Pergunte a cinco pessoas o que significa “PT100” e você geralmente obterá “algum tipo de sensor de temperatura” como resposta completa. Tudo bem se você estiver apenas conversando -, mas se for você quem escreve as especificações de compra, as lacunas nessa resposta são exatamente onde os problemas aparecem mais tarde: um sensor que lê bem na bancada, mas flutua quando é soldado em um poço termométrico, ou um que é tecnicamente correto, mas conectado da maneira errada para o transmissor que está alimentando.
Este artigo aborda a mecânica de como um PT100 realmente mede a temperatura, as diferenças práticas entre os tipos de sensores que você escolherá e - porque a teoria só leva você até certo ponto - uma situação real em que errar um desses detalhes causou um problema mensurável em uma linha de produção.
O que realmente é um PT100
Um PT100 é um detector de temperatura de resistência (RTD) - um elemento de platina cuja resistência elétrica muda de maneira conhecida e repetível conforme a temperatura muda. O “100” no nome é o valor da resistência em 0 grau: exatamente 100 ohms. Aqueça, a resistência aumenta; esfrie, a resistência cai.
A platina não é o único metal que faz isso - também existem RTDs de níquel e cobre -, mas a platina venceu para uso industrial porque não oxida facilmente, mantém sua calibração ao longo de anos de ciclos térmicos e sua curva de resistência é bem-definida o suficiente para ser padronizada internacionalmente. Esse padrão é IEC 60751, e é o documento que a folha de dados de todos os fabricantes respeitáveis faz referência silenciosamente, mesmo quando não o dizem abertamente.
Fisicamente, o elemento fica dentro de uma bainha de metal - geralmente inoxidável 316, às vezes Inconel ou Hastelloy para mídia desagradável - com fios condutores saindo para um transmissor ou placa de entrada analógica de um controlador. O sensor em si não possui display nem lógica; apenas muda a resistência. Todo o resto acontece a jusante.
A física por trás da leitura
Por que a resistência muda com a temperatura
À medida que a platina aquece, a vibração atômica aumenta, o que torna mais difícil para os elétrons se moverem através da rede - a resistência aumenta. Esse relacionamento não é linear em todo o intervalo, mas é próximo o suficiente e bem{2}}caracterizado o suficiente para ser capturado em uma equação, em vez de apenas em uma tabela de pesquisa: a equação de Callendar-Van Dusen.
Para temperaturas acima de 0 grau, a forma simplificada é:
Rt=R0 [1 + At + Bt²]
R0 é 100 ohms para um PT100, e A e B são constantes fixas da IEC 60751. Abaixo de 0 grau, um terceiro termo é adicionado porque a curva se curva de maneira ligeiramente diferente lá embaixo. Você não precisa memorizar isso - mas vale a pena saber que ele existe, porque é a razão pela qual um "PT100" de um fabricante e um "PT100" de outro irão realmente concordar entre si em uma determinada temperatura, em vez de cada um ter sua própria curva particular.
Um número que vale a pena lembrar: a 100 graus, um PT100 padrão lê aproximadamente 138,5 ohms. Se você estiver solucionando problemas em um sensor com um multímetro e ele não estiver nem perto disso, no que deveria ser 100 graus, algo está errado - seja o elemento, a fiação ou sua suposição sobre a temperatura em que ele realmente está.
Há também uma divisão que você deve conhecer antes de fazer o pedido: a “curva europeia” (alfa=0.00385) é o padrão em todos os lugares fora da América do Norte, enquanto uma “curva americana” mais antiga (0,00392) ainda aparece em alguns equipamentos legados. Misturar os dois em um retrofit é uma fonte clássica de leitura de temperatura que varia alguns graus sem motivo óbvio.
Transformando a resistência em um número que você pode ler
Um transmissor passa uma pequena corrente através do elemento, mede a tensão através dele, calcula a resistência e aplica a curva para indicar a temperatura. É isso. É também por isso que um PT100 é basicamente inútil sem um transmissor ou uma placa de entrada compatível com RTD - atrás dele - o sensor é apenas metade da cadeia de medição.
O detalhe da fiação que realmente causa problemas de campo
É aqui que muitas decisões de compra dão errado, e raramente é porque alguém foi descuidado - simplesmente não é óbvio, a menos que alguém lhe conte.
2 fiosé mais barato, mas a resistência do próprio fio é adicionada diretamente à leitura. Em um cabo de 30{3}} metros, esse erro não é mais trivial. Multa para tiragens curtas ou monitoramento não crítico; não é adequado para qualquer coisa que você queira controlar.
3 fiosé o padrão para a maioria dos trabalhos industriais. Um terceiro fio permite que o transmissor estime e cancele a resistência do condutor, assumindo que os três condutores sejam iguais em comprimento e bitola. Bom equilíbrio entre custo e precisão, e é por isso que você encontrará na maioria dos transmissores de processo vendidos atualmente.
4 fioselimina quase totalmente o erro de resistência do condutor, separando os fios de-condução de corrente e de detecção de tensão-. Isso é o que você deseja para padrões de referência de calibração ou em qualquer lugar que frações de grau realmente importem -, mas é um exagero e um custo extra para muitos pontos de monitoramento geral.
O erro que vejo com mais frequência não é escolher o tipo de fiação errado isoladamente -, é solicitar um sensor de 3 fios para um transmissor que foi configurado para entrada de 2 fios ou vice-versa. O sensor e o instrumento precisam concordar, e esse detalhe é fácil de perder quando compras e instrumentação são duas pessoas diferentes trabalhando em dois documentos diferentes.
Elementos de filme-enrolados versus finos-de arame
Fio-enroladoelementos - fio de platina enrolado em torno de um núcleo de cerâmica ou vidro - tendem a manter a calibração extremamente bem durante uma longa vida útil e grandes oscilações de temperatura. Eles são mais caros e um pouco mais frágeis mecanicamente.
Filme-finoos elementos são feitos depositando platina em um substrato cerâmico, semelhante em espírito à forma como um microchip é construído. Eles são menores, mais baratos para produzir em grande volume e resistem melhor à vibração - e é por isso que eles assumiram amplamente o uso industrial geral e OEM. A compensação-é uma faixa de temperatura nominal mais estreita em comparação com versões premium-de fio enrolado, embora para a maioria dos trabalhos de processo esse limite nunca seja realmente alcançado.
Se sua aplicação for moderada - pense em dutos HVAC, o monitoramento geral do tanque - filme fino-é quase sempre a escolha econômica e sensata. Economize fio-enrolado para aplicações de alta-temperatura ou longa-vida-de serviço, onde a estabilidade extra recupera seu custo.
PT100 vs. Termopar vs. PT1000
Compradores novos eminstrumentação de temperaturamuitas vezes perguntam qual desses três eles deveriam realmente especificar.
Contra umtermopar, um PT100 vence em precisão e estabilidade-de longo prazo na faixa baixa-a-média (aproximadamente -200 graus a 850 graus) e não requer compensação de junta fria. Um termopar vence onde as temperaturas vão mais altas do que a platina pode suportar ou onde você precisa de uma resposta mais rápida e pode viver com menor precisão.
Contra umPT1000, o princípio de funcionamento é idêntico - mesma platina, mesma física - apenas 1.000 ohms a 0 graus em vez de 100. Essa resistência de base mais alta torna o erro do fio condutor-proporcionalmente menor, de modo que um PT1000 muitas vezes pode escapar com fiação de 2-fios sem a penalidade de precisão que um PT100 sofreria. Isso torna o PT1000 uma escolha comum em automação predial, onde os cabos são longos, mas você não busca precisão de nível de laboratório.
Um caso real: quando “perto o suficiente” não era
Uma operação de-processamento de alimentos executando uma linha de pasteurização vinha obtendo leituras inconsistentes de temperatura de lote há semanas - nada dramático, apenas alguns graus de desvio que apareciam intermitentemente e não se correlacionavam com nada óbvio no processo em si. A manutenção já havia trocado o sensor uma vez, presumiu que o problema foi resolvido e seguiu em frente. Voltou um mês depois.
A causa real acabou sendo a fiação, não o sensor: o PT100 de 3{2}}fios original foi substituído por uma unidade de um fornecedor diferente cuja bitola do fio condutor era ligeiramente diferente da passagem original, o que prejudicou a compensação de resistência-de chumbo que o transmissor estava calculando. No papel, ambos os sensores atenderam às especificações. Na prática, a incompatibilidade foi grande o suficiente para deslocar a leitura para fora da tolerância que importava para o tempo de espera da pasteurização - um parâmetro de segurança alimentar, não cosmético.
A solução não foi um sensor melhor. Ele estava padronizando a bitola e o comprimento do fio condutor em todo o estoque de reposição dessa linha e adicionando uma rápida verificação de resistência à temperatura ambiente como uma etapa de-inspeção de recebimento antes de qualquer novo sensor entrar em serviço. A lição é generalizada: um PT100 é tão preciso quanto toda a cadeia de medição ao seu redor, e “o mesmo número de peça” nem sempre significa “o mesmo fio real”.
O que realmente verificar antes de fazer o pedido
Para a maioria dos compradores, a decisão se resume a cinco questões, aproximadamente nesta ordem de importância:
- Qual é a faixa de temperatura do processo e quão rigorosa deve ser a tolerância?Isso decide que a classe de precisão - Classe B (±0,30 graus a 0 graus) cobre a maior parte do monitoramento geral; Classe A ou 1/3 DIN vale a pena para malhas de controle ou processos regulados.
- Que fiação seu transmissor ou placa PLC espera?Confirme isso antes de fazer o pedido, não depois de - ser a causa mais comum de problemas de campo evitáveis.
- Qual é o material da bainha e o diâmetro da sonda adequados ao meio e à pressão do seu processo?Aplicações corrosivas ou de alta-pressão geralmente também exigem um poço termométrico, tanto para proteção quanto para que o sensor possa ser trocado sem desligamento.
- Você precisa de um-transmissor montado na cabeça?A conversão para um sinal de 4-20 mA diretamente no sensor melhora a imunidade a ruídos em cabos longos e compensa o custo extra em ambientes eletricamente ruidosos.
- Qual é o seu plano de calibração e substituição?Os sensores oscilam ao longo de anos de ciclos térmicos. Os processos críticos normalmente são verificados anualmente; pontos de monitoramento-de baixo risco podem durar mais tempo.
Notas de instalação que vale a pena conhecer
A profundidade de inserção é mais importante do que a maioria das pessoas espera - a ponta de detecção precisa alcançar o fluxo ou meio real, e não apenas atravessar a parede do tubo, ou você acabará medindo a camada limite em vez do processo. Os poços termométricos valem o custo extra em qualquer lugar que a pressão, a corrosão ou a necessidade de substituição-do hot swap sejam um fator. E se você estiver solucionando uma leitura que parece errada, verifique a resistência em uma temperatura de referência conhecida (água gelada é uma referência barata e confiável de 0 graus) antes de assumir que o problema é o transmissor ou o processo em si.
Conclusão
A física por trás de um PT100 é simples e não mudou em décadas - a resistência da platina aumenta previsivelmente com a temperatura, e essa relação é padronizada para que instrumentos de diferentes fabricantes concordem entre si. O que os compradores realmente erram não é a seleção do sensor em si; são os detalhes em torno dele - configuração da fiação, consistência do fio condutor, material da bainha para as condições reais do processo. Acerte no estágio de especificação e a parte do sensor será a parte mais fácil.
Se você estiver adquirindo sensores PT100 para uma linha ou equipamento específico, enviar ao fornecedor a faixa de temperatura, a classe de precisão necessária, o tipo de fiação e o ambiente de instalação antecipadamente - em vez de apenas um número de peça - geralmente é o que separa um sensor que funciona de outro que é trocado duas vezes antes que alguém encontre o problema real.
Perguntas frequentes
PT100 é a mesma coisa que um RTD?
Não - PT100 é um tipo específico de RTD, feito de platina com resistência de 100 ohms a 0 grau. RTD é a categoria mais ampla, que também inclui PT500, PT1000 e sensores baseados em níquel- ou cobre-.
Quão preciso é realmente um sensor PT100?
A classe B tem precisão de cerca de ±0,30 graus a 0 graus. Classe A aperta isso para aproximadamente ±0,15 graus. Sensores DIN 1/10 de alta-precisão atingem ±0,03 graus, o que é principalmente uma especificação padrão de-laboratório ou calibração, em vez de algo que o monitoramento geral de processos precisa.
Um PT100 consegue lidar com temperaturas abaixo de{1}}zero?
Sim, as unidades padrão são classificadas em cerca de -200 graus, o que cobre a maioria das aplicações criogênicas e de cadeia de frio sem a necessidade de nada especializado.
Por que alguns sensores PT100 possuem três ou quatro fios em vez de dois?
Os fios extras permitem que o instrumento subtraia a resistência do próprio fio condutor, que de outra forma seria contada como parte do sinal de temperatura - um erro que aumenta com o comprimento do cabo.
Referências
- Comissão Eletrotécnica Internacional.IEC 60751 - Termômetros industriais de resistência de platina e sensores de temperatura de platina.
- Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST).Escala de temperatura ITS-90 e dados de referência de termometria de resistência de platina.
- Ômega Engenharia.Guia de referência RTD (detector de temperatura de resistência).
- Corporação Fluke.Calibração: Filosofia na Prática - Termometria de Resistência.
