Widerstand Temperatursensor

Was ist ein Widerstandstemperatursensor?

Widerstandsthermometer, auch Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs) genannt, sind Sensoren zur Temperaturmessung. Viele RTD-Elemente werden mit dünnem Draht konstruiert, der um einen Keramik- oder Glaskern gewickelt ist, es werden jedoch auch andere Konstruktionen verwendet. RTD-Draht ist ein reines Material, normalerweise Platin, Nickel oder Kupfer. Das Material hat eine genaue Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur, die zur Anzeige der Temperatur verwendet wird. Da RTD-Elemente zerbrechlich sind, sind sie häufig in einem Kunststoff- oder Metallgegenstand untergebracht, um sie zu schützen.

Widerstandsthermometer mit höherer Genauigkeit und Wiederholbarkeit ersetzen Thermoelemente in industriellen Anwendungen unter 600 ° C.

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Widerstands- / Temperaturverhältnis von Metallen

Übliche RTD-Sensorelemente aus Platin, Kupfer oder Nickel haben eine Widerstandsbeziehung in Abhängigkeit von der wiederholbaren Temperatur (R / T) und einem Bereich von Betriebstemperaturen. Die R / T-Beziehung ist definiert als das Ausmaß der Widerstandsänderung des Sensors pro Grad der Temperaturänderung. Die relative Variation des Widerstands (Wärmewiderstandskoeffizient) variiert über den Nutzbereich des Sensors nur sehr wenig.

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Platin wurde 1871 auf der Bakerian-Konferenz vorgeschlagen: Es ist ein Edelmetall mit der stabilsten Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur über den weitesten Temperaturbereich. Nickelelemente haben einen begrenzten Temperaturbereich, da R / T bei Temperaturen über 300 ° C nichtlinear wird. Kupfer hat eine sehr lineare Widerstands-Temperatur-Beziehung; Kupfer oxidiert jedoch bei moderaten Temperaturen und kann nicht über 150 ° C verwendet werden.

Die signifikante Eigenschaft der als Widerstandselemente verwendeten Metalle ist die lineare Approximation der Widerstands-Temperatur-Beziehung zwischen 0 und 100 ° C. Dieser Widerstandstemperaturkoeffizient ist mit α angegeben und wird im Allgemeinen in Einheiten von Ω / (Ω · ° C angegeben ):

  = (R100-R0) / (100°CR0)



R0 ist der Widerstand des Sensors bei 0 ° C,

R100 ist der Widerstand des Sensors bei 100 ° C.

Reines Platin a α = 0,003925 Ω / (Ω ° C) im Bereich 0 bis 100 ° C wird beim Bau von Laborwiderstandssensoren verwendet. Umgekehrt spezifizieren zwei anerkannte Standards für industrielle RTDs IEC 60751 und ASTM E-1137 α = 0,00385 Ω / (Ω · °C). Vor der weit verbreiteten Annahme dieser Standards wurden mehrere verschiedene α-Werte verwendet. Es ist noch möglich, ältere Platinsensoren mit α = 0.003916 Ω / (Ω · °C) und 0.003902 Ω / (Ω · °C) zu finden.

Diese unterschiedlichen Werte von α für Platin werden durch Dotieren erhalten, indem die Verunreinigungen vorsichtig in das Platin eingeführt werden. Die beim Dotieren eingebrachten Verunreinigungen sinken in die Gitterstruktur des Platins ein und verursachen eine andere R-gegen-T-Kurve und damit einen α-Wert.

Kalibrierung

2_2.pngFestpunktkalibrierung Um die R-T-Beziehung eines Widerstandsthermometers über einen Temperaturbereich zu charakterisieren, der den beabsichtigten Verwendungsbereich darstellt, muss die Kalibrierung bei anderen Temperaturen als 0 ° C und 100 ° C durchgeführt werden. Dies ist erforderlich, um zu reagieren Kalibrierungsanforderungen. Obwohl RTDs als linear arbeiten, muss nachgewiesen werden, dass sie in Bezug auf die Temperaturen, bei denen sie tatsächlich verwendet werden, genau sind. Übliche Kalibrierungsmethoden sind die Festpunktmethode und die Vergleichsmethode.

Wird für höchste Präzisionskalibrierungen von Metrologielabors verwendet. Es nutzt den Tripelpunkt, Gefrierpunkt oder Schmelzpunkt von Reinstoffen wie Wasser, Zink, Zinn und Argon, um eine bekannte und reproduzierbare Temperatur zu erzeugen. Diese Zellen ermöglichen es dem Benutzer, die tatsächlichen Bedingungen der ITS-90-Temperaturskala zu reproduzieren. Festpunktkalibrierungen bieten äußerst genaue Kalibrierungen (bis ± 0,001 °C). Das Eisbad ist ein gängiges Festpunktkalibrierverfahren für Sensoren in Industriequalität. Das Gerät ist kostengünstig, einfach zu bedienen und kann mehrere Sensoren gleichzeitig aufnehmen. Der Eispunkt wird als sekundärer Standard bezeichnet, da seine Genauigkeit ± 0,005 ° C beträgt, verglichen mit ± 0,001 ° C für die Hauptfixpunkte.

Vergleichskalibrierungen

Wird üblicherweise mit sekundären SPRTs und industriellen RTDs verwendet. Die zu kalibrierenden Thermometer werden mit den kalibrierten Thermometern mittels eines Bades verglichen, dessen Temperatur gleichmäßig stabil ist. Im Gegensatz zu Festpunktkalibrierungen können Vergleiche bei jeder Temperatur zwischen -100 ° C und 500 ° C durchgeführt werden. Diese Methode könnte kostengünstiger sein, da mehrere Sensoren gleichzeitig mit automatisierten Geräten kalibriert werden können. Diese elektrisch beheizten und gut gerührten Bäder verwenden Silikonöle und geschmolzene Salze als Medium für die verschiedenen Kalibriertemperaturen.

Was sind die Arten von Widerstandselementen?

Die drei Hauptkategorien von RTD-Sensoren sind Dünnschicht- und Spulenelemente. Obwohl diese Typen in der Industrie am weitesten verbreitet sind, werden andere exotischere Formen verwendet; Beispielsweise werden Kohlenstoffwiderstände bei extrem niedrigen Temperaturen (-173 ° C bis -273 ° C) verwendet. Mehr Informationen.

Kohlenstoffbeständige Elemente

Sind kostengünstig und weit verbreitet. Sie haben reproduzierbare Ergebnisse bei niedrigen Temperaturen. Sie sind die zuverlässigste Form bei extrem niedrigen Temperaturen. Sie unterliegen keiner signifikanten Hysterese oder einem DMS-Effekt.

Unbeschränkte Elemente

Verwenden Sie eine Drahtspule, die in einem mit Inertgas gefüllten, abgedichteten Gehäuse nur minimal abgestützt ist. Diese Sensoren arbeiten bis zu 961,78 ° C und werden in den SPRTs verwendet, die den ITS-90 definieren. Sie bestehen aus Platindraht, der leicht auf eine Stützstruktur gewickelt ist, so dass sich das Element frei ausdehnen und mit der Temperatur zusammenziehen kann. Sie sind sehr empfindlich gegen Stöße und Vibrationen, da die Platinschleifen schwingen und sich verformen können.

Dünnschichtelemente

Ein empfindliches Element aufweisen, das durch Abscheiden einer sehr dünnen Schicht aus Widerstandsmaterial, normalerweise Platin, auf einem Keramiksubstrat (Beschichtung) gebildet wird. Diese Schicht ist im Allgemeinen 10 bis 100 ångströms (1 bis 10 Nanometer) dick. Dieser Film wird dann mit einem Epoxidharz oder Glas bedeckt, das zum Schutz des abgeschiedenen Films beiträgt und auch als Zugentlastung für die externen leitenden Drähte dient. Die Nachteile dieses Typs sind, dass sie nicht so stabil sind wie ihre gewickelten Gegenstücke. Sie können aufgrund der unterschiedlichen Expansionsraten des Substrats und der Widerstandsablagerung auch nur über einen begrenzten Temperaturbereich verwendet werden, was einen sichtbaren "Dehnungsmessstreifen" -Effekt auf den Widerstandstemperaturkoeffizienten ergibt. Diese Elemente arbeiten ohne andere Verpackung bei Temperaturen bis zu 300 ° C, können jedoch bis zu 600 ° C betrieben werden, wenn sie ordnungsgemäß in Glas oder Keramik eingekapselt sind. Spezielle Hochtemperatur-RTD-Elemente können mit der richtigen Einkapselung bis zu 900 ° C verwendet werden.

Drahtgewickelte Elemente

kann eine größere Genauigkeit aufweisen, insbesondere für große Temperaturbereiche. Der Durchmesser der Spule bietet einen Kompromiss zwischen mechanischer Stabilität und Ausdehnung des Drahtes, um die Spannung und die daraus resultierende Drift zu minimieren. Der Detektionsdraht ist um einen Dorn oder einen Isolierkern gewickelt. Der Kern der Wicklung kann rund oder flach sein, muss jedoch ein elektrischer Isolator sein. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Wicklungskernmaterials wird an den Erfassungsdraht angepasst, um jegliche mechanische Beanspruchung zu minimieren. Diese Belastung des Elementdrahtes führt zu einem thermischen Messfehler. Der Erfassungsdraht ist mit einem größeren Draht verbunden, der üblicherweise als Draht oder Element des Elements bezeichnet wird. Dieser Draht wird so ausgewählt, dass er mit dem Detektionsdraht kompatibel ist, so dass die Kombination keine elektromotorische Kraft erzeugt, die die thermische Messung verzerren würde.

Aufgerollte Elemente

Haben die Wundelemente in der Industrie weitgehend ersetzt. Diese Konstruktion hat eine Drahtspule, die sich frei über die Temperatur ausdehnen kann und von einem mechanischen Träger an Ort und Stelle gehalten wird, wodurch die Spule ihre Form behalten kann. Dieses "spannungsfreie" Design ermöglicht es dem Sensordraht, sich ohne den Einfluss anderer Materialien auszudehnen und zusammenzuziehen. In dieser Hinsicht ähnelt es SPRT, dem Hauptstandard, auf dem ITS-90 basiert, und bietet gleichzeitig die für den industriellen Einsatz erforderliche Haltbarkeit. Die Basis des Sensorelements ist eine kleine Spule aus Platin-Sensordraht. Diese Spule sieht aus wie ein Filament in einer Glühbirne. Das Gehäuse oder der Dorn ist ein hartgebranntes Keramikoxidrohr mit äquidistanten Bohrungen, die sich quer zu den Achsen erstrecken. Die Spule wird in die Bohrungen des Dorns eingeführt und dann mit sehr fein gemahlenem Keramikpulver gepackt. Dadurch kann sich der Sensordraht bewegen, während er in thermischem Kontakt mit dem Prozess bleibt. Diese Elemente arbeiten bei Temperaturen bis zu 850 ° C.

Die derzeitige internationale Norm, die die Toleranz und das Verhältnis zwischen Widerstand und elektrischem Widerstand von Platin-Widerstandsthermometern festlegt, ist IEC 60751: 2008; ASTM E1137 wird auch in den USA verwendet. Die in der Industrie am häufigsten verwendeten Geräte haben einen Nennwiderstand von 100 Ohm bei 0 ° C und werden als Pt100-Sensoren bezeichnet ("Pt" ist das Symbol für Platin, "100" für den Widerstand in Ohm bei 0 ° C). Es ist auch möglich, Pt1000-Sensoren zu erhalten, wobei 1000 dem Widerstand in Ohm bei 0 ° C entspricht. Die Empfindlichkeit eines Standard-100-Ω-Sensors beträgt 0,385 Ω / ° C. RTDs mit einer Empfindlichkeit von 0,375 und 0,392 Ω / ° C sowie viele andere sind ebenfalls erhältlich.

Wie funktioniert ein Widerstandssensor?

Widerstandsthermometer werden in verschiedenen Formen hergestellt und bieten in einigen Fällen eine größere Stabilität, Präzision und Wiederholbarkeit als Thermoelemente. Während Thermoelemente den Seebeck-Effekt zur Erzeugung von Spannung verwenden, verwenden Widerstandsthermometer elektrischen Widerstand und benötigen zum Betrieb eine Stromquelle. Der Widerstand variiert idealerweise nahezu linear mit der Temperatur gemäß der Callendar-Van-Dusen-Gleichung.

Der Platin-Sensordraht muss frei von Verunreinigungen bleiben, um stabil zu bleiben. Ein Platindraht oder -film wird auf einer Schablone gelagert, um eine minimale Differenzialausdehnung oder andere Verformung seiner Schablone zu erreichen, während Vibrationen angemessen widerstanden werden. RTD-Baugruppen aus Eisen oder Kupfer werden in bestimmten Anwendungen ebenfalls verwendet. Die handelsüblichen Platinsorten haben einen Temperaturbeständigkeitskoeffizienten von 0,00385 / ° C (0,385% / ° C) (europäischer Grundbereich). Der Sensor ist im Allgemeinen für einen Widerstand von 100 Ω bei 0 ° C ausgelegt. Dies ist in der Norm BS EN 60751: 1996 (entnommen aus IEC 60751: 1995) definiert. Das grundlegende amerikanische Intervall beträgt 0,00392 / ° C, basierend auf der Verwendung einer Qualität von Platinreiner als der europäische Standard. Der amerikanische Standard stammt von der SAMA (Scientific Apparatus Manufacturers Association), die sich nicht mehr in diesem Bereich von Standards befindet.

Der Widerstand des Anschlusskabels kann ebenfalls ein Faktor sein; Durch die Verwendung von drei- und vieradrigen Verbindungen anstelle von zwei Drähten kann der Widerstand der Verbindungen abgezogen werden. Die Dreileiterverbindung ist in den meisten Fällen ausreichend und eine nahezu universelle industrielle Praxis. Vierdrahtverbindungen werden für die genauesten Anwendungen verwendet.

Vor- und Nachteile

Die Vorteile von Platin-Widerstandsthermometern:

- Hohe Genauigkeit

- Geringe Drift

- Breiter Betriebsbereich

- Geeignet für Präzisionsanwendungen

Grenzen:

RDTs in industriellen Anwendungen werden selten oberhalb von 660 ° C verwendet. Bei Temperaturen über 660 ° C wird es zunehmend schwieriger zu verhindern, dass das Platin durch Verunreinigungen aus der Metallhülle verunreinigt wird. des Thermometers. Aus diesem Grund ersetzen Standardlaborthermometer die Metallhülle durch eine Glaskonstruktion. Bei sehr niedrigen Temperaturen, beispielsweise unter -270 ° C (3 K), wird der Widerstand einer RTD aufgrund der Knappheit von Phononen hauptsächlich durch Verunreinigungen und Grenzdiffusion bestimmt und ist daher grundsätzlich unabhängig von der Temperatur. Infolgedessen ist die Empfindlichkeit der RTD im Wesentlichen Null und daher nicht erforderlich.

Platin-Widerstandsthermometer sind im Vergleich zu Thermistoren weniger empfindlich gegenüber kleinen Temperaturänderungen und haben eine langsamere Reaktionszeit. Thermistoren haben jedoch einen kleineren Temperaturbereich und eine geringere Stabilität.

RTD gegen Thermoelemente

Die beiden gebräuchlichsten Methoden zur Temperaturmessung für industrielle Anwendungen sind Widerstandstemperaturdetektoren (RTD) und Thermoelemente. Die Wahl zwischen ihnen wird im Allgemeinen von vier Faktoren bestimmt.

Temperatur

Wenn die Prozesstemperatur zwischen -200 und 600 °C liegt (für spezielle Anforderungen können wir Platinsensoren bis 1000 °C anbieten), ist der RTD die am besten geeignete Option. Thermoelemente haben einen Bereich von -270 bis 2°C.

Ansprechzeit

Wenn der Prozess eine sehr schnelle Reaktion auf Temperaturänderungen erfordert, ist ein Thermoelement die beste Wahl. Die Reaktionszeit wird gemessen, indem der Sensor mit 1 m / s in Wasser getaucht wird. Die zum Erreichen von 63,2% des eingestellten Wertes erforderliche Zeit entspricht der Reaktionszeit.

Größe

Eine Standard-RTD-Hülle hat einen Durchmesser von 1,5 mm bis + 6 mm; Der Durchmesser des Thermoelementmantels kann weniger als 1,5 mm betragen.

Präzisions- und Stabilitätsanforderungen

Wenn eine Toleranz von 2 ° C akzeptabel ist und kein Höchstmaß an Wiederholbarkeit erforderlich ist, wird ein Thermoelement verwendet. RTDs sind genauer und können ihre Stabilität über viele Jahre beibehalten, während Thermoelemente in den ersten Betriebsstunden driften können.

Bauhandwerk

Diese Elemente erfordern fast immer isolierte Leiter. PVC-, Silikonkautschuk- oder PTFE-Isolierung wird bei Temperaturen unter etwa 250 ° C verwendet. Oben wird Glasfaser oder Keramik verwendet. Der Messpunkt und im Allgemeinen die meisten Leiter erfordern ein Schutzgehäuse oder eine Schutzhülle, die häufig aus einer Metalllegierung bestehen, die in Bezug auf den zu überwachenden Prozess chemisch inert ist. Die Auswahl und Gestaltung von Schutzhüllen erfordert möglicherweise mehr Sorgfalt als der Sensor selbst, da sie chemischen oder physikalischen Angriffen standhalten und praktische Befestigungspunkte darstellen müssen.

Verdrahtungskonfigurationen

Zweidrahtkonfiguration

Die einfachste Widerstandsthermometerkonfiguration verwendet zwei Drähte. Es wird nur verwendet, wenn keine hohe Präzision erforderlich ist, da der Widerstand der Verbindungsdrähte zu dem des Sensors addiert wird, was zu Messfehlern führt. Diese Konfiguration ermöglicht die Verwendung von 100 Metern Kabel. Dies gilt auch für die symmetrische Brücke und das feste Brückensystem.

Für eine symmetrische Brücke ist die übliche Einstellung R2 = R1 und R3 in der Mitte des RTD-Bereichs. Wenn wir beispielsweise zwischen 0 und 100 ° C messen, liegt der RTD-Widerstand zwischen 100 Ω und 138,5 Ω. Wir würden R1 = 120 Ω wählen. Auf diese Weise erhalten wir eine kleine Spannung, die in der Brücke gemessen wird.

Drei-Draht-Konfiguration

Um die Auswirkungen von Leiterwiderständen zu minimieren, kann eine Dreileiterkonfiguration verwendet werden. Die vorgeschlagene Einstellung für die gezeigte Konfiguration ist mit R1 = R2 und R3 in der Mitte des RTD-Bereichs. Bei Betrachtung der gezeigten Wheatstone-Brückenschaltung beträgt der Spannungsabfall auf der unteren linken Seite V_rtd + V_lead und die untere rechte Größe auf V_R3 + V_lead, sodass die Brückenspannung (V_b) die Differenz V_rtd - V_R3 ist. Der Spannungsabfall aufgrund des Widerstands des Kabels wurde aufgehoben. Dies gilt weiterhin, wenn R1 = R2 und R1, R2 >> RTD, R3. R1 und R2 können verwendet werden, um den Strom durch den Widerstandsthermometer zu begrenzen. Beispielsweise ist für einen auf 100 mA und 1 V begrenzten PT5 ein ungefährer Grenzwiderstand von R1 = R2 = 5 / 0,001 = 5 Ohm.

Vierdrahtkonfiguration

Die Vierdraht-Widerstandskonfiguration erhöht die Genauigkeit der Widerstandsmessung. Die Erkennung mit vier Anschlüssen eliminiert den Spannungsabfall an den Messleitungen als Beitrag zum Fehler. Um die Genauigkeit weiter zu erhöhen, werden alle thermoelektrischen Restspannungen, die durch verschiedene Arten von Drähten oder Schraubverbindungen erzeugt werden, durch Umkehren der Richtung des 1-mA-Stroms und der Leitungen zum DVM (digitales Voltmeter) beseitigt. Thermoelektrische Spannungen werden nur in einer Richtung erzeugt. Durch Mittelung der invertierten Messungen werden die thermoelektrischen Fehlerspannungen eliminiert.

FTE-Klassifikationen

Standard-Platin-Widerstandsthermometer (SPRTs) sind die höchste Genauigkeit aller PRT-Werkzeuge. Diese Präzision wird auf Kosten der Haltbarkeit und der Kosten erreicht. SPRT-Elemente werden aus Referenz-Platindraht gewickelt. Die internen Anschlussdrähte bestehen normalerweise aus Platin, während die internen Träger aus Quarz oder Quarzglas bestehen. Die Hüllen bestehen im Allgemeinen aus Quarz. Es wird ein Platindraht mit größerem Durchmesser verwendet, was die Kosten erhöht und den Widerstand des Sensors verringert (typischerweise 25,5 Ω). SPRTs haben einen weiten Temperaturbereich (-200 °C bis 1000 °C) und eine Genauigkeit von ca. ± 0,001 °C über den Temperaturbereich. SPRTs sind nur für den Laborgebrauch geeignet.

Eine weitere Klassifizierung von Labor-PRTs sind sekundäre Standard-Platin-Widerstandsthermometer (SPRT). Sie sind wie die SPRT gebaut, aber die Materialien sind rentabler. SPRTs verwenden üblicherweise Platindraht, Metallhüllen und Keramikisolatoren von höherer Qualität und geringerer Reinheit. Die Innenleiterdrähte sind im Allgemeinen eine Legierung auf Nickelbasis. Sekundäre SPRTs sind im Temperaturbereich (-200 ° C bis 500 ° C) eingeschränkter und haben eine ungefähre Genauigkeit von ± 0,03 ° C für den Temperaturbereich.

Industrielle PRTs sind so konzipiert, dass sie industriellen Umgebungen standhalten. Sie können fast so langlebig sein wie ein Thermoelement. Industrielle PRTs können je nach Anwendung Dünnschicht- oder Wickelelemente verwenden. Die internen Verbindungsdrähte können je nach Größe des Sensors und der Anwendung von mit PTFE isoliertem, vernickeltem, vernickeltem Kupfer bis hin zu Silberdraht reichen. Das Mantelmaterial ist im Allgemeinen Edelstahl. Andere Materialien werden für spezielle Anwendungen verwendet.

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