RTD-Elementkonstruktionen

Inhalt

1. Labor-RTD-Konstruktionen
2. Industrielle RTD-Konstruktionen
3. Dünnschichtthermometer
4. Zusammenfassung: Die richtige RTD-Elementkonstruktion auswählen

Widerstandsthermometer (RTD) können je nach Messumgebung auf verschiedene Weise aufgebaut werden. Von präzisen Laborgeräten bis hin zu robusten Industrie­baugruppen beeinflussen Konstruktionsentscheidungen Genauigkeit, Haltbarkeit, Stabilität und Kosten. Im Folgenden sind die am weitesten verbreiteten RTD-Elementkonstruktionen zusammengefasst, beginnend mit Laborausführungen.

Labor-RTD-Konstruktionen

Labor-RTDs priorisieren Präzision und Stabilität. Diese Elemente werden sorgfältig konstruiert, um die Belastung des Sensorelements zu minimieren und eine hervorragende Kalibrierbeständigkeit über die Zeit zu gewährleisten.

Drahtgewickelte Platinspulen-Rohr-Konstruktion 

In modernen Normlaboratorien werden die genauesten RTD-Elemente aufgebaut aus:

• Feinem Platindraht (typischerweise 0,07 mm Durchmesser).
• Helikal gewickelt und kraftschlüssig montiert in Röhrchen aus Silica, Glas oder Aluminiumoxid.
• Vierleiterkonfigurationen für hochgenaue Widerstandsmessung (siehe Abbildung 6.1).
• Hermetisch abgedichtet und befüllt mit Argon oder Luft/Sauerstoff um eine oxidierende Umgebung für das Platin sicherzustellen.
• Anschlussdrähte werden sorgfältig mit Glimmer, Silica oder Saphir isoliert, um einen hohen Isolationswiderstand zu erhalten und Leckströme zu minimieren.

Dank dieser Bauform kann sich das Platin frei ausdehnen und zusammenziehen. Dadurch ist eine langfristige Stabilität über −189 °C gewährleistet.

Kryo-Kapseln

Bei sehr niedrigen Temperaturen werden Kapsel-RTDs bevorzugt. Diese kompakten Konstruktionen:

• Verwenden dünnwandige Platinröhrchen, die mit Heliumgas gefüllt sind, für eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit.
• Haben typischerweise etwa 50 mm Länge und 5 mm Durchmesser.
• Sind abgedichtet und robust, mit sehr geringer thermischer Masse (siehe Abbildung 6.2).

Solche Ausführungen sind ideal für die kryogene Kalibrierung und Messumgebungen mit ultraniedrigen Temperaturen.

Hochtemperatur-Referenzelemente

Bei Temperaturen über 660°C haben Platin-Widerstandsthermometer Probleme mit dem Isolationswiderstand und der Drift. Um dem entgegenzuwirken:

• Niederohmige Widerstandsthermometer werden aus mehreren parallel geschalteten Platindrähten aufgebaut.
• Elemente wie das NBS-„Vogelkäfig“-Design verringern die Auswirkungen des Anschlussleitungswiderstands (siehe Abbildung 6.3).
• Der geringere Widerstand (z. B. 0.2 Ω bei 0°C) macht sie weniger empfindlich gegenüber einer Überbrückung durch Leckströme und verbessert die Genauigkeit bei erhöhten Temperaturen.

Industrielle Ausführungen von Widerstandsthermometer

Industrielle Widerstandsthermometer sind so ausgelegt, dass sie in raueren Umgebungen überleben, in denen Vibrationen, thermischer Schock und mechanische Beanspruchung üblich sind. Diese Ausführungen bieten eine Balance zwischen Robustheit und Messstabilität.

Drahtgewickelte Keramikelemente

Traditionelle industrielle Widerstandsthermometer verwenden Keramik- oder Glas-Spulenkörper um die Platindraht gewickelt wird:

• Die Wicklung wird mit Keramikzement oder Glas vergossen, um sie in Position zu halten (siehe Abbildung 6.4).
• Keramikstäbe mit Spiralnuten sind eine weitere Option, bei der der Draht vor Vibrationen geschützt ist (siehe Abbildung 6.5).

Diese Ausführungen sind robust, opfern jedoch etwas Ausdehnungsfreiheit des Platinelements, was die Langzeitstabilität beeinträchtigen kann.

Teilweise abgestützte Spulenanordnungen

Eine fortschrittlichere Ausführung verwendet teilweise abgestützte Platinspulen:

• Die helikale Spule wird in ein mehrbohriges Aluminiumoxidrohr .
• Nur bestimmte Kontaktpunkte werden mit Glas fixiert, sodass sich der restliche Draht frei bewegen kann (siehe Abbildung 6.6).
• Diese Ausführung verbessert die Vibrationsbeständigkeit erheblich und minimiert gleichzeitig die Beanspruchung.

Typische Einheiten sind 25 mm lang und haben einen Durchmesser von etwa 3 mm. Sie werden sorgfältig auf 100 Ω bei 0 °C angepasst, um die Konformität mit den IEC-Normen zu gewährleisten.

Dies sind einige der stabilsten verfügbaren Industrieelemente, mit einer Drift von nur einigen Hundertstel Grad über den Bereich von –200 °C bis +850 °C.

Schichtthermometer

Film-RTDs sind eine moderne Weiterentwicklung im Sensordesign. Anstelle von Drähten basieren diese Elemente auf dünnen oder dicken Platinschichten, die auf einem Substrat aufgebracht werden.

Dünnschicht-Designs

• Eine sehr dünne Platin-Schicht  wird im Vakuum auf ein keramisches Substrat aufgebracht.
• Ideal für Oberflächen- oder Lufttemperaturmessungen bis etwa 500 °C.
• Schnelle Ansprechzeit aufgrund geringer thermischer Masse und ausgezeichneter Vibrationsbeständigkeit (siehe Abbildung 6.7).

Dickschicht-Designs

• Verwendung von Platin-Glas-Pasten die auf eine plane Oberfläche siebgedruckt und anschließend bei hohen Temperaturen gebrannt werden.
• Häufiger in kostengünstigen oder Serienfertigungsumgebungen anzutreffen.

Vorteile und Einschränkungen

• Hohe Reproduzierbarkeit in der Serienfertigung.
• Kosteneffizient mit schneller thermischer Ansprechzeit.
• Gute Vibrationsbeständigkeit.

• Geringere Langzeitstabilität im Vergleich zu drahtgewickelten Typen.
• Die Platin-Schicht ist klein und anfällig für Verunreinigungen.
• Mechanische Beanspruchung während thermischer Zyklen kann die Kalibrierung beeinflussen.
• Schwankungen zwischen Chargen können die Austauschbarkeit einschränken.

Während hochwertige drahtgewickelte RTDs eine Stabilität von ±0,005 % erreichen , bieten Filmelemente im Allgemeinen ±0,05 % - immer noch ausreichend für viele industrielle Anwendungen.

Zusammenfassung: Auswahl des richtigen RTD-Elementdesigns

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