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Wissenswertes über RTDs

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

Wissenswertes über RTDs

Ein RTD (Resistance Temperature Detector) ist ein Sensor, 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. Er produziert nicht selbst ein Ausgangssignal. Externe elektronische Geräte werden verwendet, um den Widerstand des Sensors zu messen, indem schwacher elektrischer Strom durch den 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 gibt einen Basiswiderstand von 100 Ohm bei 0 °C und einen Temperaturkoeffizienten von 0,00385 Ohm/Ohm/ °C an. Die nominale Leistung eines DIN-RTD-Sensors ist unten abgebildet:

 

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

 

DIN-Klasse A: ± (0,15 + 0,002|T| °C)

DIN-Klasse B: ± (0,3 + 0,005|T| °C)

DIN-Klasse C: ± (1,2 + 0,005|T| °C)

Grad 0 °C
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

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
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RTD-Genauigkeit

Entscheiden Sie dann, welche Genauigkeit bei Ihrer Messung benötigt wird. Die Genauigkeit setzt sich aus der Basiswiderstandstoleranz (Widerstandstoleranz bei der Kalibriertempertur) und dem Temperaturkoeffizienten der Widerstandstoleranz (Toleranz beim charakteristischen Gefälle) zusammen. 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
Platin-Rtd-Standard-Genauigkeit
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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:

Drahtkonfiguration

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.

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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.

Widerstand-Führungsdrahtkonfiguration-1

Der Widerstand ist mit dem Sensorelement in Reihe geschaltet, so dass der ausgegebene Wert die Summe der Widerstände des Sensorelementes und der Führungsdrähte darstellt.  RTDs mit zwei Führungsdrähten sind möglich, wenn das Sensorelement einen hohen Widerstand hat und die Führungsdrähte einen geringen Widerstand aufweisen. 

 

Wenn der Führungsdrahtwiderstand vergleichsweise hoch ist, muss er jedoch ausgeglichen werden.  Dieser Ausgleich kann mit einer Konfiguration mit drei Führungsdrähten erzielt werden.  Wie im Diagramm mit drei Führungsdrähten gezeigt, wird eine Seite der Stromversorgung über L3 auf eine Seite des RTD gebracht.  Dadurch werden L1 und L2 in entgegengesetzte Arme der Brücke gelegt, so dass sie sich gegenseitig aufheben und keine Auswirkungen auf die Brückenausgangsspannung haben. 

Widerstand-Führungsdrahtkonfiguration-2

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.