Pomiary temperatury RTD i PT100 to metoda wnioskowania o temperaturze na podstawie przewidywalnej zmiany oporu elektrycznego czystego metalu, najczęściej platyny. Czujniki rezystancyjne temperatury (RTD) są podstawowymi czujnikami do pomiarów temperatury procesowej w zakresie około -200°C do 850°C, w którym dokładność i stabilność długoterminowa są ważniejsze niż szybkość odpowiedzi. Zrozumienie zależności opór, temperatura, konfiguracji okablowania i klasy tolerancji jest niezbędne do określenia czujnika, który faktycznie dostarczy dokładność wymaganą przez proces.
Platyna, jak większość czystych metali, ma opór elektryczny, który wzrasta niemal liniowo wraz z temperaturą. Element rezystancyjny o precyzyjnym wykonaniu jest nawijany lub nanoszony w znanym wzorze, tak że jego opór przy dowolnej temperaturze można przewidzieć z użyciem standardowej krzywej.
Przepuszczenie małego, stabilnego prądu wzbudzenia przez element i zmierzenie spadku napięcia daje wartość oporu, którą przetwornik przekształca na odczyt temperatury za pomocą równania Callendara, Van Dusena. Ponieważ zależność ta jest własnością fizyczną metalu, a nie kruchą krzywą kalibracyjną, RTD zachowują swoją dokładność przez lata, jeśli element nie ulegnie uszkodzeniu mechanicznemu lub chemicznemu.
„PT” oznacza platynę; liczba to nominalny opór w omach przy 0°C. PT100 wskazuje 100,00 oma przy 0°C; PT1000 wskazuje 1000,00 oma przy 0°C. Oba stosują ten sam współczynnik temperaturowy, więc PT1000 po prostu generuje dziesięciokrotnie większą zmianę sygnału na stopień.
Współczynnik temperaturowy oporu, alfa, określa średnią względną zmianę oporu na stopień Celsjusza między 0°C a 100°C. Dwie krzywe dominują w zastosowaniach przemysłowych:
Mieszanie krzywych w konfiguracji przetwornika jest częstą przyczyną systematycznego odchylenia odczytu temperatury o kilka stopni, pomimo że czujnik mierzy poprawnie w punkcie kalibracji. Zawsze potwierdź, że wartość alfa zgadza się między czujnikiem a przetwornikiem, a nie tylko wartość bazową PT100/PT1000.
Ponieważ RTD mierzy opór, każdy opór w przewodach łączących dodaje się bezpośrednio do wartości mierzonej, chyba że obwód to kompensuje. Miedziany przewód ma opór około 0,08 Ω na metr dla pojedynczego przewodnika 0,5 mm², a ten opór zmienia się wraz z temperaturą otoczenia na długości kabla, dodając dalsze dryfowanie.
| Konfiguracja | Kompensacja błędu przewodów | Typowy wpływ na dokładność | Zastosowanie |
|---|---|---|---|
| 2-przewodowe | Brak; rezystancja przewodów dodaje się bezpośrednio do odczytu | W przypadku PT100 (alfa 0,00385) każdy om sumarycznej rezystancji przewodów przesuwa odczyt o około 2,6°C; odcinek 1,2 Ω (około 50 m cienkiego miedzianego przewodu w obie strony) może dodać 3°C błędu | Krótkie odcinki, tani HVAC, czujniki PT1000 tam, gdzie ułamek błędu jest mały |
| 3-przewodowe | Kasowanie w układzie mostkowym zakłada równe rezystancje w dwóch przewodach | Pozostały błąd wynika tylko z niedopasowania przewodów; zwykle mały, gdy oba przewody mają zbliżoną długość i przekrój | Standard dla przemysłowych przetworników procesowych |
| 4-przewodowe | Pełne pomiary w układzie Kelvina usuwają rezystancję przewodów z pomiaru | Praktycznie zerowy błąd przewodów, ograniczony tylko dokładnością przetwornika | Laboratoria kalibracyjne, rozliczenia handlowe (custody transfer), krytyczne pętle procesowe |
Dla każdego odcinka dłuższego niż kilka metrów przy PT100, praktycznym minimum jest okablowanie 3‑przewodowe. 4‑przewodowe stosuje się do pomiarów referencyjnych, ponieważ dodatkowy przewodnik rzadko uzasadnia koszty w rutynowych punktach procesowych.
IEC 60751 definiuje klasy tolerancji określające maksymalnie dopuszczalne odchylenie od krzywej wzorcowej przy danej temperaturze. Tolerancja nie jest stałą liczbą; rozszerza się wraz z temperaturą.
| Klasa | Wzór tolerancji (°C) | Tolerancja przy 0°C | Tolerancja przy 400°C |
|---|---|---|---|
| Klasa AA (1/3 DIN) | ±(0,10 + 0,0017 × |t|) | ±0,10°C | ±0,78°C |
| Klasa A | ±(0,15 + 0,002 × |t|) | ±0,15°C | ±0,95°C |
| Klasa B | ±(0,30 + 0,005 × |t|) | ±0,30°C | ±2,30°C |
Klasa B jest ogólnym domyślnym wyborem przemysłowym i wystarcza dla większości pętli sterujących. Klasa A lub AA jest określana tam, gdzie wymagane są wąskie pasma kontroli lub dokładność rozliczeniowa, na przykład na wylocie nagrzewnicy. Elementy klasy AA zazwyczaj kosztują więcej i są bardziej wrażliwe na naprężenia instalacyjne, więc nadmierne specyfikowanie tolerancji na pętli niekrytycznej zwiększa koszty bez korzyści.
Prąd wzbudzenia używany do pomiaru oporu również rozprasza moc w elemencie (I²R), podnosząc jego temperaturę nieco powyżej temperatury procesu, który mierzy.
Samonagrzewanie charakteryzuje stała rozpraszania w mW/°C, która bardzo się różni w zależności od konstrukcji elementu, obudowy i tego, czy czujnik znajduje się w szybko płynącym medium czy w nieruchomym powietrzu; dobrze zamontowane czujniki przemysłowe w płynącym cieczy zwykle rozpraszają więcej mocy na stopień samonagrzewania (wyższa stała) niż goły element w nieruchomym powietrzu.
W płynach o dobrym przewodnictwie cieplnym błąd samonagrzewania zwykle jest poniżej 0,05°C; w nieruchomym powietrzu lub w słabo przewodzącej osłonie może przekroczyć 1°C.
Utrzymywanie niskiego prądu wzbudzenia (zwykle poniżej 1 mA) oraz zapewnienie dobrego kontaktu termicznego między końcówką czujnika a procesem, w tym właściwej głębokości zanurzenia i dobrze dopasowanej osłony termometrycznej (thermowell), utrzymuje ten błąd na poziomie pomijalnym.
Słabe dopasowanie osłony termometrycznej jest również jedną z najczęstszych przyczyn powolnej odpowiedzi termicznej i opóźnień odczytu wykrywanych podczas przeglądu stanu zakładu.
Wprowadzenie sygnału RTD do systemu monitorowania powiązanego z CMMS pozwala zespołowi utrzymania trendować rzeczywiste dryfy czujników w czasie, zamiast reagować tylko wtedy, gdy odczyt wyraźnie odbiega. Gdy wykryje się utrzymujący się dryf lub odczyt poza tolerancją, automatycznie wygenerowane zlecenie pracy w platformie takiej jak Book a Fabrico demo kieruje zadania kalibracji lub wymiany, zanim odchylenie wpłynie na jakość produktu lub wywoła wyłączenie.
RTD i termopary rozwiązują ten sam problem, oferując różne kompromisy, a wybór zwykle sprowadza się do zakresu temperatur, dokładności i czasu odpowiedzi.
Dla ogólnej regulacji procesów w zakresie od -200°C do 500°C, gdzie wartość mają dokładność i stabilność długoterminowa, RTD jest prawie zawsze lepszym domyślnym wyborem.
Oba używają tej samej krzywej oporu, temperatury platyny i tych samych opcji współczynnika, ale PT100 ma 100 omów przy 0°C, natomiast PT1000 ma 1000 omów przy 0°C. PT1000 daje większą zmianę oporu na stopień, co sprawia, że błąd rezystancji przewodów w układzie 2‑przewodowym jest znacznie mniej istotny na długich odcinkach kablowych.
Najczęstszą przyczyną jest niedopasowanie współczynnika alfa, np. skonfigurowanie przetwornika na 0,00392, gdy zainstalowany czujnik używa standardu IEC 60751 0,00385, albo odwrotnie. Powoduje to błąd zależny od temperatury, który rośnie wraz z odsunięciem się od 0°C, mimo że sam czujnik jest sprawny.
Tak, dla zdecydowanej większości pętli przemysłowych. Okablowanie 3‑przewodowe kasuje rezystancję przewodów pod warunkiem, że oba przewody pomocnicze mają dopasowaną długość i przekrój, pozostawiając jedynie niewielki błąd resztkowy. Układ 4‑przewodowy zarezerwowany jest dla zastosowań kalibracyjnych lub rozliczeniowych.
Klasa B (±0,30°C przy 0°C, rozszerzająca się wraz z temperaturą) nadaje się do ogólnego monitorowania procesów i większości pętli sterujących. Klasa A lub AA powinna być określona tylko tam, gdzie pasmo kontrolne jest wąskie albo pomiar zasila obliczenia rozliczeniowe lub krytyczne dla bezpieczeństwa, ponieważ ciaśniejsze klasy kosztują więcej i są bardziej wrażliwe na naprężenia mechaniczne podczas instalacji.
Zaloguj
Blog
