Pt100 или термопара: что ставить в промышленный процесс

Pt100 или термопара: правило выбора

До 600 °C ставьте термопреобразователь сопротивления Pt100, выше 600 °C — термопару. Граница не наша, она из технической документации WIKA: платиновые датчики сопротивления предназначены для диапазона −200…+600 °C, а термопары выигрывают на высоких температурах и доходят до 1700 °C. Всё остальное в этой статье — уточнения к одной этой строке, и самое интересное уточнение такое: по паспортному допуску термопара типа K класса 1 обходит Pt100 класса B уже с 240 °C, задолго до всяких 600.

Сразу о границах нашей компетенции. Термопар в нашем каталоге датчиков нет, температурная линейка — это резистивная техника WIKA и контроллеры Omron. Поэтому термопара здесь присутствует как база сравнения, а не как позиция к заказу. Если по вашим условиям выходит термопара, мы скажем это прямо, вместо того чтобы подсовывать Pt100 «потому что он есть».

• Физика разная. Pt100 — пассивный резистор, который надо питать измерительным током. Термопара сама генерирует напряжение от разницы температур между горячим и холодным спаем.
• Ошибки разные. У Pt100 главный враг — сопротивление проводников и саморазогрев. У термопары — холодный спай, компенсационный кабель и старение сплава.
• Старение разное. Платина практически не дрейфует. Неблагородные термопары (K, J, N, E, T) меняют характеристику с наработкой, и это нормированный эффект, а не дефект.
• Быстродействие разное. Термопара быстрее, но в массивной защитной гильзе это преимущество почти исчезает.

Что гарантируют стандарты, а что нет

Pt100 по IEC 60751

Класс допуска — это не «точность датчика», а формула от температуры плюс ограниченный диапазон, в котором эту формулу вообще признают. Чем уже класс, тем короче диапазон. Pt100 имеет номинал 100 Ω при 0 °C, Pt1000 — 1000 Ω.

Тонкопленочный элемент — стандартное исполнение, и обратите внимание, насколько у него короче диапазон. Класс AA для тонкой пленки живет только в пределах 0…150 °C. Зависимость сопротивления от температуры задается полиномом Каллендара — Ван Дюзена с константами A = 3,9083 · 10⁻³ °C⁻¹, B = −5,7750 · 10⁻⁷ °C⁻², C = −4,1830 · 10⁻¹² °C⁻⁴. Подставьте 100 °C в выражение для диапазона 0…600 °C и получите 138,51 Ω, то есть средняя чувствительность Pt100 около 0,385 Ω на градус. Эту цифру мы используем дальше.

Термопары по IEC 60584-1

Здесь рабочих классов всего два — 1 и 2; класс 3 стандарт нормирует только для типов B и T, причем у типа B класса 1 нет вовсе. Допуск задан как «либо абсолютная величина, либо процент от температуры, что больше». Из-за этого порога термопара на низких температурах выглядит очень плохо, а на высоких — внезапно хорошо.

Два практических следствия из таблицы. Во-первых, тип K и тип N имеют одинаковые строки допуска, поэтому выбор между ними решается не точностью, а стойкостью сплава. Во-вторых, типы R, S и B не выпускаются в классе 1 в исполнении с минеральной изоляцией, так что «самая точная термопара в тонком кабеле» — это сочетание, которого в стандарте нет.

Где именно пересечение: допуск на 100, 250, 450 и 600 °C

Подставим температуры в формулы обоих стандартов. Расчет открытый, проверьте его сами.

Пересечение считается в одну строку: 0,30 + 0,0050 · t = 1,5 дает ровно t = 240 °C. Ниже этой точки Pt100 класса B точнее термопары типа K класса 1, выше — уже нет, потому что допуск термопары до 375 °C держится на полке ±1,5 °C и не растет. А вот Pt100 класса A выигрывает всюду, где он вообще определен: на границе своего диапазона 450 °C он дает ±1,05 K против ±1,8 °C у типа K. Только эти 450 °C относятся исключительно к проволочному элементу (W): у тонкопленочного (F), а это стандартное исполнение WIKA, класс A заканчивается уже на +300 °C, поэтому для серийного датчика реальная граница класса A — 300, а не 450. Выше своей границы класса A просто не существует, и датчик автоматически становится классом B.

Точность в реальной цепи, а не в паспорте

Pt100: сопротивление проводников и 2/3/4 провода

Паспортный класс A можно обесценить одним двухпроводным кабелем. Сопротивление линии складывается с сопротивлением сенсора, а Pt100 имеет чувствительность 0,385 Ω/°C, поэтому каждый лишний ом в петле читается как плюс 2,6 °C. Три метра дешевого кабеля туда и обратно — и класс A превращается в систематическую ошибку, большую, чем весь его допуск.

• 2 провода. Сопротивление линии входит в результат полностью. Документация WIKA прямо не советует такое подключение для Pt100 классов A и AA и ограничивает применение кабелями до 250 мм. Для Pt1000 двухпроводное подключение — штатный вариант.
• 3 провода. Стандартное исполнение. Влияние линии компенсируется, допустимая длина — примерно до 30 м, дальше начинаются расхождения.
• 4 провода. Влияние кабеля снимается полностью, включая несимметрию сопротивления жил. Лаборатория, калибровка, классы A и AA, линии до 1000 м. Четырехпроводный датчик можно использовать как трехпроводный или двухпроводный, просто не подключив лишние жилы.

Вот почему Pt1000 часто выгоднее Pt100 в грязных условиях: при чувствительности 3,85 Ω/°C тот же ом сопротивления линии дает всего 0,26 °C вместо 2,6 °C. Разница на порядок, за те же два провода.

Термопара: холодный спай и компенсационный кабель

Термопара меряет разницу температур, а не температуру. Все значения допуска в IEC 60584-1 взяты для холодного спая при 0 °C, и этого нуля в вашем шкафу нет. Электронная компенсация холодного спая встроена в современные приборы с термопарным входом, но она меряет температуру клеммника, а не температуру вашего перехода — и каждый градус погрешности компенсации идет прямо в результат.

Второй вклад — кабель. Удлинять термопару обычным медным проводом нельзя: в месте стыка возникает новый термоэлектрический переход. Нужен термопарный или компенсационный кабель по IEC 60584-3, и документация прямо предупреждает, что он добавляет собственную погрешность поверх класса допуска. Для Pt100 ничего этого не существует: там обычная медь, и вопрос только в количестве жил. Если ваша трасса длинная и шумная, удобнее вообще уйти в токовую петлю — мы расписали экранирование и точку заземления в статье про экранирование датчика 4-20 мА.

Саморазогрев Pt100: посчитаем

Саморазогрев существует, но в паспортных пределах тока он мизерный. WIKA нормирует для TR33 измерительный ток 0,1…1,0 мА для Pt100 и 0,1…0,3 мА для Pt1000; в версии со встроенным преобразователем ток меньше 0,3 мА, и паспорт прямо пишет, что саморазогревом можно пренебречь. Мощность считается элементарно: 1 мА на 100 Ω дает 0,1 мВт, 0,3 мА на 1000 Ω — 0,09 мВт.

Практический вывод другой, чем кажется. Измерительный ток задает не датчик, а ваша электроника: контроллер, преобразователь, модуль ПЛК. Если вход подает ток вне паспортной полосы, паспортный класс уже ничего не гарантирует, а в стоячем воздухе или вязкой жидкости к саморазогреву добавится еще и плохой теплообмен. Термопара от этой группы проблем свободна полностью: ей не нужно возбуждение, поэтому саморазогрева у нее нет по определению.

Дрейф и старение: чем термопара платит за диапазон

Зеленая гниль типа K

Тип K в зоне примерно 800…1050 °C при нехватке кислорода или в присутствии водяного пара теряет хром в положительной ветви NiCr. Термоэлектрическое напряжение падает, показания уплывают вниз, и процесс необратим — термопара уничтожена. Название пошло от зеленоватого оттенка на изломе провода. Тип N благодаря кремнию образует в тех же условиях защитный оксидный слой, поэтому для длительной работы на высоких температурах он стойче K при одинаковом допуске.

K-эффект в зоне 400…600 °C

Менее известная, зато очень подлая вещь. Ветвь NiCr типа K имеет упорядоченную кристаллическую решетку ниже примерно 400 °C и выше 600 °C, а между ними — неупорядоченную. Если термопара охлаждается быстрее примерно 100 °C в час, неупорядоченное состояние фиксируется, и характеристика расходится с табличной: WIKA приводит отклонение до ≈5 °C. Эффект обратим: отжиг выше 700 °C с медленным охлаждением его снимает. Тонкие термопары в минеральной изоляции особенно чувствительны — даже охлаждение в спокойном воздухе дает отклонение около 1 °C.

Pt100 класса A тоже можно «испортить»

Симметричное предостережение, о котором обычно не вспоминают. Если серийный термометр сопротивления поработал выше или ниже температурного диапазона своего класса, класс A больше не подтверждается. Время пребывания значения не имеет, и возврат в рабочий диапазон ничего не исправляет: класс допуска такого резистора просто перестает быть определенным. Платина не «гниет», но документ о классе вы уже потеряли.

Быстродействие, вибрация, механика

Термопара быстрее, и причина механическая: минералоизолированный кабель выпускают диаметром от 0,25 мм, а резистивный элемент физически не бывает таким малым. Но как только вы вставляете датчик в массивную защитную гильзу, время отклика обеих групп сближается, и в документации WIKA прямо сказано, что в таком монтаже оно вообще может выйти на двузначные минуты. Быстродействие термопары остается измеримым, но в основном нерелевантным.

• Вибрация, норма. IEC 60751 требует от термометра сопротивления выдерживать до 3 g (30 м/с²) в полосе 10…500 Гц, значение по размаху.
• Вибрация, реальность. Серийные резистивные термометры WIKA дают 6 g, исполнение с тонкопленочным элементом — 20 g, специальное — 50 g. Миниатюрный TR33 паспортно держит 20 g в полосе 10…2000 Гц и удар 50 g по IEC 60068-2-27.
• Гибкость. Термопарный кабель в минеральной изоляции гнется с радиусом от пяти диаметров оболочки, поэтому пролезает там, куда жесткий щуп не зайдет.
• Температурный потолок гильзы. Потолок защитной гильзы часто ниже потолка самой термопары. Считайте узел, а не сенсор.

И еще одна цифра для типа K, которую часто пропускают: рекомендуемый рабочий потолок зависит от диаметра оболочки. При 0,5 и 1,0 мм это всего 700 °C, при 3,0 мм — 1070 °C, при 6,0 мм — 1100 °C. Тонкая термопара быстрая, но высокотемпературной она от этого не становится.

Что мы ставим на практике

Коротко, от процесса к позиции в каталоге.

• Процесс до 150 °C, сигнал в ПЛК. TR33 со встроенным преобразователем 4…20 мА: 37114012 при L = 100 мм, 37114013 при L = 50 мм на тонкой стенке, 14081647 при L = 150 мм на большом диаметре.
• Процесс в полосе 10…110 °C, показ на месте без питания. TG54: 83137991 с G½B и осевым присоединением, 46955940 — то же в радиальном исполнении.
• Защитная гильза уже стоит. TG54 с гладким штоком: 83138081 на 0…+120 °C или 37114010 на −30…+50 °C.
• Нужно регулирование, а не только измерение. Контроллер E5CC: E5CC-RX2ASM-800 на клапан или контактор, E5CC-QX2ASM-800 на SSR, E5CC-QX3D5M-000 в шкаф с 24 В.

Петля 4-20 мА вместо сопротивления: Wika TR33

Для большинства промышленных процессов до 150 °C мы ставим резистивные термометры Wika модели TR33 в исполнении со встроенным преобразователем. Логика простая: на выходе токовая петля, а не сопротивление, поэтому вопрос про 2, 3 или 4 провода и про длину кабеля снимается вместе с самим сопротивлением линии.

• Сенсор. В версии с преобразователем внутри стоит Pt1000 класса A по IEC 60751, а не Pt100. Если вам нужен именно прямой выход Pt100 в 2, 3 или 4 провода, это другое исполнение TR33, и его надо заказывать отдельно — напишите нам через контакты.
• Питание и нагрузка. UB 10…30 В DC, допустимая нагрузка RA ≤ (UB − 10 В) / 23 мА. На 24 В это дает ≈609 Ω, чего с запасом хватает на вход контроллера плюс сопротивление трассы.
• Погрешность в комплексе. Паспорт считает пример для диапазона 0…150 °C при таких условиях: температура процесса 100 °C, нагрузка 200 Ω, питание 16 В, температура вокруг прибора 33 °C. Получается типичная погрешность 0,52 K и максимальная 1,2 K. Сам элемент класса A дает из них только ±0,35 K, остальное — преобразователь, нагрузка, питание и окружающая среда.
• Диагностика обрыва. Сигнализация по NAMUR NE 043: ≤ 3,6 мА вниз или ≥ 21,0 мА вверх. Контроллер видит саму неисправность, а не «минус двести градусов».
• Условия. IP67/IP69 по IEC/EN 60529, потолок на разъеме 85 °C, смачиваемые детали — сталь 1.4571, давление до 270 бар при трубке 6 мм.
• Документы. Какой именно документ о калибровке или протокол заводской проверки доступен под конкретное исполнение — уточняйте у менеджера: комплект зависит от модели и заказанного исполнения.

Если ни одно из трех исполнений в таблице не подходит, TR33 заказывается под конкретные условия. Чтобы мы подобрали код исполнения, пришлите четыре параметра: рабочий диапазон температуры, монтажную длину L, процессное присоединение (резьба или гладкий шток) и нужный выход — 4…20 мА, Pt100 или Pt1000.

По конкретному исполнению TR33 — запросить цену и наличие.

Схемы присоединения токовой петли к дискретному и аналоговому входу мы уже расписывали в материале как подключить датчик к ПЛК. Про источник для петли и запас по току — в отдельной статье про блок питания 24 В для ПЛК и датчиков.

Когда питания нет вообще: биметалл Wika TG54

Там, где нужен локальный показ без электрики, мы ставим биметаллические термометры TG54 по EN 13190, класс 1. Это не конкурент Pt100 по точности, это другой инструмент: оператор видит температуру на месте, корпус герметичный и имеет IP65, а износа электроники нет, потому что электроники нет.

Третью колонку читайте внимательно, потому что на ней чаще всего ловятся. Шкала и рабочий диапазон у TG54 — разные вещи: класс 1 по EN 13190 гарантируется только между двумя треугольными метками на циферблате, а не по всей шкале. На приборе 0…120 °C это означает полосу 10…110 °C. Хотите мерить 5 °C с заявленной погрешностью — берите другую шкалу. Ноль, кстати, подкручивается отверткой с обратной стороны корпуса.

Защитных гильз в нашем каталоге нет: под позиции с гладким штоком гильзу мы подбираем по запросу — по диаметру штока, монтажной длине и процессной резьбе. Температурный потолок гильзы при этом часто ниже потолка самого прибора, поэтому считать надо узел, а не щуп.

Если нужна другая шкала, другая длина штока или гильза под щуп — запросить цену и наличие.

Контроллер, который не заставляет выбирать: Omron E5CC

Приятная часть: тип входа в контроллерах Omron E5CC — это параметр, а не аппаратное исполнение. Один и тот же прибор 48 × 48 мм принимает и Pt100, и термопару, и токовую петлю, поэтому решение «Pt100 или термопара» не замуровывается в железо на этапе закупки.

• Входы. Pt100 и JPt100; термопары K, J, T, E, L, U, N, R, S, B, W, PL II; линейные входы 4…20 мА, 0…20 мА, 1…5 В, 0…5 В, 0…10 В. Тип задается параметром in-t в начальном уровне настроек.
• Точность показаний при 23 °C. Для термометра сопротивления — ±0,2 % от показания или ±0,8 °C, что больше, плюс один разряд. Для термопары — ±0,3 % или ±1,0 °C, что больше, плюс разряд. Разница не в пользу термопары, и она складывается с разницей в допуске самого сенсора.
• Исполнения в каталоге. E5CC-RX2ASM-800 — релейный выход, 100-240 В. E5CC-QX2ASM-800 — импульсный выход под SSR, 100-240 В. E5CC-QX3D5M-000 — импульсный выход, три аварийных, питание 24 В AC/DC.

Посчитайте бюджет погрешности до конца, а не до сенсора. На 300 °C контроллер добавляет ±0,8 °C на резистивном входе против ±1,0 °C на термопарном, а сенсор на той же температуре дает ±0,75 K (Pt100 класс A) против ±1,5 °C (тип K класс 1). Суммарно резистивный канал выходит примерно в 1,6 раза точнее: 1,55 K против 2,5 K, если складывать эти вклады напрямую. Платить за это ничем не надо — просто другой тип входа.

Нужен другой выход, другой типоразмер корпуса или питание — напишите нам, в семействе E5_C есть и другие исполнения: запросить цену и наличие.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли поставить термопару вместо Pt100 в тот же контроллер?

В E5CC — да, тип входа переключается параметром. Но физически это другая работа: у термопары два провода вместо трех, нужен термопарный или компенсационный кабель по IEC 60584-3, и работает компенсация холодного спая. Обычная медь на удлинение не годится, она создает паразитный термопереход.

Чем Pt1000 лучше Pt100?

Чувствительностью: 3,85 Ω/°C против 0,385 Ω/°C. То же паразитное сопротивление линии дает в десять раз меньшую погрешность, поэтому для Pt1000 двухпроводное подключение — штатное решение, а не компромисс. Классы допуска по IEC 60751 у них одни и те же.

Сколько градусов дает 1 Ω сопротивления проводников на двухпроводном Pt100?

Примерно 2,6 °C со знаком плюс, потому что 1 Ω поделить на чувствительность 0,385 Ω/°C. Это больше всего допуска класса A при 100 °C, который составляет ±0,35 K. Именно из-за этой арифметики документация WIKA ограничивает двухпроводное подключение Pt100 кабелями до 250 мм.

Почему термопара типа K «уплывает» после работы на 900 °C?

Вероятнее всего, это зеленая гниль: в зоне 800…1050 °C при дефиците кислорода из положительной ветви NiCr вымывается хром, термоэлектрическое напряжение падает, показания идут вниз. Процесс необратим. Для длительной работы в этом диапазоне берут тип N — у него кремний образует защитный оксидный слой.

Нужен сигнал 4-20 мА, а не сопротивление. Что брать?

TR33 в исполнении со встроенным преобразователем: внутри Pt1000 класса A, на выходе двухпроводная петля 4…20 мА, питание 10…30 В DC. Нагрузка считается как RA ≤ (UB − 10 В) / 23 мА, то есть ≈609 Ω при 24 В. E5CC такой вход принимает напрямую, отдельный барьер или преобразователь не нужен.

Коротко

Откройте свой процесс на одной цифре — максимальной рабочей температуре. До 300 °C класс A держит любое исполнение Pt100; до 450 °C класс A берите только в проволочном исполнении (W), потому что у стандартного тонкопленочного (F) элемента класс A заканчивается на +300 °C. Подключение трехпроводное, а при длинной трассе сразу токовая петля. От 450 до 600 °C сравните на калькуляторе: ваш Pt100 там уже класс B, и термопара типа K класса 1 может оказаться точнее. Выше 600 °C классов допуска IEC 60751 для Pt100 уже нет.

Если ваш диапазон лежит в резистивной зоне, посмотрите датчики температуры в каталоге и подборку оборудования Wika; общая логика подбора датчика под задачу разобрана в материале датчики для автоматизации. Если же расчет выводит вас за 600 °C, напишите нам: термопару мы не продаем, но скажем, какой тип и класс искать и какую гильзу под него считать. Сомнительный датчик перед заменой стоит сначала проверить прибором — методика в статье про проверку датчика мультиметром.