Widerstandsthermometer kommen in den verschiedensten Anwendungen zur Temperaturmessung zum Einsatz. Deshalb unterscheiden sie sich in ihrem Aufbau – mit Anschlusskopf oder Anschlussleitung – und in den verwendeten Messeinsätzen, die mit unterschiedlichen Temperatursensoren bestückt sein können, z.B. Pt100, Pt500 oder Pt1000. Außerdem wird beim Anschluss von Widerstandsthemometern zwischen Zwei-, Drei- und Vierleitertechnik unterschieden.
RTD stands for the term "Resistant Temperature Detector" and refers to a temperature sensor that makes use of the interaction of ohmic resistance and temperature. Therefore, the sensor is also referred to as a resistance thermometer. Depending on the application, RTDs are available with different resistance elements.
Platinum chip temperature sensors are generally used in RTDs. From the user's point of view, platinum offers the great advantage of being very stable over the long term. A Pt100 sensor is usually used. The designation "Pt" stands for platinum and the number "100" for 100 Ω base resistance at 0 °C. The resistance of the Pt100 increases by about 0.38 Ω per Kelvin temperature increase. Pt1000 temperature sensors are also used in industrial applications. Here, the electrical characteristics are ten times greater (base resistance 1000 Ω and temperature coefficient about 3.8 Ω/ Kelvin).
Pt100 sensor as part of a resistance thermometer
A change in temperature has a direct effect on the electrical resistance of a metallic conductor and thus enables conclusions to be drawn about the temperature. The temperature coefficient or temperature coefficient of the platinum sensors (approx. 0.38 %/Kelvin) is based on the physical properties of platinum; the basic resistances result from specifications. The characteristic curve is fixed in the standard DIN EN 60751, so that the application of the RTDs is relatively simple. The RTD is connected to an evaluation unit and the field device determines the ohmic resistance. Usually, linearizations such as Pt100 and Pt1000 are available in the field devices, after which the device determines the sensor temperature from the ohmic resistance. For more information on the design and function of resistance thermometers, watch the video.
Es gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen Widerstandsthermometern. Die Häufigsten sind Widerstandsthermometer mit Anschlusskopf oder mit Anschlussleitung.
Ein Widerstandsthermometer mit Anschlusskopf ist modular aufgebaut: Es setzt sich zusammen aus dem Messeinsatz, dem Schutzrohr, dem Anschlusskopf und dem darin befindlichen Anschlusssockel sowie möglicherweise noch Flanschen oder Klemmverschraubungen. Als Temperatursensor wird nur der Teil des Widerstandsthermometers bezeichnet, auf den die Messgröße unmittelbar einwirkt.
Bei Widerstandsthermometern mit Anschlussleitung wird auf einen Messeinsatz und den Anschlusskopf verzichtet. Der Temperatursensor ist mit der Anschlussleitung direkt verbunden und in das Schutzrohr eingesetzt. Zur Zugentlastung wird das Schutzrohr am Ende z. T. mehrfach eingerollt oder gedrückt (Schutzart IP65). Der Innenraum zwischen Schutzrohr und Temperatursensor wird üblicherweise mit einem wärmeleitenden Material gefüllt, um den thermischen Kontakt zum Messmedium zu verbessern. Die maximale Messtemperatur wird in erster Linie durch die Temperaturbeständigkeit des Mantel- und Isoliermaterials der Anschlussleitung bestimmt.
Structure of an RTD: 1 = sensor, 2 = inner line, 3 = connection line
The connection head contains a connection socket for attaching the connection cable. The thermometer is fixed by a flange. Thermometers of this type allow measurement of up to 600 °C and are frequently used in furnace construction.
Screw-in thermometers allow the pressure-tight termination of the process. In the case of thermometers with connecting cable, the maximum temperature is limited by the cable. Maximum temperatures of about 400 °C can be measured.
Surface probes have the advantage that they do not require a process connection. They measure the temperature of a surface and thus allow conclusions to be drawn about the medium temperature in a pipe system or tank. However, precision measurements are not possible with them.
Insertion thermometer with connection head
Screw-in thermometer with connection cable
Contact sensor
In order to allow easy mounting/dismounting of screw-in thermometers, it is often useful to obtain them with a connector plug. The connection systems shown below are frequently used.
Machine connector M12 × 1 4-pole according to IEC 60947-5-2
Connector according to DIN EN 175301
Messeinsätze sind fertig konfektionierte Einheiten, bestehend aus Temperatursensor und Anschlusssockel, wobei der Temperatursensor in einem Einsatzrohr von 6 oder 8 mm Durchmesser aus SnBz6 nach DIN 17 681 (bis 300 °C) oder Nickel untergebracht ist. Er wird in das eigentliche Schutzrohr eingeschoben, das vielfach aus Edelstahl hergestellt ist.
Beim Widerstandsthermometer ändert sich der elektrische Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur. Um das Ausgangssignal zu erfassen, wird der von einem konstanten Messstrom hervorgerufene Spannungsabfall gemessen.
Es gibt 3 Anschlussarten Zweitleiter-, Dreileiter und Vierleitertechnik.
Bei der Zweileitertechnik werden Auswerteelektronik und Temperaturfühler mit einer zweiadrigen Leitung verbunden.
Für die Dreileitertechnik wird eine zusätzliche Leitung zu einem Kontakt des Widerstandsthermometers geführt. Es bilden sich somit zwei Messkreise, von denen einer als Referenz genutzt wird. Die Vierleitertechnik bietet die optimalste Anschlussmöglichkeit für Widerstandsthermometer. Das Messergebnis wird weder von den Leitungswiderständen noch von ihren temperaturabhängigen Schwankungen beeinträchtigt.
Field device with two-wire connection
With the three-wire connection, an additional wire connects the resistance sensor to the evaluation unit. The evaluation unit measures the voltage drop at the resistance sensor and the connecting leads (UM). With the help of the third conductor, the evaluation unit further determines the voltage drop at one conductor (UL½ ). The double amount of this voltage is subtracted from UM and thus the voltage drop at the resistance sensor is determined. If all wires have the same resistance, no error results from the line resistances and the resistance of the sensor is determined without error. The three-wire connection is sufficient for most applications.
Field device with three-wire connection
The fourth wire is used to determine the exact voltage at the resistance sensor in the four-wire connection.
Field device with four-wire connection
In this way, the resistance value is always determined accurately - even if the wire or terminal resistances are different. It is used for high accuracy requirements such as in reference or resistance thermometers in the laboratory field.
Wie jeder andere elektrische Leiter besitzt auch die Leitung zwischen Temperaturfühler und Auswerteelektronik einen Widerstand, der dem Temperatursensor in Reihe geschaltet ist. Damit addieren sich die beiden Widerstände und es kommt zu einer systematisch höheren Temperaturanzeige. Bei größeren Entfernungen kann der Leitungswiderstand einige Ohm betragen und eine beachtliche Verfälschung des Messwertes verursachen.
Um die geschilderten Probleme der Zweileitertechnik zu umgehen und dennoch auf mehradrige Leitungen verzichten zu können, verwendet man Zweileiter-Messumformer: Der Messumformer wandelt das Sensorsignal in ein normiertes, temperaturlineares Stromsignal von 4 ... 20mA um. Die Versorgung des Messumformers geschieht ebenfalls über die beiden Anschlussleitungen, man bedient sich hierbei eines Ruhestroms von 4 mA. Wegen des angehobenen Nullpunkts wird auch von „life zero“ gesprochen. Der Zweileiter-Messumformer bietet weiterhin den Vorteil, durch die Verstärkung des Signals dessen Störempfindlichkeit bedeutend zu verringern.
Bei der Platzierung des Messumformers gibt es zwei Bauformen. Da zur Verringerung der Störanfälligkeit des Signals die Strecke des unverstärkten Signals möglichst kurz gehalten werden soll, kann er direkt im Thermometer in dessen Anschlusskopf montiert sein. Dieser optimalen Lösung widersprechen mitunter jedoch konstruktive Gegebenheiten oder die Tatsache, dass im Fehlerfall der Messumformer unter Umständen schwer erreichbar sein kann. In diesem Fall benutzt man einen Messumformer zur Tragschienenmontage im Schaltschrank. Den Vorteil des besseren Zugriffs erkauft man sich dabei jedoch mit einer längeren Strecke, die das unverstärkte Signal zurücklegen muss.
Durch die Dreileiterschaltung lässt sich der Leitungswiderstand sowohl in seinem Betrag als auch in seiner Temperaturabhängigkeit kompensieren. Voraussetzungen sind allerdings bei allen drei Adern identische Eigenschaften und gleiche Temperaturen, denen sie ausgesetzt sind. Da dies in den meisten Fällen mit genügender Genauigkeit zutrifft, ist die Dreileiter-Technik heute am verbreitesten. Ein Leitungsabgleich ist nicht erforderlich.
