Widerstandsthermometer
Widerstandsthermometer sind elektrische Bauelemente und verwenden zur Messung der Temperatur, die Temperaturabhängigkeit des verbauten elektrischen Widerstandes eines elektrischen Leiters. Die grundlegenden Widerstandsthermometer werden nach Ihren physikalischen Eigenschaften, wie Fühlerart, Widerstandsart und Anschlussart, unterschieden.
Als Widerstandsmaterial eignen sich vorzugsweise reine Metalle. Sie zeigen stärkere Widerstandsänderungen als Legierungen. Hinzukommend haben sie einen nahezu linearen Zusammenhang des Widerstandes mit der Temperatur. Für zuverlässige Messungen wird vorzugsweise das korrosionsbeständige Platin verwendet, da dieses besonders wenig Alterung zeigt, und sich daraus Thermometer mit geringeren Fehlergrenzen fertigen lassen.
Der Messwiderstand, kann auch aus Keramik oder Halbleitern bestehen, womit sich sehr viel höhere Temperaturkoeffizienten als mit Metallen und damit auch viel höhere Empfindlichkeiten erzielen lassen. Diese Widerstände werden als Thermistoren bezeichnet und unterscheiden sich nach Heißleiter (NTC-Widerstände) und Kaltleiter (PTC-Widerstände).
Ähnlich wie sich Metalle bei Erwärmung ausdehnen, verhält es sich mit dem elektrischen Widerstand. Abhängig von der Temperatur des Metalls verändert sich auch der elektrische Widerstand. Diese Abhängigkeit wird durch den Temperaturkoeffizienten dargestellt, welcher möglichst groß sein sollte. Demzufolge bewirkt eine Temperaturänderung auch eine Widerstandsänderung. Hierbei sollte darauf geachtet werden, dass die Druck- und Temperaturabhängigkeit des Koeffizienten möglichst gering und nicht chemisch beeinflussbar ist. Bei Widerstandthermometern für den industriellen Einsatz hat sich besonders Platin durchgesetzt und die Verwendung von Nickel.
Platin weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf und der Widerstand steigt bei zunehmender Temperatur. Platin ist in hoher Reinheit herstellbar und widerstandsfähig gegen chemische Einflüsse. Die elektrischen Eigenschaften sind gut reproduzierbar, womit Platin-Widerstandsthermometer universell austauschbar sind. Nach der europäischen Norm IEC 60751 sind die zulässigen Grenzwertabweichungen und die Grundwertreihe für Platinwiderstände festgelegt, welche von –200 °C bis 850 °C reicht. Die Kategorisierung findet nach dem Nennwiderstand der Platinwiderstände statt, R0 entspricht somit dem Widerstandswert 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, wobei die Klasse AA die höchste standardisierte Genauigkeit für Widerstandsthermometer definiert.
Aufgrund des eingeschränkten Einsatzbereich von –60 bis +260 °C werden Nickelwiderstände seltener verwendet als Platinwiderstände. Im Vergleich zu Platin weisen Nickelwiderstände allerdings einen höheren Temperaturkoeffizienten auf. Ihre Bezeichnung richtet sich nach Ihrem Nennwert bei 0 °C.
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.
Die so genannten Kaltleiter besitzen bei niedrigen Temperaturen eine bessere elektrische Leitfähigkeit als bei hohen.
Bei so genannten Heißleiter hingegen nimmt die elektrische Leitfähigkeit bei Erwärmung zu und sie weisen keine chemische Resistenz auf. Der Widerstand ist nicht linear und wird als R/R25 logarithmisch angegeben.
Zum Anschluss der Widerstandsthermometer an einen Messwertaufnehmer werden Anschlussleitungen verwendet. Anders wie bei Thermo- und Ausgleichsleitungen werden Leiter aus verzinntem, vernickeltem oder versilbertem Kupfer oder Nickelleiter verwendet. Bei sehr hohen Temperaturen kommen ausschließlich Nickelleiter zum Einsatz, diese 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 kompensiert werden kann.
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
Zur Vermeidung einer Eigenerwärmung des Widerstands wird ein sehr geringer Strom gewählt. Der Spannungsabfall muss möglichst unverfälscht gemessen werden, wozu sich mehrere Schaltungsarten anbieten. Unsere Widerstandsthermometer können mit allen möglichen Schaltungskofigurationen ob Zwei-, Drei- oder Vierleiterschaltung gefertigt werden.
Der Anschluss der Leitung findet jeweils an einem der beiden Schenkel des Mess-Widerstands und an dem Messgerät statt. Durch die Messung der Spannung erst im Messgerät, hat der Eigenwiderstand der Anschlussleitung Einfluss auf das Messergebnis. Dieser Eigenwiderstand der Leitung ist Längen- und Querschnittsabhängig. Es gibt allerdings Möglichkeiten diesen Fehler elektrisch zu kompensieren.
Bei der Dreileiterschaltung wird an einem Schenkel des Messwiderstands eine zusätzliche Leitung angeschlossen und bildet somit 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.
Bei der Vierleiterschaltung werden die beiden Schenkel des Messwiderstands mit jeweils zwei Leitungen verbunden, einmal eine Messleitung und zusätzlich eine stromführende Leitung. Hierdurch wird der Spannungsabfall direkt am Messwiderstand abgegriffen und somit kann man völlig unabhängig von Leitungs- und Temperatureinflüssen messn. Diese Anschlussart bietet daher die beste Möglichkeit um fehlerfrei zu messen.
Ein mangelhafter Isolationswiderstand kann elektrisch als parasitärer Parallelwiderstand zum Messwiderstand angesehen werden. Er führt also dazu, dass die auswertende Komponente eine zu geringe Temperatur anzeigt. Er entsteht meist schon während der Produktion der Sensoren durch das Eindringen von Feuchtigkeit in den Messeinsatz und würde somit bei Prüfung der Sensoren direkt auffallen.
Parasitäre Thermospannungen werden durch den thermoelektrischen Effekt hervorgerufen und entstehen durch den Einsatz verschiedener Materialien für die Anschlussleiter und dem Platinsensor selbst. Da die Thermospannungen sowohl auf der Zuleitung wie auf der Rückleitung entstehen kann alleridngs in der Regel davon ausgegangen werden, dass sich diese gegenseitig aufheben. In ungünstigen Fällen jedoch, bedingt durch unregelmäßige Wärmeübergänge, können jedoch Thermospannungen auftreten. Diese können von der auswertenden Elektronik, nur von dem Spannungsabfall über dem Messwiderstand unterschieden werden, wenn für jede Messung die Polarität gewendet wird.
Eigenerwärmung entsteht aufgrund einer Verlustleistung am Messwiderstand, welche durch den Messstrom erzeugt wird. Diese wird in Wärme umgesetzt und ist abhängig vom Grundwert, der Messtemperatur, der Bauart sowie der Wärmeleitung und -kapazität. Da im Allgemeinen ein Messstrom von 1 mA nicht überschritten wird, liegt diese Verlustleistung bei einem Pt100 im Bereich einiger Zehntel-Milliwatt und erzeugt normalerweise keinen nennenswerten Messfehler. Nur in seltenen Fällen muss die Eigenerwärmung beachtet und für den jeweiligen Anwendungsfall unter Einsatzbedingungen ermittelt werden.
Die Hysterese macht sich dadurch bemerkbar, dass das Thermometer nach großen Temperaturänderungen nicht mehr denselben Wert misst wie zuvor. Sie ist auf mechanische Spannungen im Sensorelement zurückzuführen, die durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten vom Platin und dem Trägermaterial entstehen.
