Pt100 чи термопара: що ставити в промисловий процес

Pt100 чи термопара: правило вибору

До 600 °C ставте термометр опору Pt100, вище 600 °C — термопару. Межа не наша, вона з технічної документації WIKA: платинові датчики опору призначені для діапазону −200…+600 °C, а термопари виграють на високих температурах і доходять до 1700 °C. Усе інше в цій статті — уточнення до цього одного рядка, і найцікавіше уточнення таке: за паспортним допуском термопара типу K класу 1 обходить Pt100 класу B уже з 240 °C, задовго до будь-яких 600.

Одразу про межі нашої компетенції. Термопар у нашому каталозі датчиків немає, температурна лінійка — це резистивна техніка WIKA і контролери Omron. Тому термопара тут присутня як база порівняння, а не як позиція до замовлення. Якщо за вашими умовами виходить термопара, ми це скажемо прямо, замість підсовувати Pt100 «бо він є».

Фізика різна. Pt100 — пасивний резистор, який треба живити вимірювальним струмом. Термопара сама генерує напругу від різниці температур між гарячим і холодним спаєм.

Похибки різні. У Pt100 головний ворог — опір провідників і самонагрів. У термопари — холодний спай, компенсаційний кабель і старіння сплаву.

Старіння різне. Платина практично не дрейфує. Неблагородні термопари (K, J, N, E, T) змінюють характеристику з наробітком, і це нормований ефект, а не дефект.

Швидкодія різна. Термопара швидша, але в масивній захисній гільзі ця перевага майже зникає.

Що гарантують стандарти, а що ні

Pt100 за IEC 60751

Клас допуску — це не «точність датчика», а формула від температури плюс обмежений діапазон, у якому цю формулу взагалі визнають. Чим вужчий клас, тим коротший діапазон. Pt100 має номінал 100 Ω при 0 °C, Pt1000 — 1000 Ω.

Тонкоплівковий елемент — стандартне виконання, і зверніть увагу, наскільки в нього коротший діапазон. Клас AA для тонкої плівки живе лише в межах 0…150 °C. Залежність опору від температури задається поліномом Каллендара — Ван Дюзена з константами A = 3,9083 · 10⁻³ °C⁻¹, B = −5,7750 · 10⁻⁷ °C⁻², C = −4,1830 · 10⁻¹² °C⁻⁴. Підставте 100 °C у вираз для діапазону 0…600 °C і отримаєте 138,51 Ω, тобто середня чутливість Pt100 близько 0,385 Ω на градус. Цю цифру ми використаємо далі.

Термопари за IEC 60584-1

Тут класів лише два робочих — 1 і 2; клас 3 стандарт нормує тільки для типів B і T, причому в типу B класу 1 немає зовсім. Допуск заданий як «або абсолютна величина, або відсоток від температури, що більше». Через цей поріг термопара на низьких температурах виглядає дуже погано, а на високих — раптом добре.

Два практичних наслідки з таблиці. По-перше, тип K і тип N мають однакові рядки допуску, тому вибір між ними вирішується не точністю, а стійкістю сплаву. По-друге, типи R, S і B не випускаються в класі 1 у виконанні з мінеральною ізоляцією, тож «найточніша термопара в тонкому кабелі» — це сполучення, якого в стандарті немає.

Де саме перетин: допуск на 100, 250, 450 і 600 °C

Підставимо температури у формули обох стандартів. Розрахунок відкритий, перевірте його самі.

Перетин рахується в один рядок: 0,30 + 0,0050 · t = 1,5 дає рівно t = 240 °C. Нижче цієї точки Pt100 класу B точніший за термопару типу K класу 1, вище — вже ні, бо допуск термопари до 375 °C тримається на поличці ±1,5 °C і не росте. А ось Pt100 класу A виграє всюди, де він узагалі визначений: на межі свого діапазону 450 °C він дає ±1,05 K проти ±1,8 °C у типу K. Тільки ці 450 °C стосуються виключно дротяного елемента (W): у тонкоплівкового (F), а це стандартне виконання WIKA, клас A закінчується вже на +300 °C, тому для серійного датчика реальна межа класу A — 300, а не 450. Вище своєї межі класу A просто не існує, і датчик автоматично стає класом B.

Точність у реальному колі, а не в паспорті

Pt100: опір провідників і 2/3/4 провідники

Паспортний клас A можна знецінити одним двопровідним кабелем. Опір лінії додається до опору сенсора, а Pt100 має чутливість 0,385 Ω/°C, тому кожен зайвий ом у петлі читається як плюс 2,6 °C. Три метри дешевого кабелю туди й назад — і клас A перетворюється на систематичну помилку, більшу за весь його допуск.

2 провідники. Опір лінії входить у результат повністю. Документація WIKA прямо не радить таке підключення для Pt100 класів A і AA і обмежує застосування кабелями до 250 мм. Для Pt1000 двопровідне підключення — штатний варіант.

3 провідники. Стандартне виконання. Вплив лінії компенсується, допустима довжина — приблизно до 30 м, далі починаються розбіжності.

4 провідники. Вплив кабелю знімається повністю, включно з несиметрією опору жил. Лабораторія, калібрування, класи A і AA, лінії до 1000 м. Чотирипровідний датчик можна використати як трипровідний чи двопровідний, просто не під'єднавши зайві жили.

Ось чому Pt1000 часто вигідніший за Pt100 у брудних умовах: при чутливості 3,85 Ω/°C той самий ом опору лінії дає всього 0,26 °C замість 2,6 °C. Різниця на порядок, за ті самі два провідники.

Термопара: холодний спай і компенсаційний кабель

Термопара міряє різницю температур, а не температуру. Усі значення допуску в IEC 60584-1 узяті для холодного спаю при 0 °C, і цього нуля у вашій шафі немає. Електронна компенсація холодного спаю вбудована в сучасні прилади з термопарним входом, але вона міряє температуру клемника, а не температуру вашого переходу — і кожен градус похибки компенсації йде прямо в результат.

Другий внесок — кабель. Подовжувати термопару звичайним мідним проводом не можна: у місці стику виникає новий термоелектричний перехід. Потрібен термопарний або компенсаційний кабель за IEC 60584-3, і документація прямо попереджає, що він додає власну похибку поверх класу допуску. Для Pt100 нічого цього не існує: там звичайна мідь, і питання лише в кількості жил. Якщо ваша траса довга і шумна, зручніше взагалі піти в струмову петлю — ми розписали екранування і точку заземлення в статті про екранування датчика 4-20 мА.

Самонагрів Pt100: порахуємо

Самонагрів існує, але в паспортних межах струму він мізерний. WIKA нормує для TR33 вимірювальний струм 0,1…1,0 мА для Pt100 і 0,1…0,3 мА для Pt1000; у версії з вбудованим перетворювачем струм менший за 0,3 мА, і паспорт прямо пише, що самонагрівом можна знехтувати. Потужність рахується елементарно: 1 мА на 100 Ω дає 0,1 мВт, 0,3 мА на 1000 Ω — 0,09 мВт.

Практичний висновок інший, ніж здається. Вимірювальний струм задає не датчик, а ваша електроніка: контролер, перетворювач, модуль ПЛК. Якщо вхід подає струм поза паспортною смугою, паспортний клас уже нічого не гарантує, а в стоячому повітрі чи в'язкій рідині до самонагріву додасться ще й поганий теплообмін. Термопара від цієї групи проблем вільна повністю: їй не потрібне збудження, тому самонагріву в неї немає за визначенням.

Дрейф і старіння: чим термопара платить за діапазон

Зелена гниль типу K

Тип K у зоні приблизно 800…1050 °C при нестачі кисню чи в присутності водяної пари втрачає хром у позитивній вітці NiCr. Термоелектрична напруга падає, показання пливуть вниз, і процес незворотний — термопара знищена. Назва пішла від зеленуватого відтінку на зламі дроту. Тип N завдяки кремнію утворює в тих самих умовах захисний оксидний шар, тому для тривалої роботи на високих температурах він стійкіший за K при однаковому допуску.

K-ефект у зоні 400…600 °C

Менш відома, зате дуже підла річ. Вітка NiCr типу K має впорядковану кристалічну ґратку нижче приблизно 400 °C і вище 600 °C, а між ними — невпорядковану. Якщо термопара охолоджується швидше за приблизно 100 °C на годину, невпорядкований стан фіксується, і характеристика розходиться з табличною: WIKA наводить відхилення до ≈5 °C. Ефект зворотний: відпал вище 700 °C із повільним охолодженням його знімає. Тонкі термопари в мінеральній ізоляції особливо чутливі — навіть охолодження в спокійному повітрі дає відхилення близько 1 °C.

Pt100 класу A теж можна «зіпсувати»

Симетричне застереження, про яке зазвичай не згадують. Якщо серійний термометр опору працював вище або нижче температурного діапазону свого класу, клас A більше не підтверджується. Час перебування значення не має, і повернення в робочий діапазон нічого не виправляє: клас допуску такого резистора просто перестає бути визначеним. Платина не «гниє», але документ про клас ви вже втратили.

Швидкодія, вібрація, механіка

Термопара швидша, і причина механічна: кабель у мінеральній ізоляції випускають діаметром від 0,25 мм, а резистивний елемент фізично не буває таким малим. Але щойно ви вставляєте датчик у масивну захисну гільзу, час відгуку обох груп зближується, і в документації WIKA прямо сказано, що в такому монтажі він узагалі може вийти на двозначні хвилини. Швидкодія термопари залишається вимірюваною, але здебільшого нерелевантною.

Вібрація, норма. IEC 60751 вимагає від термометра опору витримувати до 3 g (30 м/с²) у смузі 10…500 Гц, значення за розмахом.

Вібрація, реальність. Серійні резистивні термометри WIKA дають 6 g, виконання з тонкоплівковим елементом — 20 g, спеціальне — 50 g. Мініатюрний TR33 паспортно тримає 20 g у смузі 10…2000 Гц і удар 50 g за IEC 60068-2-27.

Гнучкість. Термопарний кабель у мінеральній ізоляції гнеться з радіусом від п'яти діаметрів оболонки, тому пролазить там, куди жорсткий щуп не зайде.

Температурна стеля гільзи. Стеля захисної гільзи часто нижча за стелю самої термопари. Рахуйте вузол, а не сенсор.

І ще одна цифра для типу K, яку часто пропускають: рекомендована робоча стеля залежить від діаметра оболонки. При 0,5 і 1,0 мм це лише 700 °C, при 3,0 мм — 1070 °C, при 6,0 мм — 1100 °C. Тонка термопара швидка, але високотемпературною вона від цього не стає.

Що ми ставимо на практиці

Коротко, від процесу до позиції в каталозі.

Процес до 150 °C, сигнал у ПЛК. TR33 із вбудованим перетворювачем 4…20 мА: 37114012 при L = 100 мм, 37114013 при L = 50 мм на тонкій стінці, 14081647 при L = 150 мм на великому діаметрі.

Процес у смузі 10…110 °C, показ на місці без живлення. TG54: 83137991 із G½B і осьовим під'єднанням, 46955940 — те саме у радіальному виконанні.

Захисна гільза вже стоїть. TG54 із гладким штоком: 83138081 на 0…+120 °C або 37114010 на −30…+50 °C.

Потрібне регулювання, а не лише вимірювання. Контролер E5CC: E5CC-RX2ASM-800 на клапан чи контактор, E5CC-QX2ASM-800 на SSR, E5CC-QX3D5M-000 у шафу з 24 В.

Петля 4-20 мА замість опору: Wika TR33

Для більшості промислових процесів до 150 °C ми ставимо резистивні термометри Wika моделі TR33 у виконанні з вбудованим перетворювачем. Логіка проста: на виході струмова петля, а не опір, тому питання про 2, 3 чи 4 провідники і про довжину кабелю знімається разом із самим опором лінії.

Сенсор. У версії з перетворювачем всередині стоїть Pt1000 класу A за IEC 60751, а не Pt100. Якщо вам потрібен саме прямий вихід Pt100 у 2, 3 чи 4 провідники, це інше виконання TR33, і його треба замовляти окремо — напишіть нам через контакти.

Живлення і навантаження. UB 10…30 В DC, допустиме навантаження RA ≤ (UB − 10 В) / 23 мА. На 24 В це дає ≈609 Ω, чого з запасом вистачає на вхід контролера плюс опір траси.

Похибка в комплексі. Паспорт рахує приклад для діапазону 0…150 °C за таких умов: температура процесу 100 °C, навантаження 200 Ω, живлення 16 В, температура навколо приладу 33 °C. Виходить типова похибка 0,52 K і максимальна 1,2 K. Сам елемент класу A дає з них лише ±0,35 K, решта — перетворювач, навантаження, живлення і довкілля.

Діагностика обриву. Сигналізація за NAMUR NE 043: ≤ 3,6 мА вниз або ≥ 21,0 мА вгору. Контролер бачить саму несправність, а не «мінус двісті градусів».

Умови. IP67/IP69 за IEC/EN 60529, стеля на роз'ємі 85 °C, змочувані деталі — сталь 1.4571, тиск до 270 бар при трубці 6 мм.

Документи. Який саме документ про калібрування чи протокол заводської перевірки доступний під конкретне виконання — уточнюйте у менеджера: комплект залежить від моделі та замовленого виконання.

Якщо жодне з трьох виконань у таблиці не підходить, TR33 замовляється під конкретні умови. Щоб ми підібрали код виконання, надішліть чотири параметри: робочий діапазон температури, монтажну довжину L, процесне під'єднання (різьблення або гладкий шток) і потрібний вихід — 4…20 мА, Pt100 чи Pt1000.

По конкретному виконанню TR33 — запитати ціну і наявність.

Схеми під'єднання струмової петлі до дискретного і аналогового входу ми вже розписували в матеріалі як підключити датчик до ПЛК. Про джерело для петлі і запас по струму — в окремій статті про блок живлення 24 В для ПЛК і датчиків.

Коли живлення немає взагалі: біметал Wika TG54

Там, де потрібен локальний показ без електрики, ми ставимо біметалічні термометри TG54 за EN 13190, клас 1. Це не конкурент Pt100 за точністю, це інший інструмент: оператор бачить температуру на місці, корпус герметичний і має IP65, а зносу електроніки немає, бо електроніки немає.

Третю колонку читайте уважно, бо на ній найчастіше ловляться. Шкала і робочий діапазон у TG54 — це різні речі: клас 1 за EN 13190 гарантується тільки між двома трикутними позначками на циферблаті, а не по всій шкалі. На приладі 0…120 °C це означає смугу 10…110 °C. Хочете міряти 5 °C із заявленою похибкою — беріть іншу шкалу. Нуль, до речі, підкручується викруткою зі зворотного боку корпусу.

Захисних гільз у нашому каталозі немає: під позиції з гладким штоком гільзу ми підбираємо на запит — за діаметром штока, монтажною довжиною і процесним різьбленням. Температурна стеля гільзи при цьому часто нижча за стелю самого приладу, тому рахувати треба вузол, а не щуп.

Якщо потрібна інша шкала, інша довжина штока або гільза під щуп — запитати ціну і наявність.

Контролер, який не змушує вибирати: Omron E5CC

Приємна частина: тип входу в контролерах Omron E5CC — це параметр, а не апаратне виконання. Один і той самий прилад 48 × 48 мм приймає і Pt100, і термопару, і струмову петлю, тому рішення «Pt100 чи термопара» не замуровується в залізо на етапі закупівлі.

Входи. Pt100 і JPt100; термопари K, J, T, E, L, U, N, R, S, B, W, PL II; лінійні входи 4…20 мА, 0…20 мА, 1…5 В, 0…5 В, 0…10 В. Тип задається параметром in-t у початковому рівні налаштувань.

Точність показань при 23 °C. Для термометра опору — ±0,2 % від показання або ±0,8 °C, що більше, плюс один розряд. Для термопари — ±0,3 % або ±1,0 °C, що більше, плюс розряд. Різниця не на користь термопари, і вона додається до різниці в допуску самого сенсора.

Виконання в каталозі. E5CC-RX2ASM-800 — релейний вихід, 100-240 В. E5CC-QX2ASM-800 — імпульсний вихід під SSR, 100-240 В. E5CC-QX3D5M-000 — імпульсний вихід, три аварійних, живлення 24 В AC/DC.

Порахуйте бюджет похибки до кінця, а не до сенсора. На 300 °C контролер додає ±0,8 °C на резистивному вході проти ±1,0 °C на термопарному, а сенсор на тій самій температурі дає ±0,75 K (Pt100 клас A) проти ±1,5 °C (тип K клас 1). Сумарно резистивний канал виходить приблизно в 1,6 раза точнішим: 1,55 K проти 2,5 K, якщо складати ці внески напряму. Платити за це нічим не треба — просто інший тип входу.

Потрібен інший вихід, інший типорозмір корпусу або живлення — напишіть нам, у сімействі E5_C є й інші виконання: запитати ціну і наявність.

Поширені запитання

Чи можна поставити термопару замість Pt100 у той самий контролер?

У E5CC — так, тип входу перемикається параметром. Але фізично це інша робота: у термопари два провідники замість трьох, потрібен термопарний або компенсаційний кабель за IEC 60584-3, і працює компенсація холодного спаю. Звичайна мідь на подовження не годиться, вона створює паразитний термоперехід.

Чим Pt1000 кращий за Pt100?

Чутливістю: 3,85 Ω/°C проти 0,385 Ω/°C. Той самий паразитний опір лінії дає в десять разів меншу похибку, тому для Pt1000 двопровідне підключення — штатне рішення, а не компроміс. Класи допуску за IEC 60751 у них ті самі.

Скільки градусів дає 1 Ω опору провідників на двопровідному Pt100?

Приблизно 2,6 °C зі знаком плюс, бо 1 Ω поділити на чутливість 0,385 Ω/°C. Це більше за весь допуск класу A при 100 °C, який становить ±0,35 K. Саме через цю арифметику документація WIKA обмежує двопровідне підключення Pt100 кабелями до 250 мм.

Чому термопара типу K «пливе» після роботи на 900 °C?

Найімовірніше, це зелена гниль: у зоні 800…1050 °C при дефіциті кисню з позитивної вітки NiCr вимивається хром, термоелектрична напруга падає, показання йдуть вниз. Процес незворотний. Для тривалої роботи в цьому діапазоні беруть тип N — у нього кремній утворює захисний оксидний шар.

Потрібен сигнал 4-20 мА, а не опір. Що брати?

TR33 у виконанні з вбудованим перетворювачем: усередині Pt1000 класу A, на виході двопровідна петля 4…20 мА, живлення 10…30 В DC. Навантаження рахується як RA ≤ (UB − 10 В) / 23 мА, тобто ≈609 Ω при 24 В. E5CC такий вхід приймає напряму, окремий бар'єр чи перетворювач не потрібен.

Коротко

Відкрийте свій процес на одній цифрі — максимальній робочій температурі. До 300 °C клас A тримає будь-яке виконання Pt100; до 450 °C клас A беріть тільки в дротяному виконанні (W), бо в стандартного тонкоплівкового (F) елемента клас A закінчується на +300 °C. Підключення трипровідне, а при довгій трасі одразу струмова петля. Від 450 до 600 °C порівняйте на калькуляторі: ваш Pt100 там уже клас B, і термопара типу K класу 1 може виявитись точнішою. Вище 600 °C класів допуску IEC 60751 для Pt100 вже немає.

Якщо ваш діапазон лежить у резистивній зоні, подивіться датчики температури в каталозі та добірку обладнання Wika; загальна логіка підбору датчика під задачу розібрана в матеріалі датчики для автоматизації. Якщо ж розрахунок виводить вас за 600 °C, напишіть нам: термопару ми не продаємо, але скажемо, який тип і клас шукати, і яку гільзу під нього рахувати. Сумнівний датчик перед заміною варто спершу перевірити приладом — методика в статті про перевірку датчика мультиметром.