Rezystancyjne czujniki temperatury (sensory temperatury Pt100)

Czujniki rezystancyjne (Resistance Temperature Detectors “RTD”) typu Pt100, Pt500, Pt1000 to sensory temperatury do kontaktowego pomiaru temperatury cieczy, gazów, elementów maszyn, urządzeń oraz instalacji przemysłowych.

Termorezystancyjne czujniki temperatury (sensory temperatury) Pt100, Pt500 i Pt1000 - ACSE Sp. z o.o.
Termorezystancyjne czujniki temperatury Pt100, Pt500 i Pt1000 – ACSE Sp. z o.o.

Temperatura jest podstawową wielkością fizyczną, która jest mierzona, regulowana, rejestrowana i monitorowana w niemal wszystkich procesach technologicznych, w różnych gałęziach przemysłu, budownictwie oraz w środowisku, w którym przebywa człowiek.

Czujniki temperatury rezystancyjne (RTD: Pt100) to sensory, które do pomiaru temperatury wykorzystują zjawisko zmiany rezystancji metalu (przewodnika) z którego są wykonane pod wpływem przyłożonej temperatury. Elementem pomiarowym rezystancyjnego czujnika temperatury (RTD) jest rezystor pomiarowy (sensor), którego rezystancja zmienia się wraz ze zmianą temperatury. W praktyce najczęściej stosuje się czujniki platynowe (typu: Pt100, Pt500 i Pt1000), których zależność pomiędzy mierzoną temperaturą, a rezystancją jest określona normą PN-EN60751: 2009. Oprócz platynowych czujników temperatury w pomiarach i automatyczne stosuje się również sensory niklowe (typu: Ni100, Ni1000) oraz czujniki półprzewodnikowe (termistory NTC lub pozystory PTC).

Rezystancyjne czujniki platynowe (sensory temperatury Pt100) wykonywane są w dwóch technologiach, jako:

  • Sensory tradycyjne (ceramiczne) – termorezystory drutowe, gdzie drut platynowy jest nawinięty na mały rdzeń ceramiczny (czujniki Pt100).
  • Sensory cienkowarstwowe, gdzie warstwa platyny jest napylona na płytkę ceramiczną.

Sensory te różnią się głównie rozmiarami, dopuszczalnym prądem pomiarowym i zazwyczaj zakresem pracy. Dla czujników cienkowarstwowych dopuszczalny prąd pomiarowy wynosi 1mA, natomiast dla rezystorów drutowych jest to 5mA. Sensory cienkowarstwowe najczęściej przeznaczone są do pracy w temperaturze -50…400 (max do 600)°C, natomiast sensory ceramiczne ze względu na budowę mogą pracować w szerszym zakresie temperatur wynoszącym -200…850°C.


Tematyka zawarta poniższym artykule:


Charakterystyki termometryczne rezystancyjnych czujników temperatury (Pt100)

Czujnik temperatury TOGNM12

W warunkach przemysłowych najczęściej stosowane są czujniki wyposażone w sensor Pt100. Natomiast w ciepłownictwie, klimatyzacji czy też wentylacji częściej spotyka się czujniki temperatury z elementem pomiarowym: Pt500, Pt1000, Ni100, Ni1000, NTC lub PTC. Czujnik Pt100 to czujnik, którego rezystancja w temperaturze 0°C wynosi 100Ω. Natomiast czujniki temperatury Pt500, Pt1000, to czujniki których rezystancje w temperaturze 0°C wynoszą odpowiednio 500Ohm (dla Pt500) lub 1000Ohm (dla Pt1000). Zaletą stosowania sensorów temperatury Pt500 i Pt1000 jest mniejszy koszt linii podłączeniowej. Ze względu wartość nominalną rezystancji samego czujnika, wpływ rezystancji linii pomiarowej jest pomijalnie mały, dlatego połączenie pomiędzy czujnikiem temperatury Pt500 i Pt1000, a miernikiem, regulatorem czy też rejestratorem wykonywane jest w technice dwuprzewodowej. Czujniki rezystancyjne (RTD) charakteryzują się wyższą dokładnością i rozdzielczością pomiaru od czujników termoelektrycznych (termopar), które mogą pracować w wyższym zakresie temperatury niż 850°C.

Zależność zmiany rezystancji od temperatury dla czujników platynowych jest opisana normą PN-EN60751:2009 (przykładowe punkty patrz “Charakterystyki termometryczne rezystancyjnych czujników temperatury (RTD: Pt100, Pt500, Pt1000)“.



Klasy dokładności (błędy pomiarowe) dla rezystancyjnych czujników temperatury (Pt100).

Dopuszczalne odchyłki dla platynowych czujników temperatury zostały dokładnie opisane w normie PN-EN60751:2009. Obecnie norma ta rozróżnia dwie klasy dokładności A (AA, A) oraz klasę B. Podstawową klasą dokładności stosowaną dla przemysłowych czujników temperatury jest klasa B. Klasy AA i A są dokładniejsze, ale żeby zachowana była deklarowana w tych klasach dokładność, to wymagane jest zastosowania obwodu pomiarowego 3 lub 4 przewodowego oraz urządzenia pomiarowego, które umożliwia takie podłączenie.

Klasy dokładności rezystancyjnych czujników temperatury
Klasy dokładności rezystancyjnych czujników temperatury Pt100
KlasaZakres stosowania rezystorów drutowychZakres stosowania rezystorów cienkowarstwowychDopuszczalne odchyłki
A (1/3 DIN)-50…250°C0…150°CT = ( 0.10 + 0.0017 * | t | )°C
A-100…450°C-30…300°CT = ( 0.15 + 0.002 * | t | )°C
B-196przykladowe-odchylki…600°CT = ( 0.3 + 0.005 * | t | )°C

Przykładowe odchyłki dla czajników Pt100 w poszczególnych klasach dokładności

Temperatura [°C]Klasa AA [°C]Klasa A [°C]Klasa B [°C]
-196±1,28
-100±0,35±0,80
-50±0,185±0,25±0,55
0±0,10±0,15±0,30
100±0,27±0,35±0,80
200±0,44±0,55±1,30
250±0,525±0,65±1,55
300±0,75±1,80
350±0,85±2,05
400±0,95±2,30
450±1,05±2,55
500±2,8
600±3,30

Rodzaje obwodów pomiarowych dla rezystancyjnych czujników temperatury typu Pt100.

Rezystancyjne czujniki temperatury
Rezystancyjne czujniki temperatury Pt100, Pt500, Pt1000 – https://acse.pl

Rezystancyjne czujniki temperatury typu Pt100 mogą być podłączane do urządzeń pomiarowych za pomocą linii 2, 3 lub 4- przewodowej. Ze względu na koszty najczęściej stosowane jest podłączenie 2- przewodowe. Zaletą takiego podłączenia są niskie koszty kabli, natomiast wadą takiego połączenia jest pojawienie się pewnego błędu pomiarowego, spowodowanego rezystancją linii pomiarowej oraz jej zmianą wraz z temperaturą otoczenia. Dlatego w przemysłowych pomiarach temperatury często stosuje się obwody pomiarowe wykonaną linią 3- przewodową.  Zastosowanie linii pomiarowej 3- przewodowej niweluje błąd spowodowany rezystancją przewodu.

Błąd pomiarowy spowodowany rezystancją linii pomiarowej oraz jej zmianą wraz ze zmianą temperatury eliminuje całkowicie linia 4- przewodowa. Aby w pełni wykorzystać zalety linii 4- przewodowej wymagane są przyrządy pomiarowe, które mają możliwość podłączenia czujników Pt100 linią 4-przewodową. Zazwyczaj są to drogie przyrządy stosowane głównie w laboratoriach pomiarowych.

Czujniki temperatury Pt500, Pt1000, Ni100 oraz Ni1000 ze względu na znikomy wpływ rezystancji linii pomiarowej na pomiar podłączane są linią 2-przewodową.

  • Podłączenie czujników Pt100, P500, Pt1000 w układzie 2- przewodowym.
Rezystancyjne czujniki temperatury - podłączenie 2-przewodowe

Połączenie czujników temperatury z urządzeniem pomiarowym (miernikiem, regulatorem czy też rejestratorem) odbywa się za pomocą linii 2- przewodowej. Każdy przewód elektryczny posiada swoją rezystancję elektryczną połączoną szeregowo z czujnikiem temperatury. Podłączenie przewodu powoduje dodanie dwóch rezystancji, wynikiem, czego jest wyższa wartość mierzonej temperatury. Przy dużych odległościach rezystancja przewodów może powodować znaczne błędy wartości mierzonej. Aby skorygować błąd spowodowany rezystancją przewodów niektóre mierniki, regulatory i rejestratory są wyposażone w funkcję korekcji wartości mierzonej.

  • Podłączenie czujników Pt100 w układzie 3- przewodowym.
Rezystancyjne czujniki temperatury - podłączenie 3-przewodowe

Wpływy rezystancji przewodów oraz jej zmiany są redukowane w układzie 3-przewodowym. W układzie 3-przewodowym dodatkowy przewód jest podłączony bezpośrednio do elementu pomiarowego Pt100. W ten sposób powstają dwa obwody pomiarowe, z których jeden jest używany jako obwód pomiarowy, który mierzy rezystancję przewodów. Układ 3-przewodowy umożliwia kompensację błędu pomiarowego wynikającego z rezystancji oraz zmian rezystancji przewodów podłączeniowych. Jednak wymaga, aby wszystkie trzy żyły miały identyczne właściwości i znajdowały się w tej samej temperaturze. Układ ten jest podstawowym układem pomiarowym, ale wymaga, aby urządzenia typu z miernik, regulator lub rejestrator umożliwiał podłączenie czujnika Pt100 linią 3-przewodową.

  • Podłączenie czujników Pt100 w układzie 4- przewodowym.
Rezystancyjne czujniki temperatury - podłączenie 4-przewodowe

Najdokładniejszym połączeniem rezystancyjnych czujników temperatury jest układ 4-przewodowy. Wynik pomiaru nie zależy ani od rezystancji przewodów, zmiany rezystancji przewodów, a także od zmiany temperatury przewodów. W praktyce układ 4-przewodowy stosuje się tylko w pomiarach laboratoryjnych.

Sposób doboru rezystancyjnych czujników temperatury.

Podczas doboru czujnika temperatury należy zwrócić głównie uwagę na następujące rzeczy:

  1. Mierzona temperatura: Rezystancyjne czujniki temperatury stosowane są głównie w zakresie -50…400°C (-200…600°C). Przy tym należ zwrócić uwagę, że rezystancyjne czujniki temperatury posiadają wyższą dokładność oraz rozdzielczość pomiaru niż czujniki termoelektryczne, które poosiadają krótszy czas odpowiedzi i wyższą odporność mechaniczną.
  2. Mierzone medium: W zależności od mierzonego medium należy dobrać odpowiedni materiał osłony czujnika temperatury. Np. czujniki temperatury przeznaczone do pomiaru kąpieli galwanicznych powinny mieć osłony wykonane z materiału, który jest odporny na działanie danego czynnika (np. teflon, PVDF, itp.).
  3. Miejsce montażu: Miejsce montażu czujnika temperatury ma znaczenie przy doborze średnicy i długości montażowej. Osłona czujnika temperatury powinna być z jednej strony o możliwie małej średnicy, im mniejsza średnica tym szybszy czas odpowiedzi czujnika. Natomiast z drugiej strony osłona powinna mieć średnicę odpowiednią do przenoszonego obciążenia, mierzonego medium, długości i sposobu montażu. Zalecana długość zanurzeniowa osłony czujnika powinna wynosić min. 6-15 średnic w zależności od mierzonego medium. Tam, gdzie nie mogą być montowane tak długie osłony (np. rurociągi o małej średnicy), zalecany jest montaż czujnika pod kątem do kierunku przepływu lub w kolanie rurociągu. W taki sposób, aby jak największa powierzchnia osłony czujnika miała kontakt z mierzonym medium. Długość osłony czujnika również nie powinna być zbyt duża ze względu na możliwość jej wygięcia, zwłaszcza podczas montażu czujnika poziomo. Nie zalecany jest montaż poziomy czujników temperatury pracujących w wysokich temperaturach, ze względu na to, że mogą ulec ugięciu pod własnym ciężarem.

Podział czujników temperatury ze względu na budowę.

Rezystancyjne czujniki temperatury wykonywane są w różnych wersjach obudów, z różnymi przyłączami procesowymi i elektrycznymi. Ze względu na budowę czujniki dzieli się na klika kategorii:

  • Czujniki kablowe (przewodowe) – są to czujniki temperatury których przyłącze elektryczne wykonane jest w postaci elastycznego przewodu w odpowiedniej izolacji to temperatury pracy. W takim przypadku zakres pomiarowy czujnika jest ograniczony temperaturą pracy izolacji przewodu.
  • Czujniki głowicowe – są to czujniki temperatury których przyłącze elektryczne wykonane jest w postaci głowicy przyłączeniowej. Głowica wykonana jest aluminium lub tworzywa, natomiast w głowicy czujnika znajduje się ceramiczna kostka z zaciskami elektrycznymi do podłączenia przewodu lub przetwornika temperatury. Zakres pomiarowy czujników głowicowych jest ograniczony temperaturą pracy głowicy (zazwyczaj to 150°C). Dlatego przy wyższych temperaturach stosuje się czujniki głowicowe w których głowica jest odsadzona od króćca montażowego (typowo ok 145mm).
  • Czujniki płaszczowe – są to czujniki temperatury, które wykonywane ze specjalnego płaszcza. Wykonanie pałaszowe czujnika pozwala na dowolne formowanie osłony (płaszcza), przy zachowaniu minimalnego promienia gięcia.
  • Czujniki puszkowe (w obudowach z tworzywa) do klimatyzacji i wentylacji – są to czujniki temperatury, których przyłącze elektryczne jest wykonane w postaci puszki, są to zazwyczaj czujniki temperatury do pomiaru temperatury w kanale wentylacyjnym, temperatury otoczenia lub temperatury zewnętrznej.
  • Czujniki temperatury ze załączani M12, GDM, GDS – są to czujniki temperatury, których przyłącze elektryczne jest wykonane w postaci gniazd i wtyków M12, GDM, GDS, itp. Zaletą czujników ze złączami jest szybki demontaż kabla.

Własności dynamiczne czujników temperatury wg PN-EN 60751: 2009.

Czas odpowiedzi jest to czas, który potrzebuje czujnik temperatury po skokowej zmianie temperatury, aby wskazać określoną część wartość skoku temperatury.

  • Stała czasowa [t05]: jest to czas, po którym czujnik temperatury wskaże 50% wartości wymuszonego skoku temperatury.
  • Stała czasowa [t09]: jest to czas, po którym czujnik temperatury wskaże 90% wartości wymuszonego skoku temperatury.

Czasy odpowiedzi wyznaczane są dla następujących warunków:

Stała czasowa czujników temperatury

w powietrzu:

  • prędkość przepływu: V = 3 ±0,3m/s
  • temperatura powietrza: To = 10÷30°C
  • skok temperatury: ∆T = 10÷20°C
  • min. zanurzenie = (długość części czułej + 15 średnic części czułej czujnika)

w wodzie:

  • prędkość przepływu: V = 0,4 ±0,05m/s
  • temperatura początkowa: To = 5÷30°C
  • skok temperatury: ∆T = 10°C
  • min. zanurzenie = (długość części czułej + 5 średnic części czułej czujnika)

Czujniki temperatury – obciążalność typowych osłon termometrycznych.

Dopuszczalne obciążenia osłon w warunkach pracy czujników temperatury zależą od ciśnienia mierzonego ośrodka, temperatury, prędkości przepływu, średnicy osłony, długości osłony [L], materiału z jakiego są wykonane. Wartości podane na wykresach obliczono dla wody i pary wodnej przy zamocowaniu osłon prostopadłym do osi rurociągu.

  • Średnica osłon czujnika: ∅6, ∅8, ∅9, ∅10mm
Czujniki temperatury - obciążalność osłon o średnicy: ∅6, ∅8, ∅9, ∅10mm

Dopuszczalna prędkość przepływu:
– para – 25m/s
– woda – 3m/s
Dopuszczalny moment dokręcenia łącznika – 49Nm

  • Średnica osłon czujnika: ∅11, ∅12, ∅15mm
Czujniki temperatury - obciążalność osłon o średnicy: ∅11, ∅12, ∅15mm

Dopuszczalna prędkość przepływu:
– para – 40m/s
– woda – 5m/s
Dopuszczalny moment dokręcenia łącznika – 98Nm

Przykładowe sposoby montażu czujników temperatury

Czujniki temperatury należy montować w miejscach umożliwiających łatwą obsługę i konserwację. Czujniki należy montować w taki sposób, aby miały odpowiedni kontakt z mierzonym medium.

Zalecana długość montażowa czujników to:

  • w przepływającej wodzie: min. 6-8 średnic osłony zewnętrznej czujnika,
  • w przepływającym powietrzu: min. 10-15 średnic osłony zewnętrznej czujnika.

Przykładowe sposoby montażu czujnika temperatury w rurociągu zostały pokazane poniżej:

  • montaż prostopadły do kierunku przepływu,
  • montaż pod kątem do kierunku przepływu,
  • montaż w kolanie.
Czujniki temperatury - zalecane sposoby montażu

Podczas montażu w rurociągu zalecane jest, aby element pomiarowy czujnika temperatury znajdował się w osi przepływu.

Zobacz również szeroką ofertę urządzeń do pomiaru, kontroli, regulacji, rejestracji oraz monitoringu temperatury w tym różnego rodzaju: mierniki temperatury, termoregulatory, rejestratory temperatury, itp.