Vraag vijf mensen wat ‘PT100’ betekent en je krijgt meestal ‘een soort temperatuursensor’ als het volledige antwoord. Dat is prima als je alleen maar aan het chatten bent -, maar als jij degene bent die de aankoopspecificatie schrijft, zijn de hiaten in dat antwoord precies waar de problemen later opduiken: een sensor die prima leest op de bank, maar afdrijft zodra hij in een thermowell is gelast, of een sensor die technisch correct is maar op de verkeerde manier is aangesloten voor de zender die hij voedt.
Dit artikel behandelt de werking van hoe een PT100 daadwerkelijk de temperatuur meet, de praktische verschillen tussen de sensortypen waaruit je kunt kiezen, en - omdat de theorie je maar zo ver brengt - een echte situatie waarin het verkeerd interpreteren van een van deze details een meetbaar probleem op een productielijn veroorzaakte.
Wat een PT100 eigenlijk is
Een PT100 is een weerstandstemperatuurdetector (RTD) - een platina-element waarvan de elektrische weerstand op een bekende, herhaalbare manier verandert als de temperatuur verandert. De "100" in de naam is de weerstandswaarde bij 0 graden: precies 100 ohm. Verwarm het, de weerstand stijgt; koel het af, de weerstand neemt af.
Platina is niet het enige metaal dat dit doet - nikkel- en koper-RTD's bestaan ook - maar platina heeft het gewonnen voor industrieel gebruik omdat het niet gemakkelijk oxideert, zijn kalibratie behoudt na jaren van thermische cycli, en zijn weerstandscurve zo goed- gedefinieerd is dat het internationaal gestandaardiseerd is. Die norm is IEC 60751, en het is het document waar elke gerenommeerde fabrikant stilletjes naar verwijst, zelfs als ze dat niet ronduit zeggen.
Fysiek zit het element in een metalen omhulsel - meestal roestvrij staal 316, soms Inconel of Hastelloy voor vervelende media - met voedingsdraden die naar een zender of de analoge ingangskaart van een controller lopen. De sensor zelf heeft geen display en geen logica; het verandert alleen de weerstand. Al het andere gebeurt stroomafwaarts.
De natuurkunde achter het lezen
Waarom weerstand verandert met de temperatuur
Naarmate platina warmer wordt, nemen de atomaire trillingen toe, waardoor het voor elektronen moeilijker wordt om door het rooster te bewegen. - De weerstand gaat omhoog. Deze relatie is niet lineair over het hele bereik, maar is wel zo dichtbij, en goed-gekarakteriseerd genoeg, dat ze wordt vastgelegd in een vergelijking in plaats van alleen in een opzoektabel: de Callendar-Van Dusen-vergelijking.
Voor temperaturen boven 0 graden is de vereenvoudigde vorm:
Rt=R0 [1 + At + Bt²]
R0 is 100 ohm voor een PT100, en A en B zijn vaste constanten uit IEC 60751. Onder de 0 graden wordt een derde term toegevoegd omdat de curve daar beneden iets anders buigt. U hoeft dit - niet uit uw hoofd te leren, maar het is de moeite waard om te weten dat het bestaat, omdat dit de reden is dat een "PT100" van de ene fabrikant en een "PT100" van een andere fabrikant bij een bepaalde temperatuur daadwerkelijk met elkaar overeenkomen, in plaats van dat elk zijn eigen privécurve heeft.
Eén getal dat de moeite waard is om te onthouden: bij 100 graden meet een standaard PT100 ongeveer 138,5 ohm. Als je problemen met een sensor oplost met een multimeter en deze is bij lange na niet in de buurt van wat 100 graden zou moeten zijn, dan is er iets mis - ofwel met het element, met de bedrading, ofwel met je aanname over de temperatuur van de sensor.
Er is ook een splitsing waarvan u op de hoogte moet zijn voordat u bestelt: de "Europese curve" (alpha=0.00385) is overal buiten Noord-Amerika de standaard, terwijl een oudere "Amerikaanse curve" (0,00392) nog steeds voorkomt op sommige oudere apparatuur. Het combineren van de twee bij een retrofit is een klassieke bron van een temperatuurmeting die zonder duidelijke reden een paar graden afwijkt.
Weerstand omzetten in een getal dat u kunt lezen
Een zender stuurt een kleine stroom door het element, meet de spanning erover, berekent de weerstand en past de curve toe om een temperatuur uit te spugen. Dat is het. Dit is ook de reden waarom een PT100 feitelijk nutteloos is zonder een zender of een RTD-compatibele ingangskaart erachter. - De sensor is slechts de helft van de meetketen.
Het bedradingsdetail dat daadwerkelijk veldproblemen veroorzaakt
Dit is waar veel aankoopbeslissingen fout gaan, en dat komt zelden doordat iemand onzorgvuldig was. - Het is gewoon niet duidelijk, tenzij iemand het je vertelt.
2-draadsis het goedkoopst, maar de weerstand van de geleidingsdraad zelf wordt rechtstreeks bij de meting opgeteld. Met een kabellengte van meer dan 30-meter is die fout niet langer triviaal. Boete voor korte runs of niet-kritieke monitoring; niet goed voor alles waar je controle over zou willen hebben.
3-draadsis de standaard voor het meeste industriële werk. Met een derde draad kan de zender de leidingweerstand schatten en opheffen, ervan uitgaande dat de drie geleiders qua lengte en dikte bij elkaar passen. Een goede balans tussen kosten en nauwkeurigheid, en daarom vindt u dit op de meeste procestransmitters die tegenwoordig worden verkocht.
4-draadsverwijdert vrijwel volledig de weerstandsfout in de geleidingsdraad door de stroom-voerende en spanning-detecterende draden te scheiden. Dit is wat je wilt voor kalibratiereferentiestandaarden of waar dan ook waar fracties van een graad er daadwerkelijk toe doen - maar het is overdreven en extra kosten voor veel algemene monitoringpunten.
De fout die ik het vaakst zie, is dat ik niet afzonderlijk het verkeerde bedradingstype kies - maar een driedraadssensor bestelt voor een zender die is geconfigureerd voor tweedraadsinvoer, of omgekeerd. De sensor en het instrument moeten het met elkaar eens zijn, en dat detail is gemakkelijk over het hoofd te zien als aanschaf en instrumentatie twee verschillende mensen zijn die aan twee verschillende documenten werken.
Draad-Gewonden versus dunne-filmelementen
Draad-gewikkeldelementen - platinadraad gewikkeld rond een keramische of glazen kern - hebben de neiging de kalibratie extreem goed te behouden gedurende een lange levensduur en grote temperatuurschommelingen. Ze zijn duurder en mechanisch iets kwetsbaarder.
Dunne-filmelementen worden gemaakt door platina op een keramisch substraat te deponeren, vergelijkbaar met hoe een microchip wordt gebouwd. Ze zijn kleiner, goedkoper in volumeproductie en beter bestand tegen trillingen -. Daarom hebben ze het algemene industriële en OEM-gebruik grotendeels overgenomen. De wisselwerking-is een kleiner nominaal temperatuurbereik vergeleken met premium draad-versies met gewikkelde draad, hoewel dat plafond voor de meeste proceswerkzaamheden nooit daadwerkelijk wordt benaderd.
Als uw toepassing mild is - denk dan aan HVAC-kanalen, algemene tankmonitoring - dunne- film is bijna altijd de economische, verstandige keuze. Bespaar draad-gewikkeld voor toepassingen met hoge- temperaturen of lange-service-levensduur waarbij de extra stabiliteit de kosten terugverdient.
PT100 versus thermokoppel versus PT1000
Kopers nieuw bijtemperatuur instrumentatievragen vaak welke van deze drie ze eigenlijk moeten specificeren.
Tegen eenthermokoppel, een PT100 wint het op het gebied van nauwkeurigheid en stabiliteit op lange- termijn in het lage- tot - middenbereik (ongeveer -200 graden tot 850 graden) en vereist geen compensatie voor koude kruispunten. Een thermokoppel wint als de temperatuur hoger wordt dan platina aankan, of als je een snellere respons nodig hebt en met een lagere precisie kunt leven.
Tegen eenPT1000, het werkingsprincipe is identiek - hetzelfde platina, dezelfde fysica - slechts 1000 ohm bij 0 graden in plaats van 100. Die hogere basisweerstand maakt draadfouten proportioneel kleiner, dus een PT1000 kan vaak wegkomen met 2- draadbedrading zonder de nauwkeurigheidsboete die een PT100 zou ondergaan. Dat maakt de PT1000 een gebruikelijke keuze in gebouwautomatisering, waar de kabels lang zijn, maar u niet op zoek bent naar precisie op laboratoriumniveau.
Een echt geval: toen 'dichtbij genoeg' dat niet was
Een voedsel{0}}verwerkingsbedrijf met een pasteurisatielijn kreeg al weken inconsistente batchtemperatuurmetingen - niets dramatisch, slechts een paar graden afwijking die af en toe opdook en niet correleerde met iets voor de hand liggends in het proces zelf. Onderhoud had de sensor al een keer verwisseld, aangenomen dat het probleem hiermee was opgelost en ging verder. Een maand later kwam het terug.
De werkelijke oorzaak bleek de bedrading te zijn, niet de sensor: de originele drie-draads PT100 was vervangen door een eenheid van een andere leverancier waarvan de draaddikte enigszins afweek van de oorspronkelijke uitvoering, waardoor de draadweerstandscompensatie die de zender aan het berekenen was, verloren ging. Op papier voldeden beide sensoren aan de specificaties. In de praktijk was de discrepantie net groot genoeg om de meetwaarde buiten de tolerantie te brengen die van belang was voor de houdtijd van de pasteurisatie - een parameter voor voedselveiligheid, en geen cosmetische parameter.
De oplossing was geen betere sensor. Het standaardiseerde de dikte en lengte van de looddraad voor al het vervangende materiaal voor die lijn, en voegde een snelle weerstandscontrole bij omgevingstemperatuur toe als ontvangst-inspectiestap voordat een nieuwe sensor in gebruik werd genomen. De les is generaliserend: een PT100 is slechts zo nauwkeurig als de hele meetketen eromheen, en 'hetzelfde onderdeelnummer' betekent niet altijd 'dezelfde werkelijke draad'.
Wat u eigenlijk moet controleren voordat u bestelt
Voor de meeste kopers komt de beslissing neer op vijf vragen, grofweg in deze volgorde van belangrijkheid:
- Wat is het procestemperatuurbereik en hoe nauw moet de tolerantie zijn?Dit bepaalt de nauwkeurigheidsklasse - Klasse B (±0,30 graden bij 0 graden) omvat de meeste algemene monitoring; Klasse A of 1/3 DIN is de premie waard voor regelcircuits of gereguleerde processen.
- Welke bedrading verwacht uw zender of PLC-kaart?Bevestig dit voordat u bestelt, en niet na -. Dit is de meest voorkomende oorzaak van vermijdbare veldproblemen.
- Wat is het omhulselmateriaal en de sondediameter die geschikt zijn voor uw procesmedia en druk?Bij corrosieve toepassingen of toepassingen met hoge druk- is doorgaans ook een thermowell nodig, zowel ter bescherming als omdat de sensor zonder uitschakeling kan worden verwisseld.
- Heeft u een op het hoofd-gemonteerde zender nodig?Het omzetten naar een 4-20mA-signaal direct bij de sensor verbetert de ruisimmuniteit bij lange kabeltrajecten en is de extra kosten waard in omgevingen met elektrische ruis.
- Wat is uw kalibratie- en vervangingsplan?Sensoren drijven door jarenlange thermische cycli. Kritieke processen worden doorgaans jaarlijks gecontroleerd; lage-meetpunten kunnen langer meegaan.
Installatie-opmerkingen die de moeite waard zijn om te weten
De insteekdiepte is belangrijker dan de meeste mensen verwachten. - De sensortip moet in de werkelijke stroming of het feitelijke medium reiken en niet alleen door de buiswand heen steken, anders meet je uiteindelijk de grenslaag in plaats van het proces. Thermowells zijn de extra kosten waard overal waar druk, corrosie of de noodzaak voor hot{2}}-vervanging een factor is. En als u een meting probeert op te lossen die niet klopt, controleer dan de weerstand bij een bekende referentietemperatuur (ijswater is een goedkope, betrouwbare referentie van 0 graden) voordat u ervan uitgaat dat de zender of het proces zelf het probleem is.
Kortom
De fysica achter een PT100 is eenvoudig en is in tientallen jaren niet veranderd. - De weerstand van platina stijgt voorspelbaar met de temperatuur, en die relatie is gestandaardiseerd, zodat instrumenten van verschillende fabrikanten het met elkaar eens zijn. Waar kopers daadwerkelijk de fout in gaan, is niet de sensorselectie zelf; het zijn de details eromheen - bedradingsconfiguratie, consistentie van de geleidingsdraden, omhulselmateriaal voor de feitelijke procesomstandigheden. Zorg ervoor dat deze goed zijn in de specificatiefase en het sensorgedeelte is het gemakkelijke gedeelte.
Als u PT100-sensoren aanschaft voor een specifieke lijn of apparaat, is het meestal het verschil tussen een werkende sensor en een sensor die twee keer wordt verwisseld voordat iemand het echte probleem vindt.
Veelgestelde vragen
Is PT100 hetzelfde als een RTD?
Nee - PT100 is een specifiek type RTD, gemaakt van platina met een weerstand van 100 ohm bij 0 graden. RTD is de bredere categorie, die ook PT500-, PT1000- en nikkel- of koper-sensoren omvat.
Hoe nauwkeurig is een PT100-sensor eigenlijk?
Klasse B is nauwkeurig tot ongeveer ±0,30 graden bij 0 graden. Klasse A verscherpt dat tot ongeveer ±0,15 graden. Hoge-precieze 1/10 DIN-sensoren bereiken ±0,03 graden, wat meestal een laboratorium- of kalibratiestandaard-specificatie is en niet iets dat algemene procesbewaking nodig heeft.
Kan een PT100 temperaturen onder-nulpunt aan?
Ja, standaardeenheden hebben een classificatie tot ongeveer -200 graden, wat de meeste cryogene toepassingen en koudeketentoepassingen dekt zonder dat er iets gespecialiseerds nodig is.
Waarom hebben sommige PT100-sensoren drie of vier draden in plaats van twee?
Dankzij de extra draden kan het instrument de weerstand van de geleidingsdraad zelf aftrekken, die anders zou worden meegeteld als onderdeel van het temperatuursignaal - een fout die toeneemt met de kabellengte.
Referenties
- Internationale Elektrotechnische Commissie.IEC 60751 - Industriële platina weerstandsthermometers en platina temperatuursensoren.
- Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie (NIST).ITS-90 temperatuurschaal en referentiegegevens voor platinaweerstandthermometrie.
- Omega-techniek.RTD (weerstandstemperatuurdetector) referentiegids.
- Fluke Corporation.Kalibratie: filosofie in de praktijk - Weerstandsthermometrie.
