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.
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):
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.
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).
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).
Klasa | Zakres stosowania rezystorów drutowych | Zakres stosowania rezystorów cienkowarstwowych | Dopuszczalne odchyłki |
A (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 | T = ( 0.3 + 0.005 * | t | )°C |
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 |
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.
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.
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.
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.
Podczas doboru czujnika temperatury należy zwrócić głównie uwagę na następujące rzeczy:
Rezystancyjne czujniki temperatury wykonywane są w różnych wersjach, z różnymi przyłączami procesowymi i elektrycznymi. Ze względu na budowę czujniki dzielimy na klika kategorii:
Czas odpowiedzi jest to czas, który potrzebuje czujnik temperatury po skokowej zmianie temperatury, aby wskazać określoną część wartość skoku temperatury.
Czasy odpowiedzi wyznaczane są dla następujących warunków:
W przepływającym powietrzu:
W płynącej wodzie:
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:
|
Średnica osłon czujnika: 11, 12, 14 i 15mm | |
![]() | Dopuszczalna prędkość przepływu:
|
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:
Przykładowe sposoby montażu czujnika temperatury w rurociągu zostały pokazane poniżej:
Podczas montażu w rurociągu zalecane jest, aby element pomiarowy czujnika temperatury znajdował się w osi przepływu.
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:
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.