Der Unterschied zwischen Thermoelement, Thermistor und Widerstandstemperaturdetektor (RTD)

Das Konzept der Temperatur

Aus physikalischer Sicht ist Wärme ein Maß für die Energie, die in einem Körper durch die unregelmäßige Bewegung seiner Moleküle oder Atome enthalten ist. Genauso wie Tennisbälle mit zunehmender Geschwindigkeit mehr Energie haben, nimmt die innere Energie eines Körpers oder Gases mit steigender Temperatur zu. Temperatur ist eine Variable, die zusammen mit anderen Parametern wie Masse und spezifischer Wärmekapazität den Energiegehalt des Körpers beschreibt.

Das grundlegende Maß für Temperatur ist das Kelvin. Bei 0 ° K (Elvin) ist jede Molekül im Körper ruhig und es gibt keine Wärme mehr. Daher gibt es keine Möglichkeit einer negativen Temperatur, da es keinen Zustand mit geringerer Energie gibt.

Im täglichen Gebrauch ist die übliche Praxis, Celsius (früher Centigrad) zu verwenden. Der Nullpunkt liegt beim Gefrierpunkt von Wasser, der in der Praxis leicht nachgestellt werden kann. Jetzt ist 0 °C keineswegs die tiefste Temperatur, wie jeder aus eigener Erfahrung weiß. Durch die Erweiterung der Celsius-Skala bis zur tiefsten Temperatur, bei der jede molekulare Bewegung aufhört, erreichen wir – 273,15 Grad.

Der Mensch hat die Fähigkeit, Temperaturen in einem begrenzten Bereich durch seine Sinne zu messen. Allerdings war er nicht in der Lage, genaue quantitative Messungen wiederzugeben. Die erste Form der quantitativen Temperaturmessung wurde Anfang des 17. Jahrhunderts in Florenz entwickelt und basierte auf der Ausdehnung von Alkohol. Die Skalierung beruhte auf den höchsten Temperaturen im Sommer und Winter. Einhundert Jahre später ersetzte der schwedische Astronom Celsius diese Methode durch die Schmelz- und Siedepunkte von Wasser. Dadurch erhält der Thermometer die Möglichkeit, jederzeit einzuzoomen und auszuzoomen und die Werte später nachzustellen.

Elektrische Temperaturmessung

Die Temperaturmessung ist in vielen Anwendungen wichtig, wie bei der Gebäudeautomation, der Lebensmittelverarbeitung und der Herstellung von Stahl und Petrochemiebergen. Diese sehr unterschiedlichen Anwendungen erfordern Temperatursensoren mit unterschiedlichen physikalischen Strukturen und meist auch unterschiedlichen Technologien.

In industriellen und kommerziellen Anwendungen liegen die Messpunkte in der Regel weit entfernt von den Anzeige- oder Steuerpunkten. Eine weitere Verarbeitung der Messwerte erfolgt normalerweise in Controllern, Aufzeichnungsgeräten oder Computern. Diese Anwendungen eignen sich nicht für die direkte Anzeige von Thermometern, wie wir sie im Alltag kennen, sondern benötigen eine Umwandlung der Temperatur in eine andere Form eines Geräts, das elektrisches Signal. Um dieses Fernsignalelektrische zu ermöglichen, wird normalerweise ein Widerstandstemperaturdetektor (RTD) verwendet. Thermistoren und Thermoelemente.

RTD übernimmt das Merkmal der mit der Temperatur ändernden Metallwiderstand. Sie sind Positive-Temperaturkoeffizient (PTC)-Sensoren, deren Widerstand mit der Temperatur zunimmt. Die Hauptmetalle, die verwendet werden, sind Platin und Nickel. Die am weitesten verbreiteten Sensoren sind 100-Ohm- oder 1000-Ohm-RTDs oder Platin-Widerstandsthermometer.

Die RTD ist der genaueste Sensor für industrielle Anwendungen und bietet auch die beste Langzeitstabilität. Der repräsentative Wert der Platinwiderstandsgenauigkeit beträgt + 0,5% der Messtemperatur. Nach einem Jahr kann es durch Alterung zu einer Veränderung von +0,05 °C kommen. Platin-Widerstandsthermometer haben einen Temperaturbereich von 200 bis 800 ° C.

Änderung des Widerstands mit der Temperatur

Die Leitfähigkeit eines Metalls hängt von der Beweglichkeit der leitenden Elektronen ab. Wenn eine Spannung an das Ende des Drahtes angelegt wird, bewegen sich die Elektronen zum positiven Pol. Defekte im Gitter behindern diese Bewegung. Dazu gehören äußere oder fehlende Gitteratome, Atome an Kornrändern und zwischen Gitterpositionen. Da diese Fehlerstellen temperaturunabhängig sind, erzeugen sie einen konstanten Widerstand. Mit dem Anstieg der Temperatur zeigen die Atome im Metallgitter verstärkte Schwingungen in ihrer stationären Position, was die Bewegung der leitenden Elektronen behindert. Da die Schwingungen linear mit der Temperatur zunehmen, hängt der durch die Schwingungen verursachte Widerstandanstieg direkt von der Temperatur ab.

Platin wird in der industriellen Messtechnik weitgehend akzeptiert. Zu seinen Vorteilen gehören chemische Stabilität, vergleichsweise einfache Fertigung (insbesondere für Drahtherstellung), die Möglichkeit, es in hoher Reinform zu erhalten, und nachbildbare elektrische Eigenschaften. Diese Merkmale machen den Platinwiderstandssensor zum am weitesten austauschbaren Temperatursensor.

Thermistoren bestehen aus einigen Metalloxidarten, und ihr Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab. Da sich der Widerstandswert mit zunehmender Temperatur verringert, wird er als Sensor mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) bezeichnet.

Aufgrund der Natur des Grundprozesses nimmt die Anzahl der leitenden Elektronen mit der Temperatur exponentiell zu; daher zeigt die Charakteristik einen starken Anstieg. Diese offensichtliche Nichtlinearität ist ein Nachteil von NTC-Widerständen und begrenzt deren effektiven Temperaturbereich auf etwa 100 °C. Sie können natürlich durch Computer linearisiert werden. Die Genauigkeit und Linearität kann jedoch nicht den Anforderungen eines großen Messbereichs gerecht werden. Ihre Schwerpunkt bei wechselnden Temperaturen ist auch größer als bei PT-Widerständen. Ihre Verwendung ist auf Überwachungs- und Anzeigeanwendungen beschränkt, in denen die Temperatur nicht über 200 °C hinausgeht. In dieser einfachen Anwendung sind sie tatsächlich den teureren Thermoelementen und PT-Widerständen überlegen, wenn man ihre geringen Kosten und die relativ einfachen elektronischen Schaltungen berücksichtigt, die benötigt werden.

Die Grundlage der Thermoelemente ist die Verbindung zwischen zwei verschiedenen Metallen, Thermistor. Die von dem Thermoelement erzeugte Spannung und das RTD steigen mit der Temperatur an. Im Vergleich zu Widerstandsthermometern haben sie eine höhere Obertemperaturlimite, mit einem erheblichen Vorteil von mehreren tausend Grad Celsius. Ihre Langzeitstabilität ist etwas schlechter (einige Grade nach einem Jahr), und die Messgenauigkeit ist etwas geringer (durchschnittlich + 0,75 % des Messbereichs). Sie werden oft in Öfen, Schmelzbäcken, Rauchgas-Messungen und anderen Bereichen eingesetzt, in denen Temperaturen über 250 °C liegen.

Thermoelektrischer Effekt

Wenn zwei Metalle miteinander verbunden werden, entsteht aufgrund der unterschiedlichen Bindungsenergie von Elektronen und Metallionen eine thermoelektrische Spannung. Die Spannung hängt vom Metall selbst und von der Temperatur ab. Damit diese thermische Spannung einen Strom erzeugt, müssen die beiden Metalle natürlich am anderen Ende miteinander verbunden sein, um einen geschlossenen Kreis zu bilden. Auf diese Weise wird an der zweiten Verbindungstelle eine thermische Spannung erzeugt. Der thermoelektrische Effekt wurde 1822 von Seebeck entdeckt. Bereits 1828 schlug Becquerel die Verwendung einer Platin-Palladium-Thermoelemente für die Temperaturmessung vor.

Wenn die Temperatur an beiden Verbindungstellen gleich ist, fließt kein Strom, da sich die an den beiden Punkten entstehenden Partialdrücke gegenseitig aufheben. Wenn die Temperatur an der Verbindungstelle unterschiedlich ist, ist die erzeugte Spannung verschieden und der Strom fließt. Daher kann ein Thermoelement nur eine Temperaturspanne messen.

Der Messpunkt ist eine Verbindung, die der gemessenen Temperatur ausgesetzt ist. Die Referenzverbindung ist eine Verbindung bei einer bekannten Temperatur. Da die bekannte Temperatur normalerweise niedriger ist als die gemessene Temperatur, wird die Referenzverbindung normalerweise kalte Verbindung genannt. Um die tatsächliche Temperatur des Messpunkts zu berechnen, muss die Temperatur der kalten Seite bekannt sein.

Ältere Geräte verwenden thermostatisch geregelte Anschlusskästen, um die Temperatur der kalten Verbindung auf bekannte Werte wie 50 °C zu halten. Moderne Geräte verwenden dünnschicht-basierte RTDs an der kalten Seite, um deren Temperatur zu bestimmen und die Temperatur des Messpunkts zu berechnen.

Die durch den thermoelektrischen Effekt erzeugte Spannung ist sehr klein und beträgt nur einige Mikrovolt pro Grad Celsius. Daher werden Thermoelemente normalerweise nicht im Bereich von –30 bis +50 °C eingesetzt, da die Differenz zwischen der Temperatur der Referenzverbindung und der kalten Verbindung zu gering ist, um ein störungsfreies Signal zu erzeugen.

RTD-Bauteil

Bei einem Widerstandstemperaturfühler variiert der Widerstand mit der Temperatur. Um das Ausgangssignal auszuwerten, fließt ein konstanter Strom durch ihn und die Spannungsdifferenz wird gemessen. Für diese Spannungsdifferenz gilt das Ohmsche Gesetz, U = R × I.

Der Messstrom sollte so klein wie möglich sein, um Erwärmung des Sensors zu vermeiden. Es kann angenommen werden, dass ein Messstrom von 1mA keinen offensichtlichen Fehler einführt. Der Strom erzeugt eine Spannungsdifferenz von 0,1V bei PT 100 bei 0 ℃. Diese Signalspannung muss nun über das Verbindungskabel so weit wie möglich unverändert auf den Anzeigepunkt oder Auswertepunkt übertragen werden. Es gibt vier verschiedene Arten von Verbindungsschaltungen:

2-polige Schaltung

Für die Verbindung des Thermometers mit der Auswertungselektronik wird ein 2-Kernkabel verwendet. Wie jeder andere elektrische Leiter hat das Kabel einen Widerstand in Reihe mit einem Widerstandsthermometer. Als Ergebnis werden die beiden Widerstände zusammengefügt und die Elektronik interpretiert dies als Temperaturanstieg. Für längere Strecken kann der Leitungswiderstand mehrere Ohm erreichen und einen signifikanten Versatz des Messwerts erzeugen.

3-polige Schaltung

Um den Einfluß des Leitwiderstands und dessen Temperaturschwankungen zu minimieren, wird in der Regel ein Dreilodenschaltkreis verwendet. Dazu gehört das Anbringen zusätzlicher Leitungen an einem der Kontakte der FTE. Dies führt zu zwei Messkreisen, von denen eine als Referenz verwendet wird. Der 3-Draht-Schaltkreis kann den Leitungwiderstand durch Anzahl und Temperaturänderung kompensieren. Die drei Leitungen müssen jedoch dieselben Eigenschaften aufweisen und derselben Temperatur ausgesetzt sein. Dies wird in der Regel in einem ausreichenden Ausmaß angewendet, um 3-Draht-Schaltungen heute die am weitesten verbreitete Methode zu machen. Es ist kein Liniengleichgewicht erforderlich.

4-polige Schaltung

Die beste Anschlussform des Widerstandsthermometers ist der Vierdrahtkreis. Die Messung hängt weder von der Leitungsresistanz noch von temperaturbedingten Änderungen ab. Eine Leitungsausgleichung ist nicht erforderlich. Das Thermometer liefert den Messstrom über eine Stromversorgungsverbindung. Der Spannungsabfall auf der Messleitung wird durch die Messleitung aufgenommen. Wenn der Eingangswiderstand eines elektronischen Geräts viele Male größer als der Leitungs-Widerstand ist, kann letzterer vernachlässigt werden. Der auf diese Weise bestimmte Spannungsabfall ist unabhängig von den Eigenschaften des Verbindungsdrahtes. Diese Technik wird normalerweise nur für wissenschaftliche Instrumente verwendet, die eine Messgenauigkeit von einem Hundertstel erfordern.

2-Draht-Übertrager

Durch die Verwendung eines 2-Draht-Transmitters anstelle eines Mehrfachdrahtkabels kann das Problem einer 2-Draht-Schaltung, wie oben beschrieben, vermieden werden. Der Transmitter wandelt das Sensormodul in ein normiertes Stromsignal von 4-20mA um, das proportional zur Temperatur ist. Die Stromversorgung des Transmitters erfolgt ebenfalls über dieselben zwei Anschlüsse, wobei eine Basisstromstärke von 4 mA verwendet wird. Der 2-Draht-Transmitter bietet einen zusätzlichen Vorteil, nämlich dass die Signalverstärkung den Einfluss äußerer Störungen erheblich reduziert. Es gibt zwei Anordnungen für die Positionierung des Transmitters. Da der Abstand zwischen nicht verstärkten Signalen so kurz wie möglich sein sollte, kann der Verstärker direkt am Thermometer in dessen Terminalkopf installiert werden. Diese beste Lösung ist manchmal aufgrund struktureller Gründe oder Bedenken hinsichtlich der Erreichbarkeit des Transmitters im Falle eines Ausfalls nicht möglich. In diesem Fall wird der Schienenmontage-Transmitter im Steuerkasten installiert. Der Vorteil einer verbesserten Zugänglichkeit wird mit dem Nachteil einer längeren Strecke, die das nicht verstärkte Signal zurücklegen muss, erkauft.

Thermistor-Beschaltung

Der Widerstand eines Thermistors ist in der Regel um mehrere Größenordnungen größer als der des Leitungsdrahts. Daher ist der Einfluss des Leitungs-Widerstands auf die Temperaturmessung vernachlässigbar, während Thermistoren fast immer in einer 2-Leiter-Konfiguration angeschlossen werden.

Thermoelement-Beschaltung

Im Gegensatz zu Widerstandstemperatursensoren (RTDs) und Thermistoren haben Thermoelemente positive und negative Beine, daher muss auf Polarität geachtet werden. Sie können direkt an das lokale 2-Leiter-Übertragungsgerät angeschlossen werden, und das Kupferkabel kann zum Empfangsinstrument zurückgeführt werden. Wenn das Empfangsinstrument eine direkte Thermoelementeingabe akzeptieren kann, muss dasselbe Thermoelementkabel oder ein Thermoelement-Erweiterungskabel den ganzen Weg bis zum Empfangsinstrument verwendet werden.