Pt100 – Mätosäkerhet och mätavvikelser

Mätosäkerhet och mätavvikelser

För att minimera mätfelen, som ofrånkomligt uppstår vid varje temperaturmätning, är det viktigt att känna till de faktorer som påverkar mätningen
1. Svarstid *
2. Instickslängd
3. Avvikelse från föreskrivet montage
4. Egenuppvärmning
5. Vibrationer och andra mekaniska belastningar *
6. Omgivningstemperaturen/Värmeavledning *
7. Avvikelser hos mätelementet avseende grundvärdena
8. Kemiska reaktioner *
9. Joniserande strålning
10. Givarens inre isolationsmotstånd
11. Inducerade termospänningar
12. Elektriska och magnetiska störfält
13. Termisk belastning *
14. Friktion från medieflödet
15. Värmestrålning
* se beskrivningarna nedan för ytterligare information.

Då det som synes är en hel rad faktorer, som kan förvränga ett temperaturvärde är det av vikt att inför varje enskild mätning noggrant undersöka vilka förutsättningar, som gäller.
KROHNE INORs specialister har lång erfarenhet och kan ge praktisk rådgivning för såväl enkla som komplicerade mätningar.

Fel på grund av mekanisk belastning

Tryck, vibrationer och böjning är de vanligaste mekaniska belastningarna temperaturgivare utsätts för. Mätmotstånd, utsatta för tryck eller böjning, ändrar motståndsvärdet mer eller mindre beroende på konstruktionen. Förändringen blir större ju fastare förbindningen mellan motståndsmetallen och dess stomme är. En temperaturgivare måste därför konstrueras så att belastningar ej överförs till
mätmotståndet. Kraftiga vibrationer kan leda till avbrott på interna ledare och skyddsrör. I skaksäkra motståndsgivare måste därför de interna ledarna ges minsta möjliga rörelsefrihet. I temperaturgivare utsatta för tryck eller böjbelastningar skall däremot tilledningarna ges största möjliga rörelsefrihet för att därigenom förhindra överföring av belastningen.

Mekanisk belastning på givare i process

Fel på grund av kemiska reaktioner

Korrosionsbeständigheten i en motståndsgivares skyddsarmatur är den avgörande faktorn vid kemisk påverkan. Det är därför ytterst viktigt att armaturen tillverkas i ett material, som passar dels processkärlet, dels processmediet och dels den högsta förekommande medietemperaturen. Givartillverkaren måste säkerställa att mätinsatsen är tätad för att förhindra att fukt tränger igenom. Vid hög temperatur kan dessutom stark syrebrist vid mätmotståndet medföra reaktionsförlopp i mätmotståndets keramiska stomme, vilket leder till att metaller diffunderar in i mättråden. Till följd av detta, kan de elektriska egenskaperna förändras.

Kemiskt angrepp
Kemiskt angrepp

Påverkan av termisk belastning

Pt100 element har praktiskt taget ingen oxidationsbenägenhet. Däremot kan de elektriska värdena driva beroende på bl.a. mätmotståndets konstruktion samt hur nära temperaturgränsen man befinner sig. Förändringarna orsakas oftast av föroreningar i metallen och i de omgivande isolationsmaterialen. Termisk belastning kan dessutom minska isolationsmotståndet, vilket märkbart kan påverka mätresultatet.

Minskat isolationsmotstånd vid termisk belastning
Minskat isolationsmotstånd vid termisk belastning
Föroreningar i omgivande metaller
Föroreningar i omgivande metaller

Fel på grund av värmeavledning

Temperaturmätning med beröringsgivare förutsätter att givaren kommer i direkt kontakt med mediet, antingen genom att givaren doppas in i mediet, som då helt omsluter den temperaturkänsliga delen, eller genom att givaren lägges an mot mediets yta. I båda fallen störs den befintliga värmeströmningen eftersom givaren transporterar värme från mediet till omgivningen.
Speciellt vid mätning av yttemperatur är felet p.g.a. värmeavledning framträdande. Ytans utstrålning, och därmed också temperaturprofilen, ändras omkring mätstället. Mätnoggrannheten förbättras avsevärt om givaren har:

  • liten massa och volym
  • god värmekontakt
  • liten värmeledningsförmåga till omgivningen
Värme avledning

Mätvärdesomvandlare

Mätvärdesomvandlare används för omvandling av en motståndsgivares resistansvärde till en process-anpassad mätsignal. För anslutning av givaren till omvandlaren tillämpas tre olika anslutningsmetoder: 2-, 3- och 4-ledaranslutning. I samtliga anslutnings­former sänder omvandlaren en konstant ström genom mätmotståndet, som man sedan mäter spänningsfallet över. Omvandlare tillverkas i 2- resp. 4-trådsutförande (ej att förväxla med 2- resp. 4-ledaranslutning). I 4-tråds-utförande matas omvandlaren genom två separata ledare (därav beteckningen separatmatad) skilda från utgångens två ledare.

I 2-trådsutförande matas omvandlaren via utgångens båda ledare vilka därigenom uppfyller dubbla funktioner. Därav följer automatiskt att en 2-trådsomvandlares utsignal pga. egenförbrukningen ej kan gå ned till 0, utan har ett lägsta värde av 4 mA. Standardspannet (processnorm) blir därför 4-20 mA. Utsignalen från en 4-trådsomvandlare kan däremot fås att anta godtyckliga processignalvärden.

Ingång

Mätvärdesomvandlare används för omvandling av en motståndsgivares resistansvärde till en process-anpassad mätsignal. För anslutning av givaren till omvandlaren tillämpas normalt tre olika anslutningsmetoder: 2-, 3- och 4-ledaranslutning. I samtliga anslutnings­former sänder omvandlaren en konstant ström genom mätmotståndet, som man sedan mäter spänningsfallet över. Det är viktigt att mätströmmen hålls liten för att minimera egenuppvärmningen. En bra omvandlare avger en mätström som ligger under 1 mA.

Utgång

Omvandlare tillverkas i 2- resp. 4-trådsutförande (ej att förväxla med 2- resp. 4-ledaranslutning). I 4-tråds-utförande matas omvandlaren genom två separata ledare (därav beteckningen separatmatad) skilda från utgångens två ledare.

I 2-trådsutförande matas omvandlaren via utgångens båda ledare vilka därigenom uppfyller dubbla funktioner. Därav följer automatiskt att en 2-trådsomvandlares utsignal pga. egenförbrukningen ej kan gå ned till 0, utan har ett lägsta värde av 4 mA. Standardspannet (processnorm) blir därför 4-20 mA. Utsignalen från en 4-trådsomvandlare kan däremot fås att anta godtyckliga processignalvärden som 0 – 20 mA, 4 – 20 mA, 0-5 V eller 1 – 5 V.

Givarbrott

De stora påfrestningarna temperaturgivare utsätts för kan medföra risk för elektriskt avbrott inuti givaren. Avbrottet kan drabba tilledningarna eller också kan mätmotståndet skadas. Samtliga dessa fel går under namnet givarbrott. Den vanligaste orsaken till givarbrott är vibrationer i eller omkring den kritiska frekvensen. En modern omvandlare ger signal vid givarbrott. Detta sker genom att utsignalen går till ett förbestämt värde, vanligast strax ovanför 20 mA.
Konsekvent givarbrottskydd innebär att omvandlaren signalerar, dvs utsignalen går till ett förutbestämt värde, oavsett i vilken ledare avbrottet har ägt rum (viktigt att veta vid 3- eller 4-ledaranslutning). Hos KROHNE INOR’s programmerbara omvandlare bestämmer användaren själv utsignalens värde vid givarbrott.

OBS! När givarens isolationsmotstånd sjunker under en viss nivå kan det inträffa att omvandlaren uppfattar det låga isolationsmotståndet som ett mätvärde i stället för det motstånd som mätmotståndet intar. Påföljden blir att omvandlaren luras att tro att mätkedjan är intakt även sedan ett givarbrott ägt rum. De flesta KROHNE INOR-omvandlare har en funktion, SmartSense, som kontinuerligt övervakar temperaturgivarens isolationsresistans och ger signal när denna är för låg.

Givarbrott - T.ex. bruten ledare
Givarbrott - T.ex. bruten ledare

Linjärisering

Med temperaturlinjärisering menas att en omvandlare alltid lämnar samma förändring av utsignalen för en viss förändring av in-temperaturen oberoende av var inom mätspannet denna förändring sker. Förhållandet temperatur/utsignal blir därför en rät linje. För motståndslinjära omvandlare är däremot överföringen olinjär ur temperatur-hänseende som medför olika stora förändringar av utsignalen inom mätspannets olika delar. Hos digitala omvandlare kan man lätt ställa om mellan motstånds- och temperaturlinjäritet.

Linjärisering
Linjärisering

2-ledaranslutning

I en 2-ledaranslutning ligger motståndet från anslutningsledningarna i serie med mätmotståndet. Förändringar i tilledningarnas motstånd kommer därför att direkt påverka mätresultatet. P.g.a. de up­penbara nackdelarna används denna form sällan och bör användas med försiktighet.

Mätfel p.g.a. ledningarnas motstånd är i regel cirka 2,6 °C per ohm för en Pt100-givare och 10 gånger mindre för Pt1000. Om ledningsmotståndet är känt, kan signalomvandlaren justeras manuellt för att kompens­era ledningsmotståndet. Eftersom detta är en fast jus­tering, kommer förändringar i ledningsmotståndet på grund av temperaturvariationer inte att kompenseras.

2-ledaranslutning

3-ledaranslutning

Detta är den vanligast förekommande formen för anslutning. 3-ledaranslutning förutsätter att resistansen i de tre ledarna är lika. Normalt elimin­erar den i stort sett inverkan av förändringar i tilledningarna så länge dessa förändringar är lika i de tre ledarna (hos KROHNE INOR’s IPAQ-signalomvandlare är inverkan helt eliminerad). För omvandlare inbyggda i givarens anslutningshuvud är 3-ledaranslutning den mest använda metoden.

3-ledaranslutning

4-ledaranslutning

4-ledaranslutning används vid noggranna mätningar. Mätströmmen leds genom två ledningar och spänningsfallet mäts över de två återstående. Härigenom elimineras alla motståndsförändringar i tilledningarna, även när dessa skiljer sig från varandra. De flesta moderna signalomvandlare stödjer denna rekommenderade anslutning.

4-ledaranslutning