Rezystancyjne czujniki temperatury Pt100, Pt500 i Pt1000.

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

Pomiar temperatury może być wykonywany za pomocą różnego rodzaju czujników temperatury, są to przede wszystkim czujniki rezystancyjne (RTD) oraz czujniki termoelektryczne (termopary). Podstawową grupę czujników do pomiaru temperatury stanowią czujniki rezystancyjne (RTD: Pt100, Pt500 i Pt1000), które przeznaczone są głównie do pomiaru niskiej i średniej temperatury. Czujniki rezystancyjne to czujniki, których sensory wykorzystują zjawisko zmiany rezystancji (oporności) przewodnika z którego są wykonane pod wpływem mierzonej temperatury. Podstawowym elementem pomiarowym rezystancyjnych czujników temperatury (RTD) jest termorezystor (np. sensor platynowy lub niklowy). W pomiarach przemysłowych najczęściej wykorzystuje się czujniki platynowe typu Pt100 o dodatnim współczynniku temperaturowym (3850ppm/K), jak również termorezystory Pt500 i Pt1000. Zależność pomiędzy rezystancją, a mierzoną temperaturą została określona normą PN-EN60751. Oprócz czujników platynowych typu: Pt100, Pt500 i Pt1000 do pomiarów temperatury wykorzystuje się również inne elementy pomiarowe. Są to głównie: termorezystory niklowe (Ni100 i Ni1000), sensory półprzewodnikowe (termistory (NTC i PTC), itp.

Przemysłowy pomiar temperatury przy użyciu czujników rezystancyjnych.

Temperatura jest podstawową wielkością procesową, która występuje i jest mierzona niemal we wszystkich procesach technologicznych i przemysłowych, budownictwie, laboratoriach, itp., którą się mierzy, kontroluje, reguluje, monitoruje oraz rejestruje za pomocą różnych czujników temperatury. Do przemysłowego pomiaru temperatury w zakresie niskiej i średniej temperatury wykorzystuje się właśnie czujniki rezystancyjne (RTD). Są to przede wszystkim czujniki temperatury z sensorem typu Pt100. Przemysłowy czujniki temperatury składa się z sensora temperatury (np. termorezystora platynowego Pt100) oraz obudowy zabezpieczającej sensor przed wpływem czynników zewnętrznych.

Do produkcji czujników temperatury wykorzystuje się sensory temperatury (termorezystory) wykonywane są głównie w dwóch technologiach, jako termorezystory drutowe (ceramiczne) oraz napylane (cienkowarstwowe):

• Termorezystory drutowe (ceramiczne) to sensory temperatury, gdzie cienki drut platynowy jest nawinięty na rdzeń ceramiczny, który następnie jest wsunięty w kubek ceramiczny i zalany specjalną zalewą. W tej technologii są wykonywane sensory temperatury typu Pt100.
• Termorezystory cienkowarstwowe (napylane) to sensory temperatury, gdzie warstwa platyny jest napylona na cienką płytkę ceramiczną, która jest następnie pokryta specjalną warstwą zabezpieczającą. W technologii tej są wykonywane poza sensorami Pt100, również sensory pomiarowe typu: Pt100, Pt500, Pt1000, Ni100 i Ni1000.

W produkcji czujników temperatury czasami wykorzystuje się termorezystory w obudowach szklanych (Pt100), gdzie rdzeń i odbudowa wykonane są ze specjalnego szkła, a także termorezystory cienkowarstwowe w specjalnych kubkach ceramicznych, termorezystory napylone na płytkach PCB, termorezystory do montaży SMD, itp.

Sensory temperatury drutowe (ceramiczne) i cienkowarstwowe różnią się głównie rozmiarami, prądem pomiarowym i dopuszczalnym zakresem temperatury pracy. Dla sensorów temperatury wykonanych w technice cienkowarstwowej dopuszczalny prąd pomiarowy wynosi 1mA. Natomiast dla sensorów drutowych (ceramicznych) dopuszczalny prąd pomiarowy wynosi 5mA. Sensory cienkowarstwowe ze względu na technologię produkcji zazwyczaj przeznaczone są do pomiaru temperatury w zakresie -50…400°C, natomiast sensory ceramiczne mogą pracować w szerszym zakresie temperatur od -200…850°C.

Tematyka zawarta poniższym artykule:

• Charakterystyki termometryczne czujników temperatury Pt100.
• Klasy dokładności dla rezystancyjnych czujników temperatury.
• Wartości przykładowych odchyłek dla czujników Pt100.
• Sposób podłączenia czujników rezystancyjnych.
• Sposób doboru czujników rezystancyjnych.
• Podział czujników rezystancyjnych ze względu na budowę.
• Własności dynamiczne czujników rezystancyjnych.
• Obciążalność osłon procesowych czujników temperatury.
• Przykładowe sposoby montażu czujników temperatury.
• Zastosowanie rezystancyjnych czujników temperatury.

Rezystancyjne czujniki temperatury Pt100, Pt500 i Pt1000 – charakterystyki termometryczne.

W warunkach przemysłowych najczęściej stosowane są czujniki temperatury wyposażone w sensory typu Pt100. Natomiast w ciepłownictwie, klimatyzacji, czy też wentylacji często spotyka się czujniki temperatury wyposażone we sensory Pt500, Pt1000, Ni100, Ni1000, NTC lub PTC. Czujniki typu Pt100 to czujniki temperatury, których rezystancja w temperaturze 0°C wynosi 100Ω. Natomiast czujniki temperatury Pt500 i Pt1000, to czujniki których rezystancje w temperaturze 0°C wynoszą odpowiednio 500Ohm (dla czujnika Pt500) lub 1000Ohm (dla czujnika Pt1000). Główną zaletą stosowania czujników temperatury z sensorami typu Pt500 i Pt1000 jest mniejszy koszt wykonania linii podłączeniowej. Ze względu na nominalną rezystancję samego czujnika, wpływ rezystancji linii pomiarowej na pomiar jest pomijalnie mały, dlatego połączenie pomiędzy czujnikiem temperatury Pt500 lub Pt1000, a urządzeniami pomiarowymi (miernikami, regulatorami czy też rejestratorami) wykonywane jest w technice dwuprzewodowej. Czujniki temperatury typu Pt500 i Pt1000 do podłączania nie wymagają stosowania linii 3 i 4- przewodowej. Rezystancyjne czujniki temperatury (RTD) charakteryzują się dużo wyższą dokładnością i rozdzielczością pomiaru w porównaniu do czujników termoelektrycznych (termopar).

Klasy dokładności (tolerancje i błędy pomiarowe) rezystancyjnych czujników temperatury (Pt100, Pt500 i Pt1000).

Dopuszczalne odchyłki dla platynowych czujników temperatury zostały dokładnie opisane w normie PN-EN60751:2009. Obecnie norma ta rozróżnia dwie klasy dokładności A (AA (podwójna A) i A) oraz klasę dokładności B. Podstawową klasą dokładności w jakiej są wykonywane przemysłowe czujniki temperatury jest klasa B. Klasy dokładności AA i A są dokładniejsze, ale żeby zachowana była deklarowana dokładność, czujniki temperatury powinny być podłączane linią 3 lub 4- przewodową. Podłączenie czujników temperatury linią 3 lub 4 przewodową umożliwia kompensację rezystancji oraz zmiany rezystancji linii pomiarowej od temperatury. Aby mierzyć temperaturę z wysoką dokładnością urządzenie do pomiaru temperatury (miernik, regulator, rejestrator, itp.) powinno być wyposażone w wejście pomiarowe, które umożliwia podłączenie czujników temperatury w technice 3 lub 4 przewodowej. Ponadto linię podłączeniową 3 i 4 przewodową stosuje się gdy czujniki temperatury znajdują w znacznej odległości (aby skompensować rezystancję przewodu).

Klasy dokładności czujników rezystancyjny Pt100, Pt500 i Pt1000

Dopuszczalne odchyłki dla czujników temperatury typu Pt100, Pt500 i Pt1000.

Rezystancyjne czujniki temperatury typu Pt100, Pt500 i Pt1000 – rodzaje obwodów pomiarowych.

Czujniki temperatury typu Pt100 mogą być podłączane do urządzeń pomiarowych za pomocą linii 2, 3 lub 4- przewodowej. Ze względu na koszty instalacji 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 czujniki temperatury typu Pt100 podłącza się linią 3- przewodową.  Zastosowanie linii pomiarowej 3- przewodowej niweluje błąd spowodowany rezystancją przewodów podłączeniowych.

Błąd pomiarowy spowodowany rezystancją linii pomiarowej oraz jej zmianą wraz ze zmianą temperatury całkowicie eliminuje podłączanie czujników temperatury linią 4- przewodową. Jednak aby w pełni wykorzystać zalety linii 3 i 4- przewodowej wymagane jest aby przyrządy miały wejście pomiarowe, które umożliwia podłączenie czujników temperatury Pt100 linią 3 i 4-przewodową. Możliwość podłączenia linią 4- przewodową mają zazwyczaj przyrządy laboratoryjne, które służą do wzorcowania, sprawdzania i kalibracji czujników temperatury. Tak więc linia 4- przewodowa jest stosowane głównie w laboratoriach pomiarowych i wzorcujących oraz tam gdzie wymagana jest bardzo duża dokładność pomiaru. Czujniki temperatury Pt500, Pt1000 oraz Ni1000 ze względu na znikomo mały wpływ rezystancji linii pomiarowej na pomiar podłączane są linią 2-przewodową.

• Podłączenie rezystancyjnych czujników temperatury typu: w układzie 2- przewodowym.

 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 mierzonej temperatury. Aby skorygować błąd spowodowany rezystancją przewodów niektóre mierniki, regulatory i rejestratory są wyposażone w funkcję korekcji (przesunięcia) wartości mierzonej.

• Podłączenie rezystancyjnych czujników temperatury Pt100 w układzie 3- przewodowym.

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 termorezystora, a drugi mierzy rezystancję przewodów. Układ 3-przewodowy umożliwia kompensację błędu pomiarowego wynikającego z rezystancji (oraz zmian rezystancji) przewodów podłączeniowych. Jednak wymagane jest, aby wszystkie trzy żyły miały identyczne właściwości i znajdowały się w tej samej temperaturze. Układ ten jest podstawowym układem pomiarowym, ale wymaga, aby urządzenia pomiarowe (mierniki, regulatory i rejestrator) miały wejście, które umożliwia podłączenie czujnika Pt100 linią 3-przewodową.

• Podłączenie rezystancyjnych czujników temperatury Pt100 w układzie 4- przewodowym.

Najdokładniejsze pomiary temperatury zapewnia połączenie czujników temperatury (RTD) linią 4-przewodową. Przy takim sposobie podłączenia czujników temperatury Pt100, wynik pomiaru nie zależy od rezystancji przewodów, ani od jej zmiany rezystancji w wyniku zmiany temperatury przewodów. Ze względu na koszy linii podłączeniowej i urządzeń pomiarowych, takie rozwiązanie stosuje się tylko w dokładnych 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, a maksymalnie -200…600°C. Przy tym należ zwrócić uwagę, że rezystancyjne czujniki temperatury posiadają wyższą dokładność oraz rozdzielczość pomiaru niż czujniki termoelektryczne, które za to 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 (ciśnienia i przepływu), a także mierzonego medium, długości i sposobu montażu. Zalecana minimalna długość zanurzeniowa osłony czujnika powinna wynosić od min. 6 do 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. Czujniki temperatury powinny być montowane 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 gdy czujnik temperatury jest zamontowany poziomo. Nie zalecany jest montaż poziomy długich czujników temperatury oraz pracujących w wysokich temperaturach, ze względu na możliwość ugięcia pod własnym ciężarem.

Rezystancyjne czujniki temperatury (Pt100, Pt500 i Pt1000) – podział ze względu na budowę.

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

• Czujniki kablowe (inaczej czujniki przewodowe) – są to czujniki temperatury których przyłącze elektryczne wykonane jest w postaci elastycznego przewodu w odpowiedniej izolacji, która zależy od temperatury pracy i środowiska w którym pracuje. W takim przypadku zakres pomiarowy czujników jest ograniczony temperaturą pracy izolacji przewodu.
• Czujniki głowicowe – są to czujniki temperatury których przyłącze elektryczne wykonane jest w postaci głowicy przyłączeniowej. Głowica przyłączeniowa może być wykonana z aluminium, aluminium lub tworzywa sztucznego. W głowicy czujnika znajduje się kostka ceramiczna (lub z tworzywa) z zaciskami elektrycznymi do podłączenia odpowiedniego przewodu. Zakres pomiarowy głowicowych 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 o ok. 145mm), tak aby temperatura mierzonego ośrodka nie była przenoszona na zaciski podłączeniowe, a co za tym idzie i na sam przewód podłączeniowy.
• Czujniki płaszczowe – są to czujniki temperatury, które wykonywane ze specjalnego płaszcza, w którym znajdują się przewody podłączeniowe są odizolowane od siebie silnie sprasowanym tlenkiem magnezu. Takie wykonanie czujnika pozwala na dowolne kształtowanie osłony (płaszcza), przy zachowaniu minimalnego promienia gięcia.
• Czujniki puszkowe (w obudowach z tworzywa) do klimatyzacji i wentylacji – są to czujniki temperatury, które wykonane są w postaci puszki (obudowy), którą można zamontować na ścianie lub kanale wentylacyjnym. Są to zazwyczaj czujniki temperatury do pomiaru temperatury w kanale wentylacyjnym, temperatury otoczenia lub temperatury zewnętrznej.
• Czujniki temperatury ze załączani przemysłowymi typu M12 i GDM – są to czujniki temperatury, których przyłącze elektryczne jest wykonane w postaci 4-pinowych gniazd lub wtyków typu M12, GDM, itp. Zaletą czujników z tego typu złączami jest szybki demontaż kabla i wymiana samego czujnika.

Rezystancyjne czujniki temperatury (Pt100, Pt500 i Pt1000) – własności dynamiczne 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:

W przepływającym 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 płynącej 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)

Rezystancyjne czujniki temperatury (Pt100, Pt500 i Pt1000) – obciążalność osłon termometrycznych.

Dopuszczalne obciążenia osłon czujników temperatury w warunkach pracy 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 i 10mm
	Dopuszczalna prędkość przepływu: para – 25m/s woda – 3m/s Dopuszczalny moment dokręcenia łącznika – 49Nm
Średnica osłon czujnika: 11, 12, 14 i 15mm
	Dopuszczalna prędkość przepływu: para – 40m/s woda – 5m/s Dopuszczalny moment dokręcenia łącznika – 98Nm

 Przykładowe sposoby montażu rezystancyjnych czujników temperatury (RTD).

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

Zalecana długość montażowa czujników temperatury to:

• W pływającej 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.

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

Zastosowanie rezystancyjnych czujników temperatury (RTD: Pt100, Pt500 i Pt1000).

Rezystancyjne czujniki temperatury ze względu na swoją budowę i temperaturę pracy mogą znaleźć zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, maszynach i urządzeniach oraz instalacjach. Nasze rezystancyjne czujniki temperatury znajdują zastosowane przede wszystkim w:

• Wtryskarki i wytłaczarki do tworzyw sztucznych i foli (czujniki do wtryskarek i wytłaczarek),
• Maszyny pakujące (czujniki do szczęk zgrzewających maszyn pakujących),
• Linie i wanny do obróbki galwanicznej (czujniki do kwasów i zasad),
• Przemysł spożywczy (czujniki do pomiaru temperatury mięs i wędlin w komorach prażelniczych i wędzarniczych).
• Przemysł farmaceutyczny (czujniki do chłodziarek i zamrażarek),
• Pomiary laboratoryjne (czujniki do precyzyjnych pomiarów laboratoryjnych),
• Instalacje przemysłowe w wielu gałęziach przemysłu,
• Ciepłownictwo i ogrzewnictwo (czujniki temperatury do węzłów cieplnych C.O. i C.W.U)
• Szklarnie, gospodarstwa ogrodnicze oraz hodowla zwierząt,
• Wentylacja i klimatyzacja, itp. (czujniki do kanałów wentylacyjnych, czujniki temperatury otoczenia i zewnętrznej).

Zobacz również szeroką ofertę urządzeń do pomiaru, kontroli, regulacji, rejestracji oraz monitoringu temperatury w tym różnego rodzaju: mierniki temperatury, termoregulatory, rejestratory temperatury, itp. na naszej stronie lub stronie producenta firmy Shinko Technos.