Rezystancyjne czujniki temperatury

Rezystancyjne czujniki temperatury Pt100Rezystancyjne czujniki temperatury (RTD) to przyrządy do pomiaru temperatury cieczy, gazów, elementów maszyn, urządzeń oraz instalacji przemysłowych. Temperatura jest podstawową wielkością fizyczną, która jest mierzona, regulowana, rejestrowana oraz monitorowana w niemal wszystkich procesach technologicznych, w różnych gałęziach przemysłu, budownictwie oraz w środowisku w którym przebywa człowiek.

Rezystancyjne czujniki temperatury Pt100 (RTD) to czujniki, 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 (Pt100, Pt500, Pt1000), których zależność pomiędzy mierzoną temperaturą, a rezystancją określa norma PN-EN60751: 2009. Oprócz platynowych czujników temperatury w pomiarach stosuje się również sensory niklowe (Ni100, Ni1000) oraz czujniki półprzewodnikowe (termistory NTC lub pozystory PTC).

Czujniki rezystancyjne (sensory) wykonywane są w dwóch technologiach:

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

Czujniki temperatury głowicowe Pt100 (RTD)

Kablowe czujniki temperatury Pt100, J, K, N - https://acse.pl

Dla czujników cienkowarstwowych dopuszczalny prąd pomiarowy wynosi 1mA, natomiast a dla rezystorów drutowych jest to 5mA. Sensory te różnią się również zakresem pracy, sensory cienkowarstwowe najczęściej przeznaczone są do pracy w temperaturze -50…400 (max do 600)°C, natomiast sensory ceramiczne mogą pracować w szerszym zakresie temperatur -200…850°C.

W warunkach przemysłowych najczęściej stosowane są czujniki Pt100, natomiast w ciepłownictwie, klimatyzacji czy też wentylacji spotyka się czujniki temperatury Pt500, Pt1000, Ni100, Ni1000, NTC i PTC. Czujnik Pt100 to czujnik, którego rezystancja w temperaturze 0°C wynosi 100Ω. Natomiast czujniki temperatury Pt500, Pt1000, to czujniki których rezystancja temperaturze 0°C wynosi odpowiednio 500Ohm( dla Pt500) lub 1000Ohm (dla Pt1000). Zaletą stosowania sensorów temperatury Pt500 i Pt1000 jest mniejszy wpływ na pomiar rezystancji linii pomiarowej. Połączanie pomiędzy czujnikiem temperatury, a miernikiem, regulatorem czy też rejestratorem wykonywane jest w technice dwuprzewodowej. Rezystancyjne czujniki temperatury charakteryzują się wyższą dokładnością i rozdzielczością pomiaru od czujników termoelektrycznych ale mogą pracować w niższym zakresie temperatury (max 850°C).

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

Dopuszczalne odchyłki (błędy pomiarowe) dla rezystancyjnych czujników temperatury.
Rezystancyjne czujniki temperatury Pt100 - dopuszczalne odchyłki w zależności
Wykresy dopuszczalnych odchyłek w zależności od klasy dokładności

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 wymagają zastosowania obwodu pomiarowego 3 lub 4 przewodowego oraz urządzenia pomiarowego z takim podłączeniem.

Wzory określające dopuszczalne odchyłki dla rezystancyjnych czujników temperatury Pt100
Klasa Zakres stosowania rezystorów Dopuszczalne odchyłki
Drutowe Cienkowarstwowe
AA (1/3 DIN) -50…250°C 0…150°C T = ( 0.10 + 0.0017 * | t | )°C
A -100…450°C -30…300°C T = ( 0.15 + 0.002 * | t | )°C
B -196…600°C -50…500°C T = ( 0.3 + 0.005 * | t | )°C
Wartości dopuszczalnych odchyłek dla rezystancyjnych czujników temperatury Pt100
Temperatura [°C] Dopuszczalne odchyłki
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 Pt100.

Kablowe czujniki temperatury Pt100. Pt500, Pt1000

Rezystancyjne czujniki temperatury 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, ale takie połączenie powoduje pojawienie się pewnego błędu pomiaru, spowodowanego rezystancją linii pomiarowej oraz jej zmianą wraz z temperaturą otoczenia. Dlatego w przemysłowych pomiarach temperatury często stosuje się również linię pomiarową 3-przewodową.  Zastosowanie linii pomiarowej 3- przewodowej ogranicza błąd spowodowany rezystancją przewodu. Natomiast błąd pomiarowy spowodowany rezystancją linii pomiarowej oraz zmianą tej rezystancji wraz ze zmianą temperatury eliminuje całkowicie linia 4- przewodowa eliminuje. Linia 4-przewodowa wymaga jednak przyrządów pomiarowych, które mają możliwość podłączenia czujnika 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 temperatury Pt100, P500, Pt1000 w układzie 2- przewodowym.
Rezystancyjne czujniki temperatury - podłączenie 2-przewodowe
Podłączenie 2-przewodowe czujników temperatury

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 uniknąć błędu spowodowanego rezystancją przewodów mierniki, regulatory i rejestratory są wyposażone w funkcję korekcji wartości mierzonej.

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

Wpływy rezystancji przewodów oraz jej zmiany są redukowane w układzie 3-przewodowym. W układzie 3-przewodowym dodatkowy przewód jest podłączony bezpośrednio do elementu pomiarowego (sensora Pt100). W ten sposób powstają dwa obwody pomiarowe, z których jeden jest używany jako układ, 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  przeznaczony jest tylko do współpracy tylko z miernikami, regulatorami i rejestratorami umożliwiającymi podłączenie czujnika Pt100 linią 3-przewodową.

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

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 drogich urządzeniach laboratoryjnych.

 

Sposób doboru rezystancyjnych czujników temperatury.

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

  1. Mierzona temperatura: Rezystancyjne czujniki temperatury przeznaczone są do pomiaru temperatury głównie w zakresie -50…400°C (-200…600°C). Przy tym należ zwrócić uwagę, że rezystancyjne czujniki temperatury posiadają wyższą dokładność oraz rozdzielczość pomiaru, natomiast czujniki termoelektryczne 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 lub pokryte tworzywem sztucznych (np. teflonem).
  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 (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 ugięcia, 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:

Czujniki temperatury i termopary 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 rezystancyjne czujniki temperatury których przyłącze elektryczne wykonane jest w postaci odpowiedniego przewodu.
  • Czujniki głowicowe – są to  rezystancyjne czujniki temperatury których przyłącze elektryczne wykonane jest w postaci głowicy przyłączeniowej. Głowica wykonana jest aluminium lub tworzywa, w głowicy czujnika znajduje się ceramiczna kostka z zaciskami elektrycznymi do podłączenia przewodu lub przetwornika temperatury.
  • Czujniki płaszczowe – są to  rezystancyjne czujniki temperatury wykonywane są ze specjalnego płaszcza, który można dowolnie formować zachowując minimalny promień gięcia.
  • Czujniki puszkowe (w obudowach z tworzywa) do klimatyzacji i wentylacji – są to  rezystancyjne czujniki temperatury wykonane w postaci puszki, są to zazwyczaj czujniki temperatury otoczenia lub czujniki temperatury zewnętrznej.
  • Czujniki temperatury ze załączani elektrycznymi w postaci gniazd i wtyków M12, GDM, GDS i innymi.
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
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 + 15 średnic części czułej czujnika)

w wodzie:

  • prędkość przepływu: V = 0,4 ± 0,05 m/s
  • temperatura początkowa: To = 5÷30°C
  • skok temperatury: ∆T = 10°C
  • min. zanurzenie = (długość + 5 średnic części czułej czujnika)
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
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
Obciążalność osłon o średnicy: ∅11, ∅12, ∅15mm

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

  • Montaż 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:

  • 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 zostały pokazane poniżej:

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

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