RTD-Typen
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. Die heute erhältlichen RTDs lassen sich je nach Aufbau ihres Temperaturmesselements im Allgemeinen in zwei Grundtypen einteilen. Der eine RTD-Typ enthält drahtgewickelte Elemente, der andere RTD-Typ enthält Dünnschichtelemente. Jeder Typ eignet sich am besten für den Einsatz in bestimmten Umgebungen und Anwendungen.
Drahtgewickelte RTDs
Bei dem drahtgewickelten RTD-Typ besteht das Sensorelement aus einer kleinen Spule aus ultradünnem Draht (in der Regel Platin). Diese Drahtspule kann in einem Keramik- oder Glasrohr (die gängigste Bauweise) untergebracht sein, oder der Draht kann um die Außenseite eines Keramik- oder Glasgehäusematerials gewickelt sein. Drahtgewickelte RTD-Messelemente können leicht zu Pt100-Sonden verarbeitet werden, durch ihre Montage in Metallrohre oder -hüllen. Dies schützt sie vor ihrer Umgebung und erhöht ihre Haltbarkeit. Sie können auch in kundenspezifische Gehäuse eingebaut werden.Drahtgewickelte RTDs (insbesondere solche mit Innenwicklung) sind die genauesten RTDs. Diejenigen mit Glaskern können problemlos in viele Flüssigkeiten eingetaucht werden, während diejenigen mit Keramikkern zur genauen Messung extrem hoher Temperaturen verwendet werden können. Ihre Herstellung ist jedoch teurer als die von Dünnschicht-RTDs, da sie qualifizierte Arbeitskräfte und moderne Montageanlagen erfordern. Außerdem sind sie tendenziell vibrationsempfindlicher.
Dünnschicht-RTDs
Dünnschicht-RTD-Elemente werden hergestellt, indem eine sehr dünne Metallschicht (in der Regel Platin) auf ein Keramiksubstrat aufgebracht wird. Die Metallschicht wird mit einem Laser geschnitten oder geätzt, um ein elektrisches Schaltungsmuster zu erzeugen, das den gewünschten Widerstand liefert.Anschließend werden Anschlussdrähte angebracht und das gesamte Element mit einer dünnen Schutzschicht aus Glas überzogen.
Dieser RTD-Typ ist aufgrund seiner Robustheit, Zuverlässigkeit und geringen Kosten sehr beliebt. Dünnschichtelemente sind widerstandsfähiger gegen Beschädigungen durch Stöße oder Vibrationen als andere RTD-Typen. Ihr flaches Profil ermöglicht eine flexible Konstruktion, sodass sie in vielen verschiedenen industriellen Steuerungs- und Messanwendungen eingesetzt werden können. Es stehen auch mehrere Optionen hinsichtlich Widerstand, Toleranz, Größe und Form zur Verfügung.
Bei diesen RTD-Typen wird eine Platin- oder Metall-Glas-Schlämmefolie auf ein kleines flaches Keramiksubstrat aufgebracht oder gesiebt, 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 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 zukünftige Forschungsarbeiten geben, die zur Verbesserung der Stabilität erforderlich sind.
Material des Widerstandselements
Für Widerstandselemente werden häufig verschiedene Metalle verwendet, wobei die Reinheit des Metalls dessen Eigenschaften beeinflusst. Platin ist aufgrund seiner Linearität bei Temperatur weitaus am beliebtesten. Andere gängige Materialien sind Nickel und Kupfer, obwohl diese zunehmend durch Platinelemente ersetzt werden.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 hoher Widerstandsfähigkeit voraus. Je niedriger der spezifische Widerstand des Metalls ist, desto mehr Materialien müssen wir verwenden. Die folgende Tabelle listet die spezifischen Widerstände gängiger Materialien für Widerstandsthermometer auf.| METALL | SPEZIFISCHER WIDERSTAND | |
| Gold | Au | 13,00 |
| Silber | Ag | 8,8 |
| Kupfer | Cu | 9,26 |
| Platin | Pt | 59,00 |
| Wolfram | W | 30,00 |
| Nickel | Ni | 36,00 |
Platin-Widerstandstemperaturdetektoren
Platin ist aufgrund seiner hohen Genauigkeit, Linearität bei Temperatur, Langzeitstabilität und ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit das am häufigsten verwendete Material für Widerstandselemente in RTDs für industrielle Anwendungen. Darüber hinaus sind Platin-RTDs korrosions- und oxidationsbeständig und können einen großen Messbereich messen.Nickel-Widerstandstemperaturdetektoren
Nickel wird ebenfalls als Widerstandselement für RTDs in industriellen Anwendungen verwendet. Nickel-RTDs haben eine gute Korrosionsbeständigkeit und sind kostengünstiger als Platin-RTDs, aber Nickel altert schnell und verliert mit der Zeit an Genauigkeit.Kupfer-Widerstandsthermometer
Kupfer ist aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und niedrigen Produktionskosten ein beliebtes Material für Widerstandselemente in RTDs für industrielle Anwendungen. Kupfer hat außerdem einen großen Messbereich, in dem es genaue Messungen liefern kann, was es ideal für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen macht. Allerdings ist Kupfer auch anfällig für Oxidation und kann durch extreme Temperaturen spröde werden. Darüber hinaus ist Kupfer ein weiches Metall, wodurch es anfälliger für Beschädigungen durch Vibrationen und mechanische Beanspruchung ist, was zu ungenauen Messwerten führen kann.Eigenschaften des Widerstandselements
Es gibt mehrere sehr wichtige Details, die angegeben werden müssen, um die Eigenschaften des RTD richtig zu identifizieren: - Materialien des Widerstandselements (Platin, Nickel usw.)
- Temperaturkoeffizient
- Nennwiderstand
- Messbereich der Anwendungen>
- Physikalische Abmessungen oder Größenbeschränkungen
- Genauigkeit
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 der anerkannte Industriestandard in den meisten Ländern, 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 dividiere dann durch den Nennwert des Elements von 100 Ohm. Das Ergebnis ist der mittlere Temperaturkoeffizient (alpha) von 0,00385 Ohm pro Ohm oC.
- Pt TC = 0,003902 (US-Industrienorm)
- Pt TC = 0,003920 (alte US-Norm)
- Pt TC = 0,003923 (SAMA)
- Pt TC = 0,003916 (JIS)
- Kupfer TC = 0,0042
- Nickel TC = 0,00617 (DIN)
- Nickel TC = 0,00672 (in den USA immer seltener anzutreffen)
- Balco TC = 0,0052
- Wolfram TC = 0,0045
Nennwiderstand
Der Nennwiderstand ist der vorgegebene Widerstandswert bei einer bestimmten Temperatur. Die meisten Normen, einschließlich IEC-751, verwenden oC 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.Messbereich für Anwendungen
Je nach mechanischer Konfiguration und Herstellungsverfahren können RTDs bei Temperaturen von -270 °C bis 850 °C eingesetzt werden. Die Spezifikationen für den Messbereich unterscheiden sich je nach Typ (d. h. Dünnschicht, drahtgewickelt und glasgekapselt).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).Bei einem Element mit den Abmessungen 10 x 2 x 1,2 mm ergibt sich die Diagonale aus der Quadratwurzel von (22 + 1,52). Das Element passt somit in eine Bohrung mit einem Innendurchmesser von 2,5 mm (0,98”). Aus praktischen Gründen sollten Sie 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 Zoll (siehe Abbildung 1).
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 Abbildung 2 und Abbildung 3 dargestellt.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.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 °C 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 °C 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 Zwangsbelüftung: über den gesamten Messbereich Bei Wasserabschreckung: von 200 bis 20 °C
- Druckempfindlichkeit: Weniger als 1,5 x 10-4 C/PSI, reversibel Selbstheizungsfehler 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.
Product Info
Was ist ein Tauchsieder? Arten von Tauchsieder-Heizelementen Was ist ein Tauchsieder?
Product Info
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