Widerstandsthermometer
Temperaturabhängige Widerstände messen die Temperatur mit Hilfe von einem oder mehreren verbauten elektrischen Widerständen. Wir bieten unseren Kunden viele unterschiedliche Bauformen für die verschiedensten Einsatzmöglichkeiten an. Die grundlegenden Widerstandsthermometer werden in verschiedene Arten unterschieden. Weitere wichtige Unterscheidungsmerkmale aufgrund Ihrer physikalischen Eigenschaften sind die Fühlerart, ob Metall oder Halbleiter-Widerstände sowie die Anschlussart.
1. Grundlegende Arten
2 Widerstandsarten
2.1 Metall-Widerstände
Metalle dehnen sich bei Erwärmung aus, dies ist allgemein bekannt. Ähnlich verhält es sich mit dem elektrischen Widerstand. Auch er ändert sich abhängig von der Temperatur des Metalls. Die Abhängigkeit wird beschrieben durch den Temperaturkoeffizienten. Dieser sollte möglichst groß sein. Das bedeutet, dass eine Temperaturänderung eine große Widerstandsänderung bewirkt. Zusätzlich sollte die Druck- und Temperaturabhängigkeit des Koeffizienten möglichst gering, sowie chemisch nicht beeinflussbar sein. Für den industriellen Einsatz von Widerstandthermometern hat sich besonders Platin durchgesetzt aber auch Nickel wird verwendet.
Platin hat einen positiven Temperaturkoeffizienten, der Widerstand steigt bei zunehmender Temperatur. Platin ist in hoher Reinheit herstellbar und widerstandsfähig gegen chemische Einflüsse. Die elektrischen Eigenschaften sind gut reproduzierbar und machen Platin-Widerstandsthermometer dadurch universell austauschbar. Nach der europäischen Norm IEC 60751 ist die Grundwertreihe für Platinwiderstände festgelegt und reicht von –200 °C bis 850 °C. In der Norm werden auch die zulässigen Grenzwertabweichungen festgelegt. Platinwiderstände werden nach ihrem Nennwiderstand kategorisiert (R0), welcher dem Widerstandswert bei 0 °C entspricht. Ein Widerstand, welcher bei 0 °C einen Nennwert von 100 Ω besitzt, wird als Pt100 Messwiderstand bezeichnet. Folglich besitzt ein Pt1000 Messwiderstand einen Nennwert von 1000 Ω bei 0 °C. Die Grenzabweichungen für Widerstandsthermometer werden nach der Norm IEC 60751:2008 in vier Klassen eingeteilt, diese gelten für beliebige R0-Werte und werden nach Drahtgewickeltem- oder Schichtwiderstand unterschieden. Die am häufigsten verwendeten Genauigkeitsklassen für Widerstandsthermometer sind AA, A und B. Die Klasse AA (früher als 1/3B bezeichnet) definiert die höchste standardisierte Genauigkeit für Widerstandsthermometer. In besonderen Fällen kann auch ein Messwiderstand mit 1/5 oder sogar 1/10 Klasse B verbaut werden.
Sie werden seltener verwendet als Platinwiderstände, da der Einsatzbereich nur von –60 bis +260 °C reicht. Im Vergleich zu Platin haben Nickelwiderstände einen höheren Temperaturkoeffizienten, weshalb diese dennoch gerne verwendet werden. Bezeichnet werden sie wie Platinwiderstände nach Ihrem Nennwert bei 0 °C, zum Beispiel Ni120.
2.2 Halbleiter-Widerstände
Als Halbleiter werden Materialien bezeichnet, deren Leitfähigkeit zwischen der von elektrisch leitfähigen Materialien und elektrisch nicht leitfähigen Materialien liegt. Unterteilt werden sie nach Ihren Temperaturkoeffizienten in PTC- und NTC-Widerstände.
Sie werden auch Kaltleiter genannt, da sie bei niedrigen Temperaturen eine bessere elektrische Leitfähigkeit besitzen als bei warmen.
Sie werden auch Heißleiter genannt, da ihre elektrische Leitfähigkeit bei Erwärmung zunimmt. Der Widerstand ist stark nicht linear und wird als R/R25 logarithmisch angegeben. Ein Heißleiter ist nicht chemisch resistent.
3. Anschlussleitungen
Anschlussleitungen werden benötigt um Widerstandsthermometer an einen Messwertaufnehmer anzuschließen. Im Gegensatz zu Thermo- und Ausgleichsleitungen werden Leiter aus verzinntem, vernickeltem oder versilbertem Kupfer oder Nickelleiter verwendet. Nickelleiter kommen ausschließlich bei sehr hohen Temperaturen zum Einsatz und werden nur mit Glasfaserisolierung angeboten. Um die Widerstandsthermometer möglichst filigran ausführen zu können werden bevorzugt Anschlussleitungen mit geringem Durchmesser (≤ AWG 24) verwendet. Dies führt jedoch zu einem erhöhten Leitungswiderstand, welcher durch eine Drei- oder Vierleiterschaltung wieder kompensiert werden kann.
4. Anschlussarten
Die Ermittlung der Widerstandsänderung im Thermometer erfolgt durch einen über die Anschlussleitung eingebrachten Messstrom und die Messung dessen Spannungsabfalls. Hiermit wird nach dem ohmschen Gesetz der Widerstand bestimmt:
U = R * I
Um eine Eigenerwärmung des Widerstands zu vermeiden wird ein sehr geringer Strom gewählt. Der Spannungsabfall muss möglichst unverfälscht gemessen werden. Hierzu bieten sich mehrere Schaltungsarten an. Wir produzieren unsere Widerstandsthermometer mit allen möglichen Schaltungskofigurationen ob Zwei-, Drei- oder Vierleiterschaltung.
An jedem der beiden Schenkel des Mess-Widerstands wird jeweils eine Leitung angeschlossen und zum Messgerät geführt. Die Spannung wird erst im Messgerät gemessen, somit hat der Eigenwiderstand der Anschlussleitung Einfluss auf das Messergebnis. Der Eigenwiderstand der Leitung ist Längen- und Querschnittsabhängig. Es gibt die Möglichkeit den Fehler elektrisch zu kompensieren, dieses Verfahren ist aber aufwendig und sehr unflexibel.
Es wird an einem Schenkel des Messwiderstands eine zusätzliche Leitung angeschlossen und bildet einen zweiten Messkreis. Dieser ermöglicht es, einen Messkreis als Referenz zu Nutzen und somit den Eigenwiderstand der Leitung, sowie temperaturabhängige Schwankungen des Leitungswiderstands zu kompensieren.
Die beiden Schenkel des Messwiderstands sind mit jeweils zwei Leitungen verbunden, eine Messleitung und eine stromführende Leitung. Der Spannungsabfall wird so direkt am Messwiderstand abgegriffen und ist somit völlig unabhängig von Leitungs- und Temperatureinflüssen. Eine Vierleiterschaltung ist die beste Anschlussmöglichkeit um fehlerfrei zu messen.
| Typischer Einsatzbereich | Vorteile | Nachteile |
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Bilder zu Widerstandsthermometern
Exakte Widerstandsthermometer für alle Arbeitsbedingungen
Industrielle Thermometer sind anspruchsvolle Geräte, die durch die Berechnung und Nutzung physikalischer Kräfte exakte Temperaturen auch bei extremen Bedingungen messen können. Wir bieten Temperaturfühler aller Art an, genauso wie Zubehörteile und beraten Sie gern zu den Produkten, die ideal sind für Ihre Ansprüche und Arbeitsumgebung. Dabei legen wir ein ganzheitliches Temperaturverständnis an den Tag. Wir ermitteln nicht nur aus unserer umfangreichen Auswahl an leistungsstarken Temperaturfühlern das richtige Modell für Sie, sondern können auch die Herstellung von individuellen Lösungen für Ihr Labor oder Ihre Entwicklung anbieten. Widerstandsthermometer gehören zu den gefragtesten Temperaturfühlern, denn mit nur leichten Abwandlungen in ihrer Bauform kann das Gerät für viele Einsatzmöglichkeiten angepasst werden.
Wie sich Widerstandsthermometer unterscheiden
Bei dieser Art von Temperaturfühler wird in jedem Fall der temperaturabhängige Widerstand mithilfe von elektrischen Widerständen gemessen. Diese sind ebenfalls in dem Gerät verbaut. Die zahlreichen Arten von Widerstandsthermometer werden grundlegend in ihre Fühlerart, Widerstandsart und Anschlussart unterteilt. Grundlegend unterscheidet man zwischen einem Standard Widerstandsthermometer, einem Mantel Widerstandsthermometer, einem Einschraub-Modell und zahlreichen weiteren Arten. Dazu zählen Oberflächen Widerstandsthermometer, Leitungs Widerstandsthermometer ,Mantel-Rohr Widerstandsthermometer und Weitere. Mantel Widerstandsthermometer beispielsweise sind besonders resistent gegen hohe Temperaturen, hohen Druck oder Vakuum Umgebungen, genauso wie bei Einsatz in aggressiven Medien. Die Isolation durch Magnesiumoxid in kombination mit einem metallischen Schutzmantel ist stabiler als andere Isolationsmaterialien und trotzdem biegsam, was leichte Integration am Montageort ermöglicht.
Widerstandsarten bei industriellen Temperaturfühlern
Grundlegend wird bei einem Widerstandsthermometer zwischen Modellen mit Metall-Wiederständen und Halbleiter-Wiederständen unterschieden. Bei einem Metall Widerstandsthermometer kommt hauptsächlich Platin zum Einsatz, seltener auch Nickel. Grundsätzlich ist es wichtig, dass die Leiter einen möglichst hohen Temperaturkoeffizienten aufweisen. Damit ist die Abhängigkeit vom elektrischen Widerstand zu der Temperatur beim Metall Widerstandsthermometer gemeint. Ist dieser groß genug, kann ein elektrisches Widerstandsthermometer Temperaturänderungen exakt messen. Außerdem ist es wichtig, dass der Temperaturkoeffizient möglichst wenig von Druck oder Chemikalien beeinflusst wird und in möglichst breiten Temperaturbereichen linear verläuft. Ein elektrisches Widerstandsthermometer mit Platin kann in einem breiten Temperaturbereich von -200 Grad Celsius bis +850 Grad Celsius eingesetzt werden und hat elektrische Eigenschaften, die gut reproduzierbar und damit zuverlässig sind.
Metall- und Halbleiter Widerstandsthermometer
Die Temperaturfühler werden in Genauigkeitsklassen unterteilt, die nach DIN EN 60751 mit AA, A und B benannt werden, wobei die Klasse AA die geringsten Grenzwertabweichungen also die höchste standardisierte Genauigkeit aufweist. Wenn man von einem Widerstandsthermometer Pt100 spricht ist damit gemeint, dass der Nennwiderstand bei 0 Grad Celsius 100 Ω beträgt. Die Bezeichnung Widerstand Pt100 steht also für die 100 Ohm Nennwiderstand bei Nullpunkt Temperatur. Neben der Bezeichnung Pt100 ist der Pt1000 Widerstand der häufigste bei einem Widerstandsthermometer, das Platin als Leiter verwendet. Die häufig verwendeten Halbleiter-Materialien werden allerdings nicht als Pt100 Widerstandsthermometer bezeichnet, denn diese Klassifizierung beschreibt spezifisch den Sensor mit Platin-Messwiderstand, der zum Beispiel bei einem Widerstandsthermometer mit Schutzrohr, Mantel oder Oberflächenfühler eingesetzt wird. Halbleiter Widerstände dagegen werden nach positiven und negativen Temperaturkoeffizienten unterteilt. Dabei weisen Letztere eine höhere elektrische Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen auf.
Stabile Abschlussleitungen für Ihr Widerstandsthermometer
Jedes industrielle Thermometer muss an einen Messwertaufnehmer angeschlossen werden. Deswegen benötigt man Anschlussleitungen, die genauso stabil und resistent gegen hohe Temperaturen und chemische Einflüsse sind wie die Widerstandsthermometer selbst. Am häufigsten kommen Anschlussleitungen aus verzinntem, vernickeltem und versilbertem Nickel oder Kupfer zum Einsatz. Dabei sind die Nickelleiter am besten für hohe Temperaturbereiche geeignet und weisen zusätzlich eine Glasfaserisolierung auf. Häufig ist es bei der Konstruktion von einem Widerstandsthermometer wichtig, dass es möglichst filigran bleibt. Deswegen haben auch Anschlussleitungen einen geringen Durchmesser und müssen aufgrund des so erhöhten Leitungswiderstandes oft mit Dreileiterschaltung oder Vierleiterschaltung kompensiert werden. Neben Glasfaser wird zur Isolierung auch Teflon oder Silikon verwendet, je nachdem wo das Widerstandsthermometer eingesetzt wird. Teflon weist eine hohe Beständigkeit auch bei Säuren, Basen, Ölen, Benzinen und Alkoholen auf. Das flexible Material kann allerdings nur in einer mäßigen Temperaturspanne eingesetzt werden und es ist schwierig, die Isolation zu bekleben.
Widerstandsthermometer und ihre verschiedenen Anschlussarten
Wichtig ist bei einem elektrischen Widerstandsthermometer auch das ohmsche Gesetz, durch welches der temperaturabhängige Widerstand bestimmt wird. Über die Anschlussleitung wird ein Messstrom in das Thermometer eingebracht und anschließend der Spannungsabfall gemessen. Damit diese Messung so unverfälscht wie möglich ist, wird zum Beispiel ein möglichst geringer Strom gewählt, um die Eigenerwärmung zu vermeiden. Aber auch die Schaltungsart steht in engem Zusammenhang mit einem zuverlässig und akkurat messbaren Spannungsabfall. Man Unterscheidet beim Widerstandsthermometer zwischen Zweileiterschaltung, Dreileiterschaltung und Vierleiterschaltung. Erstere Schalterart nutzt häufig elektronische Korrektur von Messabweichungen, da das Ergebnis stets vom Eigenwiderstand der Anschlussleitung beeinflusst wird. Da diese Vorgehensweise aber zusätzlichen Aufwand mit sich bringt und zudem nicht besonders flexibel ist, werden zusätzliche Leitungen zur Kompensation genutzt, um automatisch möglichst genaue Messungen durch ein Widerstandsthermometer zu produzieren.