Was sind RTD-Temperatursensoren?
RTDs – oder Widerstandsthermometer – sind Temperatursensoren, die einen Widerstand enthalten, dessen Widerstandswert sich mit der Temperatur ändert. Das beliebteste RTD ist das Pt100. Er wird seit vielen Jahren zur Temperaturmessung in Laboren und industriellen Prozessen eingesetzt und hat sich einen Ruf für Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Stabilität erworben.
Die meisten RTD-Elemente bestehen aus einem Stück feinem, gewickeltem Draht, der um einen Keramik- oder Glaskern gewickelt ist. Das Element ist in der Regel recht empfindlich und wird daher oft zum Schutz in eine ummantelte Sonde eingesetzt. Das RTD-Element besteht aus einem reinen Material, dessen Widerstand bei verschiedenen Temperaturen dokumentiert ist. Die Materialien weisen eine vorhersehbare Änderung des Widerstands bei Temperaturänderungen auf; diese vorhersehbare Änderung wird zur Bestimmung der Temperatur verwendet.
Die pt100-Sonde ist einer der genauesten Temperatursensoren. Sie bietet nicht nur eine gute Genauigkeit, sondern auch eine ausgezeichnete Stabilität und Wiederholbarkeit. Die meisten OMEGA-Standard-Pt100 entsprechen der DIN-IEC-Klasse B. Pt100 sind außerdem relativ unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen und eignen sich daher gut für die Temperaturmessung in industriellen Umgebungen, insbesondere in der Nähe von Motoren, Generatoren und anderen Hochspannungsgeräten.
Es gibt zwei Normen für Pt100-RTDs: die europäische Norm, auch bekannt als DIN- oder IEC-Norm (RTD-Temperatur-Widerstands-Tabelle) und der amerikanische Standard (RTD-Temperatur-Widerstands-Tabelle). Der europäische Standard gilt als weltweiter Standard für Platin-RTDs. Dieser Standard, DIN/IEC 60751 (oder einfach IEC751), verlangt, dass der RTD einen elektrischen Widerstand von 100,00 O bei 0 °C und einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR) von 0,00385 O/O/°C zwischen 0 und 100 °C aufweist.
In DIN/IEC751 sind zwei Widerstandstoleranzen festgelegt:
Klasse A = ±(0,15 + 0,002*t)°C oder 100,00 ±0,06 O bei 0 °C
Klasse B = ±(0,3 + 0,005*t)°C oder 100,00 ±0,12 O bei 0 °C
In der Industrie werden zwei Widerstandstoleranzen verwendet:
1/3 DIN = ±1/3* (0,3 + 0,005*t)°C oder 100,00 ±0,10 O bei 0ºC
1/10 DIN = ±1 /10* (0,3 + 0,005*t)°C oder 100,00 ±0,03 O bei 0 °C
Erfahren Sie hier mehr über diese Formeln. Je größer die Elementtoleranz ist, desto stärker weicht der Sensor von einer allgemeinen Kurve ab und desto größer sind die Abweichungen zwischen den einzelnen Sensoren (Austauschbarkeit).
Die heute verfügbaren Widerstandsthermometer (RTDs) lassen sich im Allgemeinen in zwei Grundtypen einteilen, je nachdem, wie ihr Temperaturmesselement aufgebaut ist. Der eine RTD-Typ enthält Dünnschichtelemente, der andere RTD-Typ enthält drahtgewickelte Elemente. Jeder Typ eignet sich am besten für den Einsatz in bestimmten Umgebungen und Anwendungen. Die Erfindung des Widerstandsthermometers wurde durch die Entdeckung ermöglicht, dass die Leitfähigkeit von Metallen mit steigender Temperatur vorhersehbar abnimmt. Das erste Widerstandsthermometer wurde 1860 aus isoliertem Kupferdraht, einer Batterie und einem Galvanometer zusammengebaut. Sein Erfinder, C.W. Siemens, stellte jedoch bald fest, dass ein Platinelement über einen viel größeren Messbereich genauere Messwerte lieferte. Platin ist auch heute noch das am häufigsten verwendete Material für die Temperaturmessung mit RTD-Sensorelementen.
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Denn jedes Pt100-Element im Stromkreis, der das Sensorelement enthält – einschließlich der Anschlussdrähte, Steckverbinder und des Messgeräts selbst – führt zu einem zusätzlichen Widerstand im Stromkreis.
Die Konfiguration des Stromkreises bestimmt, wie genau der Widerstand des Sensors berechnet werden kann und inwieweit die Temperaturmessung durch Fremdwiderstände im Stromkreis verfälscht wird. Da das zwischen dem Widerstandselement und dem Messgerät verwendete Anschlusskabel selbst einen Widerstand aufweist, müssen wir auch eine Möglichkeit zur Kompensation dieser Ungenauigkeit bereitstellen.
Es gibt drei Arten von Kabelkonfigurationen, 2-Draht, 3-Draht und 4-Draht, die häufig in RTD-Messkreisen verwendet werden. Eine 2-Draht-Konfiguration mit einer Kompensationsschleife ist ebenfalls eine Option.
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Der RTD PT100, der am häufigsten verwendete RTD-Sensor, besteht aus Platin (PT) und hat bei 0 °C einen Widerstandswert von 100 O. Im Gegensatz dazu hat ein PT1000-Sensor, der ebenfalls aus Platin besteht, bei 0 °C einen Widerstandswert von 1000 O.
Die RTD Pt100 und Pt1000 sind in einem ähnlichen Messbereich erhältlich und können je nach Reinheit des im Sensor verwendeten Platins ähnliche Temperaturkoeffizienten aufweisen. Beim Vergleich von Pt100 und Pt1000 hinsichtlich des Widerstands ist zu beachten, dass die Widerstandswerte für Pt1000 um den Faktor zehn höher sind als die Widerstandswerte für Pt100 bei gleicher Temperatur. Für die meisten Anwendungen können Pt100 und Pt1000 je nach verwendetem Instrument austauschbar eingesetzt werden. In einigen Fällen funktioniert Pt1000 besser und ist genauer.
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Im selben Jahr, in dem Seebeck seine Entdeckung zur Thermoelektrizität machte, verkündete Sir Humphrey Davy, dass die Widerstandsfähigkeit von Metallen eine deutliche Temperaturabhängigkeit aufweise. Fünfzig Jahre später schlug Sir William Siemens vor, Platin als Element in einem Widerstandsthermometer zu verwenden. Seine Wahl erwies sich als äußerst glücklich, da Platin bis heute als Hauptelement in allen hochgenauen Widerstandsthermometern verwendet wird. Tatsächlich wird der Platin-Widerstandstemperaturfühler oder RTD Pt100 heute als Interpolationsstandard vom Sauerstoffpunkt (-182,96 °C) bis zum Antimonpunkt (630,74 °C) verwendet.
Platin eignet sich besonders gut für diesen Zweck, da es hohen Temperaturen standhält und gleichzeitig eine ausgezeichnete Stabilität aufweist. Als Edelmetall ist es nur begrenzt anfällig für Verunreinigungen.
Die klassische Konstruktion eines Widerstandsthermometers (RTD) aus Platin wurde 1932 von C.H. Meyers vorgeschlagen. Er wickelte eine spiralförmige Platinwendel auf ein gekreuztes Glimmergewebe und führte die Montage der Baugruppe in einem Glasrohr durch. Diese Konstruktion minimierte die Belastung des Drahtes und maximierte gleichzeitig den Widerstand.
Meyers RTD-Konstruktion Obwohl diese Konstruktion ein sehr stabiles Element ergibt, ist der thermische Kontakt zwischen dem Platin und dem Messpunkt recht schlecht. Dies führt zu einer langsamen thermischen Ansprechzeit. Die Zerbrechlichkeit der Struktur beschränkt ihre Verwendung heute vor allem auf den Laborstandard.
Belastungsbedingte Widerstandsänderungen über Zeit und Temperatur werden somit minimiert, und der Vogelkäfig wird zum ultimativen Laborstandard. Aufgrund der nicht abgestützten Struktur und der damit verbundenen Anfälligkeit für Vibrationen ist diese Konfiguration für industrielle Umgebungen noch etwas zu empfindlich.
Eine robustere Konstruktionstechnik ist eine bifilare Wicklung auf einer Glas- oder Keramiksperrrolle. Die bifilare Wicklung reduziert die effektive umschlossene Fläche der Spule, um die magnetische Aufnahme und die damit verbundenen Störgeräusche zu minimieren. Nachdem der Draht auf die Sperrrolle gewickelt wurde, wird die Baugruppe mit einer Schicht aus geschmolzenem Glas versiegelt. Der Versiegelungsprozess stellt sicher, dass der RTD auch unter extremen Vibrationen seine Integrität behält, führt jedoch zu Einschränkungen der Ausdehnung des Platinmetalls bei hohen Temperaturen. Wenn die Ausdehnungskoeffizienten von Platin und Spule nicht perfekt übereinstimmen, wird der Draht bei Temperaturänderungen beansprucht, was zu einer spannungsbedingten Widerstandsänderung führt. Dies kann zu einer dauerhaften Änderung des Widerstands des Drahtes führen.
Es gibt teilweise unterstützte Versionen des RTD, die einen Kompromiss zwischen dem Vogelkäfig-Ansatz und der versiegelten Spirale darstellen. Bei einem dieser Ansätze wird eine Platinspirale durch einen Keramikzylinder gefädelt und mit Glasfritte befestigt. Diese Geräte behalten ihre ausgezeichnete Stabilität auch bei mäßig starken Anwendungen.
RTD vs. Thermoelement oder Thermistor Jeder Sensor eignet sich für bestimmte Bedingungen besonders gut. RTDs bieten mehrere Vorteile:
- Ein großer Messbereich (ca. -200 bis 850 °C)/li>
- Gute Genauigkeit (besser als Thermoelemente)/li>
- Gute Austauschbarkeit/li>
- Langfristige Stabilität
Mit einem Messbereich von bis zu 850 °C können RTDs in allen industriellen Prozessen außer denen mit den höchsten Temperaturen eingesetzt werden. Wenn sie aus Metallen wie Platin hergestellt werden, sind sie sehr stabil und werden nicht durch Korrosion oder Oxidation beeinträchtigt. Andere Materialien wie Nickel, Kupfer und Nickel-Eisen-Legierungen wurden ebenfalls für RTDs verwendet. Diese Materialien werden jedoch nicht häufig verwendet, da sie eine geringere Temperaturbeständigkeit aufweisen und nicht so stabil und mit hoher Wiederholbarkeit ausgestattet sind wie Platin.
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Sowohl Thermistoren als auch Widerstandsthermometer (RTDs) sind Arten von Widerständen, deren Widerstandswerte sich vorhersehbar mit Änderungen ihrer Temperatur ändern. Die meisten RTDs bestehen aus einem Element aus reinem Metall (am häufigsten wird Platin verwendet), das in einer Sonde oder Hülle geschützt oder in ein Keramiksubstrat eingebettet ist.
Thermistoren bestehen aus Verbundmaterialien, in der Regel Metalloxiden wie Mangan, Nickel oder Kupfer, sowie Bindemitteln und Stabilisatoren.
In den letzten Jahren haben Thermistoren aufgrund von Verbesserungen bei Messgeräten und Reglern zunehmend an Beliebtheit gewonnen. Heutige Messgeräte sind so flexibel, dass Benutzer einen breiten Messbereich an Thermistoren einrichten und die Sonden leicht austauschen können.
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