实现较高精度可靠性级较低噪音的温度通信

从温度传感器到控制室的通信应设计为提供最大的可访问性、灵活性、可靠性和准确性。传统上被认为是便宜的解决方案会产生严重的后果和隐性成本。在这里，我们看看智能变送器和无线通信的出现如何为更好的通信、更低的安装和生命周期成本以及过程性能改进打开了大门。

与过程工厂中传感器数量相匹敌或超过流量的最常见过程测量是温度。蒸馏塔可能有四个或更多的温度传感器来寻找较佳的温度控制塔板，而流化床反应器可能会选择 10 个或更多温度传感器中最高的一个来处理热点。过去，便宜的硬件用于将温度传送到控制室，而没有意识到对测量精度、噪声和可靠性的影响。

事实上，早期的分布式控制系统 (DCS) 通过将热电偶 (TC) 直接连接到可以处理 16 或 32 个输入的 DCS TC 输入卡来消除温度变送器的成本，这在一定程度上是合理的。由于 12 位宽范围输入卡和 10 o 的偏移，在引入 0.35 o F 的步长（模拟到数字转换器噪声）方面的结果是灾难性的F 或更多由于传感器和引线错误的差异。来自电磁干扰的噪声很普遍。无法再使用微分动作，必须降低 PID 增益。色谱柱和反应器温度误差以及由此产生的成分误差导致工艺性能不佳和产品不合格。在许多情况下，调整温度设定点以补偿误差，并添加信号滤波器以减少增加总环路死区时间的噪声。

信号传输
为了对控制、安全或监控应用有用，温度测量信号必须从测量点传送到过程的控制系统。最常见的两种方式是：

●变送器– 传感器与变送器连接很短的距离或直接连接到变送器，在那里其信号被转换为数字、4-20 mA 或无线信号。转换后的信号输出然后通过传输线或无线网络传送到控制系统。
●直接连线– 传感器的导线连接到控制系统的整个距离。沿途不发生信号转换。
使用温度变送器而不是直接连接到控制系统的热电偶和 RTD 输入卡的好处是：

●提供更稳健的信号——来自变送器的 4-20 mA 或数字信号输出比直接连线的传感器信号更稳健。噪声干扰对 4–20 mA 或数字信号的影响较小。
●测量精度是最佳的– 变送器提供比直接布线更高的测量精度。例如，传感器可以与变送器匹配（变送器传感器匹配），从而提高温度测量的准确性。温度跨度可以缩小以匹配过程操作范围（对于具有 12 位输入卡的旧 DCS 来说意义重大）。
●更低的安装和维护成本 -变送器安装通常比直接连接传感器便宜，因为可以节省布线成本和安装（传感器线，尤其是 TC 线相对昂贵）。此外，通过增强变送器的功能和诊断能力，强大的信号和准确的测量可以节省时间和金钱。
●更好的过程性能——更高的准确性和可靠性以及更低的噪音减少了过程可变性并增加了生产时间。
建议使用变送器代替 TC 或 RTD 输入卡，通过将校准和非线性补偿与传感器相匹配、缩小量程、降低噪声和提供诊断来大大提高精度和可维护性。

数字通信的使用允许使用单个变送器进行多个温度测量并将这些测量返回到控制系统的额外灵活性。有一些温度设备专为利用此功能而设计，提供测量四个、八个或可能更多个单独温度的能力。最常见的通信技术是 HART®（包括 WirelessHART™）等标准协议。

WirelessHART（可寻址远程传感器）网络的可靠性、安全性和易于设置，加上新通信规则和PID增强带来的电池寿命延长，使无线通信成为一个很好的选择。大多数过程中的温度变化非常缓慢，刷新时间可以设置为比其他类型的循环更长，从而延长电池寿命。此外，与其他回路相比，温度回路中的噪声幅度和周期通常非常小，除非存在两相（例如，液体和气体）或混合不良（例如，均匀性差——由于搅拌不足导致可变性增加），从而减少了数量由噪音触发的异常更新，这也延长了电池寿命。

技术先进的温度通信可以降低安装成本并减少错误和噪音。智能变送器的出现使得将变送器直接安装在热电偶套管上更具吸引力。一体式安装与无线选项的结合为过程性能改进创造了绝佳的机会。这篇文章提供了一些一般指导。有关更多详细信息，包括用于预测八个测量误差源的方程式，请参阅 Greg McMillan 的 ISA 书籍高级温度测量和控制，第二版。

现场安装变送器
现场安装式变送器是所有变送器类型中最坚固的。其坚固的外壳可防止腐蚀和潮湿。一些现场安装变送器将电子元件安装在双室外壳中，这将它们与湿度的影响完全隔离开来。双室变送器是在恶劣环境中使用的较佳设计。现场安装变送器可以整体安装或远程安装。

在整体安装中，变送器通过螺纹管接头和管接头直接安装在热电偶套管上，以便轻松拆卸传感器。由于当今的智能变送器极其可靠且具有极低的漂移率，从而将校准间隔缩短至 5 年以上，因此可以远程查看诊断，并且可以远程完成校准，因此大大减少了将变送器置于地面的需求。变送器的整体安装降低了安装成本并消除了由引线和附加终端引入的错误和噪声。

●一体式安装– 变送器直接拧到传感器上（直接安装到美式 [1/2 英寸 NPT] 传感器上，最好使用管接头）。
●远程安装- 变送器安装在传感器附近的管架或其他支架上。当测量点不可接近或过程环境过于恶劣以至于变送器无法直接安装在传感器顶部时，首选远程安装。
在可及性和温度允许的情况下，智能变送器的整体安装提高了测量精度和可靠性。

一体式安装和无线变送器的使用提供了灵活性和便携性，可用于监控单元操作效率，并以最少的过程死区时间找到最具代表性和最灵敏的测量位置。只要有管道连接或设备喷嘴，以及到 Gateway 设备接入点或附近用于设备跳跃的无线变送器的视线，都可以在测试基础上安装带有无线变送器的传感器，并探索和量化好处。可以对数据分析、设备监控和单元操作控制方面的改进进行原型设计，并记录“之前”和“之后”案例。

无线变送器的集成安装为在线过程和设备性能指标以及测量位置的优化提供了灵活性和便携性。

头戴式变送器
头戴式变送器是小型的圆盘形变送器。它们通常安装在保护外壳中——用于直接安装的连接头或用于远程安装的接线盒。

轨道式变送器
导轨安装式变送器设计为连接到 DIN 导轨（G 导轨或顶帽导轨）或直接拧到墙上。导轨安装式变送器还设计为紧凑型安装，允许将多个变送器非常紧密地安装在一起。

直接接线
如前所述，直接接线是指将传感器的引线接线回控制系统。由于传感器的引线（和原始信号）从测量点到控制系统的整个距离都经过，因此必须注意避免两个关键问题：

●噪音– TC 对噪音干扰特别敏感，延长线必须围绕发电机和电机等源布线。
●热源——环境温度的巨大变化会影响传感器的信号传输到控制系统。
●引线电阻——RTD温度传感器 引线的总电阻和RTD温度传感器 引线的电阻差会影响RTD温度传感器 精度。3 线制变送器输入可以补偿总引线电阻。4 线变送器输入可以补偿引线电阻的差异。
使用现场变送器进行对过程分析和控制很重要的所有温度测量。如果不受可接近性或温度的限制，变送器应整体安装在热电偶套管上，最好使用管接头，以提高传感器的可拆卸性。考虑找到最佳测量位置的可能性，并探索和原型设计附加温度测量的潜在好处，以通过使用便携式无线一体式安装变送器来提高过程性能。