Pt100-givarens egenskaper och felkällor
Egenskaper och felkällor
Hysteres
Alla typer av industriella platinagivare uppvisar hysteres, d v s mäter olika beroende på om temperaturen stiger eller sjunker. Orsaken är att platinatråden och bärande underlag expanderar olika mycket med temperaturen. Detta förorsakar i sin tur trådtöjnings-effekter med resistansändring som följd.
1982 gjorde D J Curtis vid Rosemount en undersökning av olika konstruktioner. Bäst var ett dyrbart specialelement, tätt följt av trådlindad Pt100 (Den variant som Pentronic använder med 80% fri platinatråd). Filmelement och bobinlindade element uppvisade 5 - 10 gånger större fel.
Följande resultat är procent av använt mätområde:
- Trådlindad, 80 % fri, Pt100 0,008%
- Bobinlindad 0,08%
- Filmelement 0,04 - 0,08%
Stabilitet
Platina är mycket stabilt över tiden, men brister i konstruktion och tillverkning kan försämra egenskaperna.
Mätelementen ska värmebehandlas för att ordna kristallstrukturen och avlägsna utbildad oxid.
Trådar fixerade vid underlaget töjs under värmning. Ju friare tråd desto mindre driver givaren vid temperaturändring.
Resistansen ändras om det t ex blir veck på tråden under tillverkning, om givaren utsätts för stötar och vibrationer och om den cyklas mellan hög och låg temperatur.
Typisk stabilitet för ett Pt100-element är ±0,05 °C per år. Bra mätelement driver högst ±0,01 °C. Om temperaturen håller sig inom 25 - 150 °C begränsas driften till ±0,005 °C per år.
Svarstid
Pt100-givare har normalt längre svarstid än termoelement. Det beror på Pt100-elementets utformning som tar längre tid att värma upp.
Alla typer av termometrar mäter endast sin egen temperatur. Svarstiden beror på hur lång tid det tar för omgivande medium att värma upp spets och sensor.
Kort svarstid kräver goda värmeledande egenskaper och liten massa. Pentronic har i många konstruktioner metallisk kontakt hela vägen från mätmedium till sensor. Det ger snabbare svar, mindre mätfel till följd av skyddsrörsförluster samt bättre tålighet mot vibrationer.
"Mätpunktens" placering
Ett Pt100-element mäter över hela sin trådlängd. Uppmätt temperatur är således ett medelvärde över denna sträcka. Jämför vidstående figur.
Det här är viktigt att komma ihåg när du mäter på ytor och liknande med s k fjäderbelastade temperaturgivare.
Påverkan vid tillverkning
Pt100-element är känsliga och kräver stor omsorg vid tillverkningen. Föroreningar kan orsaka skador som inte upptäcks vid slutkontrollen utan visar sig som mätfel efter en tids användning.
Om röret till mätinsatsen är fuktigt eller innehåller oljerester, kommer det att påverka mätelementets stomme med sämre isolation som följd. I rumstemperatur spelar det kanske ingen roll, men i högre temperatur förångas föroreningarna och kan tränga in till platinatrådarna som kontamineras.
Brister i tillverkningen kan också leda till att platinatråden förorenas av metaller, t ex järn. Fenomenet brukar kallas metallförgiftning.
Mätelement ur selektering "1/10 DIN" ökar inverkan av tilledarnas skarvning. För att inrymma sådana och andra variationer tillåter Pentronic normalt avvikelsen 0,05 °C på färdiga givare vid slutkontrollen i 0 °C vilket motsvarar "1/6 DIN".
Platinaoxider
Platina oxiderar på ytan. Eftersom mätsensorns trådar är tunna (ca 0,02 mm) kan oxidskikten ge mätbara effekter på resistansen.
I normala miljöer är det här en långsam process som kan upptäckas med regelbunden kalibrering.
Inkoppling av Pt100/Pt1000-givare
Pt100- resp. Pt1000-givare kan kopplas in med två, tre eller fyra ledare. För högsta noggrannhet förordar vi fyrtrådsmätning från sensor till mätkrets.
Pentronic levererar normalt 4-ledare som standard.
Om instrumenteringen har ingång för 2 eller 3 ledare, kopplas givaren in enligt figurerna nedan.
OBSERVERA! Beteckningarna i figurerna på sidan refererar INTE till Pentronics märkning på plintar och liknande.
2-ledarkoppling
2-ledarkoppling förenklar för installatören men betalas med kraftigt ökad risk för mätfel vid användning av långa och tunna anslutningskablar. Problemet är att kabelns resistans går rakt in i mätvärdet.
(se tabell nedan).
Vid 20 °C är resistansen för en 10 meter lång 2 x 0,25 mm2 kopparledning 1,4 ohm. Omvandlat till Pt100-temperatur betyder det ett mätfel på 3,6 °C. Felet kan kalibreras bort, men varje ändring av kabelns omgivningstemperatur ändrar resistansen och ger nya mätfel.
Pt1000 film-element minskar kabel-resistansens inverkan till en tiondel, 0,36 °C, men samtidigt ökar risken för egenuppvärmning.
Det är vanligt att utnyttja det mindre mätfelet med Pt1000 och 2-ledarkoppling för att kunna använda 2-ledarkabel.
3-ledarkoppling
3-ledarkoppling tar bort huvuddelen av kabelresistansens inverkan på mätvärdet, se tabell nedan. Villkoret är att alla tre ledare har samma resistans. I praktiken är det närmast omöjligt att uppnå. I själva verket behöver bara en av de två röda ledarna (se R1, R2 i inkopplingsfigurerna nedan) vara identisk med den vita (R3). Anledningen till att vi rekommenderar att alla ledarna ska vara lika i resistans är förstås att de röda är svåra att skilja åt.
Exempel på orsaker till olika resistans mellan ledarna i en Pt100-givarkabel:
- Ledarna kan komma från olika smältor.
- En eller flera kardeler kan saknas i en av ledarna.
- Skarvar, omkopplare och liknande kan tillföra olika resistans.
Som exempel kan nämnas att en tio meter lång treledarkabel som har 10 % resistansskillnad mellan ledarna ger ett mätfel på 0,18 °C för Pt100.
4-ledarkoppling
Alla instrument för högsta mätnoggrannhet är
4-ledarkopplade.
Strömmen och mätningen separeras på två slingor, vilket gör att obalans i ledningsresistanser saknar betydelse. Villkoret är att skillnaden inte blir för stor, med moderna instrument upp till 100 ohm.
Fyrledartekniken var förr förbehållen laboratorier, men idag finns processutrustning, t ex signalomvandlare, indikatorer och regulatorer, med 4-ledarkoppling.
Vanliga inkopplingsfel
4-tråds Pt100 till 3-tråds indikator
Varning utfärdas för falska 4-ledarkopplingar. Det kan vara frestande att ansluta två ledare i samma terminal i ett instrument för 3-ledarmätning.
Resultatet blir en resistansskillnad på 50 procent mellan de olika grenarna på treledarindikatorn där lika resistans krävs för nollfel. Se figur för korrekt inkoppling av 4-tråds Pt100-givare här intill.
Med 10 m 4 x 0,25 mm2 anslutningsledning blir mätfelet ca 0,9 °C.
3-tråds Pt100 till 4-tråds indikator
Pt 100-givare med 3 ledare och instrument för
4-trådsanslutning. Gå över från 4 till 3 ledare så nära givaren som möjligt, i figuren härintill, vid B som den streckade ledaren visar.
Ansluter man istället vid A måste mätströmmen passera ledaren med R3. Indikatorn visar då resistansen för Pt100-elementet plus resistansen R3. Felet kan då röra sig om cirka 1,8 °C (vid 10 meter 3 x 0,25 mm2 ledning).
Vid korrekt anslutning vid B återstår en mindre resistans för mät-strömmen på vägen till Pt100-givaren. För en kort processgivare kan ökningen leda till ett mätfel på ca 0,1°C.
Färgmärkning
IEC 60751 rekommenderar olika färgkod på anslutningsledarna för Pt100 för att underlätta inkoppling. Pentronic följer de rekommenderade färgkoderna där det är praktiskt möjligt. Se figuren och kommentarerna över dubbla Pt100 i högerkolumnen.
Vi tillhandahåller även kabel med samma färgmärkning för vidare kabeldragning.
Vad Pt100-indikatorn verkligen mäter
Resistanser som ingår i mätvärdet vid olika antal ledare. Se tabellen här intill.
Vid 2- och 3-ledarkoppling förutsätter kalibrering att ledarnas resistans resp. resistansskillnad i strömslingan är kända.
Sammanställning och jämförelse
Samanställning av felkällor
Typiska felkällor och felstorlekar för Pt100-mätning. Tabellen inkluderar ingen marginal för miljöeffekter som förorening genom metallförgiftning, platinaoxid och liknande.
En jämförelse mellan termoelement och Pt100-givare
Tabellen bredvid beskriver kortfattat de viktigaste skillnaderna mellan termoelement och Pt100 i allmänna termer.
