Вибір між платиновим термометром опору та термопарою

[ShkolaIhor]

 
Вибір типу температурного перетворювача, який буде використовуватися, впливає на багато інших аспектів проектування та встановлення обладнання, таких як:
- Який тип дроту потрібно провести?
- Який тип приладу буде знаходитися в контрольній точці на іншому кінці дроту?
- Чи будуть місцеві роз'єднувальні коробки з клемними з'єданнямі або повторювачами, і якщо так, то який тип повторювача потрібен?
 
Це лише деякі деталі, і ми навіть не торкалися власне вибору та дизайну самого датчика. Давайте розглянемо в цілому картину і спробуємо логічно звузити вибір. Спочатку ми розглянемо характеристики датчиків. Тільки тоді ми можемо обговорити більш тонкі моменти, наприклад, відповідність специфікаціям.

Температурний діапазон:
Міжнародна шкала температури (ITS-90) визначає температуру між 13.8009 ° K (961.78 ° C) за допомогою термометрів опору платининових (PRT), каліброваних у визначених наборах фіксованих точок. Хоча це добре в лабораторії, ви, швидше за все, не знайдете RTD (resistance temperature detectors, в Україні їх називають "резистивними термоперетвювачами опору" або просто "термоперетвювачами опору" ) індустріального класу, який адекватно покриє весь цей діапазон. Зверніть увагу, що стандарт говорить про множину PRT; одна PRT не покриє весь спектр належним чином у лабораторній ситуації. ASTM визначає платовий RTD для використання в діапазоні від -200 ° C до 650 ° C. Це хороша інструкція, яку слід дотримуватися, навіть якщо IEC збільшує верхню межу до 850 ° C. Платинові RTD промислового класу можна виготовити для використання до 850 ° C, але це непросте завдання, яке може взяти кожен бажаючий. Також ви можете виявити, що стандартні гарантії не дійсні для цього виду послуг. На щастя, понад 90% всіх вимірювань контактної температури, проведених у промисловості, нижче 650 ° С.

Точність:
Після температурного діапазону ми можемо оцінити точність різних типів. Стандартний RTD ASTM класу B забезпечить справжню точність (порівняно з опублікованими таблицями R від T) +/- 0,25 ° C при 0 ° C. Через зміни температурного коефіцієнта цей же термометр класу В може забезпечити показник температури лише в межах 3,0 ° С при 650 ° С. Точніше, доступні RTD класу A, які працюватимуть у межах 1,24 ° C при 650 ° C.
Для порівняння, найпоширеніші термопари з основного металу, типу J і K, забезпечують точність до 2,2 ° C або 0,75% (залежно від того, що більше), якщо вони постачаються у стандартній точності. Це може становити +/- 4,875 ° C при 650 ° C, що значно перевищує навіть клас B RTD. Це справедливо для всього діапазону, аж до верхньої межі RTD 650 ° C, для RTD класів B та стандартних термопар, а також для класів RTD проти термопар, вибраних до спеціальних меж допуску. Простіше сказати, якщо для вас важлива точність, і якщо дозволяють інші умови, вибирайте RTD, а ніж термопару.

Повторність / стабільність:
Це не так просто визначити кількісно для RTD або термопар через величезний ефект, який додаток надає на результати. Наприклад; Примітка 3 ASTM E-230, частина 6, Таблиця 1: Застереження: Користувачі повинні пам’ятати, що певні характеристики матеріалів термопар, у тому числі співвідношення ЕМП ( EMF, Temperature vs Electromotive Force) та температури можуть змінюватися з часом використання; отже, результати випробувань та показники, отримані за час Допуски, наведені в цій таблиці, застосовуються лише до нового проводу, що доставляється користувачеві, і не дозволяють змінювати характеристики при використанні. Величина таких змін буде залежати від таких факторів, як діаметр дроту, температури, час впливу та навколишнє середовище.

Для платинових RTD ASTM-1137, частина 9 вимагає, щоб стабільність блоку залишалася в межах конкретного ступеня точності (тобто: клас B) протягом чотирьохтижневого випробування. IEC-751 йде на крок далі і вимагає, щоб RTD класу B повинен витримувати 250 годин при максимальній температурі і 250 годин при мінімальній температурі зі зміною опору не більше 0,3 ° C. Таку ж вимогу слід дотримуватися протягом 10 хв / макс циклів. Це загалом 5000 годин, або понад 208 днів у крайніх межах. Зазвичай не передбачається, що термопари будуть діяти в межах стійкості / повторюваності настільки суворо, як ці.

Вібрація:
Це одна область, де термопари можуть мати невелику перевагу. Завдяки великому розміру проводів, які використовуються в конструкції термопар, вони, як правило, витримують високі вібрації краще, ніж більшість RTD. Пам’ятайте, що раніше згадувана термопара OD мінеральної ізоляції 1/4 "мала 16 провідників AWG, і ці провідники використовуються для формування з'єднання термопари. З іншого боку, РТД-елемент, намотаний на дроти, може мати свинцеві дроти приблизно 26-30 AWG, які прикріплені до дуже тонкого платинового дроту, який використовується для намотування самого датчика. Провід у цих обмотках, як правило, знаходиться в діаметрі від 15 до 35 мкм (це приблизно 0,00059 - 0,00138 дюймів) в діаметрі, а отже, дуже крихкий. Відомо, що вібрація спричиняє проблеми в деяких елементах стійкості до намотування дроту, які не мають повністю підтримуваної конструкції, а відмови можуть бути у вигляді відкритих ланцюгів, шумних сигналів або переривчастого високого зчитування.
Але майте на увазі, що виводи елементів все ще мають лише 26-30АВГ, і тому відносно чутливі до поломки, спричиненої тривалими високими вібраціями. Крім того, виробник RTD повинен дотримуватися особливої ​​обережності, щоб правильно упакувати ці елементи в зовнішню оболонку.

Час реакції:
Це ще одна область, де термопари виходять за межі RTD, і це просто питання фізики, щоб зрозуміти, чому. Контактні датчики температури не вказують температуру області навколо них, вони вказують власну температуру вздовж власної чутливої ​​області. Щоб будь-який датчик температури контакту вказував температуру, з якою він контактує, датчик повинен спочатку прийти в теплову рівновагу з цим середовищем. Не будемо обговорювати теоретичний аспект того, що вони насправді не досягають однакової температури, а лише той факт, що через деякий час вони знаходяться приблизно в тепловій рівновазі.
Найбільш основне з термопар - це лише стик двох різних металевих проводів. Це може бути з'єднання скруткою або зварне з'єднання, яке виявляється майже такого ж діаметру, як і сам провід термопари. Щоб вказати температуру навколишнього середовища, стик повинен бути при цій температурі. Цей з'єднання може бути діаметром лише 0.010" (для термопари на 30 AWG) або меншим, якщо використовуються більш тонкі дроти. Для RTD потрібна або довжина тонкого дротяного платинового дроту, намотана навколо або в межах колишнього, або шар платини, нанесений на Підкладку. У всіх випадках є площа Платини (яка є чутливою частиною RTD), яка контактує з цією інертною, ізолюючою колишньою, і обидві фізично більше, ніж зварний з'єднання (загалом кажучи). ізолятор має теплову масу, яка повинна привести в рівновагу з навколишнім середовищем, перш ніж датчик зможе дати точне показання. Оскільки тут, як правило, більше теплової маси, ніж у з'єднанні термопари, термопара швидше реагуватиме, коли поміщається в подібне середовище.
Вищезазначене твердження справедливе лише тоді, коли досягають надзвичайно швидких періодів реакції кожного типу та роботи з елементами оголеного опору та відкритими з'єднаннями термопари. Якщо обидва датчика інкапсульовані в металевих оболонках, а з'єднання термопари ізольовано від оболонки (як це завжди є ланцюг RTD), то час відгуку буде досить схожим.

Чутливість:
у цій ситуації RTD просто переважають. Візьміть, якщо хочете, платиновий 100 ° Ом RTD з коефіцієнтом температури 0.00385. Від 0 ° C до + 100 ° C його опір змінюється від 100,00 до 138,50 Ом, різниця - 38,50 Ом. Якби ми використовували поточний закон Ома зондуванням 1mA (V = iR), це говорить нам, що ми побачили б різницю в 38,5 мВ за цей діапазон. Для порівняння, термопара типу Е, яка виявила найвищу чутливість усіх визнаних термопар, покаже лише зміну 6,317 мВ. Це лише приблизно шоста частина чутливості RTD. Якщо ваше середовище може надати електричні перешкоди, термопара буде принаймні до неї в 6 разів сприйнятливішою. І це при використанні типу Е, інші типи мають чутливість аж до .33 мікро вольт на градус Цельсія. Якщо ви хочете навіть більш високої чутливості, ви можете вибрати для RTD Pt 500 Ом, щоб забезпечити 5-кратну чутливість Pt 100 або Pt 1000 Ом, щоб отримати 385 Ом на діапазоні 100 градусів.

Тривалість життя / вартість заміни:
Це знову повертається до того, що ми говорили про параметри застосування в областях температурного режиму та стабільності: все залежить від деталей. Однак можна зробити кілька узагальнень. Загальновизнано, що термопари знаходяться в постійному стані деградації і їх необхідно періодично перевіряти і замінювати, тоді як платинові RTD можуть тривати нескінченно довго, якщо навколишнє середовище їх не погіршить.

Вартість:
Наскільки ми не бажаємо признатися собі, остаточним фактором у більшості рішень є вартість. Протягом багатьох років термопари були найбільш широко використовуваною формою електричного датчика температури головним чином через те, що вони дешеві. Хоча це все-таки вірно, слід зазначити, що вартість платинового RTD знизилася до дуже конкурентного діапазону, завдяки збільшенню використання тонкоплівкових датчиків. Тонкоплівкові датчики RTD вже точно не є новою технологією; вони були розроблені в Німеччині на початку 1970-х. RTD зараз використовуються у все більшій кількості; у застосуваннях від -50 до 600 ° C, для використання у промислових умовах, харчовій промисловості, а також у лабораторному обладнанні та деяких автомобільних сферах. Від того, чи замість термопари реально використовувати RTD чи ні, буде залежати від конкретної конструкції та застосування, як викладено вище. Але якщо це неможливо, фактична різниця цін від термопари до RTD може бути менше 10 доларів. Якщо це частина великої збірки, зокрема тієї, що включає термоблок і передавач, це складе дуже малу частину загальної вартості. Слід зазначити, що при встановленні RTD буде прихована економія, оскільки можна використовувати стандартний приладовий провід, оскільки спеціальні компенсаційні кабелі не потрібні.

Підсумок:
Ми не можемо робити жодних узагальнень, кожну заяву потрібно оцінювати самостійно. Але якщо у вас є нова вимога до перетворювача температури, і ви не зовсім впевнені, як заповнити простір, виконайте вимоги та застосуйте перелічені вище концепції. Можливо, термопара забезпечить вам необхідне, або, можливо, ви виявите, що RTD набагато краще підходить для ситуації і насправді вам більше підходить.