RTD-Grundlagen

Wissenswertes über RTDs

Ein RTD ist ein Sensor, dessen Widerstand sich mit der Veränderung der Temperatur ändert.

Ein RTD (Resistance Temperature Detector) ist ein Temperatursensor, dessen Widerstand sich ändert, wenn sich seine Temperatur ändert. Der Widerstand steigt mit zunehmender Temperatur des Sensors. Das Verhältnis Widerstand versus Temperatur ist bekannt und im Laufe der Zeit wiederholbar. Ein RTD ist ein passives Gerät, das von sich aus keinen Ausgang erzeugt. Externe elektronische Geräte werden verwendet, um den Widerstand des Sensors zu messen, indem schwacher elektrischer Strom durch den RTD-Sensor geleitet wird, um eine Spannung zu erzeugen. Der Messstrom liegt in der Regel bei 1 mA oder weniger und maximal bei 5 mA maximal ohne Selbsterhitzungsrisiko.

Standardtoleranzen

RTDs sind für die Kompatibilität mit mehreren standardisierten Kurven und Toleranzen ausgelegt. Die häufigste standardisierte Kurve ist die „DIN“-Kurve. Die Kurve beschreibt die Widerstands- und Temperatureigenschaften eines 100-Ohm-Platinsensors, die standardisierten Toleranzen sowie den messbaren Temperaturbereich.

Die DIN-Norm legt einen Basiswiderstand von 100 Ohm bei 0 °C sowie einen Temperaturkoeffizienten von 0,00385 Ohm/Ohm/°C fest. Der Nennausgang eines DIN-RTD-Sensors ist nachstehend dargestellt.

0 °C	Ohm
0	100,00
10	103,90
20	107,79
30	111,67
40	115,54
50	119,40
60	123,24
70	127,07
80	130,89
90	134,70
100	138,50

Für DIN-RTDs gibt es drei Standardtoleranzklassen. Diese Toleranzen sind wie folgt definiert:

DIN Klasse A: ±(0.15 + .002 |T|°C)DIN
Klasse B: ±(0.3 + .005 |T|°C)DIN
Klasse C: ±(1.2 + .005 |T|°C)

RTD-Elementtypen

Bei der Entscheidung für den RTD-Elementtyp sollten Sie zunächst überlegen, mit welchem Instrument Sie die Sensorwerte ablesen. Wählen Sie einen Elementtyp, der mit dem Sensoreingang des Instruments kompatibel ist. Die mit Abstand häufigsten RTDs sind 100-Ohm-Platinsensoren mit einem Tempeaturkoeffizienten von 0,00385.

Elementtyp	Basiswiderstand in Ohm	TCR (Ohm/Ohm/ °C)
Platin	100 Ohm bei 0 °C	,00385
Platin	100 Ohm bei 0 °C	,00392
Platin	100 Ohm bei 0 °C	,00375
Nickel	120 Ohm bei 0 °C	,00672
Kupfer	10 Ohm bei 25 °C	,00427

RTD-Genauigkeit

Die Genauigkeit ergibt sich aus der Kombination von Basiswiderstandstoleranz (Widerstandstoleranz bei der Kalibriertemperatur) und der Toleranz des Temperaturkoeffizienten des Widerstands (Toleranz der Kennliniensteigung). Jede Temperatur oberhalb oder unterhalb dieses Werts hat ein breiteres Toleranzband oder eine geringere Genauigkeit (siehe Diagramm unten). Die häufigste Kalibriertemperatur ist 0 °C.

rtd-Widerstand vs. Temperatur und Standardgenauigkeit

Anschlussleitungen

Sensorverbindungen

RTD-Sensoren sind in verschiedenen Führungsdrahtkonfigurationen erhältlich. Die häufigste Konfiguration ist die Konfiguration mit einem einzelnen Element und drei Führungsdrähten. Die Schematik der verfügbaren Führungsdrahtkonfigurationen ist unten abgebildet:

In Anwendungen, bei denen Genauigkeit nicht entscheidend ist, werden in der Regel zwei Drahtsensoren eingesetzt. Die Konfiguration mit zwei Drähten ermöglicht die einfachste Messtechnik, weist aber aufgrund der Widerstandsfähigkeit der Sensorführungsdrähte eine inhärente Ungenauigkeit auf. Bei der Konfiguration mit zwei Drähten gibt es keine Möglichkeit, den Widerstand der Führungsdrähte direkt auszugleichen, was zu einer Ausgleichserhöhung der Widerstandsmessung führt.

Sensoren mit drei Drähten werden mit einer Kompensationsschleife gefertigt, um zu ermöglichen, dass bei der Messung der Führungsdrahtwiderstand ausgeklammert wird. Bei dieser Konfiguration führt das Steuerungs-/Messgerät zwei Messungen durch. Die erste Messung misst den Gesamtwiderstand des Sensors und der verbindenden Führungsdrähte. Die zweite Messung gibt den Widerstand der Kompensationsschleife an. Durch die Subtraktion des Kompensationsschleifenwiderstands vom Gesamtwiderstand wird ein Nettowiderstand ermittelt. Sensoren mit drei Drähten werden am häufigsten verwendet und stellen eine gute Kombination aus Genauigkeit und Komfort dar.

Sensorkonfigurationen und Messtechniken mit vier Drähten ermöglichen die Messung des Sensorwiderstands ohne den Einfluss der Führungsdrähte. Während diese Technik die beste Genauigkeit bietet, können viele industrielle Steuerungs-/Messgeräte keine tatsächliche Vierdrahtmessung durchführen.

Der Übergang von den Sensorführungsdrähten zur Feldverdrahtung erfolgt typischerweise in einem am Sensor befestigten Verbindungskopf. Zur Erleichterung der Verbindung werden Klemmleisten verwendet.

Führungsdrahteffekte

Bei der Messung der Temperatur mit einem Widerstandstemperaturfühler geht es um die Messung der Widerstandsfähigkeit. Unausgewogene Wheatstone-Brücken werden immer zur Messung des Widerstands eingesetzt. Bei der Messung der Widerstandsfähigkeit des Sensorelementes müssen alle äußeren Faktoren minimiert oder ausgeglichen werden, um einen genaue Wert zu erhalten.

Eine wesentliche Fehlerursache kann der Widerstand der Führungsdrähte sein, insbesondere bei Konfigurationen mit zwei Führungsdrähten.

Zweileiterkonfiguration

Der Widerstand ist mit dem Sensorelement in Reihe geschaltet, so dass der ausgegebene Wert die Summe der Widerstände des Sensorelementes und der Führungsdrähte darstellt.  Zweileiter-RTDs sind möglich, wenn das Sensorelement einen hohen Widerstand und die Anschlussleitungen einen niedrigen Widerstand aufweisen. Ist der Widerstand der Anschlussleitungen jedoch vergleichsweise hoch, muss er kompensiert werden. Die Kompensation kann mit einer Dreileiterkonfiguration erreicht werden. Wie im Dreileiterschaltbild dargestellt, wird eine Seite der Spannungsversorgung über L3 mit einer Seite des RTD verbunden. Dadurch liegen L1 und L2 in gegenüberliegenden Armen der Brückenschaltung, sodass sie sich gegenseitig aufheben und keinen Einfluss auf die Ausgangsspannung der Brücke haben.

Dreileiterkonfiguration

Für RTDs werden Verbindungen mit drei Führungsdrähten empfohlen, vor allem nicht bei einem niedrigen Sensorelementwiderstand, bei dem ein geringer Widerstand des Führungsdrahts großen Einfluss auf die Genauigkeit des ausgegebenen Werts haben kann.