Welcher Wärme widerstand sensor und seine Funktion? Komponenten und Auswahl der thermischen Widerstands sensoren PT100 und PT1000

Widerstands sensoren, auch Widerstand temperatur detektoren (RTDs) genannt, sind Sensoren zur Temperaturmessung. Viele RTD-Elemente bestehen aus einem dünnen Draht, der um einen Keramik- oder Glaskern gewickelt ist, aber auch andere Konstruktionen werden verwendet. Der RTD-Draht ist ein reines Material, typischerweise Platin, Nickel oder Kupfer. Das Material hat eine genaue Widerstands-/Temperatur-Beziehung, die verwendet wird, um die Temperatur anzuzeigen. Da RTD-Elemente zerbrechlich sind, werden sie oft in Schutzsonden untergebracht.

RTDs, die höhere Genauigkeit und Wiederholbarkeit aufweisen, werden langsam ersetzt Thermoelemente in industriellen Anwendungen unter 600 ° C.

Beständigkeit/Temperatur-Verhältnis von Metallen

Herkömmliche RTD-Sensor elemente aus Platin, Kupfer oder Nickel haben eine wiederholbare Widerstands-Temperatur-Beziehung (R vs. T) und einen Betriebstemperaturbereich. Die Beziehung R vs T ist definiert als der Betrag der Widerstandsänderung des Sensors pro Grad Temperaturänderung. Die relative Widerstandsänderung (Temperaturkoeffizient des Widerstandes) variiert nur geringfügig über den Nutzbereich des Sensors.

Platin wurde von Sir William Siemens als Element für einen Widerstandstemperaturdetektor vorgeschlagen: Es ist ein Edelmetall und hat die stabilste Widerstands-Temperatur-Beziehung über den größten Temperaturbereich. Nickel elemente haben einen begrenzten Temperaturbereich, da die Widerstandsänderung pro Grad Temperaturänderung bei Temperaturen über 300 °C (572 °F) sehr nichtlinear wird. Kupfer hat eine sehr lineare Widerstands-Temperatur-Beziehung; Kupfer oxidiert jedoch bei moderaten Temperaturen und kann nicht über 150 °C (302 °F) verwendet werden.

Die wesentliche Eigenschaft von Metallen, die als Widerstand elemente verwendet werden, ist die lineare Annäherung des Widerstands-Temperatur-Verhältnisses zwischen 0 und 100 °C. Dieser Temperaturkoeffizient des Widerstandes wird mit α bezeichnet und wird normalerweise in Einheiten von Ω/(Ω·°C) angegeben:

Reines Platin hat α = 0,003925 Ω/(Ω·°C) im Bereich von 0 bis 100 °C und wird beim Bau von RTDs in Laborqualität verwendet. Umgekehrt spezifizieren zwei weithin anerkannte Standards für industrielle RTDs IEC 60751 und ASTM E-1137 α = 0,00385 Ω/(Ω·°C). Bevor diese Standards weit verbreitet wurden, wurden mehrere verschiedene α-Werte verwendet. Es ist noch möglich, ältere Sonden aus Platin mit α = 0,003916 Ω/(Ω·°C) und 0,003902 Ω/(Ω·°C) zu finden.

Diese unterschiedlichen α-Werte für Platin werden durch Dotierung erreicht – vorsichtiges Einbringen von Verunreinigungen, die in die Gitterstruktur des Platins eingebettet werden und zu einer anderen R-T-Kurve und damit zu einem anderen α-Wert führen.

Kalibrierung

Um die R-T-Beziehung eines RTD über einen Temperaturbereich zu charakterisieren, der den geplanten Einsatzbereich darstellt, muss die Kalibrierung bei anderen Temperaturen als 0 °C und 100 °C durchgeführt werden. Dies ist notwendig, um die Kalibrierung anforderungen zu erfüllen. Obwohl RTDs im Betrieb als linear gelten, muss ihre Genauigkeit in Bezug auf die Temperaturen, bei denen sie tatsächlich verwendet werden, nachgewiesen werden . Zwei gängige Kalibriermethoden sind die Fixpunktmethode und die Vergleichsmethode.

Festpunkt kalibrierung
wird für hochgenaue Kalibrierungen von nationalen Metrologielabors verwendet. Es nutzt den Tripelpunkt, Gefrierpunkt oder Schmelzpunkt reiner Substanzen wie Wasser, Zink, Zinn und Argon, um eine bekannte und wiederholbare Temperatur zu erzeugen. Diese Zellen ermöglichen es dem Benutzer, die tatsächlichen Bedingungen der ITS-90-Temperaturskala zu reproduzieren. Festpunkt kalibrierungen bieten äußerst genaue Kalibrierungen (innerhalb von ±0,001 °C). Eine gängige Fixpunkt-Kalibriermethode für industrietaugliche Sonden ist das Eisbad. Das Gerät ist kostengünstig, einfach zu bedienen und kann mehrere Sensoren gleichzeitig aufnehmen. Der Eispunkt wird als sekundärer Standard bezeichnet, da seine Genauigkeit ±0,005 °C (±0,009 °F) beträgt, verglichen mit ±0,001 °C (±0,0018 °F) für primäre Fixpunkte.

Vergleichs kalibrierungen
wird häufig mit sekundären SPRTs und industriellen RTDs verwendet. Der Vergleich der zu kalibrierenden Thermometer mit kalibrierten Thermometern erfolgt durch ein Bad, dessen Temperatur gleichmäßig stabil ist. Im Gegensatz zu Festpunk tkalibrierungen können Vergleiche bei jeder Temperatur zwischen −100 °C und 500 °C (−148 °F bis 932 °F) durchgeführt werden. Diese Methode ist möglicherweise kostengünstiger, da mehrere Sensoren gleichzeitig mit automatisierten Geräten kalibriert werden können. Diese elektrisch beheizten und gut gerührten Bäder verwenden Silikonöle und Salzschmelzen als Medium für die verschiedenen Kalibrier temperaturen.

Elementt ypen

Die drei Hauptkategorien von RTD-Sensoren sind Dünnschicht-, drahtgewickelte und gewickelte Elemente. Während diese Typen in der Industrie am weitesten verbreitet sind, werden auch andere exotischere Formen verwendet; Kohle widerstände werden beispielsweise bei extrem niedrigen Temperaturen (-273 °C bis -173 °C) verwendet.

Kohle widerstand elemente
sind billig und weit verbreitet. Sie haben bei niedrigen Temperaturen sehr reproduzierbare Ergebnisse. Sie sind die zuverlässigste Form bei extrem niedrigen Temperaturen. Sie leiden im Allgemeinen nicht von signifikanten Hysterese oder DMS-Effekten.

Zugfreie Elemente
Verwenden Sie eine Drahtspule, die in einem abgedichteten Gehäuse, das mit einem Inertgas gefüllt ist, minimal unterstützt wird. Diese Sensoren arbeiten bis 961,78 °C und werden in den SPRTs verwendet, die ITS-90 definieren. Sie bestehen aus Platindraht, der lose über eine Stützstruktur gewickelt ist, sodass sich das Element bei Temperatur frei ausdehnen und zusammenziehen kann. Sie sind sehr anfällig für Stöße und Vibrationen, da die Schlaufen aus Platin hin und her schwingen und sich verformen können.

Dünnschicht elemente
haben ein Sensorelement, das durch Abscheiden einer sehr dünnen Schicht aus Widerstand material, normalerweise Platin, auf einem Keramiksubstrat (Plating) gebildet wird. Diese Schicht ist normalerweise nur 10 bis 100 ångström (1 bis 10 Nanometer) dick. Dieser Film wird dann mit einem Epoxidharz oder Glas beschichtet, das zum Schutz des abgeschiedenen Films beiträgt und auch als Zugentlastung für die externen Anschlussdrähte dient. Nachteile dieser Art sind, dass sie nicht so stabil sind wie ihre drahtgewickelten oder gewendelten Gegenstücke. Sie können auch aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungsraten des Substrats und der Widerstand abscheidung nur über einen begrenzten Temperaturbereich verwendet werden, was einen "Dehnungsmess"-Effekt ergibt, der im Widerstands temperaturkoeffizienten sichtbar ist. Diese Elemente arbeiten mit Temperaturen bis 300 °C (572 °F) ohne weitere Verpackung, können aber bis zu 600 °C (1.112 °F) arbeiten, wenn sie entsprechend in Glas oder Keramik gekapselt sind. Spezielle Hochtemperatur-Widerstandsthermometer können bei entsprechender Kapselung bis 900 °C (1.652 °F) eingesetzt werden.

Draht gewickelte Elemente
kann eine höhere Genauigkeit aufweisen, insbesondere für weite Temperaturbereiche. Der Spulendurchmesser stellt einen Kompromiss zwischen mechanischer Stabilität und einer Ausdehnung des Drahtes dar, um Belastung und daraus resultierende Drift zu minimieren. Der Sensordraht wird um einen isolierenden Dorn oder Kern gewickelt. Der Wickelkern kann rund oder flach sein, muss aber ein elektrischer Isolator sein. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Wickelkernmaterials ist auf den Messdraht abgestimmt, um jegliche mechanische Belastung zu minimieren. Diese Belastung des Elementdrahtes führt zu einem thermischen Messfehler. Der Sensordraht ist mit einem größeren Draht verbunden, der normalerweise als Elementzuleitung oder -draht bezeichnet wird. Dieser Draht wird so gewählt, dass er mit dem Sensordraht kompatibel ist, damit die Kombination keine EMK erzeugt, die die thermische Messung verfälschen würde. Diese Elemente arbeiten mit Temperaturen bis 660 °C.

Die aktuelle internationale Norm, die die Toleranz und die Beziehung zwischen Temperatur und elektrischem Widerstand für Platin-Widerstands thermometer (PRTs) festlegt, ist IEC 60751:2008; ASTM E1137 wird auch in den Vereinigten Staaten verwendet. Die mit Abstand gängigsten Geräte in der Industrie haben einen Nennwiderstand von 100 Ohm bei 0 °C und werden als Pt100-Sensoren bezeichnet („Pt“ ist das Symbol für Platin, „100“ für den Widerstand in Ohm bei 0 °C). Es sind auch Pt1000-Sensoren erhältlich, wobei 1000 für den Widerstand in Ohm bei 0 °C steht. Die Empfindlichkeit eines Standard-100--Sensors beträgt nominell 0,385 Ω/°C. RTDs mit einer Empfindlichkeit von 0,375 und 0,392 Ω/°C sowie verschiedene andere sind ebenfalls erhältlich.

Funktion

Widerstandsthermometer Fühler sind in verschiedenen Bauformen aufgebaut und bieten teilweise eine höhere Stabilität, Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit als Thermoelemente. Während Thermoelemente den Seebeck-Effekt nutzen, um eine Spannung zu erzeugen, verwenden Widerstandsthermometer Sensor einen elektrischen Widerstand und benötigen zum Betrieb eine Stromquelle. Der Widerstand variiert idealerweise nahezu linear mit der Temperatur gemäß der Callendar-Van Dusen-Gleichung.

Der Platin-Detektordraht muss frei von Verunreinigungen gehalten werden, um stabil zu bleiben. Ein Platindraht oder -film wird auf einem Former so getragen, dass er nur eine minimale unterschiedliche Ausdehnung oder andere Belastungen von seinem Former erhält, aber dennoch einigermaßen widerstandsfähig gegen Vibrationen ist. In einigen Anwendungen werden auch Widerstandsthermometer aus Eisen oder Kupfer verwendet. Handelsübliche Platinsorten weisen einen Temperaturkoeffizienten der Beständigkeit von 0,00385/°C (0,385%/°C) (Europäisches Fundamental intervall) auf. Der Sensor hat normalerweise einen Widerstand von 100 Ω bei 0 °C. Dies ist in BS EN 60751:1996 (entnommen aus IEC 60751:1995) definiert. Das amerikanische Fundamental intervall beträgt 0,00392/°C,[8] basierend auf der Verwendung eines reineren Platingehalts als dem europäischen Standard. Der amerikanische Standard stammt von der Scientific Apparatus Manufacturers Association (SAMA), die nicht mehr in diesem Normenbereich tätig ist. Dadurch ist der "amerikanische Standard" selbst in den USA kaum der Standard.

Der Zuleitung widerstand kann ebenfalls ein Faktor sein; durch die Verwendung von Drei- und Vier draht verbindungen anstelle von Zweidraht verbindungen können die Auswirkungen des Anschlussleitung widerstands aus den Messungen eliminiert werden (siehe unten); Dreileiteranschluss ist für die meisten Zwecke ausreichend und in der Industrie fast universell gebräuchlich. Für genaueste Anwendungen werden Vierleiteranschlüsse verwendet.

Konstruktion

Diese Elemente erfordern fast immer angeschlossene isolierte Leitungen. Bei Temperaturen unter ca. 250 °C werden PVC-, Silikonkautschuk- oder PTFE-Isolatoren eingesetzt. Darüber werden Glasfaser oder Keramik verwendet. Die Messstelle und in der Regel die meisten Leitungen benötigen ein Gehäuse oder eine Schutzhülse, oft aus einer gegenüber dem zu überwachenden Prozess chemisch inerten Metalllegierung. Die Auswahl und Konstruktion von Schutzhüllen kann mehr Sorgfalt erfordern als der eigentliche Sensor, da die Hülle chemischen oder physikalischen Angriffen standhalten und bequeme Befestigungspunkte bieten muss.

Das RTD-Konstruktions design kann verbessert werden, um Stößen und Vibrationen standzuhalten, indem verdichtetes Magnesiumoxid (MgO)-Pulver in den Mantel integriert wird. MgO wird verwendet, um die Leiter vom Außen mantel und voneinander zu isolieren. MgO wird aufgrund seiner Dielektrizitätskonstante, seiner abgerundeten Kornstruktur, seiner Hochtemperatur fähigkeit und seiner chemischen Inertheit verwendet.

Klassifizierungen von RTDs

Die höchste Genauigkeit aller PRTs sind die Ultra Precise Platinum Resistance Thermometers (UPRTs). Diese Genauigkeit wird auf Kosten der Haltbarkeit und der Kosten erreicht. Die UPRT-Elemente sind aus Platindraht in Referenzqualität gewickelt. Interne Anschlussdrähte bestehen normalerweise aus Platin, während interne Träger aus Quarz oder Quarzglas bestehen. Die Mäntel bestehen je nach Temperaturbereich meist aus Quarz oder manchmal aus Inconel. Platindraht mit größerem Durchmesser wird verwendet, was die Kosten in die Höhe treibt und zu einem niedrigeren Widerstand der Sonde führt (typischerweise 25,5 Ω). UPRTs haben einen weiten Temperaturbereich (−200 °C bis 1000 °C) und sind über den Temperaturbereich ungefähr auf ±0,001 °C genau. UPRTs sind nur für den Laborgebrauch geeignet.

Eine weitere Klassifizierung von Labor-PRTs sind Standard-Platin-Widerstand thermometer (Standard-SPRTs). Sie sind wie die UPRT aufgebaut, aber die Materialien sind kostengünstiger. SPRTs verwenden im Allgemeinen hochreinen Platindraht mit kleinerem Durchmesser in Referenzqualität,Metall Ummantelung und Keramik Isolator. Interne Anschlussdrähte sind normalerweise eine Legierung auf Nickelbasis. Standard-PRTs sind im Temperaturbereich eingeschränkter (−200 °C bis 500 °C) und haben eine ungefähre Genauigkeit von ±0,03 °C über den Temperaturbereich.

Industrielle PRTs sind für industrielle Umgebungen ausgelegt. Sie können fast so haltbar sein wie ein Thermoelement. Industrielle PRTs können je nach Anwendung Dünnschicht- oder Spulenelemente verwenden. Die internen Anschlussdrähte können je nach Sensorgröße und Anwendung von PTFE-isolierten vernickelten Kupferlitzen bis hin zu Silberdrähten reichen. Das Mantelmaterial ist typischerweise Edelstahl; Anwendungen mit höheren Temperaturen können Inconel erfordern. Für spezielle Anwendungen werden andere Materialien verwendet.