Průmyslové teplotní spínače a termostaty

 

Termostat je všeobecně užívaný název pro zařízení udržující teplotu na zvolené úrovni v uzavřeném prostoru. Výrobci pod tímto názvem často nabízejí také pokročilé PID regulátory (proporcionální, integrační, derivační) s možnostmi podrobného nastavení. Termostat je však v technické praxi teplotní spínač, resp. dvoupolohový regulátor teploty, v některých případech doplněný proporcionální řídicí složkou. Teplotní spínače jsou v průmyslu určené spíše než k řízení regulovaných soustav k signalizaci dosažené úrovně teploty, zpravidla jako prvky s bezpečnostní funkcí. Uvedené vyloučení funkce řízení nelze brát zcela doslova. Jistě jsou použitelné i u jednoduchých systémů k udržování teploty na zvolené úrovni, s určitým překmitem regulované veličiny. Označení termostat a teplotní spínač jsou do jisté míry zaměnitelné, jejich společný znak představuje kombinace měření a spínání v jediném zařízení.

Obrázek obr. 1, převzatý z [1], znázorňuje popis některých základních pojmů používaných ve spojení s teplotními spínači. Nastavitelným rozsahem se nazývá oblast, ve které lze nastavit teplotu aktivace spínače. Aktivace může nastat při nárůstu (zvýšení) nebo poklesu (snížení) teploty. Teplota aktivace je teplota, při níž je aktivován spínač, který rozepne nebo sepne obvod. Přesnost zadané hodnoty udává pásmo, v němž dochází k opakovaným aktivacím spínače. Hystereze, někdy označovaná též jako mrtvé pásmo nebo diference, představuje rozdíl mezi žádanou teplotou aktivace a deaktivace spínače.

 
Je-li např. vysokoteplotní spínač nastaven tak, aby byl aktivován nárůstem teploty nad 100 °C, a k deaktivaci dochází při poklesu teploty pod 90 °C, je hystereze 10 °C. Tolerance znamená opakovatelnou přesnost hodnoty deaktivace spínače.

Teplotní spínače lze rozdělit podle různých hledisek. Jeden ze základních způsobů dělení je podle konfigurace spínače. Na obr. 2 jsou znázorněny čtyři základní možnosti konfigurace spínačů: SPST, SPDT, DPST a DPDT, které se v praxi vyskytují i v mnoha dalších modifikacích.

 

Počet pólů na spínači určuje, kolik samostatných okruhů lze spínačem ovládat. Z obrázku je zřejmé, že spínačem s jedním pólem (SPxx) lze ovládat pouze jediný okruh, spínačem se dvěma póly (DPxx) dva samostatné okruhy. Počet poloh určuje počet výstupních svorek pro každou vstupní svorku. Výběr vhodného spínače ovlivňuje nejen požadovaná konfigurace, ale i elektrické charakteristiky spínaného obvodu – napětí, proud a výkon.

 

Další způsob rozdělení teplotních spínačů je možný podle místa měření teploty. V průmyslu se monitoruje teplota uvnitř technologických celků, např. v potrubí nebo v nádržích, prostorová teplota a teplota na povrchu zařízení. Místo měření výrazně ovlivňuje výběr vhodného teplotního spínače, především s ohledem na použitý princip měření. Princip měření a vyhodnocování teploty je dalším z možných způsobů členění spínačů. Teplotní spínače pracují na různých principech (elektronické spínače, elektromechanické spínače – bimetalové, kapalinové, parní a plynové) a jejich použitelnost je zpravidla omezena rozsahem teplot, pro který je teplotní spínač určen.

Jako elektronický teplotní spínač je označováno analogové nebo digitální zařízení, kde vstupním signálem je buď hodnota unifikovaného výstupního signálu senzorů teploty s rozsahem 0 až 50 mA, 0 až 10 V DC, nebo neupravený signál senzorů teploty. Nejčastěji jde o odporové senzory teploty (Pt, Ni, Cu) nebo termočlánky (J, K, N, S, B, R, …) – viz tab. 1. Výstupem je jeden nebo několik spínačů, popř. unifikovaný výstupní signál. Ve většině případů výrobci nabízejí univerzální zařízení umožňující operativní volbu použitého vstupního signálu. Konfigurovat bod aktivace spínače, hysterezi a volit vstup lze softwarovým nastavením nebo tlačítky umístěnými zpravidla na přední straně zařízení. Moderní výrobky umožňují detekovat přerušení obvodu senzoru teploty aktivací nebo deaktivací spínače. Nabídka elektromechanických spínačů rovněž zahrnuje provedení, kdy elektronická část se senzorem teploty tvoří kompaktní celek přednostně určený pro bezpečnostní úlohy. K přímému akčnímu zásahu na řídicím prvku dochází bez účasti centrálního řídicího systému, který dostává pouze informaci o provedeném zásahu. Napájení elektronických spínačů zajišťuje přímo spínaný obvod nebo samostatné externí napájení.

 
Přesnost elektronických spínačů se pohybuje mezi ±0,50 až ±0,05 % z rozsahu v závislosti na technické vyspělosti zařízení a na použitém senzoru teploty. Při vyhodnocování přesnosti je třeba posuzovat celkovou přesnost měřicího řetězce, tedy od senzoru teploty přes převodník až po svorky spínače, včetně montážních a technologických vlivů.

 

Příklady elektronických teplotních spínačů jsou uvedeny na obr. 3 a obr. 4. Na obr. 3 je spínač se zobrazovačem 5714D výrobce PR electronics. Jde o univerzální zařízení podporující proudové i napěťové unifikované vstupní signály nebo přímé připojení senzorů teploty. Výstup tvoří dva nezávislé spínače (relé) typu SPDT a proudová smyčka 4 až 20 mA. Na obr. 4 je znázorněn teplotní spínač One Series Safety od výrobce United Electric Controls. Jde o teplotní spínač pro náročné úlohy hlídání teploty kapalin a plynů s certifikací pro SIL 2 a pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu. Detailní informace o obou výrobcích jsou na webových stránkách výrobců.

Základ elektromechanických teplotních spínačů tvoří systémy snímání teploty používané u dilatačních nebo tlakových teploměrů. Spínaný výstup tvoří mechanické, magnetické nebo indukční spínače snímající mechanickou polohu nebo výchylku mechanismu indikujícího měřenou teplotu.

 

Tyto spínače využívají princip deformace bimetalu při změně teploty vlivem rozdílné teplotní roztažnosti použitých materiálů. Tvar bimetalového prvku závisí vždy na konkrétní konstrukci. Nejběžnějším tvarem u teplotních spínačů je bimetalový disk, vetknutý pásek nebo válcová spirála umístěná ve stonku spínače. V praxi se používají různé kombinace materiálů bimetalu, např. invar (64 % Fe, 36 % Ni) v kombinaci invar-měď, invar-nikl, invar-konstantan a další. Výběr vhodné dvojice závisí na požadovaném teplotním rozsahu, který je maximálně –70 až +600 °C. Teplotní rozsah spínače je však omezen také ostatními použitými materiály a celkovým konstrukčním uspořádáním spínače. Bimetalové spínače jsou vyráběny v kompaktním provedení. Patří k nejrozšířenějším, i když jsou dnes nahrazovány levnými elektronickými spínači. Kromě průmyslu se hromadně používají ve spotřební elektronice, např. jako jednoduchá teplotní pojistka.

 

Dalším často využívaným provedením jsou plynové spínače. Jejich princip je založen na měření změny tlaku plynu v závislosti na změně teploty při stálém objemu. Používané systémy s Bourdonovou trubicí, membránou nebo vlnovcem výrobci plní inertními plyny, zejména dusíkem a heliem, s maximálním teplotním rozsahem –100 až +800 °C. Plynové teplotní spínače jsou vyráběny jak v kompaktním provedení, tak v provedení s kapilárou. Pro přesné měření teploty musí být zejména u delších kapilár zajištěna korekce vlivu okolní teploty. Při použití delších kapilár lze doporučit náhradu elektronickým teplotním spínačem.

 

Kapalinové a parní teplotní spínače pracují na obdobném principu jako plynové spínače. Při použití kapalinových spínačů musí být náplň stále v kapalném stavu, rozsah je tedy omezen teplotou tuhnutí a teplotou varu použitého média. Nejběžněji používaným médiem je silikonový olej, popř. další organické kapaliny (xylen, toluen), používané v teplotním rozsahu –120 až +370 °C. Pro vyšší teploty výrobci dodávají spínače plněné rtutí s teplotním rozsahem –30 až +600 °C. Náplní parních spínačů bývá snadno se odpařující kapalina s nízkým bodem varu, např. propan, oxid siřičitý, etylalkohol nebo xylen. V měřicím systému jsou zastoupeny kapalná i plynná fáze použitého média.

 

Nejjednodušší verze elektromechanických teplotních spínačů nabízejí výrobci s pevně nastavenou hodnotou sepnutí a hystereze. Tato jednoduchá a velmi kompaktní provedení obsahují jako citlivý prvek především bimetal. Univerzálnější spínače umožňují nastavit aktivační teplotu a hysterezi a zobrazují aktuální teplotu. Nejlepší přesnosti spínačů této kategorie dosahují plynové spínače s deklarovanou chybou až ±0,5 % rozsahu. Přesnost běžně dodávaných spínačů se však pohybuje okolo ±2 % až ±1 % rozsahu. Nespornou výhodou elektromechanických spínačů je jejich jednoduchost a nezávislost na napájení. Příklad elektromechanického teplotního spínače je uveden na obr. 5. Jde o kapalinový teplotní spínač řady 100 výrobce United Electric Controls, dodávaný v několika teplotních rozsazích od –118 do +343 °C.

Výběr vhodného teplotního spínače zahrnuje kompletní posouzení požadavků daných konkrétní úlohou. Základním kritériem je teplotní rozsah, který souvisí s možností optimálního nastavení teploty aktivace spínače a hystereze. Nevhodně zvolený teplotní rozsah omezuje možnosti nastavení těchto parametrů a vede k častější aktivaci a deaktivaci spínače, což v důsledku zkracuje jeho životnost. Důležité kritérium rozhodování představují elektrické charakteristiky spínaného obvodu, ať už jde o maximální proudové zatížení, maximální nebo minimální napětí, nebo přenášený elektrický výkon. Elektrické charakteristiky mimo jiné souvisejí s materiálem kontaktů spínače, vyráběných především ze slitin stříbra. Citlivost stříbra na oxidaci omezuje použití těchto materiálů na malé proudy. Řešením jsou hermeticky těsné spínače se zlatými kontakty nebo kontakty se zlatými povlaky s limitním proudovým zatížením do 1 A. Dalším parametrem při výběru teplotního spínače je rychlost aktivace při dosažení požadované teploty. Stejně jako při posuzování přesnosti, musí být i v tomto případě posuzována rychlost reakce celého řetězce. To se týká zejména elektronických teplotních spínačů s odděleným senzorem teploty. Při výběru teplotního spínače je nutné brát zřetel také na provozní médium. Spolehlivost a životnost spínače ovlivňuje výběr materiálu přicházejícího do styku s pracovním médiem, ať už jde o samotný senzor spínače, nebo materiál ochranné jímky, do níž je senzor umístěn.

 

Výběr vhodného spínače rovněž limitují požadavky na mechanickou odolnost, spolehlivost, požadavky spojené s výskytem výbušného prostředí a požadavky funkční bezpečnosti. U výrobků pro náročné úlohy výrobci deklarují parametry odolnosti proti vibracím a mechanickým šokům, včetně jejich vlivu na změnu přesnosti spínače. Pro prostředí s nebezpečím výbuchu jsou dodávány spínače s ochranou pevným závěrem Ex-d, jiskrovou bezpečností Ex-i nebo v nejiskřícím provedení Ex-n pro prostředí s prachy i plyny. S ohledem na použití spínačů v bezpečnostních funkcích představuje důležitý prvek posouzení funkční bezpečnosti podle norem ČSN EN 61508 Funkční bezpečnost elektrických/elektronických/programovatelných elektronických systémů souvisejících s bezpečností a ČSN EN 61511 Funkční bezpečnost - Bezpečnostní přístrojové systémy pro sektor průmyslových procesů. Rozsah nabízených výrobků zahrnuje teplotní spínače s úrovní integrity bezpečnosti SIL 1 až SIL 3. Při výběru vhodného teplotního spínače hraje roli také certifikace pro konkrétní lokalitu, ať už jde o požadavky uvedení na trh v Evropské unii, požadavky Celní unie Ruska, Běloruska, Kazachstánu a Arménie, popř. další lokální legislativní požadavky.

 

Nedílnou součástí dodávky a instalace teplotních spínačů by mělo být posouzení metrologických parametrů. V případě teplotních spínačů se zkouší aktivace a deaktivace spínače na dvou úrovních. Zkoušky probíhají v laboratorních podmínkách, kdy se zjišťuje teplota aktivace a deaktivace samotného spínače. Důležitá je však i druhá úroveň zkoušení, probíhající v provozních podmínkách. Zahrnuje kontrolu celého měřicího řetězce a jednoduchým experimentálním způsobem lze prověřit, zda při dosažení požadované teploty došlo k aktivaci spínače a následnému odstavení zařízení, popř. jinému akčnímu zásahu.

[1] LIPTÁK, Béla G. Instrument Engineers’ Handbook, Vol. I.: Process Measurement and Analysis. CRC PRESS 2003. ISBN 9780849310836.

[2] PETER R. N. CHILDS. Practical temperature measurement. [Online-Ausg.]. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2001. ISBN 075065080X.

[3] MICHALSKI, L. Temperature measurement. 2nd ed. New York: J. Wiley, 2001. ISBN 0471867799.

[4] CHUDÝ, V., R. PALENČÁR, E. KUREKOVÁ a M. HALAJ. Meranie technických veličín. Slovenská technická univerzita v Bratislave, 1999. Edícia vysokoškolských učebníc. ISBN 80-227-1275-2.

 

JSP, s. r. o.