Τι είναι το θερμόμετρο αντίστασης Pt100 (RTD)

Θερμόμετρο αντίστασης pt100:

Το Pt100 είναι ένα θερμόμετρο αντίστασης εξαρτώμενο από τη θερμοκρασία, η τιμή του οποίου αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτό ονομάζεται θετικός θερμοκρασιακός συντελεστής. Η ονομασία Pt100 προέρχεται από το υλικό πλατίνα (Pt) που χρησιμοποιείται και την τιμή αντίστασης 100 Ω στους 0°C. Η αρχή λειτουργίας των μεταλλικών θερμομέτρων αντίστασης, που συνήθως ονομάζονται θερμοαντιστάσεις, βασίζεται στη μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης ενός μετάλλου με τις μεταβολές της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος.

Η πλατίνα και το νικέλιο χρησιμοποιούνται κυρίως στον βιομηχανικό τομέα, η υψηλή ειδική αντίσταση και η σταθερότητά τους επιτρέπουν την παραγωγή θερμοζευγών που είναι εξαιρετικά αναπαραγώγιμα, μικρού μεγέθους και με εξαιρετικές δυναμικές ιδιότητες.

Οι μετρήσεις θερμοκρασίας που πραγματοποιούνται με θερμοαντιστάσεις είναι πολύ πιο ακριβείς και αξιόπιστες από εκείνες που πραγματοποιούνται με άλλους τύπους αισθητήρων, όπως τα θερμοστοιχεία.

Συνήθως, τα θερμόμετρα αντίστασης αναγνωρίζονται από τον κωδικό του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένα (πλατίνα = Pt, νικέλιο = Ni, κ.λπ.) ακολουθούμενο από την ονομαστική τους αντίσταση σε θερμοκρασία 0°C.

Ο αισθητήρας Pt100 είναι ένας αισθητήρας λεπτού στρώματος που αποτελείται από ένα ορθογώνιο κεραμικό υπόστρωμα, πάνω στο οποίο εφαρμόζεται πλατίνα με μαιανδρική μορφή. Τα δύο άκρα της αντίστασης είναι εφοδιασμένα με σύρματα και ο πλήρης αισθητήρας φέρει γυάλινη προστατευτική επίστρωση. Μειονέκτημα: Τα στοιχεία λεπτής στιβάδας, όπως ο Pt100, είναι ευαίσθητα στους κραδασμούς λόγω της γυάλινης προστατευτικής στιβάδας. Τα στοιχεία λεπτής στιβάδας χρησιμοποιούνται για μετρήσεις θερμοκρασίας έως 400°C.

Οι κεραμικοί αισθητήρες τυλιγμένοι με σύρμα αποτελούνται από μια κεραμική βάση στην οποία εφαρμόζεται ένα σύρμα λευκόχρυσου. Το δεύτερο εξωτερικό κεραμικό προστατευτικό στρώμα καθιστά τον αισθητήρα μηχανικά ασφαλή και χημικά ανθεκτικό. Οι κεραμικοί αισθητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην περιοχή μέτρησης μεταξύ -200 και 600°C λόγω αυτής της κατασκευής. Ωστόσο, ακόμη και μια κεραμική βάση έχει τις αδυναμίες της σε περίπτωση δονήσεων. Οι αισθητήρες με σύρμα και κεραμική βάση χρησιμοποιούνται όπου πρέπει να μετρηθούν υψηλότερες θερμοκρασίες, καθώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν μέχρι 600°C.

Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για τη σύνδεση των θερμομέτρων αντίστασης με τις συσκευές μέτρησης. Η επιλογή μιας μεθόδου έναντι μιας άλλης εξαρτάται κυρίως από την απαιτούμενη ακρίβεια στη μέτρηση.

Τεχνικές σύνδεσης θερμόμετρων αντίστασης:

Α) 2 καλώδια
Β) 3-σύρμα
Γ) 4 καλωδίων

Σύνδεση 2 καλωδίων

 

Η τεχνική των δύο καλωδίων είναι η λιγότερο ακριβής και χρησιμοποιείται μόνο σε περιπτώσεις όπου η σύνδεση του θερμοαντιστάτη γίνεται με μικρά καλώδια χαμηλής αντίστασης. Κατά τη δοκιμή του ισοδύναμου ηλεκτρικού κυκλώματος, μπορεί να σημειωθεί ότι η μετρούμενη ηλεκτρική αντίσταση είναι το άθροισμα της αντίστασης του ευαίσθητου στοιχείου (και επομένως εξαρτάται από τη θερμοκρασία που πρόκειται να μετρηθεί) και της αντίστασης των αγωγών που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση. Το σφάλμα που εισάγεται σε αυτόν τον τύπο μέτρησης δεν είναι σταθερό: εξαρτάται από τη θερμοκρασία.

Σύνδεση 3 καλωδίων

Χάρη στον καλό βαθμό ακρίβειας που μπορεί να επιτευχθεί με τις μετρήσεις, η τεχνική των τριών καλωδίων χρησιμοποιείται συνήθως στον βιομηχανικό τομέα. Σε αυτή την τεχνική μέτρησης, εξαλείφονται τα σφάλματα που προκαλούνται από την αντίσταση των αγωγών που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση του θερμίστορ- στην έξοδο της γέφυρας μέτρησης, η παρούσα τάση εξαρτάται αποκλειστικά από τη μεταβολή της αντίστασης του θερμομέτρου αντίστασης και επομένως αποκλειστικά από τη θερμοκρασία.

Σύνδεση 4 καλωδίων

Η τεχνική τεσσάρων καλωδίων βολτ-αμπέρ προσφέρει τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια- χρησιμοποιείται ελάχιστα στον βιομηχανικό τομέα και εφαρμόζεται σχεδόν αποκλειστικά σε εργαστηριακά περιβάλλοντα. Σε ένα ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα, μπορεί να παρατηρηθεί ότι η μετρούμενη τάση εξαρτάται αποκλειστικά από την αντίσταση του θερμοζεύγους- η ακρίβεια της μέτρησης εξαρτάται αποκλειστικά από τη σταθερότητα του ρεύματος μέτρησης και την ακρίβεια της μέτρησης της τάσης στο θερμοζεύγος.

Θερμοστοιχεία:

Εφαρμογή σε υψηλά φορτία κραδασμών και υψηλότερες θερμοκρασίες από 400°C και μετά.

Ένα θερμοστοιχείο αποτελείται από δύο διαφορετικά ηλεκτροαγώγιμα υλικά με διαφορετικές θέσεις στη θερμοηλεκτρική αλυσίδα. Όταν αυτά συνδέονται σε ένα σημείο και το σημείο αυτό έχει διαφορετική θερμοκρασία από το σημείο σύνδεσης, δημιουργείται μια τάση που εξαρτάται από τη διαφορά θερμοκρασίας.

Συμπέρασμα: Αν και τα θερμοστοιχεία είναι η καλύτερη επιλογή σε δονήσεις, εντούτοις, τα Pt100 έχουν μεγαλύτερη απόλυτη ακρίβεια και η μακροπρόθεσμη σταθερότητα είναι επίσης καλύτερη.

Κύριες αιτίες σφαλμάτων στις μετρήσεις με θερμοαντιστάσεις:

Η μέτρηση της θερμοκρασίας με θερμοαντιστάσεις είναι αρκετά εύκολη σε σύγκριση με τη χρήση άλλων τύπων αισθητήρων, αλλά πρέπει να ληφθούν ορισμένα μέτρα για τη διόρθωση τυχόν σφαλμάτων μέτρησης. Υπάρχουν τρεις κύριες αιτίες σφαλμάτων που εισάγονται στις μετρήσεις θερμοκρασίας με θερμοαντιστάσεις:

• Βλάβη λόγω αυτοθέρμανσης του ευαίσθητου στοιχείου
• Βλάβη λόγω κακής ηλεκτρικής μόνωσης του ευαίσθητου στοιχείου
• Σφάλμα λόγω μη εμβάπτισης του ευαίσθητου στοιχείου σε επαρκές βάθος

Το ευαίσθητο στοιχείο θερμαίνεται κατά τη διάρκεια της μέτρησης, όταν το διασχίζει υπερβολικό ρεύμα, το οποίο αυξάνει τη θερμοκρασία του στοιχείου λόγω του φαινομένου Joule. Η αύξηση της θερμοκρασίας εξαρτάται τόσο από τον τύπο του χρησιμοποιούμενου ευαίσθητου στοιχείου όσο και από τις συνθήκες μέτρησης. Στην ίδια θερμοκρασία, το ίδιο θερμοαντίσταση θα θερμανθεί λιγότερο αν τοποθετηθεί σε νερό αντί για αέρα- αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το νερό έχει υψηλότερο συντελεστή διασποράς από τον αέρα. Κανονικά, όλες οι συσκευές μέτρησης που χρησιμοποιούν θερμοαντιστάσεις ως αισθητήρες έχουν εξαιρετικά χαμηλό ρεύμα μέτρησης, αλλά συνιστάται να μην υπερβαίνεται ποτέ το ρεύμα μέτρησης του 1 mA (EN 60751).

Για τη σωστή μέτρηση με θερμοαντιστάσεις, είναι πολύ σημαντικό η ηλεκτρική μόνωση μεταξύ των αγωγών και του εξωτερικού περιβλήματος να είναι αρκετά μεγάλη, ιδίως σε υψηλές θερμοκρασίες. Η αντίσταση μόνωσης μπορεί να θεωρηθεί ως μια ηλεκτρική αντίσταση παράλληλη με εκείνη του ευαίσθητου στοιχείου. Είναι λοιπόν σαφές ότι σε σταθερή θερμοκρασία, αν η ηλεκτρική μόνωση μειωθεί, η τάση που μετράται στο ευαίσθητο στοιχείο θα μειωθεί επίσης, εισάγοντας σφάλμα στη μέτρηση. Η αντίσταση μόνωσης μπορεί να μειωθεί όταν ο αισθητήρας χρησιμοποιείται σε υπερβολικά υψηλές θερμοκρασίες, με ισχυρούς κραδασμούς ή λόγω της επίδρασης φυσικών ή χημικών παραγόντων.

Το βάθος εμβάπτισης του ευαίσθητου στοιχείου είναι επίσης πολύ σημαντικό για σωστές μετρήσεις- σε αντίθεση με τα θερμοστοιχεία, όπου οι μετρήσεις μπορούν να θεωρηθούν σημειακές, ένα ανεπαρκές βάθος μπορεί να προκαλέσει σφάλματα στη μέτρηση έως και αρκετών βαθμών °C. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το περίβλημα, συνήθως μεταλλικό, το οποίο προστατεύει το ευαίσθητο στοιχείο, αποβάλλει θερμότητα ανάλογα με τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της θερμής και της ψυχρής περιοχής- έχουμε επομένως μια θερμική βαθμίδα κατά μήκος μέρους του μήκους του περιβλήματος. Το βάθος εμβάπτισης πρέπει επομένως να είναι επαρκές ώστε το ευαίσθητο στοιχείο εντός του περιβλήματος να μην εκτίθεται σε αυτή τη θερμική κλίση. Το ελάχιστο βάθος εξαρτάται από τις φυσικές συνθήκες μέτρησης και τις διαστάσεις του θερμοαντιστάτη (μήκος του στοιχείου κ.λπ.).