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.

2.1.1 Platinwiderstände

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.

2.1.2 Nickelwiderstände

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.

2.2.1 PTC (Positive Temperature Coefficient)

Sie werden auch Kaltleiter genannt, da sie bei niedrigen Temperaturen eine bessere elektrische Leitfähigkeit besitzen als bei warmen.

2.2.2 NTC (Negative Temperature Coefficient)

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.

4.1 Zweileiterschaltung

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.

4.2 Dreileiterschaltung

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.

4.3 Vierleiterschaltung

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
  • keine Angaben
  • Sehr hohe Genauigkeit
  • Eigenerwärmung

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