Hỏi năm người "PT100" nghĩa là gì và bạn thường sẽ nhận được câu trả lời đầy đủ là "một loại cảm biến nhiệt độ nào đó". Sẽ không sao nếu bạn chỉ đang trò chuyện - nhưng nếu bạn là người viết thông số mua hàng thì những khoảng trống trong câu trả lời đó chính xác là nơi mà vấn đề xuất hiện sau này: một cảm biến đọc tốt trên bàn nhưng bị trôi khi được hàn vào một giếng nhiệt hoặc một cảm biến đúng về mặt kỹ thuật nhưng nối dây sai cách cho máy phát mà nó cấp nguồn.
Bài viết này đề cập đến cơ chế về cách PT100 thực sự đo nhiệt độ, sự khác biệt thực tế giữa các loại cảm biến bạn sẽ chọn và - vì lý thuyết chỉ giúp bạn có được - tình huống thực tế khi sai một trong những chi tiết này gây ra sự cố có thể đo lường được trên dây chuyền sản xuất.
PT100 thực sự là gì
PT100 là máy dò nhiệt độ điện trở (RTD) - một phần tử bạch kim có điện trở thay đổi theo cách đã biết và có thể lặp lại khi nhiệt độ thay đổi. "100" trong tên là giá trị điện trở ở 0 độ: chính xác là 100 ohms. Làm nóng nó lên, sức đề kháng tăng lên; nguội đi, sức đề kháng giảm xuống.
Bạch kim không phải là kim loại duy nhất tồn tại - RTD niken và đồng này - nhưng bạch kim được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì nó không dễ bị oxy hóa, giữ được hiệu chuẩn qua nhiều năm chu trình nhiệt và đường cong điện trở của nó-được xác định rõ ràng để được tiêu chuẩn hóa trên phạm vi quốc tế. Tiêu chuẩn đó là IEC 60751 và đó là tài liệu mà mọi bảng dữ liệu của nhà sản xuất có uy tín đều lặng lẽ tham khảo ngay cả khi họ không nói rõ ràng như vậy.
Về mặt vật lý, phần tử nằm bên trong vỏ kim loại - thường là thép không gỉ 316, đôi khi là Inconel hoặc Hastelloy dành cho các phương tiện khó chịu - với dây dẫn chạy ra bộ phát hoặc thẻ đầu vào analog của bộ điều khiển. Bản thân cảm biến không có màn hình hiển thị và không có logic; nó chỉ thay đổi điện trở. Mọi thứ khác xảy ra ở hạ lưu.
Vật lý đằng sau việc đọc
Tại sao điện trở thay đổi theo nhiệt độ
Khi bạch kim nóng lên, độ rung nguyên tử tăng lên, khiến cho các electron khó di chuyển qua mạng tinh thể hơn, điện trở - tăng lên. Mối quan hệ này không tuyến tính trên toàn bộ phạm vi, nhưng nó đủ chặt chẽ và-có tính chất đặc trưng đủ tốt để nó được thể hiện trong một phương trình chứ không phải chỉ trong một bảng tra cứu: phương trình Callendar-Van Dusen.
Đối với nhiệt độ trên 0 độ, dạng đơn giản là:
Rt=R0 [1 + Tại + Bt²]
R0 là 100 ohm đối với PT100, A và B là các hằng số cố định theo IEC 60751. Dưới 0 độ, thuật ngữ thứ ba sẽ được thêm vào do đường cong uốn cong hơi khác ở dưới đó. Bạn không cần phải ghi nhớ - này nhưng cần biết rằng nó tồn tại, vì đó là lý do tại sao "PT100" của nhà sản xuất này và "PT100" của nhà sản xuất khác sẽ thực sự phù hợp với nhau ở một nhiệt độ nhất định, thay vì mỗi cái có đường cong riêng.
Một con số đáng ghi nhớ: ở 100 độ, PT100 tiêu chuẩn đọc khoảng 138,5 ohms. Nếu bạn đang khắc phục sự cố cho một cảm biến bằng đồng hồ vạn năng và nó không ở gần mức 100 độ thì có gì đó không ổn - cả phần tử, hệ thống dây điện hoặc giả định của bạn về nhiệt độ thực tế của nó.
Ngoài ra còn có một phần phân chia mà bạn nên biết trước khi đặt hàng: "Đường cong châu Âu" (alpha=0.00385) là tiêu chuẩn ở mọi nơi bên ngoài Bắc Mỹ, trong khi "đường cong Mỹ" cũ hơn (0,00392) vẫn hiển thị trên một số thiết bị cũ. Kết hợp cả hai trên một trang bị thêm là một nguồn cổ điển của việc đọc nhiệt độ bị sai lệch vài độ mà không có lý do rõ ràng.
Biến mức kháng cự thành con số bạn có thể đọc được
Một máy phát truyền một dòng điện nhỏ qua phần tử, đo điện áp trên nó, tính toán điện trở và áp dụng đường cong để tạo ra nhiệt độ. Thế thôi. Đây cũng là lý do tại sao PT100 về cơ bản là vô dụng nếu không có bộ phát hoặc thẻ đầu vào có khả năng RTD-đằng sau nó - cảm biến chỉ là một nửa chuỗi đo lường.
Chi tiết nối dây thực sự gây ra sự cố tại hiện trường
Đây là nơi có rất nhiều quyết định mua hàng sai lầm và hiếm khi xảy ra do có người bất cẩn - điều đó chỉ không rõ ràng trừ khi có ai đó nói cho bạn biết.
2 dâylà rẻ nhất, nhưng điện trở của dây dẫn sẽ được cộng thẳng vào số đọc. Khi chạy cáp dài hơn 30-m, lỗi đó không còn là chuyện nhỏ nữa. Tốt cho các hoạt động chạy ngắn hoặc giám sát không quan trọng; không tốt cho bất cứ điều gì bạn muốn kiểm soát.
3 dâylà mặc định cho hầu hết các công việc công nghiệp. Dây thứ ba cho phép máy phát ước tính và loại bỏ điện trở dây dẫn, giả sử ba dây dẫn có chiều dài và thước đo phù hợp. Sự cân bằng tốt giữa chi phí và độ chính xác, đó là lý do tại sao đó là những gì bạn sẽ tìm thấy trên phần lớn các bộ chuyển đổi quy trình được bán ngày nay.
4 dâyloại bỏ gần như hoàn toàn lỗi điện trở dây dẫn bằng cách tách các dây cảm biến-mang dòng điện và dây cảm biến điện áp-. Đây là những gì bạn muốn đối với các tiêu chuẩn tham chiếu hiệu chuẩn hoặc bất kỳ phân số nào của độ thực sự quan trọng - nhưng nó quá mức cần thiết và tốn thêm chi phí đối với nhiều điểm giám sát chung.
Lỗi mà tôi thường thấy nhất không phải là chọn sai loại dây riêng biệt - mà là đặt hàng cảm biến 3 dây cho bộ phát được định cấu hình cho đầu vào 2 dây hoặc ngược lại. Cảm biến và thiết bị phải thống nhất với nhau và chi tiết đó rất dễ bị bỏ sót khi việc mua sắm và thiết bị đo đạc là hai người khác nhau làm việc trên hai tài liệu khác nhau.
Dây-Vết thương so với mỏng-Phần tử phim
vết thương do dây điệnphần tử - dây bạch kim cuộn quanh lõi gốm hoặc thủy tinh - có xu hướng giữ hiệu chuẩn cực kỳ tốt trong thời gian sử dụng lâu dài và dao động nhiệt độ rộng. Chúng đắt hơn và dễ vỡ hơn một chút về mặt cơ học.
màng-mỏngcác nguyên tố được tạo ra bằng cách lắng đọng bạch kim trên nền gốm, tương tự như cách chế tạo một vi mạch. Chúng nhỏ hơn, rẻ hơn khi sản xuất với số lượng lớn và chịu rung tốt hơn -, đó là lý do tại sao chúng phần lớn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và OEM. Sự cân bằng-là phạm vi nhiệt độ định mức hẹp hơn so với các phiên bản dây quấn-cao cấp, mặc dù đối với hầu hết các công việc xử lý, mức trần đó thực sự không bao giờ đạt đến.
Nếu ứng dụng của bạn nhẹ - hãy nghĩ đến ống dẫn HVAC, màng mỏng - mỏng{2}} giám sát bể chung hầu như luôn là sự lựa chọn hợp lý, tiết kiệm. Tiết kiệm vết quấn dây cho các ứng dụng có nhiệt độ-cao hoặc tuổi thọ{6}}sử dụng lâu dài-trong đó độ ổn định cao hơn giúp hoàn lại chi phí.
PT100 so với cặp nhiệt điện so với PT1000
Người mua mới đếnthiết bị đo nhiệt độthường hỏi họ thực sự nên chỉ định cái nào trong ba cái này.
chống lại mộtcặp nhiệt điện, PT100 giành chiến thắng nhờ độ chính xác và độ ổn định-lâu dài ở phạm vi thấp-đến-trung bình (khoảng -200 độ đến 850 độ ) và không yêu cầu bù điểm giao cắt lạnh. Cặp nhiệt điện sẽ chiến thắng khi nhiệt độ tăng cao hơn mức mà bạch kim có thể xử lý hoặc khi bạn cần phản hồi nhanh hơn và có thể hoạt động với độ chính xác thấp hơn.
chống lại mộtPT1000, nguyên tắc hoạt động giống hệt - cùng bạch kim, cùng vật lý - chỉ 1.000 ohm ở 0 độ thay vì 100. Điện trở cơ bản cao hơn đó làm cho sai số dây dẫn-theo tỷ lệ nhỏ hơn, do đó, PT1000 thường có thể thoát khỏi hệ thống dây 2{12}}dây mà không bị ảnh hưởng về độ chính xác như PT100. Điều đó làm cho PT1000 trở thành lựa chọn phổ biến trong tự động hóa tòa nhà, nơi đường dây cáp dài nhưng bạn không theo đuổi độ chính xác cấp phòng thí nghiệm.
Một trường hợp thực tế: Khi không có "Đóng đủ"
Hoạt động-chế biến thực phẩm chạy trên dây chuyền thanh trùng đã nhận được số liệu nhiệt độ lô không nhất quán trong nhiều tuần - không có gì đáng kể, chỉ có một vài độ lệch xuất hiện không liên tục và không tương quan với bất kỳ điều gì rõ ràng trong chính quy trình đó. Bộ phận bảo trì đã đổi cảm biến một lần, cho rằng nó đã khắc phục được sự cố và tiếp tục. Nó quay trở lại một tháng sau đó.
Nguyên nhân thực sự hóa ra là do hệ thống dây điện chứ không phải cảm biến: PT100 3{2}}dây ban đầu đã được thay thế bằng một thiết bị từ một nhà cung cấp khác có thước đo dây dẫn hơi khác so với lần chạy ban đầu, điều này đã làm mất đi phần bù điện trở-dây dẫn mà máy phát đang tính toán. Trên giấy tờ, cả hai cảm biến đều đáp ứng thông số kỹ thuật. Trong thực tế, sự không phù hợp chỉ đủ lớn để đẩy kết quả đọc ra ngoài phạm vi dung sai quan trọng đối với thời gian giữ thanh trùng -, một thông số an toàn thực phẩm, không phải thông số mỹ phẩm.
Việc sửa chữa không phải là một cảm biến tốt hơn. Đó là tiêu chuẩn hóa thước đo và chiều dài dây dẫn trên tất cả nguồn hàng thay thế cho đường dây đó, đồng thời bổ sung kiểm tra điện trở nhanh ở nhiệt độ môi trường làm bước kiểm tra-tiếp nhận trước khi bất kỳ cảm biến mới nào được đưa vào sử dụng. Bài học khái quát hóa: PT100 chỉ chính xác bằng toàn bộ chuỗi đo lường xung quanh nó và "cùng một số bộ phận" không phải lúc nào cũng có nghĩa là "cùng một dây thực tế".
Những gì thực sự cần kiểm tra trước khi bạn đặt hàng
Đối với hầu hết người mua, quyết định được đưa ra dựa trên năm câu hỏi, đại khái theo thứ tự quan trọng sau:
- Phạm vi nhiệt độ của quy trình là bao nhiêu và mức độ dung sai cần phải chặt chẽ đến mức nào?Điều này quyết định lớp chính xác - Lớp B (±0,30 độ ở 0 độ ) bao gồm hầu hết việc giám sát chung; Loại A hoặc 1/3 DIN có giá trị cao hơn cho các vòng điều khiển hoặc quy trình được quy định.
- Bộ phát hoặc thẻ PLC của bạn mong đợi hệ thống dây điện nào?Hãy xác nhận điều này trước khi đặt hàng, không phải sau -, đây là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra các sự cố trường có thể tránh được.
- Vật liệu vỏ bọc và đường kính đầu dò phù hợp với môi trường xử lý và áp suất của bạn là gì?Các ứng dụng-áp suất cao hoặc ăn mòn cũng thường yêu cầu giếng nhiệt, vừa để bảo vệ vừa để thay thế cảm biến mà không cần tắt máy.
- Bạn có cần một bộ phát-gắn trên đầu không?Việc chuyển đổi sang tín hiệu 4-20mA ngay tại cảm biến giúp cải thiện khả năng chống nhiễu khi chạy cáp dài và đáng giá hơn trong môi trường ồn ào về điện.
- Kế hoạch hiệu chuẩn và thay thế của bạn là gì?Cảm biến trôi theo chu kỳ nhiệt nhiều năm. Các quy trình quan trọng thường được kiểm tra hàng năm; các điểm giám sát-có mức đặt cược thấp có thể kéo dài lâu hơn.
Ghi chú cài đặt đáng biết
Độ sâu chèn quan trọng hơn hầu hết mọi người mong đợi - đầu cảm biến cần tiếp cận với dòng chảy hoặc môi trường thực tế chứ không chỉ chọc xuyên qua thành ống, nếu không bạn sẽ phải đo lớp ranh giới thay vì quy trình. Giếng nhiệt đáng phải trả thêm chi phí nếu có áp lực, ăn mòn hoặc nhu cầu thay thế trao đổi nóng-là một yếu tố. Và nếu bạn đang khắc phục sự cố khi kết quả đọc có vẻ sai lệch, hãy kiểm tra điện trở ở nhiệt độ tham chiếu đã biết (nước đá là tham chiếu 0 độ rẻ tiền, đáng tin cậy) trước khi cho rằng bộ phát hoặc bản thân quy trình có vấn đề.
Dòng dưới cùng
Nguyên lý vật lý đằng sau PT100 rất đơn giản và không thay đổi trong nhiều thập kỷ - điện trở của bạch kim tăng theo nhiệt độ có thể dự đoán được và mối quan hệ đó được tiêu chuẩn hóa để các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau thống nhất với nhau. Trường hợp người mua thực sự sai không phải ở việc lựa chọn cảm biến; đó là các chi tiết xung quanh nó - cấu hình dây, tính nhất quán của dây dẫn, vật liệu vỏ bọc cho các điều kiện quy trình thực tế. Nhận những thứ đó ngay ở giai đoạn thông số kỹ thuật và phần cảm biến là phần dễ dàng.
Nếu bạn đang tìm nguồn cung ứng cảm biến PT100 cho một dây chuyền hoặc một thiết bị cụ thể, việc gửi trước cho nhà cung cấp phạm vi nhiệt độ, cấp chính xác yêu cầu, loại dây và môi trường lắp đặt - thay vì chỉ số bộ phận - thường là điều giúp phân biệt một cảm biến hoạt động với một cảm biến được hoán đổi hai lần trước khi ai đó tìm ra vấn đề thực sự.
Câu hỏi thường gặp
PT100 có giống với RTD không?
Không - PT100 là một loại RTD cụ thể, được làm từ bạch kim với điện trở 100 ohm ở 0 độ . RTD là loại rộng hơn, bao gồm cả cảm biến dựa trên PT500, PT1000 và niken- hoặc đồng-.
Cảm biến PT100 thực sự chính xác đến mức nào?
Loại B có độ chính xác khoảng ±0,30 độ ở 0 độ. Lớp A thắt chặt điều đó đến khoảng ± 0,15 độ. Cảm biến DIN 1/10 có độ chính xác cao-đạt tới ±0,03 độ, chủ yếu là thông số tiêu chuẩn dành cho phòng thí nghiệm hoặc hiệu chuẩn- chứ không phải là thứ cần giám sát quy trình chung.
PT100 có thể xử lý nhiệt độ dưới{1}}0 không?
Có, các đơn vị tiêu chuẩn được xếp hạng xuống khoảng -200 độ, bao gồm hầu hết các ứng dụng đông lạnh và dây chuyền lạnh mà không cần bất kỳ thứ gì chuyên dụng.
Tại sao một số cảm biến PT100 có ba hoặc bốn dây thay vì hai?
Các dây bổ sung cho phép thiết bị tự trừ đi điện trở của dây dẫn, nếu không thì điện trở này sẽ được tính là một phần của tín hiệu nhiệt độ -, một lỗi tăng dần theo chiều dài cáp.
Tài liệu tham khảo
- Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế.IEC 60751 - Nhiệt kế điện trở bạch kim công nghiệp và cảm biến nhiệt độ bạch kim.
- Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST).Dữ liệu tham khảo nhiệt kế điện trở bạch kim và thang đo nhiệt độ ITS-90.
- Kỹ thuật Omega.Hướng dẫn tham khảo RTD (Máy dò nhiệt độ điện trở).
- Tập đoàn Fluke.Hiệu chuẩn: Triết lý trong thực hành - Đo nhiệt độ điện trở.
