مستشعر درجة الحرارة PT100: كيف يعمل وما الذي يجب التحقق منه قبل الشراء

اسأل خمسة أشخاص عما يعنيه "PT100" وستحصل عادةً على "نوع من أجهزة استشعار درجة الحرارة" كإجابة كاملة. لا بأس إذا كنت تتحدث فقط - ولكن إذا كنت أنت من يكتب مواصفات الشراء، فإن الفجوات الموجودة في هذه الإجابة هي بالضبط المكان الذي تظهر فيه المشكلات لاحقًا: مستشعر يقرأ بشكل جيد على المنضدة ولكنه ينجرف بمجرد لحامه في بئر حراري، أو مستشعر صحيح من الناحية الفنية ولكنه موصل بطريقة خاطئة لجهاز الإرسال الذي يغذيه.

تتناول هذه المقالة آليات كيفية قيام PT100 بقياس درجة الحرارة فعليًا، والاختلافات العملية بين أنواع المستشعرات التي ستختار بينها، و- لأن النظرية لا توصلك إلا حتى الآن - إلى موقف حقيقي حيث يؤدي الخطأ في إحدى هذه التفاصيل إلى حدوث مشكلة قابلة للقياس على خط الإنتاج.

ما هو PT100 في الواقع

PT100 هو كاشف درجة حرارة المقاومة (RTD) - وهو عنصر بلاتيني تتغير مقاومته الكهربائية بطريقة معروفة ومتكررة مع تغير درجة الحرارة. "100" في الاسم هي قيمة المقاومة عند درجة 0: بالضبط 100 أوم. تسخينه، وتتسلق المقاومة؛ تبريده، تنخفض المقاومة.

البلاتين ليس المعدن الوحيد الذي يفعل هذا - توجد أيضًا RTDs للنيكل والنحاس - ولكن البلاتين هو الأفضل للاستخدام الصناعي لأنه لا يتأكسد بسهولة، ويحافظ على معايرته على مدار سنوات من التدوير الحراري، كما أن منحنى مقاومته محدد جيدًا-محدد بدرجة كافية حتى يتم توحيده دوليًا. هذا المعيار هو IEC 60751، وهو الوثيقة التي تشير إليها ورقة بيانات كل شركة مصنعة حسنة السمعة بهدوء حتى عندما لا تذكر ذلك بشكل صريح.

من الناحية المادية، يوجد العنصر داخل غلاف معدني - عادة 316 غير القابل للصدأ، وأحيانًا Inconel أو Hastelloy للوسائط السيئة - مع أسلاك الرصاص التي تنفد إلى جهاز الإرسال أو بطاقة الإدخال التناظرية لوحدة التحكم. المستشعر نفسه ليس له عرض ولا منطق؛ إنه يغير المقاومة فقط. كل شيء آخر يحدث في اتجاه مجرى النهر.

الفيزياء وراء القراءة

لماذا تتغير المقاومة مع درجة الحرارة؟

مع ارتفاع حرارة البلاتين، يزداد الاهتزاز الذري، مما يجعل من الصعب على الإلكترونات التحرك عبر الشبكة - وترتفع المقاومة. هذه العلاقة ليست خطية عبر النطاق بأكمله، ولكنها قريبة بدرجة كافية، ومميزة بشكل جيد- بحيث يتم تسجيلها في معادلة بدلاً من جدول بحث وحده: معادلة Callendar-Van Dusen.

بالنسبة لدرجات الحرارة الأعلى من 0 درجة، فالصيغة المبسطة هي:

Rt=R0 [1 + At + Bt²]

R0 هو 100 أوم لـ PT100، وA وB ثوابت ثابتة من IEC 60751. أقل من 0 درجة تتم إضافة حد ثالث لأن المنحنى ينحني بشكل مختلف قليلاً إلى الأسفل هناك. لا تحتاج إلى حفظ هذا - ولكن من المفيد معرفة وجوده، لأن هذا هو السبب في أن "PT100" من إحدى الشركات المصنعة و"PT100" من أخرى سوف يتفقان بالفعل مع بعضهما البعض عند درجة حرارة معينة، بدلاً من أن يكون لكل منهما منحنى خاص به.

هناك رقم واحد يستحق التذكر: عند 100 درجة، يقرأ جهاز PT100 القياسي حوالي 138.5 أوم. إذا كنت تستكشف أخطاء جهاز استشعار باستخدام مقياس متعدد ولم يكن قريبًا من ذلك عند ما يجب أن يكون 100 درجة، فهناك خطأ ما - إما العنصر أو الأسلاك أو افتراضك حول درجة الحرارة الموجودة بالفعل.

هناك أيضًا تقسيم يجب أن تعرفه قبل الطلب: "المنحنى الأوروبي" (alpha=0.00385) هو المعيار في كل مكان خارج أمريكا الشمالية، بينما لا يزال "المنحنى الأمريكي" الأقدم (0.00392) يظهر في بعض المعدات القديمة. يعد خلط الاثنين في التعديل التحديثي مصدرًا كلاسيكيًا لقراءة درجة الحرارة التي تنخفض ببضع درجات دون سبب واضح.

تحويل المقاومة إلى رقم يمكنك قراءته

يمرر جهاز الإرسال تيارًا صغيرًا عبر العنصر، ويقيس الجهد عبره، ويحسب المقاومة، ويطبق المنحنى لإخراج درجة الحرارة. هذا كل شيء. وهذا أيضًا هو السبب وراء كون PT100 عديم الفائدة بشكل أساسي بدون جهاز إرسال أو بطاقة إدخال قادرة على RTD-خلفه - حيث يكون المستشعر نصف سلسلة القياس فقط.

تفاصيل الأسلاك التي تسبب في الواقع مشاكل ميدانية

هذا هو المكان الذي تسوء فيه الكثير من قرارات الشراء، ونادرًا ما يكون ذلك بسبب إهمال أي شخص - فالأمر ليس واضحًا ما لم يخبرك أحد بذلك.

2-سلكهو أرخص، ولكن تتم إضافة مقاومة سلك الرصاص نفسه مباشرة إلى القراءة. على مدى 30-من تشغيل الكابل، لم يعد هذا الخطأ تافهًا. غرامة لفترات قصيرة أو المراقبة غير الحرجة؛ ليس جيدًا لأي شيء تريد التحكم فيه.

3-سلكهو الإعداد الافتراضي لمعظم الأعمال الصناعية. يتيح السلك الثالث لجهاز الإرسال تقدير مقاومة الرصاص وإلغائها، على افتراض أن الموصلات الثلاثة متطابقة في الطول والمقياس. توازن جيد بين التكلفة والدقة، ولهذا السبب ستجده في معظم أجهزة إرسال العمليات المباعة اليوم.

4-سلكيزيل خطأ مقاومة الرصاص بشكل كامل تقريبًا عن طريق فصل أسلاك استشعار التيار-والجهد-. هذا هو ما تريده للمعايير المرجعية للمعايرة أو في أي مكان تكون فيه كسور الدرجة ذات أهمية فعلية - ولكنها مبالغة وتكلفة إضافية للعديد من نقاط المراقبة العامة.

الخطأ الذي أراه في أغلب الأحيان ليس اختيار نوع الأسلاك الخاطئ بشكل منفصل - بل طلب مستشعر ثلاثي الأسلاك لجهاز الإرسال الذي تم تكوينه لإدخال سلكين، أو العكس. يجب أن يتفق المستشعر والأداة، ومن السهل تفويت هذه التفاصيل عندما يكون المشتري والأجهزة شخصين مختلفين يعملان على وثيقتين مختلفتين.

الأسلاك-الجرح مقابل عناصر الغشاء الرقيق-

سلك-جرحالعناصر - سلك بلاتيني ملفوف حول قلب من السيراميك أو الزجاج - يميل إلى إجراء المعايرة بشكل جيد للغاية على مدار عمر الخدمة الطويل والتقلبات الواسعة في درجات الحرارة. إنها أكثر تكلفة وأكثر هشاشة قليلاً من الناحية الميكانيكية.

فيلم رقيق-.يتم تصنيع العناصر عن طريق ترسيب البلاتين على ركيزة من السيراميك، بطريقة تشبه في جوهرها كيفية بناء الرقاقة الدقيقة. إنها أصغر حجمًا وأرخص إنتاجًا بكميات كبيرة وتتحمل الاهتزاز بشكل أفضل - ولهذا السبب استحوذت إلى حد كبير على الاستخدام الصناعي العام واستخدام OEM. إن المقايضة-هي عبارة عن نطاق درجة حرارة أضيق مقارنة بإصدارات الأسلاك الممتازة-الملتفة، على الرغم من أنه بالنسبة لمعظم العمليات العملية، لا يتم الوصول إلى هذا الحد الأقصى فعليًا.

إذا كان تطبيقك معتدلاً - ففكر في أنابيب التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، فإن المراقبة العامة للخزان - طبقة رقيقة- تكون دائمًا الخيار الاقتصادي والمعقول. يمكنك توفير -جرح السلك من أجل-درجات الحرارة المرتفعة أو تطبيقات الخدمة-الطويلة-العمر الافتراضي حيث يؤدي الثبات الإضافي إلى استعادة تكلفته.

PT100 مقابل المزدوج الحراري مقابل PT1000

المشترين الجدد لأجهزة قياس درجة الحرارةغالبًا ما يسألون أي من هؤلاء الثلاثة يجب عليهم تحديده بالفعل.

ضد أالحرارية، يفوز PT100 بالدقة والثبات-على المدى الطويل في النطاق المنخفض-إلى-النطاق (حوالي -200 درجة إلى 850 درجة ) ولا يتطلب تعويض الوصلة الباردة. تفوز المزدوجة الحرارية عندما تكون درجات الحرارة أعلى من قدرة البلاتين على التعامل معها، أو عندما تحتاج إلى استجابة أسرع ويمكن أن تعيش بدقة أقل.

ضد أPT1000، مبدأ العمل مطابق - نفس البلاتين، نفس الفيزياء - فقط 1000 أوم عند درجة 0 بدلاً من 100. هذه المقاومة الأساسية الأعلى تجعل خطأ سلك الرصاص- أصغر نسبيًا، لذلك يمكن لـ PT1000 غالبًا أن يفلت من سلكين-من الأسلاك دون عقوبة الدقة التي قد يتحملها PT100. وهذا يجعل PT1000 خيارًا شائعًا في بناء التشغيل الآلي، حيث تكون الكابلات طويلة ولكنك لا تسعى إلى الحصول على دقة من الدرجة المعملية.

حالة حقيقية: عندما لم يكن "الإغلاق الكافي" موجودًا

كانت إحدى عمليات تجهيز الطعام التي تجري على خط بسترة تحصل على قراءات غير متسقة لدرجة حرارة الدفعة لأسابيع - ولم يكن الأمر مثيرًا، بل مجرد درجتين من الانحراف ظهرت بشكل متقطع ولم ترتبط بأي شيء واضح في العملية نفسها. لقد قامت الصيانة بالفعل بتبديل المستشعر مرة واحدة، وافترضت أنها أصلحت المشكلة، ثم انتقلت. وعادت بعد شهر.

تبين أن السبب الفعلي هو الأسلاك، وليس المستشعر: تم استبدال السلك PT100 الأصلي المكون من 3- بوحدة من مورد مختلف كان مقياس سلك التوصيل الخاص به مختلفًا قليلاً عن التشغيل الأصلي، مما أدى إلى التخلص من تعويض مقاومة الرصاص - الذي كان جهاز الإرسال يحسبه. على الورق، كلا المستشعرين يتوافقان مع المواصفات. من الناحية العملية، كان عدم التطابق كبيرًا بما يكفي لدفع القراءة خارج نطاق التسامح الذي يهم بالنسبة لوقت احتجاز البسترة - وهو معلمة سلامة الأغذية، وليس معلمة تجميلية.

لم يكن الإصلاح مستشعرًا أفضل. لقد تم توحيد مقياس سلك الرصاص وطوله عبر جميع المخزون البديل لهذا الخط، وإضافة فحص سريع للمقاومة عند درجة الحرارة المحيطة كخطوة فحص الاستلام-قبل دخول أي مستشعر جديد إلى الخدمة. يتلخص الدرس في التعميم: إن دقة جهاز PT100 هي دقة سلسلة القياس بأكملها المحيطة به، ولا يعني "نفس رقم الجزء" دائمًا "نفس السلك الفعلي".

ما الذي يجب التحقق منه فعليًا قبل الطلب

بالنسبة لمعظم المشترين، يتلخص القرار في خمسة أسئلة، تقريبًا حسب هذا الترتيب من حيث الأهمية:

• ما هو نطاق درجة حرارة العملية وما مدى ضيق التسامح؟يحدد هذا فئة الدقة - الفئة B (±0.30 درجة عند 0 درجة ) تغطي معظم عمليات المراقبة العامة؛ تستحق الفئة A أو 1/3 DIN علاوة حلقات التحكم أو العمليات المنظمة.
• ما هي الأسلاك التي يتوقعها جهاز الإرسال أو بطاقة PLC الخاصة بك؟تأكد من ذلك قبل الطلب، وليس بعد -، فهو السبب الوحيد الأكثر شيوعًا لمشكلات الحقل التي يمكن تجنبها.
• ما هي مادة الغلاف وقطر المسبار المناسب لوسائل المعالجة والضغط لديك؟عادةً ما تتطلب التطبيقات المسببة للتآكل أو الضغط العالي-وجود بئر حراري أيضًا، سواء للحماية أو حتى يمكن تبديل المستشعر دون إيقاف التشغيل.
• هل تحتاج إلى جهاز إرسال-مثبت على الرأس؟يؤدي التحويل إلى إشارة 4-20 مللي أمبير مباشرة عند المستشعر إلى تحسين مناعة الضوضاء عند تشغيل الكابلات الطويلة ويستحق التكلفة الإضافية في البيئات الصاخبة كهربائيًا.
• ما هي خطة المعايرة والاستبدال الخاصة بك؟تنجرف أجهزة الاستشعار على مدار سنوات من ركوب الدراجات الحرارية. عادةً ما يتم فحص العمليات الهامة سنويًا؛ يمكن أن تستمر نقاط مراقبة المخاطر المنخفضة- لفترة أطول.

ملاحظات التثبيت تستحق المعرفة

يعد عمق الإدخال أكثر أهمية مما يتوقعه معظم الأشخاص - يحتاج طرف الاستشعار إلى الوصول إلى التدفق الفعلي أو الوسط، وليس مجرد ثقب جدار الأنبوب، وإلا سينتهي بك الأمر بقياس الطبقة الحدودية بدلاً من العملية. تستحق الآبار الحرارية التكلفة الإضافية في أي مكان يمثل فيه الضغط أو التآكل أو الحاجة إلى استبدال المقايضة الساخنة أحد العوامل. وإذا كنت تستكشف أخطاء القراءة التي تبدو غير صحيحة، فتحقق من المقاومة عند درجة حرارة مرجعية معروفة (الماء المثلج هو مرجع رخيص وموثوق به بدرجة 0) قبل افتراض أن جهاز الإرسال أو العملية نفسها هي المشكلة.

الخط السفلي

إن الفيزياء وراء PT100 بسيطة ولم تتغير منذ عقود - ترتفع مقاومة البلاتين بشكل متوقع مع درجة الحرارة، وهذه العلاقة موحدة بحيث تتفق الأدوات من الشركات المصنعة المختلفة مع بعضها البعض. المكان الذي يخطئ فيه المشترون في الواقع ليس اختيار المستشعر نفسه؛ إنها التفاصيل المحيطة به - تكوين الأسلاك، واتساق سلك الرصاص، والمواد المغلفة لظروف العملية الفعلية. احصل على تلك الأمور بشكل صحيح في مرحلة المواصفات وجزء المستشعر هو الجزء السهل.

إذا كنت تقوم بتوفير أجهزة استشعار PT100 لخط معين أو قطعة من المعدات، فإن إرسال نطاق درجة الحرارة إلى المورد الخاص بك وفئة الدقة المطلوبة ونوع الأسلاك وبيئة التثبيت مقدمًا - بدلاً من مجرد رقم الجزء - هو عادة ما يفصل بين المستشعر الذي يعمل عن المستشعر الذي يتم تبديله مرتين قبل أن يجد شخص ما المشكلة الحقيقية.

الأسئلة المتداولة

هل PT100 هو نفس RTD؟

لا - PT100 هو نوع واحد محدد من RTD، مصنوع من البلاتين بمقاومة 100 أوم عند 0 درجة . RTD هي الفئة الأوسع، والتي تتضمن أيضًا أجهزة الاستشعار القائمة على PT500 وPT1000 والنيكل- أو النحاس-.

ما مدى دقة مستشعر PT100 حقًا؟

الفئة B دقيقة إلى حوالي ±0.30 درجة عند 0 درجة. تعمل الفئة أ على تشديد ذلك إلى ما يقرب من ±0.15 درجة. تصل مستشعرات -DIN عالية الدقة 1/10 إلى ±0.03 درجة، وهي في الغالب عبارة عن مواصفات قياسية معملية أو معايرة- وليست شيئًا تحتاجه مراقبة العمليات العامة.

هل يستطيع PT100 التعامل مع درجات حرارة أقل من-الصفر؟

نعم، يتم تصنيف الوحدات القياسية إلى حوالي -200 درجة، وهو ما يغطي معظم تطبيقات التبريد وسلسلة التبريد دون الحاجة إلى أي شيء متخصص.

لماذا تحتوي بعض أجهزة الاستشعار PT100 على ثلاثة أو أربعة أسلاك بدلاً من اثنين؟

تسمح الأسلاك الإضافية للجهاز بطرح مقاومة سلك التوصيل نفسه، والتي بخلاف ذلك سيتم احتسابها كجزء من إشارة درجة الحرارة - وهو خطأ يتزايد مع طول الكابل.

مراجع

• اللجنة الكهروتقنية الدولية.IEC 60751 - موازين الحرارة الصناعية ذات المقاومة البلاتينية وأجهزة استشعار درجة الحرارة البلاتينية.
• المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST).مقياس درجة الحرارة ITS-90 والبيانات المرجعية لقياس حرارة المقاومة البلاتينية.
• هندسة أوميغا.الدليل المرجعي RTD (كاشف درجة حرارة المقاومة).
• شركة فلوك.المعايرة: الفلسفة في الممارسة العملية - قياس الحرارة بالمقاومة.