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Günther GmbH Temperaturmesstechnik | Technische Informationen zu Widerstandsthermometern
1. Aufbau und Funktionsweise von Widerstandsthermometern
Widerstandsthermometer sind elektrische Bauelemente, welche die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes von Leitern zur Messung der Temperatur ausnutzen. Reine Metalle zeigen stärkere Widerstandsänderungen als Legierungen und haben einen relativ konstanten Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes. Für präzise Messungen verwendet man korrosionsbeständige Metalle, meist Platin, da diese besonders wenig Alterung zeigen, und da die Thermometer daraus mit geringen Fehlergrenzen zu fertigen sind. Der temperatur-empfindliche Sensor, der Messwiderstand, kann auch aus Keramik (gesinterte Metalloxide) oder Halbleitern bestehen, womit sich sehr viel höhere Temperaturkoeffizienten als mit Metallen und damit auch viel höhere Empfindlichkeiten erzielen lassen, aber mit geringerer Präzision und erheblicher Temperaturabhängigkeit des Temperaturkoeffizienten selbst. Man bezeichnet diese Widerstände als Thermistoren, wobei Heissleiter (NTC-Widerstände) in der Messtechnik eher verwendet werden als Kaltleiter (PTC-Widerstände). Platin-Widerstandsthermometer für die industrielle Verwendung bestehen aus einem Messeinsatz in einer vor Korrosion schützenden Armatur. Die Verdrahtung des Messeinsatzes wird häufig in einem Anschlusskopf vorgenommen, von wo aus das Thermometer über Kabel mit einer externen elektrischen Messeinrichtung verbunden werden kann. Der Messeinsatz ist eine leicht austauschbare Einheit, meistens mit keramischem oder Edelstahl-Mantel und mit Anschlusssockel; dieser Einsatz enthält an seinem Ende einen oder mehrere Platin-Messwiderstände. Der im Bild gezeigte Messeinsatz enthält im Anschlusssockel ausser den Klemmschrauben für die Verdrahtung noch zwei gefederte Montageschrauben, die für guten Wärmekontakt zum Schutzrohr den notwendigen Andruck liefern. Herkömmliche Thermometer messen die Temperatur anhand der Längen- oder Volumenänderung eines Stoffes und sind nur als anzeigende Messgeräte geeignet. Der Vorteil der Widerstandsthermometer liegt darin, dass sie ein elektrisches Signal liefern und sich zum Einsatz in der industriellen Messtechnik eignen.
Platin hat sich als Widerstandsmaterial zur Herstellung von Pt100-Temperatursensoren, für die industrielle Temperaturmessung im Temperaturbereich von -200 bis +850°C weltweit durchgesetzt. Vorteile, wie chemische Resistenz, hohe Temperaturbeständigkeit, die präzise Darstellung und gute Reproduzierbarkeit seiner thermoelektrischen Eigenschaften, sowie die fast lineare Kennlinie haben dazu massgebend beigetragen. Um einen universellen Austausch Platin-Widerstandsthermometern zu gewährleisten sind in der Europanorm EN 60 751 der elektrische Widerstand und die zulässige Abweichung in Abhängigkeit zur Temperatur, sowie der Temperaturkoeffizient für Pt100-Temperatursensoren definiert. Die EN 60 751 legt zwei Toleranzfelder, die Klasse "B" mit einer Abweichung z.B. bei 0°C von ±0,3°C und die Klasse "A" mit ±0,15°C fest. Zur Erfassung von Temperaturen in industriellen Prozessabläufen reicht die Klasse "B" mit einer Abweichung von ±0,3K bei 0°C aus.
Daher sind alle im Katalog abgebildeten Widerstandsthermometer mit einem Pt100-Temperatursensor dieser Toleranzklasse aufgebaut.
Der Nennwert des Pt100-Temperatursensors beträgt bei 0°C = 100,000Ohm. Neben dem Pt100 sind seit der Entwicklung der Dünnschicht-Temperatursensoren auch Pt500 und Pt1000 im Einsatz.
Hier werden die Widerstandswerte des Pt100 für den Pt500 mit dem Faktor 5 und für den Pt1000 mit dem Faktor 10 multipliziert. Die in °C angegebenen Toleranzen bleiben gleich. Um den Temperatursensor vor äusseren Einflüssen wie Schmutz, Feuchtigkeit, usw. zu schützen wird er in ein Schutzrohr eingebaut. Dessen Material hängt vom Medium und der Einsatztemperatur ab. Eine gute thermische Anbindung des Sensors zum Schutzrohr wird durch den Einsatz von Wärmeleitpaste bis ca. 300°C oder durch erschütterungsfestes Einrütteln mit Aluminiumoxyd (Al 2O3) bis ca. 600°C erreicht. Je nach Anwendung werden Ausführungen mit Anschlusskopf oder fest angeschlossener Anschlussleitung eingesetzt.
Temperaturmesstechnik mit Widerstandsthemometern
Um den temperaturabhängigen Widerstandswert des Pt100-Temperatursensors erfassen zu können, wird der von einem kostanten Messstrom verursachte Spannungsabfall gemessen. Hier gilt nach dem Ohmschen Gesetz:
U = R x I
Um eine Erwärmung des Sensors durch den Messstrom zu minimieren, sollte der Messstrom nicht mehr als 1mA betragen. Dieser Strom führt bei einem Pt100 zu einem Spannungsabfall von 0,1Volt. Diese Messspannung muss durch die Anschlussleitung möglichst unverfälscht zur Anzeige oder Auswertung übertragen werden.
Abb. 1: Aufbau Widerstandsthermometer
In der industriellen Temperaturmessung werden heute vorwiegend Widerstandsthermometer mit Platin- Messwiderständen eingesetzt.
Vorteile gegenüber herkömmlichen Fühlern bestehen vor allem in
den geringen Abmessungen
dem geschlossenen Aufbau
der kurzen Ansprechzeit
der hohen Temperaturbeständigkeit
in der Resistenz gegen chemische und mechanische Einwirkungen und
in der hohen Standzeit und Stabilität
Durch den geschlossenen Aufbau der Widerstandsthermometer ist es möglich, sie auch ohne weitere Schutzarmatur einzusetzen.
Ein Widerstandsthermometer besteht immer aus folgenden Komponenten:
einem auf Temperaturen ansprechenden Messwiderstand, üblicherweise Pt100 (andere Widerstandswerte sind möglich)
den Innenleitern (Zu- und Ableitung)
dem Isolationsmaterial (Metalloxyd- Pulver)
und dem Schutzrohr
Wesentliches Bauteil ist der jeweils in der Fühlerspitze angebrachte temperaturabhängige Messwiderstand. Dieser Widerstand wird von einem Hilfsstrom, der zwischen 0,1 und 10 mA liegen kann, 1 mA jedoch nicht überschreiten sollte um eine Erwärmung des Sensors durch den Mess-Strom zu vermeiden, durchflossen und der jeweils anliegende elektrische Widerstandswert wird gemessen. Aus ihm wiederum lassen sich anhand der DIN EN 60751, die diese Widerstände von -200°C bis + 850 °C normt, exakte Rückschlüsse auf die Umgebungstemperatur des Widerstandes ziehen. In einem Fühler können bis zu drei Messwiderstände enthalten sein. Widerstände die bei 0°C genau 100 Ohm elektrischen Widerstand aufweisen werden als Pt100, solche die bei 0°C 500 Ohm Widerstand haben als Pt500 bezeichnet und Widerstände mit 1000 Ohm bei 0°C als Pt1000.