Diagnose en oplossing van afwijkingen bij temperatuurmeting: sensoren, thermische inertie, weerstand van de lijn en instellingen van transformatoren

1. Beschrijving van het probleem en de toepassingsgebied

Verschillen in temperatuurmeting in industriële processen van ondernemingen in Oekraïne (naftachimie, energie, machinebouw) leiden tot storingen in technologische processen, productafwijkingen en noodstoppingen. Door "metingsverschil" wordt verstaan een afwijking van de temperatuurwaarde die wordt weergegeven op de automatiseringssysteem (DCS/PLC), van de werkelijke technische parameter meer dan de toegestane fout van het kanaal.

Toepassingsgebied: Temperatuurcontouringen van brandstoftoestellen, chemische synthesereactoren, hydraulische pressen, extruders en smeringssystemen van turbinesets.

Classificatie van kritischheid:

• Kritisch: Afwijking > 5,0 °C op temperaturen boven 300 °C in explosiegevaarlijke zones (Ex) of ketelveiligheidscontouren (volgens de regels van Dержпраці та EN 12952).
• Zeer belangrijk: Afwijking van 2,0 °C tot 5,0 °C in thermische behandeling of chemische synthese, wat leidt tot drift in productkwaliteit.
• Minoor: Afwijking 0,5 °C - 2,0 °C in de bijgevoegde systemen (koelwater, ventilatie).

2. Veiligheidsmaatregelen

WAARSCHUWING: Voordat u de diagnostiek en onderhoud van meetkortingen uitvoert, voer de Lockout/Tagout (LOTO)-procedure uit. Alle werkzaamheden op technologisch uitgerust apparatuur onder druk of in warme omgevingen vereisen het gebruik van een volledig set beschermende kleding (thermische handschoenen, beschermende bril met zijbescherming, speciaal kleding met brandbestendig impregneerdenk aan de standaard EN ISO 11612).

ELEKTRISCHE VEILIGHEID: Controleer de afwezigheid van spanning op de aansluitklemmen van de converter voor demontage. In explosiegevaarlijke gebieden (zone 1, zone 2) is het verboden om de dekkingen van de aansluitkasten open te maken onder spanning zonder toestemming voor vuurvrij/iskloofvrij werk (werkorder).

ENERGIE PROCES: Wees voorzichtig met het overblijvende druk in de beschermende buis (thermoklepel). Demontage van de temperatuursensor bij onverwerkte druk leidt tot het vrijkomen van heet stoom of chemicaliën (bar, temperatuur hoger dan 100 °C).

3. Noodzakelijke diagnostische gereedschappen

4. Beginchecklist voor de beoordeling

5. Systeematische blokschema voor diagnose

• Symptoom A: Constante verschuiving van de temperatuurindicatie (vaste fout boven de norm).
  • Controleer de sensorsoort in de converterconfiguratie.
    • Indien niet overeenkomt (bijvoorbeeld Pt100 in plaats van Pt1000 of Europese curve α=0.00385 in plaats van Amerikaanse α=0.00392): Corrigeer de converterconfiguratie.
    • Als het overeenkomt: Controleer de lijnweerstand (voor een 2-kabelschema Pt100).
• Symptoom B: Traag reageren op temperatuurverandering (thermische tril).
  • Controleer de aanwezigheid en toestand van de thermische pasta (of olie) in de beschermende buis.
    • Indien de pasta is opgedroogd of afwezig: Spoel de buis af, en leg een hoge warmtegeleidende siliconenpasta (> 2.5 W/m·K) toe.
    • Als de pasta op zijn plaats is: Controleer de inbeddingsdiepte van de sensor (minimaal 10-15 diameter van de buis om warmteverlies via de wanden te voorkomen).
• Symptoom B: Sprongen en chaotische schommelingen van de metingen (ruis).
  • Controleer de scherming van de kabel en de aarding.
    • Indien de scherming aan beide uiteinden is afgeardeerd: Verwijder de aardlus, laat de aarding alleen van de kant van de regelaar (DCS).
    • Als het scherm niet aarded: Verbind het scherm met een speciale aardingssnoer van de bedieningskast.

6. Matrix van storingen en oorzaken

7. Oorzaananalyse voor elke type storing

7.1. Invloed van de lijnweerstand van resistieve temperatuurmetingen (RTD)

Waarom gebeurt dit: Bij het gebruik van een tweeaderige aansluiting van Pt100/Pt1000-sensoren wordt de weerstand van de koperdraden van het kabel toegevoegd aan de weerstand van het platina-sensor. Volgens de norm DSTU EN 60751 leidt een verandering van de lijnweerstand van 1 ohm tot een meetfout van ongeveer +2,6 °C voor Pt100. Bij verandering van de temperatuur van het omgevingsmedium verandert de weerstand van het kabel ook (de temperatuurcoëfficiënt van koper bedraagt ongeveer 0,4% per 1 °C).

Hoe te bevestigen: Verbind de kabels af van de aansluitingen van de converter. kortsluit de draden aan het einde dicht bij de sensor. Meet de totale weerstand van de lus met een precisie multimeter in 4-kabelweerstandsmeting (of brug). Als de weerstand van de lijn boven 0,1 Ohm ligt voor precisieklassen A, is dit een foutbron.

Gevolgen: Verhoogde temperatuurindicaties in het besturingsysteem, wat leidt tot vroegtijdig activeren van de beveiliging of een verminderde productie vanwege een onjuist modusbeperking.

7.2. Fouten bij het kiezen en aansluiten van thermoelementen (TC) en compensatiekabels

Waarom dit gebeurt: Thermoelementen (bijvoorbeeld type K - Chromel-Alumel) vereisen voor het overbrengen van een signaal speciale compensatie (verlengings)kabels van materialen waarvan de thermische EMK overeenkomt met de materialen van het thermoelement in het temperatuurbereik van het omgevingsmedium (standaard DSTU EN 60584-3). Het gebruik van een gewoon koperkabel leidt tot het ontstaan van nieuwe "koude solderingen" in de aansluitingen, die niet worden gemonitord door de interne temperatuurcompensatie van de koude soldering (CJC) van de converter.

Hoe te bevestigen: Voer een controle uit met een magneet (de draden van een thermoelementkabel hebben vaak specifieke magnetische eigenschappen, verschillend van koper) of open de klemkast en controleer de verdeling van de thermoelektrische kracht met een proceskalibrator.

Gevolgen: Aanzienlijk te laag of te hoog (tientallen graden), wat de operator volledig verwarrend is en tot een apparaatfout kan leiden.

7.3. Thermische traagheid via luchtspleten in beschermende buisjes

Waarom gebeurt dit: Thermoelektrische sensoren worden geïnstalleerd in beschermende buisjes (thermokleppen) om bescherming te bieden tegen agressief milieu en druk. Als de buisdiameter van de sensor (bijvoorbeeld 6 mm of 8 mm) kleiner is dan de buitendiameter van het buisje, of als de thermogel verbrand is / versleten, ontstaat er een luchtslaaf tussen de buiswand en de sensor. Lucht is een slecht warmtegeleider (warmtegeleidingsvermogen ongeveer 0,026 W/m·K), wat de reactietijd van de sensor ($ au_{90}$) verlengt van enkele seconden naar enkele minuten.

Hoe te bevestigen: Gebruik een infraroodbeeldvormer om de temperatuurgradiënt op de uiteinde van de beschermingsslang ten opzichte van de buis te beoordelen, of vergelijk de reactiesnelheid van de standaardsensor met een sterrenvormig testreferentiesensor die parallel is geïnstalleerd.

Gevolgen: Vertraging bij reactie op temperatuurtransitieprocessen in het technologische circuit, wat leidt tot oververhitting of overkoeling van het uitrusting tijdens start en belastingverandering.

7.4. Fouten in configuratie en elektromagnetische storingen (EMC) in stroomkringen 4-20 mA

Waarom gebeurt dit: Onjuiste instellingen van de onder- en bovengrens van de schaal (LRV / URV) in een slimme (HART) meetconverter. Bijvoorbeeld, de schaal is ingesteld op 0-200 °C, terwijl in plaats daarvan een sensor met een bereik van 0-400 °C is aangesloten. Daarnaast veroorzaakt de verlaging van de signaalbeveiligingskabel in hetzelfde kastje met frequentieomzetters storingen die het resultaat van het digitaal-analoge conversie verschuiven.

Hoe bevestigen: De configuratie van de converter lezen met behulp van een HART-modem en configuratieprogramma (bijvoorbeeld PACTware of AMS Device Manager). De stroomniveau op de aansluitingen van de converter controleren met behulp van een oscilloscoop.

Gevolgen: Constante systematische fout van de schaal of chaotische sprongsgewijze verandering van de metingen (jitter).

8. Stappenplan voor foutopsporing

Procedure 1: Overgang van 2-kabels naar 3- of 4-kabels aansluiting RTD

1. LOTO uitvoeren: stroomvoorziening van de automatische laag en de meetconverter uitschakelen.
2. Demonteer de oude tweewijzige kabel van de sensor naar de aansluitkast (of gebruik de beschikbare vrije draden van het meervoudige kabel).
3. Proklaad een geschermd kabel met een minimale geleiderdoorsnede van 1,0 mm² (bijvoorbeeld LiYCY-SB).
4. Aansluiten van de geleiders volgens de 4-kabelsinstallatie (of 3-kabelsinstallatie, indien de converter geen 4 kabels ondersteunt) volgens de aansluiting op het converterkastje: twee geleiders naar de sensorenuitgangen, twee compensatiegeleiders voor het meten van de lijnweerstand.
5. De converter herconfigureren met behulp van een HART-communicaator of software, door de parameter "Connection Type: 4-wire" in te stellen.
6. Voer de voeding in, geef een testsignaal van de kalibrator en controleer nul en volle schaal. Afwijking moet kleiner zijn dan ±0,1 °C.

Procedure 2: Verwijderen van thermische trillingsinertie en invullen van de buis

1. LOTO van de technologische lijn uitvoeren. Controleer dat de druk in de leiding 0 bar is en de temperatuur onder +40 °C is gezakt.
2. Verwijder de bevestigingsbouten en trek voorzichtig de temperatuursensor uit de beschermingskapsel.
3. Gebruik een lang borststokje en oplosser (aceton of technische alcohol) om de binnenkant van de beschermingshuls volledig te reinigen van resten van oude termische pasta, roest en vuil. Ververs met gedrukt lucht.
4. Controleer de binnen diameter van de buis en de buiten diameter van de sensor. De kloof mag niet meer dan 0.3 - 0.5 mm zijn.
5. Verstrooien een siliciumthermopaste met hoge warmtegeleidingsvermogen (bijvoorbeeld siliconenpaste KPT-8 of vergelijkbare producten met warmtegeleidingsvermogen > 2,5 W/m·K) op de sensorstang en in de schroefgat (ongeveer 2-3 ml).
6. Langzaam de sensor in de buis duwen, zodat luchtbellen ontstaan worden vermeden, en het schroef- of flensverbinding met het door de fabrikant aangeraden moment vastzetten (voor M20x1.5 schroefdraad meestal 15-20 Nm).
7. Voer de dynamische responscheck uit: vergelijk de tijd tot bereik van het stationaire waarde na inschakelen van de verwarming met de passende waarden $ \tau_{0.5} $ en $ \tau_{0.9} $.

Procedure 3: Verwijderen van electrische storingen in stroomkringen

1. Controleer de integriteit en aansluiting van het scherm van het signaalkabel. Het scherm moet alleen aan de klem van de aarding zijn aangesloten — in de bedieningskast (DCS/PLC). Aan de sensorzijde is het scherm geïsoleerd met een thermische verkleiningstube en wordt het niet aangesloten op het lichaam van de klemenkast (om het ontstaan van aardingscontouren te voorkomen).
2. Als de kabel is gelegd in één kabelkanal met sterkstroomkabel van een frequentieomzetter (AC VFD), verplaats de signaal-kabel naar een gescheiden metalen aardedrain of op een afstand van minstens 300 mm van de sterkstroomlijnen.
3. Installeer in de 4-20 mA analoge filter of controleer de dempendingstijd (damping time) in de meetconverter (instel de filtertijd op 1 - 5 seconden).
4. Controleer de spanningstabiliteit van de stroomlus (24 V DC ± 2%). Pulsaties op het voedingsblok mogen niet meer dan 50 mV overschrijden.

9. Maatregelen voor voorkoming

10. Vervangdeel en componenten

Voor het kiezen van compatibele componenten en het bestellen van originele vervangende delen voor industriële apparatuur bezoek de elektronische catalogus van UNITEC-D GmbH.

11. Referentie

• DSТУ EN 60751:2015 — Industriële platina-weerstandstermometers en platina-temperatuursensoren.
• DSТУ EN 60584-1:2016 — Thermocouples. Deel 1. Nominaalwaarden en toleransen.
• DSТU EN 12952-7 — Waterstoftoestellen en bijbehorend uitrusting. Deel 7: Vereisten voor apparatuur voor de ketel.
• Technische documentatie en montagehandleidingen van de fabrikant voor meettransformatoren van de serie Rosemount en WIKA.
• UNITEC-D Onderhoudshandleiding: «Optimalisatie van regelkringen voor technologische processen in zwaar industrieel bouwen».