Wybór przetwornika wilgotności i temperatury

Kontrola wilgotności i temperatury powietrza ma znaczenie w wielu gałęziach przemysłu. Jest szczególnie istotna tam, gdzie warunki powietrza mogą wpływać na produkt, czyli hale produkcyjne, magazyny, laboratoria w branży farmaceutycznej, kosmetycznej, spożywczej, drzewnej. Wilgotność i temperatura wpływa również na nasz komfort, więc z zagadnieniem pomiaru tych parametrów spotykamy się również przy ogrzewaniu, klimatyzacji, czyli systemy HVAC i systemy BMS. Większość automatyków uważa, że pomiar temperatury i wilgotności to bardzo proste zagadnienie, realizowane przez mało skomplikowane urządzenia pomiarowe. Każdy z nas ma jakieś pojęcie na temat wilgotności i temperatury i może stąd taka mylna ocena tych urządzeń. Urządzenia mierzące wilgotność i temperaturę to zaawansowane elementy automatyki, które charakteryzuje nowoczesna technologia, często wymagana miniaturyzacja, wysoka dokładność pomiarów i stabilność długoterminowa. Dodatkowo urządzenia pomiarowe muszą posiadać interfejs cyfrowy, w tym m.in. Ethernet, który zapewnia komunikację z systemami automatyki (systemem monitoringu parametrów powietrza, systemem sterowania maszyną, itp.).

W automatyce przemysłowej, przy zagadnieniu pomiaru wilgotności i temperatury, spotykamy się najczęściej z przetwornikiem wilgotności i temperatury. Przetwornik wilgotności i temperatury to urządzenie automatyki, które przetwarza zmierzoną wilgotność i temperaturę na sygnał zrozumiały dla układu sterowania (sygnał analogowy lub sygnał cyfrowy). Każdy przetwornik musi posiadać element pomiarowy, czyli sensor wilgotności i temperatury. Sensor może być zintegrowany z przetwornikiem lub być dostarczany jako zewnętrzny, dodatkowy element (w takiej sytuacji sensor określany jest jako sonda wilgotności i temperatury do przetwornika).

Na jakie parametry warto zwrócić uwagę dobierając przetwornik wilgotności i temperatury?

Zakres pomiarowy

Podstawowym parametrem przy doborze przetwornika będzie wymagany zakres pomiarowy. Dla pomiaru wilgotności względnej ten zakres jest zawsze taki sam – 0…100 %RH. Zakres dla temperatury, przy jakiej przetwornik ma mierzyć wilgotność, jest bardziej złożonym zagadnieniem. Należy określić czy przetwornik będzie mierzył temperaturę w standardowym zakresie (np. 0…+50 °C), czy będzie potrzebny pomiar poniżej 0 °C (np. -20…+60 °C). Może zdarzyć się, że przetwornik będzie musiał mierzyć temperaturę w zakresie -50…+100 °C lub nawet -100…+200 °C. I do tego typu aplikacji można znaleźć odpowiednie rozwiązanie. W zależności od zakresu pomiarowego wilgotności i temperatury nasi inżynierowie dobierają właściwy przetwornik lub przetwornik i zewnętrzną sondę pomiarową:

Standardowy przetwornik z wbudowanym sensorem wilgotności i temperatury (pomiar w zakresie -20…+60 °C i 0…100 %RH). Pełna lista przetworników.

Przetwornik z zewnętrzną sondą pomiarową, dzięki której mierzy w zakresie -50…+100 °C i 0…100 %RH. Pełna lista przetworników i sond współpracujących.

Przetwornik z sondą przemysłową, mierzący w zakresie -100…+200 °C i 0…100 %RH. Pełna lista przetworników i sond przemysłowych.

Dokładność pomiaru

Kluczowym aspektem przy doborze przetwornika wilgotności i temperatury jest dokładność, z jaką urządzenie dokonuje pomiaru. Bardzo często zauważamy, że ten parametr jest pomijany przy wyborze rozwiązania, a nie powinno tak być. Na czym polega wybór przetwornika w zależności od oczekiwanej dokładności? Warto to prześledzić na przykładzie magazynowanego produktu. Jeśli przy zmianie temperatury powietrza w magazynie o 1 °C jakość przechowywanego produktu nie pogorszy się, nie warto stosować dokładnego rozwiązania. Jeśli jednak jakość produktu pogorszy się, a dodatkowo koszty utrzymania temperatury na właściwym poziomie są bardzo wysokie, w takiej sytuacji należy szukać rozwiązania, które zapewni maksymalną dokładność (±0.1 °C). Podobnie jest w przypadku wilgotności. Należy zastanowić się, jak bardzo produkt jest wrażliwy na zmianę wilgotności powietrza oraz jaki jest koszt utrzymania stałej wilgotności w magazynie (jaki jest koszt zmiany wilgotności powietrza o 1 %RH). Jeśli produkt jest wrażliwy, a koszt osuszenia powietrza wysoki, będziemy zawsze sięgać po przetwornik wilgotności z najwyższą możliwą dokładnością (±0.8 %RH lub nawet ±0.5 %RH). Inżynierowie firmy, dobierając przetwornik wilgotności i temperatury, starają się pozyskać jak najwięcej informacji na temat aplikacji, by móc zaproponować optymalne rozwiązanie. W ofercie firmy są bowiem dostępne rozwiązania standardowe, jak i rozwiązania o ekstremalnie wysokiej dokładności.

Przetwornik ze standardową dokładnością pomiaru wilgotności i temperatury (pomiar z dokładnością ±0.2 °C, ±2.0 %RH). Pełna lista dostępnych przetworników.

Przetwornik z zewnętrzną sondą, co zapewnia dokładność ±0.1 °C, ±0.8 %RH. Pełna lista dostępnych  przetworników i sond.

Wykres dokładności zewnętrznych sond pomiarowych APONE:

Przy okazji dokładności należy zwrócić uwagę na stabilność długoterminową. W standardowych rozwiązaniach APONE, oferowanych przez firmę, istnieje możliwość wymiany sensora wilgotności i temperatury w przyszłości, przez co przywraca się fabryczne dokładności urządzenia. Komunikacja między sensorem a elektroniką przetwornika odbywa się po torze cyfrowym, co zdecydowanie ułatwia cały proces (nie ma błędu na torze pomiarowym).

W przypadku dokładniejszych rozwiązań, opartych o zewnętrzną sondę, istnieje możliwość regulacji sondy w przyszłości. W takiej sytuacji sonda (po odkręceniu od przetwornika) trafia do naszego laboratorium, które przeprowadza proces jej regulacji i wzorcowania. Punkty kalibracyjne zapisywane są w pamięci sondy, więc przetwornik nie jest potrzebny (to rozwiązanie zdecydowanie ułatwia cały proces). W efekcie laboratorium wystawia odpowiednie świadectwo regulacji i wzorcowania sondy. Zakłada się, że takie świadectwo jest ważne przez rok. Należy i w tym miejscu zaznaczyć, że sonda komunikuje się z przetwornikiem po torze cyfrowym, co oznacza brak błędów na torze pomiarowym.

Wyjście przetwornika

Każdy przetwornik wilgotności i temperatury musi posiadać jakieś wyjście, które umożliwi przesyłanie danych o zmierzonych parametrów do systemu automatyki (systemu sterowania, systemu monitoringu, itp.). W większości aplikacji związanych z HVAC stosuje się przetworniki, które posiadają wyjście analogowe, napięciowe lub prądowe. Oferowane przez AP Automatyka przetworniki wilgotności i temperatury posiadają opcję programowania wyjść analogowych – każdy Użytkownik może (we własnym zakresie, bez konieczności odsyłania do serwisu) zmienić standard wyjść przetwornika (do wyboru: 0…5 V, 0…10 V, 0…20 mA lub 4…20 mA) i/lub odpowiednio wyskalować wyjście (np. 0…10 V = 0…100 %RH i 0…10 V = 0…40 °C). Sprawę znacznie ułatwia prosty programator USB dostarczany w komplecie z darmowym programem, który dostępny jest w ofercie firmy.

• Wersja A1, A2, A3. W prostych układach stosuje się również przetworniki, które posiadają programowalne wyjścia przekaźnikowe, umożliwiające załączenie zewnętrznych urządzeń (np. nawilżacza). Urządzenia tego typu określane są również jako higrostaty lub termohigrostaty elektroniczne (posiadają bowiem opcję programowania progów zadziałania i histerezy).
• Wersja P1. Coraz częściej w automatyce budynkowej (w systemach HVAC, systemach BMS) stosuje się przetworniki wilgotności i temperatury z interfejsem cyfrowym. Bardzo popularnym interfejsem, dostępnym również w przetwornikach oferowanych przez AP Automatyka, jest RS-485 (Modbus RTU). Modbus RTU jest protokołem dostępnym w najpopularniejszych sterownikach PLC stosowanych w automatyce HVAC i systemach BMS.
• Wersja A0. Dostrzegamy również wzrost zainteresowania przetwornikami wilgotności i temperatury, które posiadają interfejs Ethernet (Modbus TCP). Zwłaszcza integratorzy systemów BMS zwracają uwagę na dostępność tego typu interfejsu w przetwornikach (daje to bowiem możliwość integracji systemu pomiarowego w budynku z jedną siecią zakładową lub podsiecią Ethernet. W ofercie AP Automatyka dostępne są przetworniki nowej generacji, które posiadają wspomniany interfejs Modbus TCP

Dobierając odpowiednie do aplikacji wyjście przetwornika warto rozważyć korzyści płynące ze stosowania rozwiązań opartych o interfejs sieciowy – RS-485 (Modbus RTU) lub Ethernet (Modbus TCP). Przewadze instalacji opartej o interfejs sieciowy nad instalacją przetworników wilgotności z wyjściem analogowym został poświęcony oddzielny artykuł firmy.

Wersja obudowy

W przemyśle spotykamy się z różnymi wersjami przetwornika wilgotności i temperatury. Dostępne są warianty do instalacji naściennej, stosowane w systemach BMS, HVAC, systemach monitoringu parametrów powietrza w halach produkcyjnych, halach magazynowych, laboratoriach. Naścienne przetworniki są również określane jako pomieszczeniowe przetworniki wilgotności i temperatury – zapewniają bowiem pomiar parametrów powietrza w pomieszczeniach.W ofercie AP Automatyka dostępne są przetworniki naścienne w wykonaniu do pomieszczeń biurowych, magazynowych, laboratoriach, w budynkach takich jak szpitale, hotele, magazyny.

Dostępne są również przetworniki wilgotności i temperatury w wykonaniu przemysłowym, stosowane głównie w halach produkcyjnych i magazynach fabryk, zakładach drobiarskich, zakładach mięsnych. Tego typu przetworniki wyróżnia często wyższy stopień ochrony (do IP65, z wykluczeniem okolic elementu pomiarowego). Przetworniki tego typu stosowane są także w laboratoriach i pomieszczeniach czystych (właśnie ze względu na typ obudowy, stopień ochrony i brak miejsc, w których może osadzać się kurz i brud).

Kolejną grupą przetworników stosowanych w systemach HVAC i BMS są kanałowe przetworniki wilgotności i temperatury, których zadanie sprowadza się do pomiarów w kanałach wentylacyjnych. Są to przetworniki, które mierzą wilgotność i temperaturę powietrza przygotowanego i wprowadzanego do budynku (pomieszczeń) lub wyprowadzanego z budynku.

Wariacją wyżej opisanych przetworników są przetworniki przewodowe, czyli takie, w których element pomiarowy (sonda) znajduje się na końcu przewodu połączonego z elektroniką przetwornika. Tego typu przetworniki wilgotności i temperatury stosowane są przede wszystkim w laboratoriach, do kontroli wilgotności i temperatury w komorach klimatycznych, lodówkach, chłodziarkach, generatorach, itp.

Wyświetlacz – potrzebny czy niepotrzebny?

Oferując przetwornik wilgotności i temperatury zawsze należy zadać pytanie – czy potrzebny jest lokalny podgląd mierzonych wielkości? W pierwszej chwili można usłyszeć odpowiedź – tak, jest to konieczne, jest to wygodne, Użytkownicy tego potrzebują, itd. Jednak dalsza, głębsza analiza zagadnienia doprowadza do wniosku, że z wyświetlacza nikt nie korzysta lub korzysta w minimalnym stopniu. Jest to szczególnie zauważalne, jeśli przetwornik jest podłączony do systemu monitoringu parametrów powietrza, systemu rejestracji wilgotności i temperatury lub systemu HVAC / systemu BMS, do którego Użytkownicy mają dostęp (z poziomu komputera, laptopa, a coraz częściej również z tableta i smartfona). Użytkowników nie interesuje bowiem chwilowa wartość wilgotności i temperatury, a dane z ostatniego dnia, tygodnia, miesiąca. Taką funkcję zapewnia właśnie system wizualizacji pomiarów (nie lokalny wyświetlacz w urządzeniu). Wyświetlacz staje się również zbędną właściwością przetwornika wilgotności, gdy jest on instalowany na wysokości powyżej 1.8 m (dotyczy np. magazynów wysokiego składowania)). Ostatnim i często najważniejszym argumentem jest cena rozwiązania – przetwornik wilgotności z wyświetlaczem jest zawsze droższy od wersji bez wyświetlacza.

W ofercie AP Automatyka dostępne są przetworniki bez wyświetlacza, jak na przykład przetworniki…

Z topowej serii przetworników SiOne do każdego typu aplikacji:

Z przewodowej serii przetworników PiOne do instalacji w ograniczonej przestrzeni:

Z ethernetowej serii przetworników LiOne (z interfejsem Ethernet):

Dostępne są również wersje przetwornika wilgotności i temperatury z wyświetlaczem:

W przypadku kanałowych przetworników wilgotności i temperatury wyświetlacz w zdecydowanej większości aplikacji nie jest stosowany. Tego typu przetworniki wilgotności są instalowane w kanałach instalacyjnych, czyli w miejscach zazwyczaj trudno dostępnych dla Użytkowników.

Stopień ochrony IP

Analizując parametry przetwornika wilgotności i temperatury bardzo często zapomina się o stopniu ochrony IP, który zapewnia jego obudowa. Stopień ochrony ma kluczowe znaczenie zwłaszcza w aplikacjach przemysłowych, w zakładach spożywczych, zakładach drobiarskich, zakładach wylęgu drobiu. W magazynach, halach produkcyjnych tych zakładów pojawia się zagadnienie konieczności czyszczenia pomieszczeń, a więc urządzenia pomiarowe tam instalowane muszą być odporne na mycie. Stopień ochrony IP65 w takiej sytuacji to minimum. W tym miejscu należy przypomnieć, że stopień ochrony nie dotyczy obszaru przetwornika, w którym zlokalizowany jest element pomiarowy wilgotności i temperatury. Producenci podając stopień ochrony przetwornika zawsze zaznaczają, że nie dotyczy to okolic elementu pomiarowego. Podobnie jest w przypadku rozwiązań oferowanych przez AP Automatyka. Przetwornik charakteryzuje stopień ochrony IP65, ale z wykluczeniem okolic czujnika wilgotności i temperatury, który w wymaganych aplikacjach chroniony jest wymiennym filtrem np. polietylenowym (o średnicy porów 40 µm), ze spieku stali (o średnicy porów 15µm) lub siateczkowym. Warto dodać, że w ofercie firmy znajdują się osłony na elementy pomiarowe, które zakłada się np. na czas mycia oraz specjalne wersje obudowy (z osłoną na sensor), sprawdzone w wielu zakładach drobiarskich i wylęgu drobiu.

Wersje przetworników ze stopniem ochrony IP65:

W halach magazynowych, halach produkcyjnych zakładów przemysłowych Użytkownicy zazwyczaj decydują się na rozwiązania przemysłowe, ze stopniem ochrony IP65. Przetworniki wilgotności i temperatury w takiej sytuacji charakteryzują się bardziej solidną, zazwyczaj wykonaną z poliwęglanu, obudową, a sensor znajduje się na zewnątrz obudowy (chroniony odpowiednim filtrem, dobieranym w zależności od wymogów aplikacji).

Wysoki stopień ochrony oraz dodatkowo materiał wykonania obudowy jest również parametrem analizowanym podczas doboru przetworników wilgotności i temperatury do pomieszczeń czystych (cleanrooms) w zakładach farmaceutycznych, kosmetycznych. AP Automatyka posiada w ofercie specjalne rozwiązania dedykowane właśnie do tego typu aplikacji.

 

W przypadku systemów monitoringu wilgotności i temperatury w muzeach, galeriach, archiwach, szpitalach, halach magazynowych (w których przebywają głównie ludzie) stopień ochrony przetwornika wilgotności i temperatury nie ma już takiego znaczenia. W tym przypadku stosuje się standardowe rozwiązania – przetworniki w obudowie z ABS o stopniu ochrony IP20 lub rzadziej IP54. W ofercie AP Automatyka znajdują się tego typu przetworniki wilgotności, które są chętnie stosowane przez instalatorów oraz integratorów automatyki budynkowej.

Bezpieczeństwo – przetworniki ATEX

Problem pomiaru wilgotności i temperatury powietrza dotyczy również miejsc, w których może wystąpić lub występuje atmosfera wybuchowa (pyły, gazy). W tego typu aplikacjach jedynym rozwiązaniem są przetworniki wilgotności i temperatury w wykonaniu przeciwwybuchowym. Firma AP Automatyka posiada bogatą ofertę urządzeń ATEX, w tym wspomniane przetworniki do kontroli wilgotności i temperatury. Są to urządzenia powszechnie stosowane w zakładach chemicznych, farmaceutycznych, kosmetycznych – przetworniki instalowane są w magazynach, halach produkcyjnych, laboratoriach, komorach klimatycznych i dygestoriach. Zagadnienie pomiaru wilgotności i temperatury dotyczy coraz częściej lakierni i malarni, gdzie pojawiają się rozpuszczalniki i ich opary (dotyczy to hal lakierniczych, magazynów farb i rozpuszczalników, itp.). W zależności od wymogów aplikacji inżynierowie AP Automatyka sięgają po rozwiązania dwóch wiodących producentów przetworników wilgotności i temperatury:

Rozwiązania firmy Schischek – naścienne i kanałowe przetworniki wilgotności i temperatury przeznaczone głównie do systemów HVAC i BMS, ale stosowane również w lakierniach, malarniach, komorach (rozwiązania do stref 1, 2, 21, 22):

Rozwiązania firmy Rotronic – naścienne, kanałowe i przewodowe przetworniki wilgotności i temperatury, które charakteryzuje wysoka dokładność pomiarów, różne warianty wykonania sond pomiarowych (do pomiarów wilgotności i temperatury w strefie 0, 20, 1, 21):