Charakterystyka i zastosowania rezystancyjnych czujników temperatury PT100 i PT1000.

Czujniki temperatury typu RTD (Resistance Temperature Detector), takie jak PT100 i PT1000, odgrywają ważną rolę w precyzyjnych pomiarach temperatury w różnych dziedzinach inżynierii i przemysłu. Niniejszy artykuł przedstawia zasadę działania, charakterystyki techniczne oraz porównanie dwóch popularnych typów czujników – PT100 oraz PT1000. Omówiono również ich zastosowania, zalety i ograniczenia.

Czujniki rezystancyjne temperatury (RTD) działają na zasadzie zmiany rezystancji metalu przewodzącego (najczęściej platyny) w funkcji temperatury. Wśród najczęściej stosowanych są czujniki PT100 oraz PT1000, których nazwy odnoszą się do wartości rezystancji przy temperaturze 0°C - odpowiednio 100Ω i 1000Ω.

Czujniki oporowe zapewniają doskonałą liniowość. W połączeniu z linearyzacją realizowaną w wyższej klasy przetwornikach możliwe jest uzyskanie wysokiej dokładności pomiaru.

Rezystancyjne czujniki temperatury PT-100 oraz PT-1000 w zakresie temperatur od - 200 ^oC do 850 ^oC w procesie wytłaczania.

Zastosowania czujników rezystancyjnych w procesie wytłaczania.

Proces wytłaczania (ekstruzji) jest jedną z kluczowych technologii przetwarzania tworzyw sztucznych oraz metali. Polega na ciągłym uplastycznianiu materiału i formowaniu go przez dyszę (matrycę) w określony kształt. Aby zapewnić wysoką jakość produktu oraz stabilność procesu, kluczowe jest precyzyjne monitorowanie i kontrolowanie parametrów technologicznych, z których jednym z najważniejszych jest temperatura. Do jej pomiaru powszechnie stosuje się czujniki rezystancyjne oraz termopary.

Rola pomiaru temperatury w procesie wytłaczania.

Temperatura w procesie wytłaczania wpływa bezpośrednio na:

• Lepkość materiału (szczególnie w przypadku tworzyw sztucznych),
• Stopień uplastycznienia,
• Jakość powierzchni wyrobu,
• Stabilność wymiarową i mechaniczną gotowego produktu,
• Zużycie urządzenia.

Dlatego konieczny jest precyzyjny i ciągły pomiar temperatury w różnych strefach wytłaczarki: strefie podawania, kompresji, uplastyczniania, a także w okolicach głowicy i matrycy.

Zasada działania czujników temperatury (RTD).

Czujniki RTD można wytwarzać z wielu metali, w tym niklu i miedzi, jednak platyna wykazuje właściwości fizyczne, które sprawiają, że idealnie nadaje się do stosowania w czujnikach temperatury RTD. Platyna wykazuje opór elektryczny, który zmienia się w sposób niemal liniowy wraz z temperaturą. Platyna (symbol Pt) to bardzo rzadki, szlachetny metal, należący do grupy platynowców. Jest srebrzystobiałym metalem, o silnym połysku, kowalnym i ciągliwym. Znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach, m.in. w przemyśle motoryzacyjnym (katalizatory), elektronice, medycynie i jubilerstwie. Platyna jest niezwykle odporna na korozję, co sprawia, że jest idealnym materiałem do produkcji biżuterii i elementów wymagających odporności na działanie kwasów i innych czynników chemicznych.

Rys. 1. Platyna.

Czujnik temperatury RTD (Resistance Temperature Detector) wykorzystuje właściwość metali do zmiany rezystancji w zależności od temperatury. Dla czujników platynowych, zależność ta jest liniowa w szerokim zakresie temperatur i opisana jest wzorem Callendara-Van Dusa:

R_t=R₀(1+At+Bt²+C(t−100^oC) t³)

Gdzie:

• R_t - rezystancja w temperaturze t [^oC].
• R₀ – rezystancja w 0 ^oC (100 Ω dla PT100, 1000 Ω dla PT1000).
• A, B, C – stałe charakterystyczne dla platyny.

PT100 vs PT1000 – porównanie.

Rys. 2. Budowa rezystancyjnych (RTD) czujników temperatury PT-100 i PT-1000.

Czułość pomiarowa czujników temperatury PT-100 oraz PT-1000.

Czujnik PT1000 posiada dziesięciokrotnie wyższą rezystancję niż PT100, co oznacza większą zmianę rezystancji na stopień zmiany temperatury. Ułatwia to detekcję zmian temperatury przy użyciu prostszej elektroniki.

Wpływ rezystancji przewodów.

Przy pomiarach za pomocą PT100 długość przewodów może znacząco wpływać na dokładność pomiarów, ponieważ opór przewodu stanowi istotny udział w całkowitej rezystancji. W czujnikach PT1000 wpływ ten jest mniejszy - opór przewodów stanowi mniejszy procent całkowitej rezystancji.

Metody kompensacji wpływu rezystancji przewodów.

W celu minimalizacji błędów w pomiarze, stosuje się różne konfiguracje połączeń:

• 2-przewodowa - najprostsza, ale najmniej dokładna.

Połączenia dwuprzewodowe Czujnik ma dwa przyłącza, do których podłączony jest kabel dwużyłowy w celu zapewnienia połączenia z przetwornikiem pomiarowym. Problem w tym przypadku polega na tym, że przewody mają własny opór elektryczny, który zwiększa opór całkowity układu i w ten sposób w zależności od długości przewodów prowadzi do zwiększenia wyniku pomiaru oporu całego czujnika. Aby skompensować ten efekt konieczne jest zmierzenie oporu przewodów i wprowadzenie wyniku jako wielkość korekcyjną w systemie sterowania czujnikiem. W związku z powyższym termometry oporowe 2 przewodowe nie pozwalają na dokonanie dokładnego pomiaru. Opór własny przewodów zmienia w reakcji na zmiany temperatury otoczenia. Termometry oporowe tego rodzaju stosowane są zatem jedynie do pomiaru temperatury w warunkach, gdy nie ma konieczności zapewnienia tolerancji mniejszej niż kilka stopni. W przypadku czujników oporowych o wysokiej wartości rezystancji (Pt500, Pt1000) błąd pomiarowy jest odpowiednio mniejszy.

• 3-przewodowa - standard przemysłowy, dobra kompensacja wpływu przewodów.

Termometry oporowe wykonane z technice trójprzewodowej działają w taki sam sposób jak czujniki dwuprzewodowe. Dodatkowy przewód łączy się z przyłączem opornika pomiarowego. W ten sposób powstaje drugi obwód pomiarowy, który umożliwia na ciągły pomiar rezystancji samych przewodów. W przetworniku pomiar rezystancji przewodów odejmowany od wartości pomiaru dokonanego przez cały czujnik. Pozwala to na wskazanie faktycznego pomiaru rezystancji czujnika. Ten rodzaj pomiaru zakłada, że drugi przewód łączący czujnik z przetwornikiem ma taką sama rezystancje jak pierwszy. Przetwornik dokonuje niezależnie pomiarów rezystancji czujnika oraz jednego przewodu połączeniowego.

• 4-przewodowa - najwyższa dokładność, stosowana w laboratoriach.

Termometry oporowe wykonane z technice czteroprzewodowej W przeciwieństwie do połączeń trójprzewodowych, gdzie badany jest opór tylko jednego z dwóch przewodów pomiarowych czujnika, w połączeniach czteroprzewodowych mierzone są rezystancje obu przewodów łączących. Przetwornik dokonuje niezależnie pomiarów rezystancji czujnika oraz dwóch przewodów połączeniowych. Wyniki pomiaru są zatem bardzo dokładne, nawet wówczas, gdy każdy z przewodów pomiarowych wykazuje różny opór własny.

Rys. 3. Obwody pomiarowe czujników rezystancyjnych (RTD)  PT-100 i PT-1000.

Zastosowania czujników temperatury.

• PT100: laboratoria badawcze, systemy przemysłowe, gdzie wymagana jest wysoka dokładność i stabilność.
• PT1000: automatyka budynkowa, systemy HVAC, pomiary środowiskowe, tam, gdzie uproszczenie układów elektronicznych ma znaczenie.

Zalety i ograniczenia czujników temperatury RTD.

Zalety czujników temperatury RTD:

• Wysoka dokładność i stabilność długoterminowa (± 0,05℃ na 1000 godz., pracy przy ≤ 300℃, wyższa w wyższych temperaturach).
• Szeroki zakres temperatur pracy (typowo od -200°C do +850°C).
• Dobra liniowość charakterystyki.

Ograniczenia czujników temperatury RTD:

• Wrażliwość na długość przewodów (szczególnie PT100) tylko przy braku kompensacji.
• Wyższy koszt w porównaniu do termistorów lub termopar.
• Wolniejszy czas reakcji niż termopary.

Podsumowanie.

Czujniki PT100 i PT1000 są niezawodnymi rozwiązaniami w pomiarach temperatury w wielu gałęziach przemysłu. Wybór między nimi zależy głównie od wymagań aplikacyjnych, takich jak dokładność, długość przewodów oraz budżet. Dzięki swoim właściwościom, RTD pozostają preferowaną technologią w zastosowaniach wymagających wysokiej precyzji.

Klasy dokładności czujników RTD typu PT100 i PT1000 - charakterystyka i zastosowanie.

Czujniki rezystancyjne temperatury (RTD) typu PT100 i PT1000 charakteryzują się wysoką precyzją i stabilnością w pomiarach temperatury. Jednym z najważniejszych parametrów wpływających na jakość pomiaru jest klasa dokładności czujnika, definiowana przez normę IEC 60751.
RTD (Resistance Temperature Detectors), takie jak PT100 i PT1000, są powszechnie stosowane w precyzyjnych pomiarach temperatury. Klasa dokładności określa dopuszczalny błąd pomiaru temperatury w funkcji temperatury i ma kluczowe znaczenie przy wyborze odpowiedniego czujnika do konkretnego zastosowania.

Norma IEC 60751 - definicje klas dokładności

Zgodnie z międzynarodową normą IEC 60751, czujniki RTD klasyfikowane są według następujących klas dokładności:

• Klasa A
• Klasa B
• 1/3 B (1/3 DIN)
• 1/10 B (1/10 DIN)

Wzór na dopuszczalny błąd (Δt).

Norma definiuje błąd pomiaru jako:

Δt=±(A x ∣t∣ +B)

Gdzie:

• Δt - dopuszczalny błąd w [^oC].
• t - temperatura w [^oC].
• A i B - stałe zależne od klasy.

Parametry dla poszczególnych klas dokładności.

Przykład: dla czujnika klasy B przy 100 °C:

Δt =±(0,005⋅100+0,3) =±0,8°C

Dla klasy A przy tej samej temperaturze:

Δt =±(0,00385⋅100+0,15) =±0,535°C

Rys. 1.  Klasy dokładności czujników temperatury PT-100 oraz PT-1000.

Powyższy wykres przedstawia dopuszczalne błędy pomiarowe dla różnych klas dokładności czujników RTD (PT100/PT1000) według normy IEC 60751:

• Klasa B (linia czerwona) ma największy błąd – rosnący liniowo z temperaturą.
• Klasa A (linia niebieska) zapewnia mniejszy błąd w całym zakresie.
• 1/3 B (linia zielona przerywana) to dokładniejsza wersja klasy B, używana w bardziej wymagających aplikacjach.
• 1/10 B (linia fioletowa kropkowana) charakteryzuje się najwyższą precyzją – dopuszczalny błąd wynosi zaledwie kilkadziesiąt milikelwinów w typowym zakresie pracy.

Wpływ klasy dokładności na pomiary temperatury.

PT100 vs PT1000 a klasy dokładności.

Zarówno PT100, jak i PT1000 mogą być produkowane w dowolnej klasie dokładności. Jednakże, ze względu na wyższą rezystancję, czujniki PT1000 mogą być bardziej podatne na wahania związane z wpływem napięcia zasilania i szumu, co może zwiększyć względny błąd odczytu - szczególnie w niższych klasach (np. B).

Stabilność i histereza czujników temperatury.

Czujniki wyższej klasy (np. 1/3B, 1/10B) są staranniej kalibrowane i charakteryzują się lepszą powtarzalnością, mniejszą histerezą oraz stabilnością długoterminową.

Praktyczne zastosowania klas dokładności.

Zastosowanie - zalecana klasa

• Systemy HVAC Klasa B
• Procesy przemysłowe Klasa A lub B
• Pomiary laboratoryjne Klasa A, 1/3B
• Kalibracja, wzorce temperatury 1/10B
• Systemy medyczne A lub lepsza
• Wyższe klasy (A, 1/3B) stosowane są w aplikacjach, gdzie błąd rzędu dziesiątych części stopnia Celsjusza ma istotne znaczenie. Klasa B jest wystarczająca w większości zastosowań technicznych.

Czynniki wpływające na wybór klasy.

Wybór klasy czujnika zależy od:

• Wymaganej dokładności pomiaru.
• Kosztów (wyższe klasy = wyższy koszt).
• Warunków pracy (np. temperatura, wibracje, długość przewodów).
• Charakterystyki elektroniki pomiarowej.

Kalibracja i tolerancje czujników temperatury.

Chociaż norma IEC 60751 określa klasy dokładności, producenci oferują również czujniki kalibrowane indywidualnie, z potwierdzeniem błędu pomiarowego (np. certyfikaty DAkkS, ISO 17025), co może pozwolić na użycie czujnika klasy B tam, gdzie wymagania spełnia indywidualna tolerancja. Zazwyczaj czujniki oporowe charakteryzują się lepszą powtarzalnością i większą czułością niż termopary metalowe. Długotrwały dryf czujników RTD jest przewidywalny, w odróżnieniu od dryftu termopar. Zastosowanie RTD ze względu na rzadsze wzorcowanie skutkuje niższymi kosztami utrzymania. Ponadto czujniki oporowe zapewniają doskonałą liniowość.

Rodzaje obudów rezystancyjnych czujników temperatury.

Czujniki temperatury, w zależności od potrzeb, może mieć różne typy obudów. Obudowa jest zazwyczaj wykonana z materiału odpornego na wysoką temperaturę i różne warunki środowiskowe. Najważniejsze typy to obudowa z metalu, takie jak stal nierdzewna oraz obudowy ceramiczne.

Obudowa metalowa.

Zazwyczaj wykonana ze stali nierdzewnej, odpowiednia do większości zastosowań przemysłowych. Może być również wykonana z innych stopów metali, w zależności od wymaganych parametrów pracy termopary.

Obudowa ceramiczna.

Odporna na wysokie temperatury i chemiczne działanie, często stosowana w środowiskach agresywnych. Materiały ceramiczne zapewniają izolację termoelementów i ochronę przed uszkodzeniami.

Obudowa z materiałów odpornych na wysokie temperatury.

W zależności od potrzeb, obudowa może być wykonana z materiałów takich jak wolfram, molibden lub ich stopy, które są odporne na bardzo wysokie temperatury.

Obciążenia mechaniczne.

Obudowa musi wytrzymywać wibracje, drgania, czy inne obciążenia mechaniczne, jeśli termopara jest stosowana w takim środowisku.

Rys. 2. Obudowa czujników temperatury PT-100 oraz PT-1000.

Podsumowanie.

Klasa dokładności czujników PT100 i PT1000 ma kluczowe znaczenie dla precyzyjnego i niezawodnego pomiaru temperatury. Znajomość charakterystyk klas oraz ich praktycznych ograniczeń pozwala na optymalny dobór czujnika do danego zastosowania. W kontekście rosnących wymagań w przemyśle i laboratoriach, wybór odpowiedniej klasy dokładności przekłada się bezpośrednio na jakość i bezpieczeństwo procesu technologicznego.

Tabela rezystancji czujników PT-100 oraz PT-1000 od -200 do 850 ^oC.

PT-1000 = PT-100 x 10