Meranie teploty patrí medzi najdôležitejšie procesné merania v priemysle. Správna teplota ovplyvňuje kvalitu výroby, energetickú účinnosť, bezpečnosť technologických zariadení aj životnosť jednotlivých komponentov.

Pri výbere priemyselného snímača teploty sa veľmi často stretávame s dvoma technológiami – odporovými snímačmi Pt100 a termočlánkami.

Na prvý pohľad plnia rovnakú úlohu. Obe technológie merajú teplotu a poskytujú informáciu pre riadiaci alebo monitorovací systém. Ich princíp fungovania, presnosť, teplotný rozsah aj správanie v náročných podmienkach sa však výrazne líšia.

Kedy je vhodnejší Pt100 a kedy termočlánok? Rozhoduje najmä teplotný rozsah, požadovaná presnosť, rýchlosť odozvy a prostredie, v ktorom bude snímač pracovať.

Čo je Pt100 a ako funguje?

Pt100 patrí medzi odporové snímače teploty, označované aj ako RTD (Resistance Temperature Detector).

Jeho merací princíp využíva skutočnosť, že elektrický odpor platiny sa mení v závislosti od teploty.

Označenie Pt100 znamená:

• Pt – platina ako materiál meracieho prvku,

• 100 – nominálny elektrický odpor 100 Ω pri teplote 0 °C.

Pri zvyšovaní teploty elektrický odpor platiny rastie. Merací prevodník alebo vyhodnocovacia elektronika túto zmenu odporu prepočíta na teplotu.

Napríklad pri štandardnom snímači Pt100 podľa IEC 60751:

Závislosť odporu od teploty je dobre definovaná, čo umožňuje dosahovať vysokú presnosť a opakovateľnosť merania.

Aké sú hlavné výhody Pt100?

Odporové snímače Pt100 sú obľúbené najmä v aplikáciách, kde je potrebné presné a dlhodobo stabilné meranie teploty.

Medzi ich hlavné výhody patria:

• vysoká presnosť,

• dobrá dlhodobá stabilita,

• dobrá opakovateľnosť,

• predvídateľná charakteristika,

• široká dostupnosť priemyselných vyhotovení,

• jednoduché pripojenie k meracím prevodníkom a PLC.

Pt100 sa preto často používa v procesoch, kde aj relatívne malá odchýlka teploty môže ovplyvniť výsledok výroby.

Typickými príkladmi sú potravinárstvo, farmaceutický priemysel, chemické procesy, energetika a technologické vykurovacie systémy.

Aké sú obmedzenia Pt100?

Napriek svojim výhodám nie je Pt100 univerzálnym riešením.

Štandardizovaný rozsah odporovej charakteristiky podľa IEC 60751 je približne −200 až +850 °C. To však neznamená, že každý komerčný snímač Pt100 môže pracovať v celom tomto rozsahu.

Skutočný prevádzkový rozsah závisí od konštrukcie meracieho prvku, ochranného puzdra, pripojovacích vodičov a ďalších komponentov.

Pri veľmi vysokých teplotách alebo extrémnom mechanickom namáhaní môže byť vhodnejšie použiť termočlánok.

Ďalším faktorom je odpor pripojovacích vodičov, ktorý môže ovplyvniť presnosť merania.

Čo je termočlánok a ako funguje?

Termočlánok pracuje na úplne inom fyzikálnom princípe.

Využíva Seebeckov jav, pri ktorom vzniká termoelektrické napätie v obvode vytvorenom z dvoch rozdielnych vodivých materiálov, ak medzi meracím a referenčným miestom existuje teplotný rozdiel.

Na rozdiel od Pt100 teda termočlánok nevyhodnocuje zmenu elektrického odporu, ale veľmi malé elektrické napätie.

Toto napätie sa zvyčajne pohybuje v milivoltoch.

Vyhodnocovacia elektronika následne pomocou charakteristiky konkrétneho typu termočlánku a kompenzácie teploty referenčného spoja vypočíta teplotu meracieho miesta.

Aké typy termočlánkov existujú?

Termočlánky sa vyrábajú z rôznych kombinácií kovov a zliatin.

Jednotlivé typy sa odlišujú teplotným rozsahom, citlivosťou, stabilitou a vhodnosťou pre konkrétne prostredie.

Medzi najpoužívanejšie patria:

Uvedené rozsahy sú orientačné. Skutočná použiteľnosť závisí od vyhotovenia termočlánku, ochranného puzdra, priemeru vodičov a procesnej atmosféry.

V bežných priemyselných aplikáciách patrí medzi najrozšírenejšie termočlánok typu K.

Aké sú hlavné výhody termočlánkov?

Najväčšou výhodou termočlánkov je možnosť merania veľmi vysokých teplôt.

V závislosti od typu a vyhotovenia sa používajú aj v aplikáciách, kde už bežné odporové snímače nie sú vhodné.

Medzi ich výhody patria:

• široký výber teplotných rozsahov,

• možnosť merania veľmi vysokých teplôt,

• jednoduchý a mechanicky odolný merací princíp,

• možnosť veľmi rýchlej odozvy pri vhodnej konštrukcii,

• široká dostupnosť priemyselných vyhotovení.

Termočlánky sa preto často používajú v peciach, spaľovacích procesoch, hutníctve, energetike a ďalších vysokoteplotných aplikáciách.

Aké sú nevýhody termočlánkov?

Termočlánky majú spravidla nižšiu presnosť ako kvalitné odporové snímače Pt100.

Ich výstupné napätie je navyše veľmi malé, preto je dôležité správne navrhnúť merací obvod.

Pri inštalácii treba zohľadniť najmä:

• správny typ kompenzačného alebo predlžovacieho vedenia,

• kompenzáciu teploty referenčného spoja,

• elektromagnetické rušenie,

• správnu polaritu vodičov,

• teplotné limity jednotlivých komponentov.

Pri dlhodobom pôsobení vysokých teplôt môže dochádzať aj k zmene termoelektrických vlastností materiálov, čo sa prejaví driftom merania.

Pt100 vs. termočlánok: hlavné rozdiely

Obe technológie majú svoje výhody. Ich vhodnosť však závisí od konkrétnej aplikácie.

Dôležité: Presnosť a rýchlosť odozvy nemožno porovnávať iba podľa samotného meracieho princípu. Významnú úlohu zohráva konštrukcia snímača, ochranná jímka, spôsob montáže aj vyhodnocovacia elektronika.

Prečo je pri Pt100 dôležité 2-, 3- a 4-vodičové zapojenie?

Jednou z najčastejších príčin nepresnosti pri odporových snímačoch je elektrický odpor pripojovacích vodičov.

Pri Pt100 môže aj relatívne malý dodatočný odpor spôsobiť merateľnú teplotnú odchýlku.

2-vodičové zapojenie

Ide o najjednoduchšie riešenie.

Merací prístroj však vyhodnocuje nielen odpor snímača, ale aj odpor pripojovacích vodičov.

Pri dlhších kábloch môže vzniknúť významná chyba merania.

3-vodičové zapojenie

V priemysle patrí medzi najbežnejšie riešenia.

Vyhodnocovacia elektronika dokáže pri vhodnom zapojení kompenzovať vplyv odporu vedenia za predpokladu približne rovnakých odporov príslušných vodičov.

Predstavuje dobrý kompromis medzi presnosťou a náročnosťou kabeláže.

4-vodičové zapojenie

Používa samostatné vodiče na privedenie meracieho prúdu a meranie napätia.

Vďaka tomu možno prakticky eliminovať vplyv odporu pripojovacích vodičov na výsledok merania.

Je vhodné najmä pre aplikácie s vysokými požiadavkami na presnosť.

Prečo termočlánok potrebuje kompenzáciu studeného konca?

Termočlánok meria teplotný rozdiel, nie absolútnu teplotu meracieho spoja nezávisle od okolia.

Aby bolo možné správne určiť procesnú teplotu, musí vyhodnocovacia elektronika poznať alebo kompenzovať teplotu referenčného spoja.

Táto funkcia sa označuje ako Cold Junction Compensation (CJC).

Ak kompenzácia nefunguje správne, výsledná hodnota teploty môže byť chybná.

Pri termočlánkoch je preto dôležité používať správny merací prevodník a vhodné pripojovacie vedenie.

Ktorý snímač je presnejší?

Vo väčšine bežných procesných aplikácií dosahuje kvalitný Pt100 lepšiu presnosť ako štandardný termočlánok.

Pri Pt100 sa často používajú tolerančné triedy podľa IEC 60751.

Napríklad pre triedu A platí v príslušnom rozsahu:

±(0,15 + 0,002 × |t|) °C

kde t predstavuje teplotu v °C.

Pri teplote 100 °C to znamená toleranciu samotného snímacieho prvku približne:

±0,35 °C

To však nie je automaticky presnosť celého meracieho reťazca.

Do výslednej neistoty merania vstupuje aj prevodník, montáž, vedenie a ďalšie vplyvy.

Pri termočlánkoch sa tolerancie určujú podľa typu a triedy, napríklad podľa IEC 60584-2.

Ktorý snímač reaguje rýchlejšie?

Často sa uvádza, že termočlánky reagujú rýchlejšie ako Pt100.

V určitých konštrukciách je to pravda, ale nemožno to považovať za univerzálne pravidlo.

Rýchlosť odozvy závisí najmä od:

• veľkosti meracieho prvku,

• priemeru ochranného puzdra,

• použitej jímky,

• tepelného kontaktu,

• rýchlosti prúdenia média,

• spôsobu montáže.

Malý termočlánok s odkrytým meracím spojom môže reagovať veľmi rýchlo.

Naopak, termočlánok vložený do masívnej ochrannej jímky môže reagovať pomalšie než tenkovrstvový Pt100 v ľahkom puzdre.

Pri aplikáciách s rýchlymi zmenami teploty preto treba porovnávať časovú odozvu konkrétneho snímača, nie iba jeho typ.

Ako ovplyvňuje meranie ochranná jímka?

Pri priemyselnom meraní býva snímač často umiestnený v ochrannej jímke.

Tá chráni merací prvok pred:

• procesným tlakom,

• mechanickým namáhaním,

• agresívnym médiom,

• prúdením,

• poškodením pri údržbe.

Ochranná jímka však zároveň vytvára tepelný odpor medzi médiom a meracím prvkom.

Výsledkom môže byť pomalšia reakcia na zmeny teploty.

Pri výbere preto treba zohľadniť nielen typ Pt100 alebo termočlánku, ale aj konštrukciu celej meracej zostavy.

Dôležitá je tiež správna ponorná dĺžka, aby merací prvok skutočne reprezentoval teplotu média a nebol nadmerne ovplyvňovaný teplotou potrubia alebo okolitého prostredia.

Kedy zvoliť Pt100?

Pt100 je často vhodnejšou voľbou vtedy, keď je prioritou presnosť, stabilita a spoľahlivé procesné meranie.

Typickými aplikáciami sú:

• meranie teploty vody,

• vykurovacie a chladiace systémy,

• potravinárske technológie,

• farmaceutické procesy,

• chemické nádrže,

• technologické potrubia,

• energetické merania,

• výmenníky tepla.

Pri takýchto aplikáciách sa často používajú priemyselné Pt100 s hlavicovým prevodníkom a výstupom 4–20 mA alebo digitálnou komunikáciou.

Kedy zvoliť termočlánok?

Termočlánok je vhodnejší najmä vtedy, keď prevádzkové podmienky vyžadujú meranie veľmi vysokých teplôt alebo špecifické mechanické vyhotovenie.

Typickými aplikáciami sú:

• priemyselné pece,

• spaľovacie komory,

• tepelné spracovanie kovov,

• hutnícke technológie,

• vysokoteplotné chemické procesy,

• výfukové systémy,

• skúšobné a testovacie zariadenia.

Pri výbere je potrebné preveriť vhodný typ termočlánku a jeho odolnosť voči konkrétnej procesnej atmosfére.

Napríklad termočlánok vhodný pre oxidačnú atmosféru nemusí byť automaticky vhodný pre redukčné prostredie.

Čo ak potrebujeme výstup 4–20 mA?

Samotný Pt100 ani bežný termočlánok neposkytujú priamo štandardný prúdový výstup 4–20 mA.

Na to sa používa teplotný prevodník.

Jeho úlohou je:

1. Vyhodnotiť signál meracieho prvku.

2. Prepočítať ho na teplotu.

3. Prípadne vykonať linearizáciu a diagnostiku.

4. Previesť výsledok na štandardný signál 4–20 mA.

Niektoré moderné prevodníky podporujú Pt100 aj rôzne typy termočlánkov.

Výhodou je možnosť jednotného pripojenia k PLC alebo nadradenému riadiacemu systému.

Pri výbere treba overiť kompatibilitu vstupu, merací rozsah a požadovanú presnosť.

Najčastejšie chyby pri výbere snímača teploty

V praxi sa opakujú najmä tieto chyby:

1. Výber iba podľa maximálnej teploty

Snímač síce zvládne požadovanú teplotu, ale nemusí dosahovať potrebnú presnosť alebo životnosť.

2. Nesprávne zapojenie Pt100

Pri dlhom 2-vodičovom vedení môže odpor kábla spôsobovať systematickú chybu merania.

3. Nesprávny typ termočlánku

Ak je prevodník nastavený napríklad na typ K, ale pripojený je typ J, výsledná teplota nebude správna.

4. Nevhodná ochranná jímka

Príliš masívna jímka môže výrazne spomaliť odozvu.

5. Nedostatočná ponorná dĺžka

Merací prvok môže byť ovplyvňovaný teplotou okolitého prostredia.

6. Ignorovanie procesnej atmosféry

Pri vysokých teplotách môže chemické zloženie atmosféry ovplyvňovať životnosť snímača.

7. Nesprávne pripojovacie vedenie termočlánku

Použitie nevhodného kábla alebo nesprávne vyriešených prechodov medzi materiálmi môže viesť k chybe merania.

Ako správne vybrať snímač teploty?

Pred výberom odporúčame určiť minimálne tieto parametre:

• Médium: voda, olej, para, vzduch, spaliny alebo chemikália.

• Teplotný rozsah: minimálna, normálna a maximálna teplota.

• Procesný tlak: dôležitý pri návrhu ochrannej jímky.

• Požadovaná presnosť: tolerancia merania.

• Rýchlosť odozvy: ako rýchlo musí snímač reagovať.

• Spôsob montáže: závit, príruba, jímka alebo povrchové meranie.

• Materiálové vyhotovenie: odolnosť voči médiu a okolitému prostrediu.

• Výstupný signál: odporový, termoelektrický, 4–20 mA alebo digitálny.

• Prostredie: vnútorné, vonkajšie alebo Ex.

• Dĺžka vedenia: vzdialenosť medzi snímačom a vyhodnocovacím systémom.

Až na základe týchto údajov možno vybrať vhodnú technológiu a konkrétne vyhotovenie.

Záver

Pt100 a termočlánok patria medzi najrozšírenejšie technológie merania teploty v priemysle. Napriek tomu nie sú vzájomne zameniteľné vo všetkých aplikáciách.

Pt100 je spravidla vhodnejší tam, kde je prioritou vysoká presnosť, stabilita a spoľahlivé procesné meranie.

Termočlánok má výhodu najmä pri veľmi vysokých teplotách a v aplikáciách, kde rozhoduje teplotná odolnosť a vhodná mechanická konštrukcia.

Správny výber však nezávisí iba od samotného meracieho princípu. Dôležitá je aj ochranná jímka, spôsob montáže, pripojovacie vedenie a použitý merací prevodník.

Spoločnosť REFLOW SK dodáva meraciu a regulačnú techniku pre priemyselné aplikácie vrátane riešení na meranie teploty. Pri výbere vhodného snímača a prevodníka vám pomôžeme zohľadniť požiadavky procesu, presnosť, montážne podmienky aj kompatibilitu s riadiacim systémom.