Einleitung
RTD-Elemente gibt es in vielen Ausführungen, die verschiedenen Normen entsprechen, unterschiedliche Temperaturbereiche abdecken und in verschiedenen Größen und Genauigkeiten erhältlich sind. Sie funktionieren jedoch alle auf die gleiche Weise: Jedes Element hat einen vorgegebenen Widerstandswert bei einer bekannten Temperatur, der sich auf vorhersehbare Weise ändert. Auf diese Weise kann durch Messung des Widerstands des Elements die Temperatur des Elements anhand von Tabellen, Berechnungen oder Messgeräten bestimmt werden. Diese Widerstandselemente sind das Herzstück des RTD (Resistance Temperature Detector, Widerstandstemperaturdetektor). Im Allgemeinen ist ein bloßes Widerstandselement zu empfindlich und zerbrechlich, um in seiner Rohform verwendet zu werden, sodass es durch Einbau in einen RTD (pt100 oder pt1000) geschützt werden muss.
Widerstandstemperaturdetektor ist ein allgemeiner Begriff für jedes Gerät, das die Temperatur durch Messung der Widerstandsänderung der Materialien erfasst. RTDs gibt es in vielen Formen, meist jedoch in ummantelter Ausführung. Eine RTD-Sonde ist eine Baugruppe, die aus einem Widerstandselement, einer Ummantelung, einem Anschlussdraht und einem Anschluss oder einer Verbindung besteht. Die Ummantelung, ein geschlossenes Rohr, fixiert das Element und schützt es vor Feuchtigkeit und der zu messenden Umgebung. Die Ummantelung bietet außerdem Schutz und Stabilität für die Übergangsanschlussdrähte der empfindlichen Elementdrähte.
Einige RTD-Sonden können für zusätzlichen Schutz mit Schutzrohren kombiniert werden. Bei dieser Art von Anwendung bietet das Schutzrohr nicht nur zusätzlichen Schutz für das RTD, sondern dichtet auch das zu messende System (z. B. einen Tank oder Kessel) gegen direkten Kontakt mit dem RTD ab. Dies ist eine große Hilfe beim Austausch des RTD, ohne dass das Gefäß oder System entleert werden muss.
Thermoelemente sind die altbewährte Methode zur elektrischen Temperaturmessung. Sie funktionieren ganz anders als RTDs, haben aber im Allgemeinen die gleiche Konfiguration: oft ummantelt und möglicherweise in einem Schutzrohr. Im Grunde genommen betreiben sie den Seebeck-Effekt, der zu einer Änderung der thermoelektrischen EMK führt, die durch eine Temperaturänderung induziert wird. Viele Anwendungen eignen sich entweder für RTDs oder für Thermoelemente. Thermoelemente sind in der Regel robuster, frei von Eigenerwärmungsfehlern und können mit einer großen Auswahl an Messgeräten verwendet werden. RTDs, insbesondere Platin-RTDs, sind jedoch stabiler und genauer.
Metallfilm-RTD-Elemente
Bei der neuesten Konstruktionstechnik wird eine Platin- oder Metall-Glas-Aufschlämmungsfolie auf ein kleines flaches Keramiksubstrat aufgebracht oder aufgesiebt, mit einem Lasertrimm-System geätzt und versiegelt. Der Film-RTD bietet eine erhebliche Reduzierung der Montagezeit und hat den weiteren Vorteil eines erhöhten Widerstands bei einer bestimmten Größe. Aufgrund der Fertigungstechnologie ist ist das Gerät selbst klein, was bedeutet, dass es schnell auf Temperaturänderungen reagieren kann. Film-RTDs sind derzeit weniger stabil als ihre handgefertigten Pendants, werden jedoch aufgrund ihrer entscheidenden Vorteile in Bezug auf Größe und Produktionskosten immer beliebter. Diese Vorteile sollten den Anstoß für weitere Forschungsarbeiten geben, die zur Verbesserung der Stabilität erforderlich sind.
Metalle – Alle Metalle bewirken bei einer positiven Temperaturänderung eine positive Änderung des Widerstands. Dies ist natürlich die Hauptfunktion eines RTD-Sensors. Wie wir gleich sehen werden, wird der Systemfehler minimiert, wenn der Nennwert des RTD-Widerstands groß ist. Dies setzt einen Metalldraht mit hohem spezifischem Widerstand voraus. Je niedriger der spezifische Widerstand des Metalls ist, desto mehr Material müssen wir verwenden.
Die folgende Tabelle listet die spezifischen Widerstände gängiger Materialien für Widerstandsthermometer auf.
| METALL | WIDERSTANDSFÄHIGKEIT | |
| Gold | Au | 13,00 |
| Silber | Ag | 8,8 |
| Kupfer | Cu | 9,26 |
| Platin | Pt | 59,00 |
| Wolfram | W | 30,00 |
| Nickel | Ni | 36,00 |
Aufgrund ihres geringeren spezifischen Widerstands werden Gold und Silber selten als RTD-Elemente verwendet. Wolfram hat einen relativ hohen spezifischen Widerstand, wird jedoch aufgrund seiner extremen Sprödigkeit und schwierigen Verarbeitbarkeit nur für Anwendungen mit sehr hohen Temperaturen verwendet.
Kupfer wird gelegentlich als RTD-Element verwendet. Aufgrund seines geringen spezifischen Widerstands muss das Element länger sein als ein Platinelement, aber seine Linearität und seine sehr geringen Kosten machen es zu einer wirtschaftlichen Alternative. Seine obere Temperaturgrenze liegt bei nur etwa 120 °C.
Die gängigsten RTDs bestehen entweder aus Platin, Nickel oder Nickellegierungen. Die wirtschaftlichen Nickeldrähte werden in einem begrenzten Messbereich eingesetzt. Sie sind ziemlich nichtlinear und neigen dazu, mit der Zeit zu driften. Für eine zuverlässige Messung ist Platin die offensichtliche Wahl.
Eigenschaften des Widerstandselements
Es gibt mehrere sehr wichtige Details, die angegeben werden müssen, um die Eigenschaften des RTD richtig zu identifizieren:
- 1. Materialien des Widerstandselements (Platin, Nickel usw.)
- 2. Temperaturkoeffizient
- 3. Nennwiderstand
- 4. Messbereich der Anwendungen>
- 5. Physikalische Abmessungen oder Größenbeschränkungen
- 6. Genauigkeit
1. Material des Widerstandselements
Für Widerstandselemente werden häufig verschiedene Metalle verwendet, wobei die Reinheit des Metalls dessen Eigenschaften beeinflusst. Platin ist aufgrund seiner Linearität in Bezug auf die Temperatur bei weitem das beliebteste Material. Andere gängige Materialien sind Nickel und Kupfer, obwohl diese meist durch Platinelemente ersetzt werden. Andere Metalle, die zwar seltener verwendet werden, sind Balco (eine Eisen-Nickel-Legierung), Wolfram und Iridium.
2. Temperaturkoeffizient
Der Temperaturkoeffizient eines Elements ist eine physikalische und elektrische Eigenschaft der Materialien. Dieser Begriff beschreibt die durchschnittliche Widerstandsänderung pro Temperatureinheit vom Gefrierpunkt bis zum Siedepunkt von Wasser. Verschiedene Organisationen haben unterschiedliche Temperaturkoeffizienten als Standard übernommen. Im Jahr 1983 übernahm die IEC (Internationale Elektrotechnische Kommission) den DIN-Standard (Deutsches Institut für Normung) von Platin 100 Ohm bei 0 °C mit einem Temperaturkoeffizienten von 0,00385 Ohm pro Ohm Grad Celsius. Dies ist heute in den meisten Ländern der anerkannte Industriestandard, obwohl auch andere Einheiten weit verbreitet sind. Eine kurze Erklärung zur Herleitung des Koeffizienten lautet wie folgt: Widerstand am Siedepunkt (100 °C) = 138,50 Ohm. Widerstand am Gefrierpunkt (0 °C) = 100,00 Ohm. Teilen Sie die Differenz (38,5) durch 100 Grad und dann durch den Nennwert des Elements von 100 Ohm. Das Ergebnis ist der mittlere Temperaturkoeffizient (Alpha) von 0,00385 Ohm pro Ohm pro °C.
Einige der weniger gebräuchlichen Materialien und Temperaturkoeffizienten sind:
Pt TC = 0,003902 (US-Industriestandard)
Pt TC = .003920 (alte US-Norm)
Pt TC = .003923 (SAMA)
Pt TC = .003916 (JIS)
Kupfer TC = .0042
Nickel TC = 0.00617 (DIN)
Nickel TC = .00672 (in den USA zunehmend seltener)
Balco TC = .0052
Wolfram TC = 0,0045
Bitte beachten Sie, dass es sich bei den Temperaturkoeffizienten um Durchschnittswerte zwischen 0 und 100 °C handelt. Dies bedeutet nicht, dass die Widerstands-Temperatur-Kurven über den angegebenen Messbereich wirklich linear sind.
| Klasse A | ||
| Temperatur ºC | Abweichung | |
| Ohm | ºC | |
| -200 | ±0,24 | ±0,55 |
| -100 | ±0,14 | ±0,35 |
| 0 | ±0,06 | ±0,15 |
| 100 | ±0,13 | ±0,35 |
| 200 | ±0,20 | ±0,55 |
| 300 | ±0,27 | ±0,75 |
| 400 | ±0,33 | ±0,95 |
| 500 | ±0,38 | ±1,15 |
| 600 | ±0,43 | ±1,35 |
| 650 | ±0,46 | ±1,45 |
| Klasse B | ||
| Temperatur ºC | Abweichung | |
| Ohm | ºC | |
| -200 | ±056 | ±1,3 |
| -100 | ±0,32 | ±0,8 |
| 0 | ±0,12 | ±0,3 |
| 100 | ±0,30 | ±0,8 |
| 200 | ±0,48 | ±1,3 |
| 300 | ±0,64 | ±1,8 |
| 400 | ±0,79 | ±2,3 |
| 500 | ±0,93 | ±2,8 |
| 600 | ±1,06 | ±3,3 |
| 650 | ±1,13 | ±3,6 |
| 700 | ±1,17 | ±3,8 |
| 800 | ±1,28 | ±4,3 |
| 850 | ±1,34 | ±4,6 |
3. Nennwiderstand
Der Nennwiderstand ist der vorgegebene Widerstandswert bei einer bestimmten Temperatur. Die meisten Normen, darunter auch IEC-751, verwenden 0 °C als Referenzpunkt. Die IEC-Norm liegt bei 100 Ohm bei 0 °C, es sind jedoch auch andere Nennwiderstände wie 50, 200, 400, 500, 1000 und 2000 Ohm verfügbar.
4.Messbereich der Anwendungen
Je nach mechanischer Konfiguration und Herstellungsverfahren können RTDs im Messbereich von -270 °C bis 850 °C eingesetzt werden. Die Spezifikationen für den Messbereich unterscheiden sich beispielsweise bei Dünnschicht-, Drahtgewickelten und glasgekapselten Typen.
5. Physikalische Abmessungen oder Größenbeschränkungen
Die kritischste Abmessung des Elements ist der Außendurchmesser (O.D.), da das Element häufig in eine Schutzhülle passen muss. Die Elemente vom Typ Film haben keinen Außendurchmesser. Um eine äquivalente Abmessung zu berechnen, müssen wir die Diagonale eines Endquerschnitts ermitteln (dies ist der größte Abstand über das Element, wenn es in eine Hülle eingesetzt wird).
Zulässige Abweichungen von den Grundwerten
Bei Verwendung eines Elements mit den Maßen 10 x 2 x 1,5 mm kann die Diagonale durch Ziehen der Quadratwurzel aus (22 + 1,52) ermittelt werden. Somit passt das Element in eine Bohrung mit einem Innendurchmesser von 2,5 mm (0,98"). Aus praktischen Gründen ist zu beachten, dass jedes Element mit einer Breite von 2 mm oder weniger in eine Hülle mit einem Außendurchmesser von 1/8" und einer Wandstärke von 0,010" passt. Elemente mit einer Breite von 1,5 mm passen in der Regel in eine Hülle mit einem Innendurchmesser von 0,084". Siehe Abbildung 1.
6. Genauigkeit
Die IEC 751-Spezifikationen für Platin-Widerstandsthermometer haben die Anforderungen der DIN 43760 hinsichtlich der Genauigkeit übernommen. Elemente der Klassen A und B nach DIN-IEC sind in der Tabelle auf dieser Seite aufgeführt.
7. Ansprechzeit
Die 50 %-Ansprechzeit ist die Zeit, die das Thermometerelement benötigt, um 50 % seines stationären Wertes zu erreichen. Die 90 %-Ansprechzeit wird auf ähnliche Weise definiert. Diese Ansprechzeiten der Elemente gelten für Wasser mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,2 m/s und Luft mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/s. Sie können für jedes andere Medium mit bekannten Werten der Wärmeleitfähigkeit berechnet werden. In einer Hülle mit einem Durchmesser von 1/4 Zoll, die in Wasser mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 3 Fuß pro Sekunde eingetaucht ist, beträgt die Ansprechzeit auf 63 % einer Temperaturänderung weniger als 5,0 Sekunden.
8. Messstrom und Eigenerwärmung
Die Temperaturmessung erfolgt fast ausschließlich mit Gleichstrom. Der Messstrom erzeugt unvermeidlich Wärme im RTD.Die zulässigen Messströme werden durch die Position des Elements, das zu messende Medium und die Geschwindigkeit des bewegten Mediums bestimmt. Ein Selbsterwärmungsfaktor „S“ gibt den Messfehler für das Element in ºC pro Milliwatt (mW) an. Bei einem gegebenen Wert des Messstroms I kann der Milliwattwert P aus P = I2R berechnet werden, wobei R der Widerstandswert des RTD ist. Der Temperaturmessfehler Δ T (ºC) kann dann aus Δ T = P x S berechnet werden.
Spezifikationen des Widerstandselements
Stabilität: Besser als 0,2 ºC nach 10.000 Stunden bei maximaler Temperatur (1 Jahr, 51 Tage, 16 Stunden Dauerbetrieb).
Vibrationsfestigkeit: 50 g bei 500 °C; 200 g bei 20 °C; bei Frequenzen von 20 bis 1000 cps.
Temperaturschockfestigkeit: Bei forcierter Luft: über den gesamten Messbereich. In Wasser: von 200 bis 20 °C.
Druckempfindlichkeit: Weniger als 1,5 x 10-4 C/PSI, reversibel.
Eigenerwärmungsfehler und Ansprechzeiten: Siehe die entsprechenden Seiten im Temperaturhandbuch für den ausgewählten Elementtyp.
Eigeninduktivität durch Messstrom: Kann bei Dünnschichtelementen als vernachlässigbar angesehen werden; typischerweise weniger als 0,02 Mikrohenry bei drahtgewickelten Elementen.
Kapazität: Bei drahtgewickelten Elementen: berechnet auf weniger als 6 PicoFarad; bei Filmelementen: Die Kapazität ist zu gering, um gemessen zu werden, und wird durch die Anschlussdrahtverbindung beeinflusst. Anschlussverbindungen mit dem Element können eine Kapazität von etwa 300 pF anzeigen.
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