Proses Kalibratörü Nedir? 4–20 mA, RTD ve Termokupl Kalibrasyonu Nasıl Yapılır?

Endüstriyel proseslerde sıcaklık, basınç, seviye ve debi gibi fiziksel büyüklükler sensörler tarafından ölçülerek kontrol sistemlerine aktarılır. Bu ölçümlerin doğru olması yalnızca üretim kalitesi açısından değil; proses güvenliği, enerji verimliliği ve otomasyon sisteminin doğru çalışması açısından da büyük önem taşır.

Ancak transmitter, sıcaklık sensörü, kontrolör veya gösterge uzun süre kullanıldığında ölçüm değerinde sapmalar meydana gelebilir. Bu nedenle proses ölçüm cihazlarının belirli aralıklarla kontrol edilmesi ve gerektiğinde kalibre edilmesi gerekir.

Bu işlemlerde kullanılan temel saha ekipmanlarından biri proses kalibratörüdür.

Unitek Elektrik’in Kalibratörler ürün grubunda, saha tipi çok fonksiyonlu cihazlardan hassas laboratuvar kalibratörlerine kadar farklı uygulamalara yönelik çözümler bulunmaktadır.

Proses Kalibratörü Nedir?

Proses kalibratörü; endüstriyel ölçüm ve kontrol sistemlerinde kullanılan elektriksel sinyalleri hem üretebilen hem de ölçebilen hassas test cihazıdır.

Modele bağlı olarak bir proses kalibratörü;

• DC gerilim,
• DC akım,
• 4–20 mA,
• direnç,
• RTD,
• termokupl,
• frekans,
• pulse

sinyallerini simüle edebilir veya ölçebilir.

Bu özellik sayesinde tek bir cihazla farklı transmitter, sensör, kontrolör ve gösterge sistemleri test edilebilir.

Örneğin Yokogawa CA500 Serisi Çok Fonksiyonlu İşlem Kalibratörü; DC gerilim, DC akım, RTD, termokupl, direnç, frekans ve darbe sinyallerinin kaynaklanması ve ölçülmesine yönelik kullanılabilir.

Kalibrasyon Nedir?

Kalibrasyon, bir ölçüm cihazının gösterdiği değerin bilinen ve izlenebilir bir referans değerle karşılaştırılmasıdır.

Örneğin sıcaklık transmitterinin girişine hassas şekilde 100 °C’ye karşılık gelen bir RTD sinyali uygulanabilir.

Transmitterin çıkışının:

12,00 mA

olması bekleniyorsa gerçek çıkış değeri ölçülür.

Cihaz:

12,16 mA

gösteriyorsa teorik değer ile gerçek değer arasında bir fark bulunduğu görülür.

Bu fark kalibrasyon sonucunun değerlendirilmesinde kullanılır.

Kalibrasyon her zaman cihaz üzerinde ayar yapılması anlamına gelmez. Öncelikle mevcut hata belirlenir; gerekiyorsa daha sonra ayarlama işlemi gerçekleştirilir.

4–20 mA Nedir?

Endüstriyel otomasyon sistemlerinde en yaygın analog sinyal standartlarından biri 4–20 mA akım döngüsüdür.

Bir transmitter ölçtüğü fiziksel değeri 4 ile 20 mA arasında elektriksel sinyale dönüştürür.

Örneğin 0–100 °C aralığında çalışan bir sıcaklık transmitteri:

0 °C = 4 mA
25 °C = 8 mA
50 °C = 12 mA
75 °C = 16 mA
100 °C = 20 mA

şeklinde çalışabilir.

Böylece PLC, DCS veya kontrolör gerçek sıcaklığı gelen akım sinyalinden hesaplayabilir.

Neden 0–20 mA Yerine 4–20 mA Kullanılır?

4–20 mA standardının önemli avantajlarından biri live zero, yani canlı sıfır yaklaşımıdır.

Ölçülen proses değeri sıfır olduğunda bile devrede 4 mA akım bulunur.

Bu sayede:

0 mA

değeri normal proses sıfırı yerine;

• kopuk kablo,
• enerji kaybı,
• transmitter arızası

gibi bir probleme işaret edebilir.

Bu özellik özellikle endüstriyel otomasyon sistemlerinde arıza teşhisini kolaylaştırır.

4–20 mA Transmitter Nasıl Kalibre Edilir?

Örneğin 0–10 bar basınç aralığına sahip bir transmitter düşünelim.

Transmitter çıkışı:

0 bar = 4 mA
10 bar = 20 mA

olarak tanımlanmış olsun.

Kalibrasyon sırasında farklı referans noktaları uygulanabilir:

0 bar → 4 mA
2,5 bar → 8 mA
5 bar → 12 mA
7,5 bar → 16 mA
10 bar → 20 mA

Gerçek çıkış akımları proses kalibratörü ile ölçülür.

Elde edilen sonuçlar teorik değerlerle karşılaştırılarak transmitter hatası hesaplanabilir.

Basınç transmitterlerinin saha testlerinde basınç oluşturma ve elektriksel sinyal ölçümünün birlikte yapılabilmesi için Yokogawa CA700 Basınç Kalibratörü gibi özel kalibratörler kullanılabilir.

Loop Kalibrasyonu Nedir?

Endüstriyel ölçüm sistemlerinde yalnızca transmitterin kendisini kontrol etmek her zaman yeterli değildir.

Örneğin bir sıcaklık ölçüm zinciri:

Sensör → Transmitter → Kablo → PLC → Yazılım

şeklinde olabilir.

Bu zincirin tamamının kontrol edilmesine loop calibration, yani çevrim kalibrasyonu denilebilir.

Kalibratör transmitter girişini veya çıkışını simüle ederek sistemin sonraki aşamalarının doğru tepki verip vermediğinin kontrol edilmesini sağlar.

Örneğin kalibratör PLC girişine:

4 mA, 8 mA, 12 mA, 16 mA ve 20 mA

uygulayabilir.

Operatör ekranında bu değerlerin sırasıyla doğru proses değerlerine karşılık gelip gelmediği kontrol edilir.

24 V Loop Power Nedir?

Birçok iki telli transmitter çalışabilmek için harici DC besleme kullanır.

Endüstriyel sistemlerde yaygın olarak yaklaşık 24 V DC loop power kullanılır.

Bazı proses kalibratörleri bu beslemeyi kendileri sağlayabilir.

Bu özellik özellikle saha testlerinde avantajlıdır çünkü ayrı bir güç kaynağı kullanmadan transmitter çalıştırılabilir ve aynı anda 4–20 mA çıkışı ölçülebilir.

Yokogawa CA71 Çok İşlevli Taşınabilir Kalibratör, saha çalışmalarında akım ve gerilim kaynaklama/ölçmenin yanı sıra transmitterlere loop beslemesi sağlayabilecek özelliklere sahiptir.

Kaynaklama ve Ölçme Arasındaki Fark Nedir?

Kalibratörlerde iki temel işlem vardır:

Source

Kalibratör belirli bir elektriksel değeri üretir.

Örneğin:

12,000 mA

çıkış verebilir.

Measure

Kalibratör başka bir cihaz tarafından üretilen elektriksel değeri ölçer.

Örneğin bir transmitterin:

11,982 mA

çıkış verdiğini gösterebilir.

Çok fonksiyonlu proses kalibratörlerinde kaynaklama ve ölçme fonksiyonlarının aynı cihaz içerisinde bulunması saha çalışmalarını önemli ölçüde kolaylaştırır.

Simülasyon Nedir?

Bazı sensörlerin fiziksel olarak gerçek koşullarda test edilmesi zor olabilir.

Örneğin bir PLC sıcaklık girişini kontrol etmek için gerçek ortam sıcaklığını sürekli değiştirmek yerine kalibratör kullanılarak sensör sinyali simüle edilebilir.

Kalibratör:

• Pt100,
• Pt1000,
• farklı RTD tipleri,
• termokupl tipleri

için karşılık gelen elektriksel değeri oluşturabilir.

Kontrol sistemi bu sinyali gerçek sensörden geliyormuş gibi algılar.

RTD Nedir?

RTD, Resistance Temperature Detector, yani direnç tipi sıcaklık sensörüdür.

Sıcaklık değiştikçe sensörün elektriksel direnci değişir.

Endüstride en yaygın RTD türlerinden biri Pt100 sensörüdür.

Pt100 sensörü 0 °C’de nominal olarak yaklaşık:

100 Ω

direnç gösterir.

Sıcaklık arttıkça direnç de belirli karakteristiğe göre artar.

Proses kalibratörü, Pt100 sensörünün farklı sıcaklıklardaki direnç değerlerini simüle ederek sıcaklık transmitterinin veya kontrolörün girişini test edebilir.

Pt100 Kalibrasyonu Nasıl Yapılır?

Bir sıcaklık transmitterinin Pt100 girişini kontrol etmek için gerçek sensör yerine proses kalibratörü bağlanabilir.

Kalibratör örneğin:

0 °C
25 °C
50 °C
75 °C
100 °C

değerlerini simüle eder.

Transmitterin çıkış sinyali veya kontrol sistemindeki sıcaklık göstergesi her noktada kontrol edilir.

Bu yöntem sensörün kendisinden bağımsız olarak transmitter ve kontrol sisteminin elektriksel doğruluğunu değerlendirmeye yardımcı olur.

2, 3 ve 4 Telli RTD Arasındaki Fark

RTD sensörleri farklı bağlantı yöntemleriyle kullanılabilir.

2 Telli RTD

En basit bağlantı yöntemidir ancak kablo direnci ölçüm sonucuna doğrudan etki edebilir.

3 Telli RTD

Endüstriyel uygulamalarda oldukça yaygındır. Kablo dirençlerinin etkisini telafi etmeye yönelik bağlantı kullanılır.

4 Telli RTD

En yüksek hassasiyeti gerektiren ölçümlerde kullanılır. Akım ve gerilim bağlantıları ayrılarak kablo direncinin etkisi büyük ölçüde azaltılır.

Kalibratör seçerken kullanılacak RTD bağlantı yöntemlerinin desteklenip desteklenmediği kontrol edilmelidir.

Termokupl Nedir?

Termokupl, iki farklı metal alaşımının birleşim noktasında sıcaklığa bağlı çok küçük bir gerilim oluşması prensibiyle çalışan sıcaklık sensörüdür.

Endüstride farklı sıcaklık aralıkları için;

• K tipi,
• J tipi,
• T tipi,
• E tipi,
• R tipi,
• S tipi,
• B tipi

gibi farklı termokupl çeşitleri kullanılır.

Termokupl çıkışı genellikle milivolt seviyesindedir.

Bu nedenle sıcaklık transmitterlerinin testinde hassas ve kararlı mV sinyali üretebilen kalibratör kullanılması gerekir.

Termokupl Simülasyonu Nasıl Yapılır?

Kalibratör üzerinde sensör tipi seçilir.

Örneğin:

Type K

seçildikten sonra:

500 °C

değeri girilebilir.

Kalibratör K tipi termokuplun 500 °C sıcaklıkta üretmesi gereken elektriksel sinyali oluşturur.

Bu sinyal sıcaklık kontrolörüne veya transmittere uygulanır.

Kontrol cihazının yaklaşık 500 °C göstermesi beklenir.

Böylece gerçek bir fırını 500 °C’ye çıkarmadan cihazın elektriksel girişi kontrol edilebilir.

Cold Junction Compensation Nedir?

Termokupl ölçümünde önemli kavramlardan biri Cold Junction Compensation – CJC, yani referans bağlantı kompanzasyonudur.

Termokupl yalnızca ölçüm noktasındaki sıcaklığa değil, ölçüm cihazına bağlandığı referans noktasının sıcaklığına da bağlı bir gerilim üretir.

Bu nedenle doğru sıcaklık hesaplaması için referans bağlantı sıcaklığının bilinmesi veya kompanze edilmesi gerekir.

Gelişmiş proses kalibratörleri dahili sıcaklık sensörü kullanarak CJC işlemini otomatik gerçekleştirebilir.

Termokupl Kalibratörü ile DC Kalibratörü Aynı Şey midir?

Her zaman değil.

Bir DC kalibratörü hassas gerilim ve akım üretebilir.

Ancak termokupl kalibrasyonunda;

• termokupl tabloları,
• CJC,
• farklı sensör standartları

gibi ek fonksiyonlar gerekir.

Örneğin Yokogawa 2553A Hassas DC Kalibratörü, hassas DC gerilim ve akım çıkışlarının yanı sıra çeşitli termokupl ve Pt100 RTD sinyallerini de destekleyerek laboratuvar tipi kalibrasyon uygulamalarında kullanılabilir.

Frekans ve Pulse Kalibrasyonu Nerede Kullanılır?

Bütün proses cihazları 4–20 mA veya sıcaklık sensörü kullanmaz.

Debimetreler, sayaçlar ve bazı hız sensörleri proses bilgisini;

• frekans,
• pulse,
• pulse sayısı

şeklinde iletebilir.

Örneğin bir debimetrenin:

1000 pulse = 1 litre

gibi bir çıkışı bulunabilir.

Proses kalibratörü belirli frekans veya pulse sinyali üreterek gösterge, PLC veya kontrol sisteminin doğru hesaplama yapıp yapmadığını test edebilir.

Otomatik Step Fonksiyonu Ne İşe Yarar?

4–20 mA çevrimlerinin testinde aynı değerleri manuel olarak tekrar tekrar ayarlamak zaman alabilir.

Otomatik step fonksiyonunda kalibratör çıkışı örneğin:

4 mA → 8 mA → 12 mA → 16 mA → 20 mA

şeklinde otomatik değiştirir.

Bu değerler:

%0 → %25 → %50 → %75 → %100

proses aralığına karşılık gelir.

Operatör böylece transmitter veya kontrol sisteminin tüm ölçüm aralığını hızlı şekilde kontrol edebilir.

Sweep Fonksiyonu Nedir?

Sweep fonksiyonu çıkış sinyalinin belirli aralık içerisinde sürekli artırılması veya azaltılmasıdır.

Örneğin kalibratör:

4 mA’dan 20 mA’ya

yavaş ve sürekli geçiş yapabilir.

Bu özellik;

• göstergelerin,
• analog ibrelerin,
• kontrolörlerin,
• alarm noktalarının

davranışını gözlemlemek için yararlı olabilir.

Zero ve Span Ayarı Nedir?

Transmitter kalibrasyonunda sık kullanılan iki terim:

Zero ve Span değerleridir.

Zero

Ölçüm aralığının başlangıç noktasını ifade eder.

Örneğin 0–10 bar transmitterde:

0 bar = 4 mA

zero noktasıdır.

Span

Alt ve üst ölçüm sınırı arasındaki farktır.

0–10 bar transmitter için span:

10 bar

olur.

Transmitter 0 bar girişte 4,20 mA gösteriyorsa zero ayarında problem olabilir.

10 bar girişte 19,50 mA gösteriyorsa span ayarı incelenebilir.

As Found ve As Left Nedir?

Profesyonel kalibrasyon kayıtlarında iki önemli kavram kullanılır.

As Found

Cihaz üzerinde herhangi bir ayar yapılmadan önce bulunan ölçüm sonuçlarıdır.

Cihazın kalibrasyon öncesindeki gerçek durumunu gösterir.

As Left

Gerekli ayarlar yapıldıktan sonra elde edilen son ölçüm sonuçlarıdır.

Bu kayıt sayesinde cihazın kalibrasyona hangi durumda geldiği ve işlemden sonra hangi durumda bırakıldığı görülebilir.

Özellikle kalite yönetim sistemlerinde her iki sonucun da kayıt altına alınması önemlidir.

Kalibrasyon ile Ayar Aynı Şey midir?

Hayır.

Kalibrasyon cihazın hatasının belirlenmesidir.

Ayar ise cihaz üzerinde değişiklik yapılarak hatanın azaltılması işlemidir.

Örneğin bir transmitterin çıkışı:

12,20 mA

olarak ölçüldüğünde bu sonuç kalibrasyon sırasında kaydedilir.

Daha sonra transmitter ayarlanarak:

12,00 mA

seviyesine getirilebilir.

İlk işlem ölçüm ve karşılaştırma, ikinci işlem ise ayarlamadır.

Bu iki kavramın birbirinden ayrılması özellikle kalibrasyon kayıtları açısından önemlidir.

Kalibratör Doğruluğu Neden Daha İyi Olmalıdır?

Bir cihazı kontrol etmek için kullanılan referans cihazın, kontrol edilen cihazdan daha iyi ölçüm performansına sahip olması gerekir.

Aksi durumda ölçülen farkın ne kadarının test edilen cihazdan, ne kadarının referans cihazdan kaynaklandığını belirlemek zorlaşır.

Bu nedenle kalibratör seçerken;

• temel doğruluk,
• çözünürlük,
• uzun dönem kararlılık,
• kalibrasyon belirsizliği

gibi parametreler değerlendirilmelidir.

Saha Kalibratörü ile Laboratuvar Kalibratörü Arasındaki Fark

Saha Kalibratörü

Taşınabilirlik ön plandadır.

Genellikle:

• bataryalı çalışma,
• kompakt tasarım,
• dayanıklı gövde,
• aynı anda kaynaklama ve ölçme

gibi özellikler sunar.

Proses tesisi içerisinde transmitter ve kontrol çevrimlerinin yerinde test edilmesi için uygundur.

Laboratuvar Kalibratörü

Daha yüksek doğruluk ve kararlılığa odaklanır.

Multimetre, ampermetre, voltmetre ve hassas ölçüm cihazlarının doğrulanmasında kullanılabilir.

Bu nedenle saha kalibrasyonu ile metroloji veya laboratuvar kalibrasyonunda kullanılan cihazların gereksinimleri farklı olabilir.

Basınç Kalibrasyonu Nasıl Yapılır?

Basınç transmitterlerinde yalnızca elektriksel 4–20 mA sinyalinin kontrol edilmesi sensörün tamamının doğrulandığı anlamına gelmez.

Gerçek basınç kalibrasyonunda transmittere bilinen referans basınç uygulanır.

Örneğin:

0 bar,
2,5 bar,
5 bar,
7,5 bar,
10 bar

seviyeleri oluşturulur.

Her noktada transmitterin 4–20 mA çıkışı ölçülür.

Böylece hem basınç sensörü hem de elektriksel çıkış birlikte değerlendirilmiş olur.

Daha yüksek basınç aralıklarında CA700 ile kullanılabilen PM100 gibi harici basınç modülleri de uygulama aralığını genişletebilir.

Proses Kalibratörü Nerelerde Kullanılır?

Proses kalibratörleri birçok endüstriyel alanda kullanılabilir:

• enerji santralleri,
• petrokimya tesisleri,
• kimya fabrikaları,
• gıda üretimi,
• ilaç sanayisi,
• su ve atık su tesisleri,
• otomotiv üretimi,
• demir çelik tesisleri,
• makine üretimi,
• bina otomasyonu.

Özellikle çok sayıda transmitter ve sensör kullanılan işletmelerde taşınabilir kalibratörler bakım ekiplerinin temel test cihazlarından biridir.

Proses Kalibratörü Seçerken Nelere Dikkat Edilmeli?

4–20 mA Kaynaklama ve Ölçme

Transmitter ve PLC çevrimlerinin testinde temel gereksinimlerden biridir.

Loop Power

İki telli transmitterlerin sahada ayrı güç kaynağı olmadan test edilmesini kolaylaştırır.

RTD Desteği

Kullanılan Pt100, Pt1000 veya diğer RTD tiplerinin desteklenmesi gerekir.

Termokupl Desteği

Tesiste kullanılan K, J, T, R, S veya diğer termokupl türleriyle uyumlu olmalıdır.

Frekans ve Pulse

Debimetre ve sayaç uygulamalarında gerekebilir.

Kaynaklama ve Ölçmenin Eş Zamanlı Yapılması

Örneğin sensör girişini simüle ederken transmitter çıkışının aynı anda ölçülmesi test süresini azaltır.

Otomatik Step ve Sweep

Çok noktalı kalibrasyonların daha hızlı yapılmasına yardımcı olur.

Doğruluk

Kalibre edilecek cihazların gerektirdiği performans seviyesinden daha iyi referans doğruluğu sağlanmalıdır.

Taşınabilirlik

Saha uygulamalarında pil ömrü, ağırlık ve dayanıklılık önemlidir.

Unitek Elektrik Proses Kalibrasyon Çözümleri

Unitek Elektrik ürün portföyünde saha bakımından hassas laboratuvar uygulamalarına kadar farklı ihtiyaçlara yönelik kalibratörler bulunmaktadır.

Çok fonksiyonlu proses kalibratörleri özellikle 4–20 mA, RTD, termokupl, direnç, frekans ve pulse sistemlerinin tek cihaz üzerinden kontrol edilmesini sağlar.

Daha yüksek doğruluk gerektiren laboratuvar uygulamalarında ise hassas DC ve AC kalibratörleri kullanılabilir.

Doğru cihaz seçimi yapılırken yalnızca desteklenen sinyal tiplerine değil; doğruluk, kaynaklama ve ölçüm aralıkları, otomatik test fonksiyonları ve saha kullanım koşullarına birlikte bakılmalıdır.

Sonuç

Proses kalibratörleri endüstriyel sensör, transmitter ve kontrol sistemlerinin doğru çalıştığının doğrulanmasında kullanılan temel test cihazlarıdır.

Özellikle 4–20 mA çevrimlerinin yanı sıra RTD, termokupl, direnç, frekans ve pulse sinyallerinin aynı cihazla simüle edilip ölçülebilmesi saha bakım çalışmalarını önemli ölçüde kolaylaştırır.

Doğru kalibrasyon yaklaşımında yalnızca transmitter çıkışını ölçmek yerine sensörden PLC veya DCS sistemine kadar tüm ölçüm zincirinin değerlendirilmesi daha kapsamlı sonuç sağlar.

Kalibrasyon sonuçlarının “as found” ve “as left” olarak kayıt altına alınması ise ölçüm sisteminin zaman içerisindeki performansının izlenmesine ve bakım kararlarının daha sağlıklı verilmesine yardımcı olur.