Εξηγούνται οι αρχές και οι βιομηχανικές εφαρμογές των αισθητήρων Pt100

Σε βιομηχανικά περιβάλλοντα όπου η ακριβής μέτρηση της θερμοκρασίας είναι κρίσιμη, μια τεχνολογία ξεχωρίζει για την αξιοπιστία και την ακρίβειά της: ο αισθητήρας θερμοκρασίας αντίστασης πλατίνας Pt100. Γνωστός για την εξαιρετική γραμμικότητα, σταθερότητα και αντοχή στη διάβρωση, αυτός ο αισθητήρας διαδραματίζει ζωτικό ρόλο σε βιομηχανικές εφαρμογές μέτρησης θερμοκρασίας.

Η ονομασία "Pt100" αποκαλύπτει βασικές πληροφορίες σχετικά με αυτόν τον τύπο αισθητήρα. Το "Pt" σημαίνει πλατίνα, το ευγενές μέταλλο που χρησιμοποιείται ως αισθητήριο στοιχείο, ενώ το "100" υποδεικνύει μια αντίσταση 100Ω στους 0°C. Παρόμοιες συμβάσεις ονοματολογίας ισχύουν και για άλλους ανιχνευτές θερμοκρασίας αντίστασης (RTDs), όπως Cu100 (χαλκός) ή Ni120 (νικέλιο).

Μεταξύ των διαφόρων τύπων RTD, το Pt100 παραμένει το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο. Οι εξαιρετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες της πλατίνας καθιστούν τα RTDs με βάση την πλατίνα (που συχνά ονομάζονται θερμόμετρα αντίστασης πλατίνας ή PRTs) την προτιμώμενη επιλογή για μετρήσεις ακριβείας.

Το Pt100 λειτουργεί με βάση μια θεμελιώδη αρχή: καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, αυξάνεται και η ηλεκτρική αντίσταση του στοιχείου πλατίνας. Ένας τυπικός αισθητήρας Pt100 δείχνει 100Ω στους 0°C και 138,5Ω στους 100°C, επιδεικνύοντας μια σταθερή αλλαγή περίπου 0,385Ω ανά βαθμό Κελσίου.

Όλες οι προδιαγραφές Pt100—συμπεριλαμβανομένων των τιμών αντίστασης, των συντελεστών θερμοκρασίας, των ανοχών και των χρωματικών κωδίκων καλωδίων—συμμορφώνονται με το διεθνές πρότυπο BS EN 60751:2008. Αυτή η τυποποίηση εξασφαλίζει την εναλλαξιμότητα μεταξύ αισθητήρων από διαφορετικούς κατασκευαστές.

Παρά το γεγονός ότι είναι ένα πολύτιμο μέταλλο με υψηλότερο κόστος υλικού, η πλατίνα προσφέρει απαράμιλλη γραμμικότητα και σταθερότητα για την ανίχνευση θερμοκρασίας. Η εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση και η χημική αδράνειά της, σε συνδυασμό με τη σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, την καθιστούν ιδανική για απαιτητικές εφαρμογές. Πέρα από τα RTDs, η πλατίνα χρησιμοποιείται επίσης σε θερμοστοιχεία υψηλής θερμοκρασίας.

Είναι αξιοσημείωτο ότι η πραγματική περιεκτικότητα σε πλατίνα σε έναν αισθητήρα Pt100 είναι ελάχιστη, διατηρώντας το κόστος του υλικού ένα μικρό κλάσμα της συνολικής τιμής του αισθητήρα.

Οι βιομηχανικοί αισθητήρες Pt100 χρησιμοποιούν συνήθως μία από τις δύο τεχνολογίες ανίχνευσης: στοιχεία λεπτής μεμβράνης ή στοιχεία περιέλιξης σύρματος.

Η τεχνολογία λεπτής μεμβράνης κυριαρχεί σε εφαρμογές βιομηχανικής χρήσης υψηλού όγκου και ευαίσθητες στο κόστος. Αυτά τα στοιχεία διαθέτουν ένα πλέγμα πλατίνας κομμένο με λέιζερ που εναποτίθεται σε ένα κεραμικό υπόστρωμα, με την αυτοματοποιημένη παραγωγή να εξασφαλίζει σταθερή ποιότητα. Κοινά σε εφαρμογές αυτοκινήτων και συσκευών, οι αισθητήρες λεπτής μεμβράνης προσφέρουν:

• Στιβαρή κατασκευή που αντέχει σε σημαντικούς κραδασμούς και δονήσεις
• Τυπικό εύρος λειτουργίας από -70°C έως +500°C
• Τυπικές ανοχές Class B ή Class A (ορισμένες επιτυγχάνουν ακρίβεια 1/3 DIN)

Ωστόσο, υπάρχουν περιορισμοί. Οι υψηλότερες απαιτήσεις ακρίβειας μειώνουν το χρησιμοποιήσιμο εύρος θερμοκρασίας. Η θερμική κυκλοφορία μπορεί να προκαλέσει συσσώρευση τάσης μεταξύ του πλέγματος πλατίνας και του κεραμικού υποστρώματος, επηρεάζοντας ενδεχομένως τη μακροπρόθεσμη ακρίβεια.

Τα στοιχεία περιέλιξης σύρματος, αν και πιο ακριβά λόγω της χειροκίνητης παραγωγής, προσφέρουν ανώτερη αξιοπιστία—ειδικά στη μακροπρόθεσμη σταθερότητα. Αυτοί οι αισθητήρες διαθέτουν χειροποίητα πηνία πλατίνας που εισάγονται σε πορώδεις κεραμικούς μονωτήρες, επιτρέποντας την ελεύθερη θερμική διαστολή χωρίς συσσώρευση τάσης.

Βασικά πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν:

• Εκτεταμένο εύρος θερμοκρασίας έως 650°C
• Υψηλότερες ταξινομήσεις ανοχής
• Η μόνη βιώσιμη επιλογή για κρυογονικές εφαρμογές έως -200°C

Η συμβιβαστική λύση έρχεται στη μηχανική ανθεκτικότητα—τα στοιχεία περιέλιξης σύρματος δεν είναι κατάλληλα για περιβάλλοντα υψηλών κραδασμών λόγω των ελάχιστα υποστηριζόμενων πηνίων πλατίνας.

Ανεξάρτητα από την τεχνολογία ανίχνευσης, οι αισθητήρες Pt100 μοιράζονται παρόμοιες αρχές κατασκευής. Οι περισσότεροι διαθέτουν προστατευτικές μεταλλικές θήκες—τυπικά ανοξείδωτο χάλυβα 316 για γενική χρήση, με εναλλακτικές λύσεις όπως ανοξείδωτο χάλυβα 310 ή Inconel για εξειδικευμένες εφαρμογές.

Τα γυμνά ή αεριζόμενα στοιχεία μπορούν να μετρήσουν ξηρά αέρια, αλλά πρέπει να αποφεύγεται η έκθεση σε υγρά. Οι μέθοδοι σύνδεσης ποικίλλουν από την απευθείας καλωδίωση έως τα τερματικά κουτιά ή τους βιομηχανικούς συνδέσμους, ανάλογα με τις απαιτήσεις εγκατάστασης.

Η μέτρηση της εξόδου Pt100 είναι απλή με εμπορικά όργανα που χειρίζονται τόσο την απόκτηση σήματος όσο και τη γραμμικοποίηση. Για μεγάλες διαδρομές καλωδίων, οι πομποί θερμοκρασίας μετατρέπουν το σήμα αντίστασης σε τυπικές εξόδους 4-20mA, επιτρέποντας την αξιόπιστη μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις. Οι πομποί τοποθετούνται σε κουτιά διακλάδωσης ή σε ράγες DIN, όπως απαιτείται.

Το Pt100 αντιπροσωπεύει έναν συγκεκριμένο τύπο RTD με 100Ω στους 0°C και 138,5Ω στους 100°C. Η σταθερότητα και η ακρίβειά του το καθιστούν το βιομηχανικό πρότυπο για τη μέτρηση της θερμοκρασίας διεργασίας και εργαστηρίου.

Ο αισθητήρας λειτουργεί με βάση τη προβλέψιμη σχέση αντίστασης-θερμοκρασίας της πλατίνας, που περιγράφεται από την εξίσωση Callendar-Van Dusen. Αυτή η γραμμική αλλαγή επιτρέπει την ακριβή μέτρηση της θερμοκρασίας σε βιομηχανικές και επιστημονικές εφαρμογές.

Ως RTD που συμμορφώνεται με το IEC 60751, οι αισθητήρες Pt100 συνδυάζουν την ανθεκτικότητα της μέτρησης με την ακρίβεια. Τα στοιχεία πλατίνας τους παρουσιάζουν χαμηλή υστέρηση και εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση, που συχνά στεγάζονται σε θήκες από ανοξείδωτο χάλυβα ή ειδικό κράμα για σκληρά περιβάλλοντα.

Με βαθμολογίες θερμοκρασίας που υπερβαίνουν τους 600°C, αυτοί οι αισθητήρες εξυπηρετούν απαιτητικές εφαρμογές από βιομηχανικούς κλιβάνους έως την παρακολούθηση καυσαερίων. Διάφορες επιλογές καλωδίων μολύβδου (χαλκός, νικέλιο κ.λπ.) και τυποποιημένοι σύνδεσμοι εξασφαλίζουν τη συμβατότητα σε όλα τα συστήματα μέτρησης.