Wenn Sie fünf Personen fragen, was „PT100“ bedeutet, erhalten Sie in der Regel als vollständige Antwort „irgendeine Art Temperatursensor“. Das ist in Ordnung, wenn Sie nur chatten -, aber wenn Sie derjenige sind, der die Kaufspezifikation schreibt, sind die Lücken in dieser Antwort genau dort, wo später Probleme auftauchen: ein Sensor, der auf dem Prüfstand gut anzeigt, aber abdriftet, sobald er in ein Schutzrohr eingeschweißt wird, oder ein Sensor, der technisch korrekt ist, aber für den Sender, den er speist, falsch verkabelt ist.
Dieser Artikel behandelt die Mechanismen, wie ein PT100 tatsächlich die Temperatur misst, die praktischen Unterschiede zwischen den Sensortypen, zwischen denen Sie wählen werden, und - weil die Theorie Sie nur bis zu einem gewissen Punkt bringt - eine reale Situation, in der ein Fehler in einer dieser Angaben ein messbares Problem in einer Produktionslinie verursacht hat.
Was ein PT100 eigentlich ist
Ein PT100 ist ein Widerstandstemperaturdetektor (RTD) - ein Platinelement, dessen elektrischer Widerstand sich bei Temperaturänderungen auf bekannte und wiederholbare Weise ändert. Die „100“ im Namen ist der Widerstandswert bei 0 Grad: genau 100 Ohm. Erhitzen Sie es, der Widerstand steigt; Kühlen Sie es ab, der Widerstand sinkt.
Platin ist nicht das einzige Metall, bei dem dies der Fall ist - es gibt auch Nickel- und Kupfer-Widerstandsthermometer -, aber Platin hat sich für die industrielle Verwendung durchgesetzt, weil es nicht leicht oxidiert, seine Kalibrierung über Jahre hinweg bei thermischen Wechseln beibehält und seine Widerstandskurve so gut -definiert ist, dass sie international standardisiert wurde. Dieser Standard ist IEC 60751 und das Dokument, auf das sich alle Datenblätter namhafter Hersteller stillschweigend beziehen, auch wenn sie es nicht direkt sagen.
Physikalisch gesehen befindet sich das Element in einer Metallhülle -, normalerweise aus Edelstahl 316, manchmal Inconel oder Hastelloy für unangenehme Medien - mit Anschlussdrähten, die zu einem Sender oder der analogen Eingangskarte eines Controllers führen. Der Sensor selbst verfügt über kein Display und keine Logik; es verändert lediglich den Widerstand. Alles andere passiert stromabwärts.
Die Physik hinter der Lektüre
Warum sich der Widerstand mit der Temperatur ändert
Wenn sich Platin erwärmt, nimmt die Atomschwingung zu, wodurch es für Elektronen schwieriger wird, sich durch das Gitter zu bewegen. Der --Widerstand steigt. Diese Beziehung ist nicht über den gesamten Bereich linear, aber sie ist nahe genug und -gut genug charakterisiert, dass sie in einer Gleichung und nicht nur in einer Nachschlagetabelle erfasst wird: der Callendar--Van-Dusen-Gleichung.
Für Temperaturen über 0 Grad lautet die vereinfachte Form:
Rt=R0 [1 + At + Bt²]
R0 beträgt 100 Ohm für einen PT100 und A und B sind feste Konstanten aus IEC 60751. Unterhalb von 0 Grad wird ein dritter Term hinzugefügt, da die Kurve dort unten etwas anders verläuft. Sie müssen sich dieses - nicht merken, aber es lohnt sich zu wissen, dass es existiert, denn es ist der Grund dafür, dass ein „PT100“ eines Herstellers und ein „PT100“ eines anderen bei einer bestimmten Temperatur tatsächlich miteinander übereinstimmen, anstatt dass jeder seine eigene private Kurve hat.
Eine Zahl, an die man sich erinnern sollte: Bei 100 Grad misst ein Standard-PT100 etwa 138,5 Ohm. Wenn Sie die Fehlersuche an einem Sensor mit einem Multimeter durchführen und die Temperatur bei weitem nicht die 100 Grad erreicht, stimmt etwas nicht, - entweder das Element, die Verkabelung oder Ihre Annahme, welche Temperatur es tatsächlich hat.
Es gibt auch eine Aufteilung, die Sie vor der Bestellung kennen sollten: Die „europäische Kurve“ (Alpha=0.00385) ist überall außerhalb Nordamerikas der Standard, während bei einigen älteren Geräten immer noch eine ältere „amerikanische Kurve“ (0,00392) zu sehen ist. Die Kombination beider Komponenten bei einer Nachrüstung ist eine klassische Ursache dafür, dass die Temperaturanzeige ohne ersichtlichen Grund um ein paar Grad abweicht.
Widerstand in eine lesbare Zahl verwandeln
Ein Sender leitet einen kleinen Strom durch das Element, misst die Spannung daran, berechnet den Widerstand und wendet die Kurve an, um eine Temperatur auszuspucken. Das ist es. Dies ist auch der Grund, warum ein PT100 grundsätzlich nutzlos ist, wenn kein Sender oder eine RTD--fähige Eingangskarte dahinter steckt - der Sensor ist nur die Hälfte der Messkette.
Das Verdrahtungsdetail, das tatsächlich Feldprobleme verursacht
Hier gehen viele Kaufentscheidungen schief, und das liegt selten daran, dass irgendjemand nachlässig war - es ist einfach nicht offensichtlich, es sei denn, jemand hat es einem gesagt.
2-Drahtist am günstigsten, aber der Widerstand des Anschlusskabels selbst wird direkt in den Messwert einbezogen. Bei einer Kabelstrecke von 30-Metern ist dieser Fehler nicht mehr trivial. Gut geeignet für kurze Auflagen oder unkritische Überwachung; Nicht in Ordnung für irgendetwas, das Sie kontrollieren möchten.
3-Drahtist die Standardeinstellung für die meisten Industriearbeiten. Über einen dritten Draht kann der Sender den Leitungswiderstand schätzen und kompensieren, vorausgesetzt, dass die drei Leiter in Länge und Stärke übereinstimmen. Gutes Verhältnis von Kosten und Genauigkeit, weshalb es bei den meisten heute verkauften Prozesstransmittern zu finden ist.
4-DrahtBeseitigt Leitungswiderstandsfehler fast vollständig durch die Trennung der stromführenden und spannungserfassenden Leitungen. Dies ist das, was Sie für Kalibrierungsreferenzstandards oder überall dort benötigen, wo Bruchteile eines Grads tatsächlich eine Rolle spielen -, aber für viele allgemeine Überwachungspunkte ist es übertrieben und mit zusätzlichen Kosten verbunden.
Der Fehler, den ich am häufigsten sehe, ist nicht die isolierte Auswahl des falschen Verkabelungstyps -, sondern die Bestellung eines 3-Draht-Sensors für einen Sender, der für den 2-Draht-Eingang konfiguriert wurde, oder umgekehrt. Der Sensor und das Instrument müssen übereinstimmen, und dieses Detail kann leicht übersehen werden, wenn Beschaffung und Instrumentierung von zwei verschiedenen Personen durchgeführt werden, die an zwei unterschiedlichen Dokumenten arbeiten.
Draht-Gewickelte vs. dünne-Folienelemente
Draht-gewickeltElemente - Platindraht, der um einen Keramik- oder Glaskern gewickelt ist - neigen dazu, die Kalibrierung über eine lange Lebensdauer und große Temperaturschwankungen äußerst gut zu halten. Sie sind teurer und mechanisch etwas anfälliger.
Dünnfilm-Elemente werden durch Abscheiden von Platin auf einem Keramiksubstrat hergestellt, ähnlich wie ein Mikrochip. Sie sind kleiner, kostengünstiger in der Massenproduktion und halten Vibrationen besser stand -, weshalb sie inzwischen weitgehend den allgemeinen Industrie- und OEM-Einsatz übernommen haben. Der Kompromiss-ist ein engerer Nenntemperaturbereich im Vergleich zu erstklassigen drahtgewickelten Versionen, obwohl dieser Grenzwert bei den meisten Prozessarbeiten nie wirklich erreicht wird.
Wenn Ihre Anwendung mild ist - denken Sie an HVAC-Rohrleitungen, ist die allgemeine Tanküberwachung - dünner-Film fast immer die wirtschaftliche und sinnvolle Wahl. Sparen Sie Draht-für Anwendungen mit hohen-Temperaturen oder langer-Lebensdauer-, bei denen sich die zusätzliche Stabilität auszahlt.
PT100 vs. Thermoelement vs. PT1000
Käufer, die neu sindTemperaturinstrumentierungfragen sich oft, welche dieser drei sie eigentlich angeben sollten.
Gegen aThermoelement, ein PT100 überzeugt durch Genauigkeit und Langzeitstabilität im niedrigen-bis-mittleren Bereich (ungefähr -200 Grad bis 850 Grad) und erfordert keine Kaltstellenkompensation. Ein Thermoelement gewinnt dort, wo die Temperaturen höher sind, als Platin verarbeiten kann, oder wenn eine schnellere Reaktion erforderlich ist und mit geringerer Präzision auskommt.
Gegen aPT1000Das Funktionsprinzip ist identisch - gleiches Platin, gleiche Physik - nur 1.000 Ohm bei 0 Grad statt 100. Dieser höhere Basiswiderstand macht den Leitungsfehler proportional kleiner, so dass ein PT1000 oft mit einer 2{12}}Drahtverkabelung auskommen kann, ohne dass die Genauigkeit beeinträchtigt wird, die ein PT100 mit sich bringen würde. Das macht PT1000 zu einer häufigen Wahl in der Gebäudeautomation, wo die Kabelwege lang sind, Sie aber keine Präzision auf Laborniveau anstreben.
Ein echter Fall: Als „Close Enough“ nicht stimmte
Ein Lebensmittelverarbeitungsbetrieb, der eine Pasteurisierungslinie betreibt, hatte seit Wochen inkonsistente Chargentemperaturwerte erhalten - nichts Dramatisches, nur ein paar Grad Abweichung, die zeitweise auftraten und nicht mit irgendetwas Offensichtlichem im Prozess selbst korrelierten. Die Wartung hatte den Sensor bereits einmal ausgetauscht, ging davon aus, dass das Problem damit behoben sei, und machte weiter. Einen Monat später kam es zurück.
Es stellte sich heraus, dass die eigentliche Ursache in der Verkabelung und nicht im Sensor lag: Der ursprüngliche 3{2}Draht-PT100 war durch ein Gerät eines anderen Anbieters ersetzt worden, dessen Anschlussdrahtstärke sich geringfügig von der Originalausführung unterschied, was zu einem Verlust der vom Sender berechneten Leitungswiderstandskompensation führte. Auf dem Papier erfüllten beide Sensoren die Spezifikation. In der Praxis war die Abweichung gerade groß genug, um den Messwert außerhalb der Toleranz zu bewegen, die für die Pasteurisierungshaltezeit - ein Lebensmittelsicherheitsparameter, kein kosmetischer Parameter, von Bedeutung ist.
Die Lösung war kein besserer Sensor. Es wurden die Stärke und Länge der Anschlussdrähte für alle Ersatzbestände dieser Linie standardisiert und eine schnelle Widerstandsprüfung bei Umgebungstemperatur als Eingangsprüfungsschritt hinzugefügt, bevor ein neuer Sensor in Betrieb genommen wurde. Die Lektion lässt sich verallgemeinern: Ein PT100 ist nur so genau wie die gesamte Messkette um ihn herum, und „die gleiche Teilenummer“ bedeutet nicht immer „derselbe tatsächliche Draht“.
Was Sie vor der Bestellung unbedingt überprüfen sollten
Für die meisten Käufer besteht die Entscheidung aus fünf Fragen, etwa in dieser Reihenfolge ihrer Wichtigkeit:
- Was ist der Prozesstemperaturbereich und wie eng muss die Toleranz sein?Dies bestimmt die Genauigkeitsklasse -. Klasse B (±0,30 Grad bei 0 Grad) deckt die meisten allgemeinen Überwachungsfunktionen ab; Für Regelkreise oder geregelte Prozesse lohnt sich die Klasse A oder 1/3 DIN.
- Welche Verkabelung erwartet Ihr Sender oder Ihre SPS-Karte?Bestätigen Sie dies vor der Bestellung, nicht nach -. Dies ist die häufigste Ursache für vermeidbare Feldprobleme.
- Welches Mantelmaterial und welcher Sondendurchmesser sind für Ihr Prozessmedium und Ihren Druck geeignet?Korrosions- oder Hochdruckanwendungen erfordern in der Regel auch ein Schutzrohr, sowohl zum Schutz als auch zum Austausch des Sensors ohne Abschaltung.
- Benötigen Sie einen am Kopf-montierten Sender?Die Umwandlung in ein 4-20-mA-Signal direkt am Sensor verbessert die Störfestigkeit bei langen Kabelstrecken und lohnt sich in Umgebungen mit elektrischem Rauschen als zusätzliche Kosten.
- Wie sieht Ihr Kalibrierungs- und Austauschplan aus?Sensoren driften über Jahre hinweg durch Temperaturwechsel ab. Kritische Prozesse werden in der Regel jährlich überprüft; Überwachungspunkte mit geringem-Einsatz können länger dauern.
Wissenswerte Installationshinweise
Die Eindringtiefe ist wichtiger, als die meisten Leute erwarten. - Die Messspitze muss in die tatsächliche Strömung oder das Medium hineinreichen und nicht nur durch die Rohrwand ragen, sonst misst man am Ende die Grenzschicht und nicht den Prozess. Schutzrohre sind den Mehrpreis überall dort wert, wo Druck, Korrosion oder die Notwendigkeit eines Hot-Swap-Austauschs eine Rolle spielen. Und wenn Sie einen scheinbar fehlerhaften Messwert beheben möchten, prüfen Sie den Widerstand bei einer bekannten Referenztemperatur (Eiswasser ist eine günstige, zuverlässige 0-Grad-Referenz), bevor Sie davon ausgehen, dass der Sender oder der Prozess selbst das Problem ist.
Fazit
Die Physik hinter einem PT100 ist einfach und hat sich seit Jahrzehnten nicht verändert - Der Widerstand von Platin steigt vorhersehbar mit der Temperatur, und dieser Zusammenhang ist standardisiert, sodass Instrumente verschiedener Hersteller miteinander übereinstimmen. Was Käufer tatsächlich falsch machen, ist nicht die Sensorauswahl selbst; Es sind die Details rundherum - Verkabelungskonfiguration, Konsistenz der Anschlussdrähte, Mantelmaterial für die tatsächlichen Prozessbedingungen. Wenn Sie diese bereits in der Spezifikationsphase festlegen, ist der Sensorteil der einfache Teil.
Wenn Sie PT100-Sensoren für eine bestimmte Linie oder ein bestimmtes Gerät beschaffen, ist es in der Regel das, was einen funktionierenden Sensor von einem Sensor unterscheidet, der zweimal ausgetauscht wird, bevor jemand das eigentliche Problem findet, indem Sie Ihrem Lieferanten im Voraus den Temperaturbereich, die erforderliche Genauigkeitsklasse, den Verkabelungstyp und die Installationsumgebung mitteilen - und nicht nur eine Teilenummer -.
Häufig gestellte Fragen
Ist PT100 dasselbe wie ein RTD?
Nein - PT100 ist ein spezieller RTD-Typ aus Platin mit einem Widerstand von 100 Ohm bei 0 Grad. RTD ist die breitere Kategorie, zu der auch PT500-, PT1000- und Nickel-- oder Kupfer--basierte Sensoren gehören.
Wie genau ist ein PT100-Sensor wirklich?
Klasse B hat eine Genauigkeit von etwa ±0,30 Grad bei 0 Grad. Klasse A verschärft dies auf etwa ±0,15 Grad. Hochpräzise 1/10-DIN-Sensoren erreichen ±0,03 Grad, was meist eine Labor- oder Kalibrierungsstandardspezifikation ist und nicht etwas, was allgemeine Prozessüberwachung erfordert.
Verträgt ein PT100 Temperaturen unter-Null?
Ja, Standardgeräte haben eine Nennleistung von bis zu etwa -200 Grad, was die meisten Kryo- und Kühlkettenanwendungen abdeckt, ohne dass etwas Spezielles erforderlich ist.
Warum haben manche PT100-Sensoren drei oder vier statt zwei Drähte?
Durch die zusätzlichen Drähte kann das Instrument den Widerstand des Anschlusskabels selbst subtrahieren, der andernfalls als Teil des Temperatursignals gezählt würde -, ein Fehler, der mit der Kabellänge zunimmt.
Referenzen
- Internationale Elektrotechnische Kommission.IEC 60751 - Industrielle Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Temperatursensoren.
- Nationales Institut für Standards und Technologie (NIST).ITS-90-Referenzdaten zur Temperaturskala und zur Platinwiderstandsthermometrie.
- Omega Engineering.RTD-Referenzhandbuch (Resistance Temperature Detector).
- Fluke Corporation.Kalibrierung: Philosophie in der Praxis - Widerstandsthermometrie.
