Chiedi a cinque persone cosa significa "PT100" e di solito otterrai "una sorta di sensore di temperatura" come risposta completa. Va bene se stai solo chiacchierando - ma se sei tu a scrivere le specifiche di acquisto, le lacune in quella risposta sono esattamente dove i problemi si presentano in seguito: un sensore che legge bene sul banco ma va alla deriva una volta saldato in un pozzetto termometrico, o uno che è tecnicamente corretto ma collegato nel modo sbagliato per il trasmettitore che sta alimentando.
Questo articolo tratta i meccanismi di come un PT100 misura effettivamente la temperatura, le differenze pratiche tra i tipi di sensore tra cui sceglierai e - poiché la teoria ti porta solo fino ad ora - una situazione reale in cui l'errore di uno di questi dettagli ha causato un problema misurabile su una linea di produzione.
Cos'è realmente un PT100
Un PT100 è un rilevatore di temperatura a resistenza (RTD) - un elemento di platino la cui resistenza elettrica cambia in modo noto e ripetibile al variare della temperatura. Il "100" nel nome è il valore della resistenza a 0 gradi: esattamente 100 ohm. Riscaldalo, la resistenza aumenta; raffreddalo, la resistenza diminuisce.
Il platino non è l'unico metallo che fa questo - esistono anche RTD in nichel e rame - ma il platino ha prevalso per l'uso industriale perché non si ossida facilmente, mantiene la calibrazione per anni di cicli termici e la sua curva di resistenza è sufficientemente ben-definita da essere standardizzata a livello internazionale. Questo standard è IEC 60751 ed è il documento a cui fanno tranquillamente riferimento le schede tecniche di ogni produttore rispettabile, anche quando non lo dicono apertamente.
Fisicamente, l'elemento si trova all'interno di una guaina metallica - solitamente inossidabile 316, a volte Inconel o Hastelloy per supporti sgradevoli - con cavi che arrivano a un trasmettitore o alla scheda di ingresso analogica di un controller. Il sensore stesso non ha display né logica; cambia solo la resistenza. Tutto il resto avviene a valle.
La fisica dietro la lettura
Perché la resistenza cambia con la temperatura
Quando il platino si riscalda, la vibrazione atomica aumenta, il che rende più difficile per gli elettroni muoversi attraverso il reticolo - la resistenza aumenta. Questa relazione non è lineare nell'intero intervallo, ma è sufficientemente stretta e sufficientemente ben-caratterizzata da poter essere catturata in un'equazione anziché in una sola tabella di ricerca: l'equazione di Callendar-Van Dusen.
Per temperature superiori a 0 gradi, la forma semplificata è:
Rt=R0 [1 + At + Bt²]
R0 è 100 ohm per un PT100 e A e B sono costanti fisse secondo IEC 60751. Al di sotto di 0 gradi viene aggiunto un terzo termine perché la curva si piega in modo leggermente diverso in basso. Non è necessario memorizzare questo - ma vale la pena sapere che esiste, perché è la ragione per cui un "PT100" di un produttore e un "PT100" di un altro saranno effettivamente d'accordo tra loro a una data temperatura, invece di avere ciascuno la propria curva privata.
Un numero che vale la pena ricordare: a 100 gradi, un PT100 standard legge circa 138,5 ohm. Se stai risolvendo i problemi di un sensore con un multimetro e non è neanche lontanamente vicino a quello che dovrebbe essere 100 gradi, c'è qualcosa che non va - nell'elemento, nel cablaggio o nella tua ipotesi sulla temperatura effettiva.
C'è anche una differenza che dovresti conoscere prima di ordinare: la "curva europea" (alfa=0.00385) è lo standard ovunque al di fuori del Nord America, mentre una vecchia "curva americana" (0,00392) è ancora presente su alcune apparecchiature legacy. Mescolare i due in un retrofit è una classica fonte di lettura della temperatura che si discosta di alcuni gradi senza una ragione ovvia.
Trasformare la resistenza in un numero che puoi leggere
Un trasmettitore fa passare una piccola corrente attraverso l'elemento, misura la tensione ai suoi capi, calcola la resistenza e applica la curva per generare una temperatura. Questo è tutto. Questo è anche il motivo per cui un PT100 è sostanzialmente inutile senza un trasmettitore o una scheda di ingresso compatibile con RTD-dietro - il sensore è solo metà della catena di misurazione.
Il dettaglio del cablaggio che causa effettivamente problemi sul campo
È qui che molte decisioni di acquisto vanno male, e raramente è perché qualcuno è stato negligente - semplicemente non è ovvio a meno che qualcuno non te lo abbia detto.
2 filiè più economico, ma la resistenza del cavo stesso viene aggiunta direttamente alla lettura. Su un cavo di 30-metri questo errore non è più banale. Multa per tirature brevi o monitoraggio non critico; non va bene per qualsiasi cosa tu voglia controllare.
3 filiè l'impostazione predefinita per la maggior parte dei lavori industriali. Un terzo filo consente al trasmettitore di stimare e annullare la resistenza del cavo, presupponendo che i tre conduttori siano della stessa lunghezza e diametro. Buon equilibrio tra costi e precisione, motivo per cui è ciò che troverete sulla maggior parte dei trasmettitori da processo venduti oggi.
4 filirimuove quasi completamente l'errore di resistenza del conduttore separando i fili-portanti la corrente e quelli di rilevamento-della tensione. Questo è ciò che desideri per gli standard di riferimento della calibrazione o ovunque le frazioni di grado contano davvero - ma è eccessivo e comporta costi aggiuntivi per molti punti di monitoraggio generali.
L'errore che vedo più spesso non è scegliere il tipo di cablaggio sbagliato isolatamente - ma ordinare un sensore a 3 fili per un trasmettitore configurato per l'ingresso a 2 fili o viceversa. Il sensore e lo strumento devono concordare e questo dettaglio è facile da perdere quando l'approvvigionamento e la strumentazione sono due persone diverse che lavorano su due documenti diversi.
Elementi in filo-avvolto e in pellicola-sottile
Filo-avvoltogli elementi - filo di platino avvolto attorno a un nucleo in ceramica o vetro - tendono a mantenere la calibrazione estremamente bene per una lunga durata e ampi sbalzi di temperatura. Sono più costosi e un po' più fragili meccanicamente.
Pellicola-sottilegli elementi sono realizzati depositando platino su un substrato ceramico, in modo simile nello spirito a come viene costruito un microchip. Sono più piccoli, più economici da produrre in grandi quantità e resistono meglio alle vibrazioni -, motivo per cui hanno ampiamente preso il sopravvento sull'uso industriale generale e OEM. Il compromesso- è un intervallo di temperatura nominale più ristretto rispetto alle versioni premium a filo-avvolto, anche se per la maggior parte dei lavori di processo tale limite non viene mai effettivamente raggiunto.
Se la tua applicazione è leggera - pensa ai condotti HVAC, il monitoraggio generale dei serbatoi - film sottile- è quasi sempre la scelta economica e sensata. Risparmia sul filo-avvolto per applicazioni ad alta-temperatura o con-lunga durata-in cui la stabilità extra ammortizza i costi.
PT100 rispetto a termocoppia rispetto a PT1000
Acquirenti nuovi astrumentazione per la temperaturaspesso chiedono quale di questi tre dovrebbero effettivamente specificare.
Contro atermocoppia, un PT100 vince in termini di precisione e-stabilità a lungo termine nell'intervallo da-a-medio (da circa -da 200 gradi a 850 gradi) e non richiede la compensazione della giunzione fredda. Una termocoppia vince laddove le temperature diventano più elevate di quelle che il platino può sopportare o dove è necessaria una risposta più rapida e si può vivere con una precisione inferiore.
Contro aPT1000, il principio di funzionamento è identico - stesso platino, stessa fisica - solo 1.000 ohm a 0 gradi anziché 100. Questa resistenza di base più elevata rende l'errore del cavo-conduttore proporzionalmente più piccolo, quindi un PT1000 può spesso cavarsela con un cablaggio a 2-fili senza la penalità di precisione che un PT100 comporterebbe. Ciò rende il PT1000 una scelta comune nell'automazione degli edifici, dove i cavi sono lunghi ma non si ricerca una precisione da laboratorio.
Un caso reale: quando "abbastanza vicino" non lo era
Un'operazione di lavorazione-alimentare che utilizzava una linea di pastorizzazione riceveva da settimane letture incoerenti della temperatura del lotto - niente di drammatico, solo un paio di gradi di deriva che si presentavano in modo intermittente e non erano correlati a nulla di evidente nel processo stesso. La manutenzione aveva già sostituito il sensore una volta, presumendo che avesse risolto il problema e andava avanti. È tornato un mese dopo.
La vera causa si è rivelata essere il cablaggio, non il sensore: il PT100 originale a 3-fili era stato sostituito con un'unità di un fornitore diverso il cui diametro del cavo era leggermente diverso da quello originale, il che ha alterato la compensazione della resistenza-del cavo calcolata dal trasmettitore. Sulla carta, entrambi i sensori soddisfacevano le specifiche. In pratica, la discrepanza era abbastanza grande da spingere la lettura al di fuori della tolleranza importante per il tempo di attesa della pastorizzazione - un parametro di sicurezza alimentare, non cosmetico.
La soluzione non era un sensore migliore. Stava standardizzando il calibro e la lunghezza del cavo su tutti i pezzi sostitutivi per quella linea e aggiungendo un rapido controllo della resistenza a temperatura ambiente come fase di ispezione-in ricezione prima che qualsiasi nuovo sensore entrasse in servizio. La lezione è generalizzata: un PT100 è preciso quanto l'intera catena di misurazione che lo circonda e "lo stesso codice prodotto" non sempre significa "lo stesso filo effettivo".
Cosa controllare effettivamente prima di ordinare
Per la maggior parte degli acquirenti, la decisione si riduce a cinque domande, più o meno in questo ordine di importanza:
- Qual è l'intervallo di temperature del processo e quanto deve essere ristretta la tolleranza?Questo decide la classe di precisione - La Classe B (±0,30 gradi a 0 gradi) copre la maggior parte del monitoraggio generale; La classe A o 1/3 DIN vale il premio per i circuiti di controllo o i processi regolamentati.
- Quale cablaggio si aspetta il tuo trasmettitore o la tua scheda PLC?Confermalo prima di ordinare, non dopo il giorno -: è la causa più comune di problemi evitabili sui campi.
- Qual è il materiale della guaina e il diametro della sonda adatti ai fluidi di processo e alla pressione?Anche le applicazioni corrosive o ad alta-pressione richiedono solitamente un pozzetto termometrico, sia per la protezione che per consentire la sostituzione del sensore senza l'arresto.
- Hai bisogno di un trasmettitore-montato sulla testa?La conversione in un segnale da 4-20 mA direttamente sul sensore migliora l'immunità al rumore su cavi lunghi e vale il costo aggiuntivo in ambienti elettricamente rumorosi.
- Qual è il vostro piano di calibrazione e sostituzione?I sensori si spostano nel corso di anni di cicli termici. I processi critici in genere vengono controllati annualmente; i punti di monitoraggio-a bassa posta in gioco possono durare più a lungo.
Note di installazione che vale la pena conoscere
La profondità di inserimento conta più di quanto la maggior parte delle persone si aspetti - la punta di rilevamento deve raggiungere il flusso o il mezzo effettivo, non solo infilare la parete del tubo, altrimenti si finisce per misurare lo strato limite anziché il processo. I pozzetti termometrici valgono il costo aggiuntivo ovunque la pressione, la corrosione o la necessità di sostituzione-hot-swap siano un fattore determinante. E se stai risolvendo una lettura che sembra errata, controlla la resistenza a una temperatura di riferimento nota (l'acqua ghiacciata è un riferimento economico e affidabile a 0 gradi) prima di presumere che il problema sia il trasmettitore o il processo stesso.
Linea di fondo
La fisica alla base di un PT100 è semplice e non è cambiata da decenni. - La resistenza del platino aumenta in modo prevedibile con la temperatura e tale relazione è standardizzata in modo che gli strumenti di diversi produttori concordano tra loro. Il punto in cui gli acquirenti effettivamente sbagliano non è la selezione del sensore in sé; sono i dettagli attorno ad esso - configurazione del cablaggio, consistenza del cavo, materiale della guaina per le effettive condizioni del processo. Ottienili direttamente nella fase delle specifiche e la parte del sensore è la parte facile.
Se stai acquistando sensori PT100 per una linea o un pezzo di apparecchiatura specifico, inviare al tuo fornitore l'intervallo di temperatura, la classe di precisione richiesta, il tipo di cablaggio e l'ambiente di installazione in anticipo - anziché solo un numero di parte - è solitamente ciò che distingue un sensore che funziona da uno che viene sostituito due volte prima che qualcuno scopra il vero problema.
Domande frequenti
PT100 è la stessa cosa di un RTD?
No - PT100 è un tipo specifico di RTD, realizzato in platino con resistenza di 100 ohm a 0 gradi. RTD è la categoria più ampia, che comprende anche PT500, PT1000 e sensori a base di nichel- o rame-.
Quanto è realmente preciso un sensore PT100?
La classe B ha una precisione di circa ±0,30 gradi a 0 gradi. La Classe A lo restringe a circa ±0,15 gradi. I sensori 1/10 DIN ad alta precisione-raggiungono ±0,03 gradi, che è principalmente una specifica standard di laboratorio o di calibrazione-piuttosto che qualcosa di cui ha bisogno il monitoraggio generale del processo.
Un PT100 può gestire temperature sotto-zero?
Sì, le unità standard hanno una classificazione fino a circa -200 gradi, che copre la maggior parte delle applicazioni criogeniche e della catena del freddo senza bisogno di nulla di specializzato.
Perché alcuni sensori PT100 hanno tre o quattro fili invece di due?
I cavi aggiuntivi consentono allo strumento di sottrarre la resistenza del cavo stesso, che altrimenti verrebbe conteggiato come parte del segnale di temperatura - un errore che aumenta con la lunghezza del cavo.
Riferimenti
- Commissione Elettrotecnica Internazionale.IEC 60751 - Termometri a resistenza al platino industriali e sensori di temperatura al platino.
- Istituto nazionale di standard e tecnologia (NIST).Dati di riferimento della scala di temperatura ITS-90 e della termometria a resistenza al platino.
- Ingegneria Omega.Guida di riferimento RTD (rilevatore di temperatura di resistenza).
- Fluke Corporation.Calibrazione: filosofia in pratica - Termometria a resistenza.
