно может стать источником воспламенения во взрывоопасной среде. Это может произойти в случае:

• Короткого замыкания в кабеле или самом датчике.
• Обрыва цепи с последующим искрением при попытке её восстановления.
• Повреждения изоляции, приводящего к контакту с опасным напряжением. Все эти ситуации могут привести к образованию искры или нагреву поверхности до температуры, достаточной для воспламенения горючих газов, паров или пыли, присутствующих в воздухе. Именно поэтому RTD, установленные во взрывоопасных зонах, должны быть включены в искробезопасные цепи.

Специфика искрозащиты для RTD-цепей: В отличие от аналоговых токовых сигналов (например, 4-20 мА), которые работают с относительно большими токами, цепи термосопротивлений оперируют малыми токами и низкими напряжениями. Это делает их более чувствительными к:

• Электрическим шумам и помехам: Барьер должен обеспечивать чистую передачу сигнала, чтобы не искажать измерения.
• Длине и характеристикам кабеля: Сопротивление кабеля может значительно влиять на точность измерения RTD, особенно для 2-проводных схем. Барьер должен учитывать это влияние или минимизировать его.

Количество проводов RTD: Подключение термосопротивлений может осуществляться по 2-х, 3-х или 4-х проводной схеме. Это влияет на способ компенсации сопротивления соединительных проводов и, соответственно, на выбор барьера:

• 2-проводная схема: Простейшая, но наименее точная, так как сопротивление проводов добавляется к сопротивлению датчика. Барьеры должны быть способны компенсировать это или использоваться там, где высокая точность не критична.
• 3-проводная схема: Самая распространённая, обеспечивает компенсацию сопротивления проводов за счёт использования третьего провода. Большинство барьеров для RTD поддерживают эту схему.
• 4-проводная схема: Наиболее точная, полностью исключает влияние сопротивления проводов. Требует специализированных барьеров.

2. Шунт-Диодные Барьеры (Пассивные): Простое Решение для RTD

Шунт-диодные барьеры, часто называемые барьерами Зенера, представляют собой одно из самых распространённых и экономичных решений для искрозащиты RTD. Они относятся к пассивному типу, поскольку не требуют внешнего источника питания для своей работы.

Принцип работы: Основа шунт-диодного барьера — это стабилитроны (диоды Зенера) и резисторы. Стабилитроны ограничивают напряжение, «срезая» его излишки и отводя ток на специальное искробезопасное заземление, если напряжение превышает определённый порог. Резисторы ограничивают ток, проходящий через цепь. Таким образом, даже при возникновении неисправности в безопасной зоне (например, короткого замыкания или подачи высокого напряжения), энергия, поступающая во взрывоопасную зону, будет ограничена до безопасного уровня.

Схема подключения к RTD: Барьеры подключаются последовательно между RTD во взрывоопасной зоне и измерительным устройством (контроллером, ПЛК) в безопасной зоне. Для RTD с 3-х или 4-х проводными схемами подключения используются многоканальные шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают искрозащиту для каждой жилы.

Преимущества:

• Относительно низкая стоимость и компактность: За счёт простой конструкции, шунт-диодные барьеры обычно дешевле и занимают меньше места в шкафу по сравнению с активными аналогами.
• Простота конструкции и высокая надёжность: Отсутствие сложных электронных компонентов и внешнего питания делает их очень надёжными и долговечными.
• Не требуют отдельного источника питания: Это упрощает монтаж и снижает требования к электропитанию шкафа.

Недостатки:

• Критическая зависимость от качества искробезопасного заземления: Это самый существенный недостаток. Для корректной работы барьера необходимо обеспечить выделенное, очень низкоомное заземление (обычно сопротивление должно быть менее 1 Ом). Если заземление не соответствует требованиям, барьер не сможет эффективно отводить избыточную энергию, и искрозащита будет нарушена.
• Возможное влияние на точность измерения: Резисторы внутри барьера создают небольшое падение напряжения, что может незначительно влиять на точность измерения термосопротивлений, особенно для 2-х проводных схем. В высокоточных системах это может быть критично.
• Чувствительность к земляным петлям и электромагнитным помехам: Поскольку шунт-диодные барьеры электрически соединены с землёй, они более подвержены влиянию земляных петель и электромагнитных наводок, что может приводить к ошибкам в измерениях.
• Ограниченные возможности для преобразования или усиления сигнала: Эти барьеры в основном предназначены только для ограничения энергии и не могут выполнять функции преобразования типа сигнала (например, сопротивления в ток) или его усиления.

Когда выбирать шунт-диодный барьер для RTD: Этот тип барьера оптимален для проектов, где:

• Бюджет ограничен.
• Можно гарантировать безупречное искробезопасное заземление.
• Не требуются функции преобразования или усиления сигнала.
• Допускаются незначительные погрешности, или длина кабеля мала.

3. Барьеры с Гальванической Развязкой (Активные): Комплексное Решение для RTD

Барьеры с гальванической развязкой представляют собой более сложное, но зачастую более универсальное и предпочтительное решение для искрозащиты термосопротивлений, особенно в требовательных применениях.

Принцип работы: В отличие от шунт-диодных барьеров, устройства с гальванической развязкой не отводят энергию на заземление, а физически изолируют цепи безопасной и взрывоопасной зон. Это достигается с помощью трансформаторов, оптопар, или других изолирующих элементов, которые передают сигнал, но блокируют электрический ток. В случае неисправности в безопасной зоне, высокая энергия просто не может попасть во взрывоопасную зону из-за отсутствия прямого проводящего пути. Такие барьеры являются активными, так как требуют собственного внешнего источника питания.

Схема подключения к RTD: Барьеры с гальванической развязкой также устанавливаются между RTD и измерительным прибором. Они обычно имеют специальные входы для 2-, 3- или 4-проводных схем RTD и могут преобразовывать сигнал сопротивления в стандартный аналоговый (например, 4-20 мА) или цифровой выход.

Преимущества:

• Не требуют специального искробезопасного заземления: Это одно из ключевых преимуществ. Для их работы достаточно обычного функционального заземления, что значительно упрощает монтаж и снижает затраты на инсталляцию, особенно на объектах, где трудно обеспечить низкоомное искробезопасное заземление.
• Исключают проблемы с земляными петлями: Поскольку цепи гальванически развязаны, исключается возникновение земляных петель, которые являются частой причиной шумов и ошибок в измерениях. Это повышает помехоустойчивость и точность измерения температуры.
• Могут обеспечивать преобразование сигнала и его усиление: Многие гальванически развязанные барьеры являются также нормирующими преобразователями. Они могут преобразовывать нелинейный сигнал сопротивления от RTD в стандартный линейный аналоговый сигнал (например, 4-20 мА или 0-10 В), что упрощает его дальнейшую обработку в ПЛК или контроллерах. Они также могут усиливать слабые сигналы.
• Поддержка HART-протокола: Большинство современных активных барьеров поддерживают прозрачную передачу HART-сигнала, что позволяет удалённо настраивать и диагностировать интеллектуальные RTD-преобразователи, находящиеся во взрывоопасной зоне.

Недостатки:

• Более высокая стоимость: Гальванически развязанные барьеры, как правило, дороже шунт-диодных из-за более сложной внутренней электроники.
• Требуют отдельного источника питания: Это добавляет сложности к электромонтажу и требует дополнительных ресурсов (блоков питания, места в шкафу).
• Большая сложность внутренней конструкции: Хотя это редко влияет на пользователя, это может быть фактором при редких случаях неисправностей.

Когда выбирать барьер с гальванической развязкой для RTD: Этот тип барьера оптимален для проектов, где:

• Высокая точность измерений и помехоустойчивость критичны.
• Невозможно обеспечить идеальное искробезопасное заземление.
• Требуется преобразование, усиление сигнала или поддержка цифровых протоколов (HART).
• Бюджет позволяет инвестировать в более совершенное решение.

4. Выбор Барьера для Термосопротивлений: Ключевые Аспекты

Правильный выбор барьера для термосопротивлений требует внимательного анализа нескольких ключевых параметров.

• Соответствие типу RTD и схеме подключения: Убедитесь, что барьер предназначен для вашего типа RTD (Pt100, Pt1000 и т.д.) и поддерживает используемую схему подключения (2-, 3- или 4-проводную). Это критически важно для точности измерения.
• Искробезопасные параметры: Это основные параметры безопасности. Необходимо, чтобы максимальное выходное напряжение (Uo​), ток (Io​) и мощность (Po​) барьера были меньше соответствующих входных параметров (Ui​,Ii​,Pi​) подключаемого RTD. Также сумма емкости (Ci​) и индуктивности (Li​) RTD и соединительного кабеля должна быть меньше максимальной внешней емкости (Co​) и индуктивности (Lo​) барьера. Не забывайте о влиянии длины кабеля на его емкость и индуктивность.
• Сертификация: Барьер должен быть сертифицирован для той взрывоопасной зоны (например, Zone 1, Zone 0 для газов или Zone 21, Zone 20 для пыли) и температурного класса (T1-T6), где будет работать термосопротивление. Проверьте наличие соответствующих сертификатов (ATEX, IECEx, ГОСТ).
• Точность измерений: Оцените влияние барьера на общую погрешность измерительной цепи. Активные барьеры с преобразованием сигнала часто предлагают более высокую точность.
• Условия эксплуатации: Убедитесь, что барьер предназначен для работы в условиях окружающей среды в шкафу управления (температурный диапазон, влажность, наличие вибраций).
• Бюджет проекта: Сравните стоимость различных типов барьеров и их функционал. Иногда более дорогой активный барьер может оказаться экономически выгоднее в долгосрочной перспективе за счёт упрощения монтажа и повышения надёжности системы.

5. Практические Рекомендации по Применению

Выбор и установка барьера искрозащиты для термосопротивлений — ответственный процесс. Следуйте этим рекомендациям для успешной реализации:

• Оценка потребностей проекта: Чётко определите, какой тип RTD вы используете, какой диапазон температур необходимо измерять, какая точность требуется, и каковы условия во взрывоопасной зоне. Эти данные станут основой для выбора.
• Важность документации: Всегда, без исключений, внимательно изучайте техническую документацию как на сам барьер, так и на подключаемое термосопротивление и используемый кабель. Производители указывают все критически важные искробезопасные параметры и схемы подключения.
• Консультация со специалистами: Если у вас возникают сомнения или вопросы, не стесняйтесь обращаться за профессиональной помощью. Специалисты компании Proen обладают глубокими знаниями и опытом в области искрозащиты и смогут помочь вам подобрать оптимальное решение, соответствующее всем требованиям безопасности и эффективности. Они могут предоставить подробную информацию о продукции и её интеграции.

Заключение

Термосопротивления являются незаменимым инструментом для точного измерения температуры в промышленности. Однако их использование во взрывоопасных средах требует применения надёжных барьеров искрозащиты. Как мы увидели, существует два основных типа барьеров — шунт-диодные (пассивные) и с гальванической развязкой (активные), каждый из которых имеет свои уникальные преимущества и недостатки.

Выбор между «простым» шунт-диодным и «сложным» гальванически развязанным барьером зависит от множества факторов: требований к точности, необходимости заземления, сложности монтажа, бюджета и функциональных потребностей системы. Правильный выбор — это не просто следование инструкциям, а глубокое понимание принципов работы и тщательный анализ всех параметров. Инвестиции в надёжный барьер для термосопротивлений — это инвестиции в безопасность вашего персонала, защиту оборудования и бесперебойную работу технологических процессов. Доверяйте проверенным решениям и экспертам в этой области.