Einführung in RTDs (Widerstandsthermometer)

Inhalt

1. So funktioniert es
2. Geschichte
3. Wichtige Anforderungen an genaue RTDs
4. Die RTD-Widerstandsgleichung
5. Der α-Koeffizient und das Grundintervall
6. Zusammenfassung

Widerstandstemperaturfühler (RTDs) basieren auf dem Prinzip, dass sich der elektrische Widerstand eines Leiters mit der Temperatur ändert. Mit steigender Temperatur nehmen die Atomschwingungen und die Elektronenstreuung im Metall zu, was zu einem vorhersehbaren Anstieg des Widerstands führt. Diese Beziehung ermöglicht eine genaue Temperaturmessung – vorausgesetzt, das Sensormaterial ist stabil und rein.

Funktionsweise

Vereinfacht ausgedrückt weisen Metalle wie Platin eine zuverlässige Widerstands-Temperatur-Beziehung auf. Zwar können Verunreinigungen und Gitterfehler den Widerstand ebenfalls beeinflussen, doch sind diese Einflüsse bei hochreinen Materialien weitgehend temperaturunabhängig und beherrschbar.

RTDs bieten gegenüber Thermoelementen mehrere praktische Vorteile:

• Absolute Messung : Keine Referenzstelle oder Kaltstellenkompensation erforderlich.
• Einfachere Verdrahtung : Zwischen Sensor und Instrumentierung können Standard-Kupferkabel verwendet werden, was die Komplexität reduziert.

Geschichte

Das Konzept stammt aus den 1860er Jahren, als Sir William Siemens erstmals vorschlug, temperaturabhängige Widerstände zur Sensorik einzusetzen. Frühe Versionen verwendeten Platin, doch das Design litt unter Instabilität aufgrund mechanischer Belastung und Verunreinigungen.

Erst im Jahr 1899 wurde die Platin-Widerstandsthermometrie dank verbesserter Materialien und Konstruktionsmethoden, die Callendar als Pionier entwickelte, zuverlässig.

Wichtige Anforderungen an genaue RTDs

Um stabile und genaue RTD-Elementen zu erreichen, müssen folgende Punkte beachtet werden:

• Verwendung hochreiner Metalle (normalerweise Platin)
• Aufbewahrung in vollständig geglühten Zustand, zur Vermeidung körperlicher Veränderungen
• Schutz vor Verunreinigungen zur Verhinderung chemischer Veränderungen
• Mechanische Unterstützung um die Belastung durch Wärmeausdehnung zu minimieren

Bei der Fertigung von RTDs muss ein Gleichgewicht zwischen Empfindlichkeit und Robustheit hergestellt werden, um die Leistung auch in rauen Industrieumgebungen sicherzustellen.

Die RTD-Widerstandsgleichung

Bei Platin-RTDs ist die Widerstands-Temperatur-Beziehung vorhersehbar und folgt einer polynomischen Form:

Über 0ºC ein (quadratisches) Polynom zweiter Ordnung reicht:
R _T /R ₀ = 1 + At + Bt ²

Unter 0°C (für höhere Genauigkeit) Es wird ein genaueres Polynom dritter Ordnung (kubisch) verwendet:
R _T /R ₀ = 1 + At + Bt ² + Ct ³ (t-100)

Daher:
t = (1/α)(Rt - R0)/R0 + δ(t/100)(t/100 -1)

Definition:

• R _T = Widerstand bei Temperatur t
• R ₀ = Widerstand bei 0°C
• t = Temperatur in °C
• A, B, C = Kalibrierkonstanten

Die Konstanten A, B und C in diesen Gleichungen werden typischerweise durch Kalibrierung für hochgenaue Sensoren bestimmt. In industriellen Anwendungen werden jedoch häufig standardisierte Werte verwendet, wie sie in der IEC 60751 festgelegt sind.

• A = 3,90802 × 10 ^-3
• B = –5,802 × 10 ^-7
• C = –4,2735 × 10 ^-12

Der α-Koeffizient und das Grundintervall

Ein Schlüsselparameter bei der Definition von Platin-RTDs ist der Alpha-Koeffizient (α) , der den durchschnittlichen Temperaturkoeffizienten des Widerstands zwischen 0 °C und 100 °C darstellt:

α = (R ₁₀₀ - R ₀ ) / (100 × R ₀  )

Diese Gleichung vergleicht den Widerstand bei 0 °C (R₀₀) und 100 °C (R₁₀₀) – eine Differenz, die als Grundintervall bezeichnet wird. Bei kommerziellen RTDs beträgt dieses Grundintervall typischerweise 38,5 Ω  , daraus ergigt sich ein α-Wert von 3,85 × 10 ^-3 /°C .

Der Alpha-Koeffizient wird sowohl von der Reinheit als auch vom Glühzustand des Platin-Messdrahtes beeinflusst. Hochreines, vollständig geglühtes Platin erreicht Alpha-Werte zwischen  3,925 × 10 ^-3 /° C und 3,928 × 10 ^-3 /°C , wodurch eine bessere Linearität und Genauigkeit erreicht wird – allerdings ist es empfindlicher gegenüber Belastung und Verschmutzung.

Um Konsistenz zu gewährleisten, definiert die Norm IEC 60751 Tabellen mit Widerstands- und Temperaturwerten für RTDs, basierend auf:

• R ₀ = 100 Ω bei 0 °C
• R ₁₀₀ - R ₀ = 38,5 Ω (Grundfrequenzintervall)
• α = 3,85 × 10 ^-3 /°C
• Erhältlich in den Toleranzklassen Klasse A und Klasse B

Diese Tabellen bilden das Rückgrat der industriellen RTD-Kalibrierung und ermöglichen zuverlässige Messungen über einen großen Temperaturbereich.

Zusammenfassung

RTDs messen die Temperatur, indem sie die Widerstandsänderung bei Erwärmung verfolgen. Platin ist aufgrund seiner Stabilität, Reinheit und wiederholbaren Eigenschaften das am häufigsten verwendete Material. RTDs sind präzise, benötigen keine Vergleichsstelle und verwenden Standardverdrahtung – ideal für viele industrielle Anwendungen.

Die Beziehung zwischen Temperatur und Widerstand wird durch Polynomgleichungen beschrieben und in der IEC 60751 standardisiert, die Kalibrierkonstanten und Toleranzklassen definiert. Für eine genaue Leistung muss das RTD-Element chemisch stabil, physikalisch unverändert und frei von Spannungen oder Verunreinigungen bleiben.

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