In diesem Artikel erläutern wir die Funktionsweise und Grundlagen von Widerstandsthermometern erläutert. Die Sensoren sind in zwei Versionen erhältlich, Platin Widerstandssensoren und Nickel Widerstandstemperatursonden.
Messprinzip
Die Temperaturmessung mit Widerstandsthermometer beruht auf der Eigenschaft, dass alle Leiter ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur verändern.
Temperaturkoeffizient (TK)
Der TK ist die relative Aenderung des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur.
Kennwert (α)
Da der TK nicht über den ganzen in Betracht kommenden Temperaturbereich gleich bleibt, definiert man als Kennwert α den Durchschnittswert des TK für den Temperaturbereich 0...100 °C.
- Für Pt - Widerstandsthermometer gilt α = 0.00385 Ohm/K (DINEN 60751)
- Für Ni - Widerstandsthermometer gilt α = 0.00618 Ohm/K /DIN 43760)
Grundwert
Der Grundwert bezieht sich auf den Widerstandsnennwert bei 0°C und den TKEFF/K. Dieser Grundwert wird heute nach der internationalen Temperaturskala ITS 90 mit Gegenüberstellung von Temperatur- und Ohmwert und Angabe des effektiven TK definiert.
Grenzabweichungen
Die zulässigen Grenzabweichungen werden in °C angegeben. Für verschiedene Temperaturbereiche existieren unterschiedliche Toleranzklassen.
Für Pt - Widerstände gilt (t=Temperatur-Endwert):
- KL A: +0.15 °C oder 0.002 x t für Temperaturbereich -200 ... 650°C
- KL B: +0.3 °C oder 0.005 x t für Temperaturbereich -200 ... 850°C
- KL AA (KLB 1/3DIN): +0.1 °C oder 0.0016 x t für Temperaturbereich -50 ... 420°C
- KL B 1/5DIN: +0.06 °C oder 0.0004 x t für Temperaturbereich -50 ... 420°C
- KL B 1/10DIN: +0.03 °C oder 0.0002 x t für Temperaturbereich -50 ... 420°C
Für Ni - Widerstände gilt (t=Temperatur-Endwert):
- +0.4°C oder 0.028 x t für Temperaturbereich -60...0 °C
- +0.4°C oder 0.007 x t für Temperaturbereich 0-250 °C
Temperaturbereich
Theoretisch sind Pt - Temperaturmesswiderstände für einen Temperaturbereich von -200 ... +850°C ausgelegt, Ni - Widerstände für -60 ... +250°C. Dabei ist zu beachten, dass dieser Messbereich durch die Bauart des Widerstandes und der Armatur wesentlich eingeschränkt werden kann.
Temperatur - Endwert (t)
Der Temperatur - Endwert ist der höchste Temperaturwert einer Messstrecke.
Messwiderstand-Messwertgeber
Temperaturmesswiderstände werden in der Regel auf zwei Arten gefertigt; Drahtwicklung in Glas oder Keramikgehäuse und aufgedampfter Dünnfilm auf Keramikträger. Messwiderstände enthalten meistens 1 Messwicklung. Bifilar sind auch 2 Messwicklungen möglich.
Bauformen
Grundsätzlich als Armatur oder Kabelwiderstandsthermometer mit festem Kabelanschluss oder Steckmöglichkeit für Anschlusskabel. Ein Widerstandsthermometer besteht aus einer Schutzarmatur und einem auswechselbaren Messeinsatz, der in die Schutzarmatur eingebaut wird. Der eingebaute Messeinsatz ist in der Schutzarmatur gegen Feuchtigkeit sowie gegen chemische und mechanische Beanspruchung geschützt. Die Schutzarmatur besteht aus dem Anschlusskopf, dem Schutzrohr und einem Prozessanschluss, mit dem die Schutzarmatur am Einsatzort befestigt wird. Es sind sowohl Schutzrohre mit einem über die gesamte Länge konstanten (Aussen-) Durchmesser als auch solche mit einer konisch verjüngten Messspitze erhältlich. Als Prozessanschluss wird zumeist ein an das Schutzrohr ageschweisster Einschraubzapfen bzw. Flansch oder ein auf dem Schutzrohr verschiebbarer Anschlagflansch bzw. eine verschiebbare Gewindemuffe verwendet. Davon ausgenommen sind Schutzarmaturen mit Einschweiss-Schutzrohren, bei denen das Schutzrohr gleichzeitig als Prozessanschluss dient.
Anschlusstechniken bei Widerstandsthermometern
Zweileiterschaltung
Die Verbindung erfolgt mit einer zweiadrigen Leitung. Wie jeder andere elektrischer Leiter besitzt auch dieser einen Widerstand, der dem Widerstandsthemometer in Serie geschaltet ist. Damit addieren sich die beiden Widerstände, es kommt zu systematisch höheren Temperaturanzeige. Bei grösseren Entfernungen kann der Leitungswiderstand einige Ohm betragen.
Dreileiterschaltung
Durch die 3-Leiterschaltung lässt sich der Leitungswiderstand sowohl in seinem Betrag als auch in seiner Temperaturabhängigkeit kompensieren. Voraussetzungen sind allerdings bei allen drei Leitern identische Eigenschaften und gleiche Temperaturen, denen sie ausgesetzt sind. Da dies in den meisten Fällen zutrifft, ist die 3-Leitertechnik am verbreitesten. Ein Leitungsabgleich ist nicht erforderlich.
Vierleiterschaltung
Das Messergebnis wird weder von den Leitungswiderständen noch von ihrer temperaturabhängigen Schwankungen beeinträchtigt. Ein Leitungsabgleich ist nicht erforderlich. Über die Zuleitung wird das Thermometer mit dem Messstrom gespeist. Der Spannungsabfall am Messwiderstand wird über die Messleitung abgegriffen. Der so ermittelte Spannungsabfall ist dann unabhängig von den Eigenschaften der Zuleitung.
Messumformerschaltung
Um die Probleme der Zweileiterschaltung zu umgehen und auf mehradrige Leitungen zu verzichten, verwendet man 2-Leiter Messumformer. Der MU wandelt das Sensorsignal in ein temperaturlineares Stromsignal von 4...20mA um. Wegen des angehobenen Nullpunkts wird auch von „Life Zero“ gesprochen. Der Messumformer bietet weiter den Vorteil die Störanfälligkeit zu verringern. Die Anschlussleitung vom Sensor soll aber kurz gehalten werden.
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Grundlagen Widerstandsthermometer
Sensortechnologie und Fehlerursachen
Widerstandsthermometer und Messchaltungen
Widerstandstabelle Pt100, Pt500, Pt1000
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