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Der Unterschied zwischen Thermoelement, Thermistor und RTD

29. Mai 2024
               

Das Konzept der Temperatur

Aus physikalischer Sicht ist Wärme ein Maß für die Energie, die im Körper aufgrund der unregelmäßigen Bewegung seiner Moleküle oder Atome enthalten ist. So wie Tennisbälle mit zunehmender Geschwindigkeit mehr Energie haben, steigt die innere Energie des Körpers oder des Gases mit steigender Temperatur. Die Temperatur ist eine Variable, die zusammen mit anderen Parametern wie Masse und spezifischer Wärme den Energiegehalt des Körpers beschreibt.

Das grundlegende Maß für die Temperatur ist Kelvin Grad. Bei 0°K (Elvin) befindet sich jedes Molekül im Körper in Ruhe und es gibt keine Wärme mehr. Daher gibt es keine Möglichkeit einer negativen Temperatur, da es keinen Zustand mit niedrigerer Energie gibt.

Im täglichen Gebrauch ist es üblich, Celsius (ehemals Celsius ) zu verwenden. Sein Nullpunkt liegt beim Gefrierpunkt von Wasser, was in der Praxis leicht reproduzierbar ist. Nun sind 0°C keineswegs die niedrigste Temperatur, denn jeder weiß aus Erfahrung. Wenn wir die Celsius-Skala auf die niedrigste Temperatur erweitern, bei der alle molekulare Bewegung aufhört, erreichen wir – 273,15 Grad.

Der Mensch hat die Fähigkeit, die Temperatur über seine Sinne in einem begrenzten Bereich zu messen. Er war jedoch nicht in der Lage, quantitative Messungen genau zu reproduzieren. Die erste Form der quantitativen Temperaturmessung wurde Anfang des 17. Jahrhunderts in Florenz entwickelt und beruhte auf der Expansion des Alkohols. Die Skalierung orientiert sich an den höchsten Temperaturen im Sommer und Winter. Hundert Jahre später ersetzte der schwedische Astronom Celsius es durch den Schmelz- und Siedepunkt des Wassers. Dadurch hat das Thermometer die Möglichkeit, jederzeit hinein- und herauszuzoomen und die Messwerte später zu reproduzieren.

Elektrische Messtemperatur

Die Temperaturmessung ist in vielen Anwendungen wichtig, z. B. in der Gebäudesteuerung, in der Lebensmittelverarbeitung und bei der Herstellung von Stahl und petrochemischen Produkten. Diese sehr unterschiedlichen Anwendungen erfordern Temperatursensoren mit unterschiedlichen physikalischen Strukturen und in der Regel unterschiedlichen Technologien

In industriellen und gewerblichen Anwendungen sind Messpunkte in der Regel weit von Anzeige- oder Kontrollpunkten entfernt. Die Weiterverarbeitung der Messungen ist in der Regel in Steuerungen, Rekordern oder Computern erforderlich. Diese Anwendungen eignen sich nicht für die direkte Anzeige von Thermometern, da wir sie aus dem täglichen Gebrauch kennen, sondern müssen die Temperatur in eine andere Form des Geräts, das elektrische Signal, umwandeln. Um dieses elektrische Fernsignal bereitzustellen, wird in der Regel RTD verwendet. Thermistoren und Thermoelemente.

RTD nimmt die Eigenschaft an, dass sich der Metallwiderstand mit der Temperatur ändert. Es handelt sich um Sensoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), deren Widerstand mit der Temperatur zunimmt. Die hauptsächlich verwendeten Metalle sind Platin und Nickel. Die am weitesten verbreiteten Sensoren sind 100 Ohm oder 1000 Ohm RTDS oder Platin-Widerstandsthermometer.

RTD ist der genaueste Sensor für industrielle Anwendungen und bietet zudem die beste Langzeitstabilität. Der repräsentative Wert der Genauigkeit des Platinwiderstands beträgt + 0,5% der gemessenen Temperatur. Nach einem Jahr kann es zu einer Veränderung von +0,05°C durch Alterung 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. Legt man eine Spannung an das Ende des Drahtes, wandern die Elektronen zum Pluspol. Defekte im Gitter stören diese Bewegung. Dazu gehören externe oder fehlende Gitteratome, Atome an Korngrenzen und zwischen Gitterpositionen. Da diese Fehlerstellen temperaturunabhängig sind, erzeugen sie einen konstanten Widerstand. Mit zunehmender Temperatur zeigen die Atome im Metallgitter vermehrt Schwingungen in der Nähe ihrer stationären Positionen, wodurch die Bewegung der leitenden Elektronen behindert wird. Da die Schwingung linear mit der Temperatur zunimmt, hängt die durch die Schwingung verursachte Widerstandserhöhung direkt von der Temperatur ab.

Platin hat sich in der industriellen Messtechnik durchgesetzt. Zu seinen Vorteilen gehören die chemische Stabilität, die relativ einfache Herstellung (insbesondere für die Drahtherstellung), die Möglichkeit, es in hochreiner Form zu erhalten, und reproduzierbare elektrische Eigenschaften. Diese Eigenschaften machen den Platin-Widerstandssensor zum am weitesten verbreiteten austauschbaren Temperatursensor.

Thermistoren bestehen aus einigen Metalloxiden und ihr Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab. Da die Widerstandscharakteristik mit zunehmender Temperatur abnimmt, wird er als Sensor mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) bezeichnet.

Aufgrund der Natur des Grundprozesses nimmt die Anzahl der leitenden Elektronen exponentiell mit der Temperatur zu; Daher zeigt die Charakteristik einen starken Anstieg. Diese offensichtliche Nichtlinearität ist ein Nachteil von NTC-Widerständen und begrenzt ihren effektiven Temperaturbereich auf etwa 100 °C. Sie können natürlich von automatisierten Computern linearisiert werden. Die Genauigkeit und Linearität kann jedoch den Anforderungen einer großen Messspanne nicht gerecht werden. Ihre Drift bei wechselnden Temperaturen ist ebenfalls größer als die von RTD. Ihre Verwendung beschränkt sich auf die Überwachung und Anzeige von Anwendungen, bei denen die Temperatur 200 ° C nicht überschreitet. In dieser einfachen Anwendung sind sie den teureren Thermoelementen und RTDs sogar überlegen, wenn man bedenkt, dass sie kostengünstig sind und relativ einfache elektronische Schaltungen erforderlich sind.

Die Basis des Thermoelements ist die Verbindung zwischen zwei verschiedenen Metallen, dem Thermistor. Die von Thermoelement und RTD erzeugte Spannung steigt mit der Temperatur. Im Vergleich zu Widerstandsthermometern haben sie eine höhere obere Temperaturgrenze, mit einem deutlichen Vorteil von mehreren tausend Grad Celsius. Ihre Langzeitstabilität ist etwas schlecht (mehrere Grad nach einem Jahr), und die Messgenauigkeit ist etwas schlecht (Durchschnitt + 0,75 % des Messbereichs). Sie werden häufig in Öfen, Öfen, Rauchgasmessungen und anderen Bereichen eingesetzt, in denen die Temperaturen höher als 250 ° C sind.

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Der Unterschied zwischen Thermoelement, Thermistor und RTD

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 der Temperatur ab. Damit diese thermische Spannung Strom erzeugen kann, müssen die beiden Metalle am anderen Ende natürlich miteinander verbunden werden, um einen geschlossenen Stromkreis zu bilden. Auf diese Weise wird am zweiten Übergang eine thermische Spannung erzeugt. Der thermoelektrische Effekt wurde 1822 von Seebeck entdeckt. Bereits 1828 schlug Becquerel die Verwendung von Platin-Palladium-Thermoelementen zur Temperaturmessung vor.

Herrscht an beiden Stellen die gleiche Temperatur, fließt kein Strom, da sich die an den beiden Stellen erzeugten Partialdrücke gegenseitig aufheben. Wenn die Temperatur an der Verbindungsstelle unterschiedlich ist, ist die erzeugte Spannung unterschiedlich und der Strom fließt. Daher kann das Thermoelement nur den Temperaturunterschied messen.

Der Messpunkt ist eine Verbindungsstelle, die der gemessenen Temperatur ausgesetzt ist. Die Referenzübergangsstelle ist eine Übergangsstelle bei einer bekannten Temperatur. Da die bekannte Temperatur in der Regel niedriger ist als die gemessene Temperatur, wird die Referenzstelle in der Regel als Kaltstelle bezeichnet. Um die tatsächliche Temperatur der Messstelle berechnen zu können, muss die Temperatur des kalten Endes bekannt sein.

Ältere Geräte verwenden thermostatische Abzweigdosen, um die Vergleichsstellentemperatur bei bekannten Werten wie 50 °C zu regeln. Moderne Geräte verwenden eine Dünnschicht-RTD am kalten Ende, um deren Temperatur zu bestimmen und die Temperatur der Messstelle zu berechnen.

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

RTD-Verkabelung

Bei einem Widerstandsthermometer variiert der Widerstand mit der Temperatur. Um das Ausgangssignal auszuwerten, fließt ein konstanter Strom durch es und der Spannungsabfall wird gemessen. Für diesen Spannungsabfall gilt das Ohmsche Gesetz, v = IR.

Der Messstrom sollte so gering wie möglich sein, um eine Erwärmung des Sensors zu vermeiden. Es kann davon ausgegangen werden, dass der Messstrom von 1mA keinen offensichtlichen Fehler einführt. Der Strom erzeugt einen Spannungsabfall von 0,1 V in PT 100 bei 0 °C. Diese Signalspannung muss nun mit minimaler Modifikation über das Anschlusskabel an den Anzeigepunkt oder Auswertepunkt übertragen werden. Es gibt vier verschiedene Arten von Verbindungskreisen:

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Der Unterschied zwischen Thermoelement, Thermistor und RTD – 1

2-Draht-Schaltung

Für die Verbindung zwischen dem Thermometer und der Auswerteelektronik wird ein 2-adriges Kabel verwendet. Wie jeder andere elektrische Leiter hat das Kabel einen Widerstand, der mit einem Widerstandsthermometer in Reihe geschaltet ist. Dadurch werden die beiden Widerstände addiert und von der Elektronik als Temperaturanstieg interpretiert. Bei längeren Strecken kann der Netzwiderstand mehrere Ohm erreichen und einen deutlichen Versatz im Messwert erzeugen. 

3-Leiter-Schaltung

Um den Einfluss des Leitungswiderstands und dessen Schwankungen mit der Temperatur zu minimieren, wird in der Regel eine Dreileiterschaltung verwendet. Dazu gehört das Verlegen zusätzlicher Drähte an einem der Kontakte des RTD. Daraus ergeben sich zwei Messkreise, von denen einer als Referenz dient. Die 3-Leiter-Schaltung kann den Leitungswiderstand in Bezug auf seine Anzahl und Temperaturvariation kompensieren. Alle drei Leiter müssen jedoch die gleichen Eigenschaften aufweisen und der gleichen Temperatur ausgesetzt sein. Dies wird in der Regel in ausreichendem Maße angewendet, um 3-Draht-Schaltungen heute zur am weitesten verbreiteten Methode zu machen. Es ist kein Leitungsausgleich erforderlich. 

4-Draht-Schaltung

Die beste Anschlussform des Widerstandsthermometers ist die 4-Leiter-Schaltung. Die Messung ist weder vom Leitungswiderstand noch von temperaturbedingten Änderungen abhängig. Es ist kein Leitungsausgleich erforderlich. Das Thermometer liefert den Messstrom über einen Stromanschluss. Der Spannungsabfall an der Messleitung wird von der Messleitung aufgenommen. Ist der Eingangswiderstand eines elektronischen Gerätes um ein Vielfaches größer als der Leitungswiderstand, kann dieser vernachlässigt werden. Der so ermittelte Spannungsabfall ist unabhängig von den Eigenschaften der Anschlussleitung. Diese Technik wird in der Regel nur bei wissenschaftlichen Instrumenten eingesetzt, die eine Messgenauigkeit von einem Hundertstel erfordern.

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Der Unterschied zwischen Thermoelement, Thermistor und RTD – 2

2-Draht-Messumformer

Durch die Verwendung eines 2-Draht-Transmitters anstelle eines mehradrigen Kabels kann das oben beschriebene Problem einer 2-Draht-Schaltung vermieden werden. Der Transmitter wandelt das Sensorsignal in ein normalisiertes Stromsignal von 4-20mA um, das proportional zur Temperatur ist. Die Stromversorgung des Senders erfolgt ebenfalls über die gleichen beiden Anschlüsse mit einem Grundstrom von 4 mA. Der 2-Draht-Transmitter bietet einen zusätzlichen Vorteil, d.h. die Signalverstärkung reduziert die Auswirkungen externer Störungen erheblich. Für die Positionierung des Senders gibt es zwei Anordnungen. Da der Abstand zwischen unverstärkten Signalen so kurz wie möglich sein soll, kann der Verstärker direkt auf dem Thermometer in seinem Anschlusskopf installiert werden. Diese beste Lösung ist manchmal nicht möglich, aus baulichen Gründen oder aus der Überlegung, dass der Transmitter im Falle eines Ausfalls schwer zu erreichen sein kann. In diesem Fall wird der Hutschienentransmitter im Schaltschrank installiert. Der Vorteil eines verbesserten Zugangs besteht darin, dass er auf Kosten einer größeren Entfernung erworben wird, die das nicht verstärkte Signal zurücklegen muss.

Thermistor-Verkabelung

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

Verkabelung von Thermoelementen

Im Gegensatz zu RTDS und Thermistoren haben Thermoelemente positive und negative Beine, so dass die Polarität beachtet werden muss. Sie können direkt an den lokalen 2-Draht-Transmitter angeschlossen werden und der Kupferdraht kann an das Empfangsgerät zurückgegeben werden. Wenn das Empfangsgerät Thermoelementeingaben direkt aufnehmen kann, muss derselbe Thermoelementdraht oder Thermoelementverlängerungsdraht bis zum Empfangsgerät verwendet werden.