Pt100-givarens byggstenar
Innehåll
Inledning
En industriell Pt100-givare består normalt av tre huvudkomponenter: Mätelement, skyddsrör och anslutning. Dessa kan kombineras på ett stort antal olika sätt för att uppnå önskade egenskaper.
Pentronic lagerhåller ett stort antal varianter av Pt100 mätelement. Skillnaderna är storlek, toleransklass, trådlindat eller filmelement.
De trådlindade elementens diameter går från 0,9 till 2,8 mm och längderna från 6 till 50 mm.
Filmelement finns i ett flertal storlekar och utföranden. För industriella givare där noggrannhet och stabilitet prioriteras används i huvudsak två storlekar av trådlindade element,
Ø 2,8 x 25 mm och Ø 1,5 x 15 mm.
Mätelement
Platina resistanstermometer (Pt100/Pt1000)
Resistanstermometern bygger på att metallers resistans varierar med temperaturen. För noggranna mätningar används resistanstermometrar av platina (Pt).
- Platina är en ädelmetall och ett mycket elektriskt stabilt material Platinaresistanstermometern är dessutom den typ av termometer som används för att realisera termodynamisk Så länge temperaturskalan ITS-90 gäller, går det inte att mäta noggrannare.
- Referensgivare för kalibrering har oftast en grundresistans på 25ohm vid 0°C och kallas också SPRT eller Pt25-givare.
- Den industriella varianten benämns IPRT och den vanligaste kallas Pt100, vilket betyder att den har resistansen 100 ohm vid 0°C.
Referensgivare för kalibrering
Referensgivare för kalibrering
Vid kalibrering enligt ITS-90 används en s k SPRT, Standard Platinum Resistance Thermometer. Den tillverkas av extremt ren platina och blir därmed mer lagbunden och förutsägbar än alla andra typer av temperaturgivare.
Temperaturskalan realiseras med ett antal fixpunkter, fasövergångar för olika ämnen. Platinaresistanstermometern tjänstgör som interpolationsinstrument mellan fixpunkterna i området från
-259 °C (14 K) till 962 °C.
Kännetecknande för en SPRT är:
- Extremt ren platinatråd. ( alfa-värde ≥0,003926).
- Helt fri bifilärlindad tråd (Ø 0,07 mm för Pt 25).
- Tråden skyddas av keramik i högren aluminiumoxid alternativt av kvartsglas.
- Tråden är värmebehandlad för avspänning och reduktion av oxider.
- Tilledarna svetsas platina mot platina.
- Mätkroppen förseglas i kontrollerad atmosfär.
- Hela processen från tråddragning till montering genomsyras av största möjliga renlighet. Resultatet blir en ytterst noggrann givare, som tyvärr är alldeles för ömtålig för att användas utanför ett kalibreringslaboratorium.
Industriella platinagivare
Den industriella varianten IPRT är en robustare konstruktion som tål större fysiska påfrestningar. Den ska så långt som möjligt överensstämma med laboratorienormalen.
För de fall man behöver exempelvis en reglerande och en indikerande Pt100-krets som är galvaniskt skilda finns s k "dubbla Pt100". Den trådlindade varianten härintill rymmer då fyra hål för Pt-tråd i spiralform.
Men industriella platina mätelement är alltid kompromisser i syfte att optimera vissa egenskaper som man behöver. Det finns olika prioriteringar, t ex:
- Låg hysteres
- Hög stabilitet
- Extrem vibrationstålighet
- Hermetiskt sluten kapsling
- Stort temperaturområde
- Automatiserad serieproduktion
- Lägsta tillverkningskostnad
- Små dimensioner
Pentronic använder normalt Pt100 element som är snarlika laboratorieelementen till sina konstruktioner när noggrannhetskraven är viktigast. Följande egenskaper karaktäriserar de noggrannaste trådlindade elementen:
- 80 % av trådens längd är fritt upphängd för minimal hysteres
- Tråden är bifilärlindad (motriktade induktanser)
- Alfa-värde enligt IEC 60751 0,3851 ohm/°C (Pt100)
- Keramiskt hölje av högren aluminiumoxid
- Höga renhetskrav vid tillverkning
- Manuell tillverkning enda alternativet
- Tilledare i ren platina
- Värmebehandling
Vissa tillverkare prioriterar ned flera av dessa punkter. Ett exempel är tilledarna. Platina är avskräckande dyrt och många väljer billigare tilledare av platinaöverdragen palladium. Om det tunna platina-skiktet skadas, oxiderar palladiumet och ledaren går av.
Blandning av olika metaller kan också orsaka störande seebeck-spänningar (termoelementeffekt).
Filmelement Pt100 och Pt1000
Filmelement användes först inom vitvarumarknaden. De framställs i automatiska tillverkningsprocesser och stämmer väl överens med de krav som ställs beträffande hushållsmaskiner. Filmelement finns som Pt100 och Pt1000. Pt1000 motsvarar Pt100 men har 10 gånger större resistans.
Nu används Pt100 filmelement även industriellt där låg kostnad är prioriterat jämfört med noggrannhet och användning i hög temperatur.
Filmelementets fördelar kan vara lägre pris, bättre tålighet mot vibrationer samt möjligheten att mäta yttemperatur då elementet oftast har en plan botten.
Notera att filmelement inte kan uppfylla IEC 60751 klass A mer än upp till ca 300 °C.
Skyddsrör
Pt100 mätelement måste normalt kapslas in i ett skyddsrör före användning. Skyddsrören finns i två utföranden beroende på temperaturområde. Pentronic använder sömlösa rör av rostfritt syrafast stål där inget annat specificeras.
Upp till 250 - 300 °C används normalt ett stålrör med tilledare isolerade med PTFE eller polyimid. Temperaturbegränsningen beror på isoleringen.
Vi väljer mätelement och rördiameter så att besvärande luftspalter inte uppstår. Vid större rördiametrar bygger vi normalt bort luftspalten med metallisk utfyllnad. Detta innebär att mätelementet centreras och fixeras vilket också ger bättre tålighet mot vibrationer. Dessutom förbättras värmeöverföringen avsevärt, vilket leder till snabbare svarstider och minskat mätfel till följd av skyddsrörsförluster.
En del tillverkare vibrerar in Pt100-elementen i aluminiumoxidpulver som leder värme sämre och kan läcka bort vid yttre vibrationer med luftspalter som följd. Se "müslieffekten" i kapitlet om naturlagar.
Upp till 600 °C använder vi en metallmantlad kabel (MI-kabel) där tilledarna skyddas av hårdpackad magnesiumoxid i vilket mätelementet borras in. Även i detta fall säkerställer vi bra värmeöverföring samt god vibrationstålighet. MI-kabelns fördelar är att den:
- Är mekaniskt stark och formbar
- Tål höga temperaturer.
- Ger bra fuktskydd och tål förläggning i t ex vatten.
- Är mekaniskt stark och formbar.
Signalanslutning
Givaren förses med någon av följande anslutningar:
- Fria ledare (1)
- Skarvhylsa med kabel och ev. armering (2)
- Monterad kontakt (3)
- Mätinsats förberedd för senare montage av transmitter eller plint (4)
- Plint på mätinsats (5)
- Monterad transmitter (6)
Temperaturområde
Normalt kan Pt100-givare användas i temperaturer upp till ca 250°C. Högre temperaturer kräver skyddsrör med t ex mineraloxidisolering. Över ca 600 °C blir mätning med Pt100 inte lika meningsfull. Anledningen är att platinatrådens resistans shuntas av omgivande material på ett oförutsägbart sätt.
Speciella mätelement finns för användning upp till ca 700°C.
I dessa temperaturer är termoelement, främst av typ N och K, goda alternativ.
