Widerstandsthermometer

Durch den geschlossenen Aufbau der Widerstandsthermometer ist es möglich, sie auch ohne weitere Schutzarmatur einzusetzen.

Ein Widerstandsthermometer besteht immer aus folgenden Komponenten:

• Einem auf Temperaturen ansprechenden Messwiderstand, üblicherweise Pt100 (andere Widerstandswerte sind möglich)
• Den Innenleitern (Zu- und Ableitung)
• Dem Isolationsmaterial (Metalloxyd- Pulver)
• Dem Schutzrohr

Abb. Aufbau Widerstandsthermometer

In einem Fühler können bis zu drei Messwiderstände enthalten sein. Widerstände die bei 0°C genau 100 Ohm elektrischen Widerstand aufweisen werden als Pt100, solche die bei 0°C 500 Ohm Widerstand haben als Pt500 bezeichnet und Widerstände mit 1000 Ohm bei 0°C als Pt1000.

Gewickelte Messwiderstände auf Glaskörper

Temperaturbereich je nach Glastyp von -196°C bis + 350°C bzw. –20°C bis 450°C. Bei diesen Messwiderständen wird auf einen Glasdorn oder ein Glasrohr der Platin- Widerstandsdraht bifilar aufgewickelt und gemäss der gewünschten Toleranz (Grenzabweichung) abgeglichen.

Über diese Wicklung wird ein weiteres Glasrohr aufgeschmolzen. Man unterscheidet Glasmesswiderstände aus Hart- und aus Weichglas. Glasmesswiderstände aus Hartglas werden im Temperaturbereich von –20°C bis +450°C eingesetzt. Sie sind mechanisch und chemisch stark belastbar. Ausserdem sind sie schnellansprechend, da die Messwicklung direkt unter der Oberfläche liegt. Nachteile bestehen darin, dass diese Widerstände aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Hartglas und Platin zu Hysterese neigen, ausserdem wird das Glas ab ca. 350°C elektrisch leitend und verursacht dadurch zu niedrige Messwerte.

Messwiderstände aus Weichglas hingegen haben so gut wie kein Hystereseverhalten, da sich Platin und Weichglas in etwa identisch ausdehnen. Die maximale Einsatztemperatur liegt jedoch bei lediglich ca. +350°C. Messwiderstände aus Weichglas können in minimalen Abmessungen gefertigt werden und sind somit für den Einsatz in Kleinst- und Laborthermoelementen genauso geeignet wie für Oberflächen- Messungen bei denen es auf minimale räumliche Distanz von Sensor und zu messendem Objekt ankommt. Diese Messwiderstände können aufgrund ihres Aufbaues unmittelbar in das zu messende Medium eingetaucht werden z.B. Laborthermofühler in Flüssigkeit.

Die Widerstände sind weitgehend unempfindlich gegen Schwingungen.

Abb. Gewickelter Messwiderstand auf Glaskörper

Messwiderstände auf Keramikträger

Temperaturbereich von 70°C bis +500°C Sondertypen von 196°C bis +500°C.

Die für die Temperaturmessung relevante Platinschicht wird jeweils nach einem der drei folgenden Verfahren aufgebracht:

• Siebdruck
• Aufdampfen
• Sputtern

Bei allen drei Verfahren kann das Strukturieren des Widerstandes mit dem Laser erfolgen. Beim Verfahren eins kann der Widerstand auch direkt gedruckt werden. Bei der Dünnfilmtechnik wird heute das Strukturieren des Widerstandes wie aus der Halbleitertechnik bekannt durch Photolithographie und Sputterätzen durchgeführt. Die Feinjustierung erfolgt immer mit einem Laser. Hierzu werden bei der Herstellung sogenannte Trimm- oder Abgleichstrecken unterschiedlicher Länge (und damit unterschiedlichen Widerstandes) im Mäander erzeugt, die nun je nach Bedarf durch Unterbrechung der Hauptleiterbahn aktiviert werden.

Abb. Schicht- Messwiderstände

Abb. Aufbau Schicht- Messwiderstand

Die Mäanderfläche ist mit aufgeschmolzenem Glas abgedeckt. Diese Widerstände sind unter normalen Einbaubedingungen schwingungsfest. Die Hysterese dieser Widerstände verhält sich in etwa wie bei den Glastypen. Schicht- Messwiderstände sind nur wenige Millimeter gross, sie sind die kostengünstigsten aller Messwiderstände und bringen sehr gute Messergebnisse.

Grundwerte für nach DIN EN 60751 genormte Widerstände

Für diese Norm wird folgender Zusammenhang zwischen Temperatur und elektrischen Widerstand festgelegt:

Für den Temperaturbereich -200°C bis 0°C:

Rt = R0 (1 + At +Bt2 + C (t-100°C) t3)

Für den Bereich von 0 - 850°C:

Rt = R0 (1 + At + Bt2)

Für die in der Industrie üblicherweise verwendete Platinqualität gelten in der Gleichung folgende Konstanten:

A = 3,9083 *10-3°C-1
B = -5,775 * 10-7°C-2
C = -4,183 * 10-12°C-4

Der Temperaturkoeffizient a für obige Widerstandsthermometer ist definiert als:

a = (R100- R0)(100 * R0)-1 = und hat den Zahlenwert 0,00385°C-1

R100 : Widerstand bei 100°C
R0 : Widerstand bei 0°C

Nennwerte

Die Grundwerte für den Nennwiderstand 100 W nach IST 90 in W/ °C sind in der DIN EN 60751 von –200°C bis +850 °C aufgelistet. Bei Widerständen mit abweichendem Wert (z.B. 10 W oder 1000 W) sind die in der Tabelle aufgelisteten Werte zu teilen oder multiplizieren.

Grenzabweichungen

Die Grenzabweichungen der Widerstände sind in der DIN EN 60751 in zwei Klassen eingeteilt:

Tab. Zulässige Grenzabweichung von Platin- Messwiderständen nach DIN EN 60751

Abb. max. zulässige Grenzabweichungen

Die in der DIN EN 60751 festgelegten Grenzabweichungen müssen über den gesamten in der Norm festgelegten Temperaturbereich eingehalten werden. Bei Grenzabweichungen die zwischen dem Hersteller und Betreiber festgelegt werden z.B. 1/3 DIN, (also Widerstände mit maximal einem Drittel der nach DIN eigentlich zulässigen Grenzabweichung) ist der Temperaturbereich des Einsatzortes bei Bestellung anzugeben.

Ansprechempfindlichkeit

Nach DIN EN 60 751 ist es notwendig die Ansprechempfindlichkeit (Halbwertzeit t_O,5 ) von Messwiderständen und Thermometern bekannt zu geben. Es wird das Antwortsignal des Temperaturfühlers auf einen Temperatursprung aufgezeichnet. Die Messung findet im Luftstrom von 1m/s und im fliessenden Wasser von 0,4 m/s statt.

Diese Halbwertzeiten betragen in Wasser bei:

• Glas - Messwiderständen: zwischen 0,14 und 0,8 s
• Keramik - Messwiderständen: zwischen 0,2 und 0,4 s
• Schicht - Messwiderständen: zwischen 0,1 und 0,3 s

Diese grossen Streubreiten zeigen an, dass diese Werte stark an die Bauform des Messwiderstandes gekoppelt ist.

Bei einem Messeinsatz, z.B. Ausführung nach DIN 43762, liegt diese Halbwertzeit zwischen 6 und 9 Sekunden.
Bei einem Thermofühler mit Messeinsatz und Schutzarmatur, z.B. nach DIN 43772, zwischen 36 und 40 Sekunden.

Diese Veränderungen und Streubreiten sind von folgenden Faktoren abhängig:

• der zu erwärmenden Masse
• den Wärmeübergangskoeffizienten von Material zu Material
• den Wärmeleitwiderständen der Materialien
• der Wärmeableitung des Thermometers aus dem Messbad (in Längsrichtung)
• der Passform des Messeinsatzes in der Schutzarmatur

Isolationswiderstand

Der Isolationswiderstand wirkt als Parallelwiderstand zum Messwiderstand und führt so zu einer Verringerung der Temperaturanzeige. Bei der Herstellung und Anwendung von Widerstandsthermometern ist immer auf einen ausreichend hohen Isolationswiderstand zwischen Leiter und Schutzgehäuse sowie zwischen den Leitern untereinander zu achten. Die DIN EN 60751 schreibt die Isolationswiderstände die in jedem Fall erreicht werden müssen vor: sie müssen bei Raumtemperatur (15°C bis 35°C) gemessen mit Gleichstrom (10 bis 100 V) bei einer relativen Luftfeuchte <80% mindestens 100 MOhm betragen.

Da mit steigender Temperatur der Isolationswiderstand abnimmt sind auch in Abhängigkeit zur Temperatur Isolationswiderstände vorgegeben: Diese sind mit max. 10 V Gleichstrom zwischen allen Leitern und dem Schutzrohr zu messen. Folgende Mindest-Isolationswiderstände müssen erreicht werden.

Ursachen für ein Absinken des Isolationswiderstandes sind:

• Feuchtigkeit innerhalb der Isolationsmaterialien
• Verdampfung von Leiterwerkstoffen
• Leitfähigkeit der Isolationsmaterialien

Eigenerwärmungsfehler

Um den Widerstand bei einer entsprechenden Temperatur bestimmen zu können muss der Messwiderstand nach dem jeweiligen Schaltbild angeschlossen werden, d.h. es muss ein Strom durch den Messwiderstand fliessen. Dieser Strom erzeugt in dem Messwiderstand eine Wärmeleistung, die wie folgt beschrieben ist:

N_w = I² * R_t

Diese Leistung wird in dem Messwiderstand in Wärme umgesetzt und verfälscht somit das Messergebnis.

In der DIN EN 60751 wird ausgesagt, dass die eingebrachte Verlustleistung = 0,1mW sein soll. Dieser Fehler wird allgemein als "Eigenerwärmungs- Koeffizient" ( EK) bezeichnet und wird in K / mW angegeben.

Dieser Koeffizient beträgt lt. Herstellerangaben gemessen in Wasser, bei

• Glas - Messwiderständen: zwischen 0,04 und 0,4 K/ mW
• Keramik- Messwiderständen: zwischen 0,06 und 0,21 K/ mW
• Schicht- Messwiderständen: 0,1 und 0,3 K/ mW

Diese grossen Streubreiten zeigen an, dass dieser Wert stark an die Bauform des Messwiderstandes gekoppelt ist. Dies bedeutet aber, dass bei der Weiterverarbeitung der Messwiderstände, z.B. durch Einbau in Messeinsätze, darauf geachtet werden muss, das bei dem Einbau nur Materialien verwendet werden die eine sehr gute Wärmeankoppelung bzw. Wärmeleitung sicherstellen da sonst dieser EK deutlich ansteigt.

Bei einem Messeinsatz, z.B. Ausführung nach DIN 43762, liegt dieser Selbsterwärmungs Koeffizient für
Einfach - Widerstände zwischen 0,015 und 0,038 K/ mW und für
Doppel - Widerstände zwischen 0,02 und 0,045 K/ mW.

Es ist weithin zu beachten das durch die noch notwendige Schutzarmatur ein mittlerer Wert von ca.
0,15 K/ mW erreicht wird.

Durch die Formel :

EK= DJ/ N_W (K/mW)

lässt sich durch Umstellen in

DJ=EK* N_W ((K*mW)/ mW)
für jeden Messstrom der zu erwartende, durch die Eigenerwärmung ausgelöste Messfehler berechnen.

Parasitäre Elektromagnetische Kräfte (EMK)

Bei der Herstellung von Messwiderständen werden unterschiedlichste Materialien miteinander verbunden:

• Platin
• Platinlegierungen
• Gold
• Goldlegierungen
• Lotmetalle usw.

Alle Verbindungen dieser Metalle stellen praktisch ein Thermoelement dar, das in den Messkreis eine Thermospannung einbringt die das Messergebnis verfälschen kann. Das gleiche Problem ist nicht nur bei den Messwiderständen sondern auch bei den Messeinsätzen zu beachten.