Każdy czujnik ma swoją specyfikację w określonym zakresie temperatur. Teraz to użytkownik decyduje, który typ czujnika jest najbardziej odpowiedni dla jego/jej aplikacji.
Wybór czujnika zależy od wielu specyfikacji, takich jak: zastosowanie, tolerancja, dokładność i zakres temperatur.
Teraz chodzi o rozróżnienie różnych typów czujników, co będzie obejmować zakres temperatur, tolerancję, dokładność, zmienność oraz względne mocne i słabe strony każdego typu czujnika.
Przegląd podstaw RTD i termopar
BRT zawierają element czujnikowy, który jest rezystorem elektrycznym zmieniającym rezystancję wraz z temperaturą. Ta zmiana rezystancji jest dobrze znana i powtarzalna. Element czujnikowy w RTD zwykle zawiera albo cewkę drutu, albo siatkę z przewodzącej folii, w której wycięto wzór przewodnika. Przewody przedłużające są przymocowane do elementu czujnikowego, dzięki czemu jego rezystancję elektryczną można zmierzyć z pewnej odległości. Następnie element czujnikowy jest pakowany, dzięki czemu można go umieścić w miejscu w procesie, w którym osiągnie taką samą temperaturę, jaka występuje w procesie.
Termopara, z drugiej strony, zawierają dwa przewodniki elektryczne wykonane z różnych materiałów, które są połączone na jednym końcu. Koniec przewodników, który będzie wystawiony na działanie temperatury procesu, nazywany jest złączem pomiarowym. Punkt, w którym kończą się przewodniki termopary (zwykle tam, gdzie przewodniki łączą się z urządzeniem pomiarowym) nazywany jest złączem odniesienia. Gdy złącza pomiarowe i odniesienia termopary mają różne temperatury, w przewodnikach tworzy się potencjał miliwoltowy.
Znajomość typu zastosowanej termopary, wielkości potencjału miliwoltowego wewnątrz termopary i temperatury złącza odniesienia pozwala użytkownikowi określić temperaturę złącza pomiarowego. Potencjał miliwoltowy, który powstaje w przewodnikach termopary, różni się w zależności od użytych materiałów. Niektóre materiały są lepszymi termoparami niż inne, ponieważ potencjały miliwoltowe tworzone przez te materiały są bardziej powtarzalne i dobrze ugruntowane. Te termopary otrzymały określone oznaczenia typu, takie jak typ E, J, K, N, T, B, R i S.
Ograniczenia temperaturowe dla czujników RTD i termopar
Materiały stosowane w czujnikach temperatury i termoparach mają ograniczenia temperaturowe, co może mieć istotne znaczenie przy ich stosowaniu.
RTD-y
Jak wspomniano wcześniej, RTD składa się z elementu pomiarowego, przewodów łączących element pomiarowy z instrumentem pomiarowym i pewnego rodzaju podpory do pozycjonowania elementu pomiarowego w procesie. Każdy z tych materiałów ustala limity temperatury, na którą może być wystawiony RTD.
Zakres temperatur użytkowania materiału
Platyna -260°C do 650°C
Nikiel -100°C do 300°C
Miedź -70°C Do 150°C
Nikiel/Żelazo 0°C do 200°F
Element pomiarowy w czujniku RTD zwykle składa się z drutu lub folii platynowej, obudowy ceramicznej i
cement ceramiczny lub szkło do uszczelnienia elementu pomiarowego i podparcia przewodu elementu. Zazwyczaj platynowe elementy pomiarowe mogą być wystawione na działanie temperatur do około 650°C. Można również stosować inne materiały, takie jak nikiel, miedź i stop niklu/żelaza, jednak ich użyteczne zakresy temperatur są znacznie niższe niż w przypadku platyny. Przewody łączące element pomiarowy z odczytem lub instrumentem sterującym są zazwyczaj wykonane z materiałów takich jak nikiel, stopy niklu, miedź cynowana, miedź posrebrzana lub miedź niklowana. Izolacja przewodu stosowana w tym przypadku ma również bezpośredni wpływ na temperaturę, na którą może być wystawiony czujnik RTD. Tabela zawiera powszechnie stosowane materiały przewodowe i izolacyjne oraz ich maksymalne temperatury użytkowania.
Termopary
Materiały termoparowe są dostępne w typach E, J, K, N, T, R, S i B. Te typy termopar można podzielić na dwie kategorie: termopary z metali nieszlachetnych i termopary z metali szlachetnych.
Termopary typu E, J. K, N i T są znane jako termopary z metalu bazowego, ponieważ są wykonane z powszechnych materiałów, takich jak miedź, nikiel, aluminium, żelazo, chrom i krzem. Każdy typ termopary ma preferowane warunki użytkowania, na przykład stosowanie gołych termopar typu J (żelazo/konstantan) jest zwykle ograniczone do maksymalnej temperatury 540°C i nie są zalecane do stosowania w atmosferach utleniających lub siarkowych ze względu na pogorszenie się przewodnika żelaznego. Gołe termopary typu T (miedź/konstantan) nie są używane powyżej 370°C ze względu na pogorszenie się przewodnika miedzianego.
Termopary typu R, S i B są znane jako termopary z metali szlachetnych, ponieważ są wykonane z platyny i rodu. Te termopary są używane w zastosowaniach, które przekraczają możliwości termopar z metali nieszlachetnych. Termopary typu R i S są przeznaczone do stosowania w temperaturach od 540°C do 1480°C, a typ B do stosowania w temperaturach od 540°C do 1700°C. Gdy przewiduje się długotrwałe narażenie na temperatury powyżej 13700°C, rozsądnie jest określić termopary typu B w celu wydłużenia żywotności termopar. Termopary typu R i S mogą wykazywać znaczny wzrost ziarna, jeśli są przechowywane w pobliżu górnej granicy użytkowania przez długi czas.
Ponieważ termopary nie mają elementów czujnikowych, nie mają wielu materiałów ograniczających temperaturę, które mają RTD. Termopary są zazwyczaj konstruowane z gołych przewodników, które są następnie izolowane w sprasowanej ceramice sprasowanym proszku ceramicznym lub formowanych izolatorach ceramicznych. Taka konstrukcja pozwala na stosowanie termopar w znacznie wyższych temperaturach niż RTD.
Tolerancja, dokładność i zamienność
Tolerancja i dokładność to pojęcia, które budzą najwięcej nieporozumień w pomiarze temperatury.
Termin tolerancja odnosi się do określonego wymogu, który zwykle jest plusem lub minusem pewnej wartości. Dokładność z drugiej strony odnosi się do nieskończonej liczby tolerancji w określonym zakresie.
Na przykład RTD zawierają element czujnikowy, który jest produkowany tak, aby miał określoną rezystancję elektryczną w określonej temperaturze. Najczęstszym przykładem tego wymogu jest norma DIN. Aby spełnić wymagania normy DIN, RTD musi mieć rezystancję 100 omów ±0,12 % (lub 0,12 omów) w temperaturze 0°C, aby można go było uznać za czujnik klasy B (czujnik klasy A ma rezystancję 100 omów ±0,06%). Tolerancja ±0,12 omów dotyczy tylko rezystancji w temperaturze 32°C i nie może być stosowana w żadnej innej temperaturze. Wielu dostawców zapewnia zamienność.
Z drugiej strony termopary są określane inaczej niż RTD, ponieważ są inaczej produkowane. W przeciwieństwie do elementu pomiarowego znajdującego się w RTD, potencjał mV generowany w termoparze jest funkcją składu materiału i struktury metalurgicznej przewodników. Dlatego termoparom nie przypisuje się wartości w określonej temperaturze, ale podaje się granice błędu, które obejmują cały zakres temperatur.
Limity przypisane termoparom nazywane są standardowymi lub specjalnymi limitami błędów.
Zachęcamy użytkowników do okresowego wykonywania testów w celu określenia stanu termopar stosowanych w zastosowaniach wymagających wysokiej niezawodności lub dużej dokładności.
Porównanie czasu reakcji różnych czujników
Mocne i słabe strony
Każdy rodzaj czujnik temperatury ma szczególne mocne i słabe strony.
Mocne strony RTD:
RTD są powszechnie stosowane w zastosowaniach, w których powtarzalność i dokładność są ważnymi czynnikami. Prawidłowo skonstruowane platynowe RTD mają bardzo powtarzalne charakterystyki rezystancji w funkcji temperatury w czasie. Jeśli proces będzie prowadzony w określonej temperaturze, rezystancję właściwą RTD w tej temperaturze można określić w laboratorium i nie będzie się ona znacząco zmieniać w czasie. RTD umożliwiają również łatwiejszą zamienność, ponieważ ich pierwotna zmienność jest znacznie niższa niż w przypadku termopar. Na przykład, Termopara typu K używany w temperaturze 400°C ma standardowy limit błędu ±4°C. 100-omowy platynowy czujnik RTD DIN, klasy B ma wymienność ±2,2°C w tej samej temperaturze. Czujniki RTD można również stosować ze standardowym kablem pomiarowym do podłączania do wyświetlacza lub sprzętu sterującego, w którym termopary muszą mieć dopasowany przewód termoparowy, aby uzyskać dokładny pomiar.
Słabości RTD:
W tej samej konfiguracji możesz spodziewać się, że zapłacisz od 2 do 4 razy więcej za RTD niż za termoparę z metalu bazowego. RTD są droższe od termopar, ponieważ do wytworzenia RTD potrzeba więcej konstrukcji, w tym produkcji elementu pomiarowego, podłączenia przewodów przedłużających i montażu czujnika.
RTD nie sprawdzają się tak dobrze jak termopary w środowiskach o wysokiej wibracji i wstrząsach mechanicznych ze względu na konstrukcję elementu pomiarowego. RTD są również ograniczone temperaturowo do około 650°C, podczas gdy termopary mogą być używane w temperaturach do 1700°C.
Wytrzymałość termopar:
Termopary mogą być używane w temperaturach do 1700°C, są generalnie tańsze niż RTD i mogą być mniejsze (do około 0,020” średnicy), aby umożliwić szybszą reakcję na temperaturę. Termopary są również trwalsze niż RTD i dlatego mogą być używane w zastosowaniach o wysokich wibracjach i wstrząsach.
Słabości termopar:
Termopary są mniej stabilne niż RTD, gdy są wystawione na działanie umiarkowanych lub wysokich temperatur. W zastosowaniach krytycznych termopary należy zdemontować i przetestować w kontrolowanych warunkach, aby zweryfikować ich wydajność. Przewód przedłużający termopary musi być używany do podłączania czujników termopar do przyrządu termoparowego lub sprzętu sterującego. Użycie przewodu pomiarowego (miedzianego) spowoduje błędy, gdy zmieni się temperatura otoczenia.
