Was ist ein Widerstandstemperaturmesser?
Was ist ein Widerstandstemperatursensor?
Definition des Widerstandstemperatursensors
Ein Widerstandstemperatursensor (auch als Widerstandsthermometer oder RTD bekannt) ist ein elektronisches Gerät, das zum Bestimmen der Temperatur durch Messen des Widerstands eines elektrischen Drahtes verwendet wird. Dieser Draht wird als Temperatursensor bezeichnet. Wenn wir die Temperatur mit hoher Genauigkeit messen möchten, ist ein RTD die ideale Lösung, da es über einen weiten Temperaturbereich hinweg gute lineare Eigenschaften aufweist. Andere gängige elektronische Geräte zur Temperaturmessung sind Thermolemente oder Thermistoren.
Die Änderung des Widerstands des Metalls in Abhängigkeit von der Temperatur wird wie folgt angegeben:
Wobei Rt und R0 die Widerstandswerte bei toC und t0oC Temperaturen sind. α und β sind Konstanten, die vom Metall abhängen. Diese Formel gilt für einen großen Temperaturbereich. Für kleine Temperaturbereiche lautet die Formel:Diese Formel gilt für einen großen Temperaturbereich. Für kleine Temperaturbereiche lautet die Formel:
RTD-Geräte verwenden häufig Metalle wie Kupfer, Nickel und Platin. Jedes Metall hat einzigartige Widerstandsänderungen, die den Temperaturvariationen entsprechen, bekannt als Widerstand-Temperatur-Charakteristik.
Platin hat einen Temperaturbereich von 650°C, während Kupfer und Nickel 120°C und 300°C haben. Abbildung 1 zeigt die Widerstand-Temperatur-Charakteristik der drei verschiedenen Metalle. Bei Platin ändert sich der Widerstand um etwa 0,4 Ohm pro Grad Celsius Temperatur.
Die Reinheit des Platins in RTDs wird durch das Verhältnis R100 / R0 überprüft. Verunreinigungen im Material führen zu Abweichungen vom erwarteten Widerstand-Temperatur-Verlauf, was die spezifischen α- und β-Werte des Metalls beeinflusst.
Aufbau eines Widerstandstemperatursensors oder RTD
Der Aufbau ist in der Regel so, dass der Draht auf einem Träger (in einer Spule) gewickelt wird, um eine kleine Größe zu erreichen, wodurch die thermische Leitfähigkeit verbessert und die Reaktionszeit verringert wird. In industriellen RTDs wird die Spule durch einen Edelstahlmantel oder einen Schutzrohr geschützt.
Dadurch wird die mechanische Belastung vernachlässigbar, wenn der Draht mit der Temperaturänderung expandiert und seine Länge vergrößert. Wenn die Belastung des Drahtes zunimmt, steigt auch die Spannung. Dadurch ändert sich der Widerstand des Drahtes, was unerwünscht ist. Wir möchten also den Widerstand des Drahtes nur durch Temperaturänderungen, nicht durch andere unerwünschte Veränderungen, ändern.
Dies ist auch nützlich für die Wartung des RTDs während des Betriebs. Mika wird zwischen dem Edelstahlmantel und dem Widerstandsdraht platziert, um eine bessere elektrische Isolation zu gewährleisten. Da der Widerstandsdraht wenig Belastung erfährt, sollte er sorgfältig über dem Mikablatt gewickelt werden. Abbildung 2 zeigt die strukturelle Ansicht eines industriellen Widerstandstemperatursensors.
Signalverarbeitung des RTD
Wir können dieses RTD auf dem Markt kaufen. Aber wir müssen wissen, wie man es verwendet und wie man die Signalverarbeitungsschaltung erstellt. So können Leitungsfehler und andere Kalibrierfehler minimiert werden. Im RTD ist die Änderung des Widerstandswerts sehr klein im Vergleich zur Temperatur.
Der Widerstand eines RTDs wird mithilfe einer Brückenschaltung bestimmt, bei der ein konstanter elektrischer Strom zugeführt und der Spannungsabfall über einen Widerstand gemessen wird, um die Temperatur zu berechnen. Diese Temperatur wird durch Umwandlung des RTD-Widerstandswerts unter Verwendung eines Kalibrierausdrucks bestimmt. Die verschiedenen Module des RTDs sind in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt.
In einer Zwei-Leiter-RTD-Brücke fehlt der Dummy-Leiter. Das Ausgangssignal wird von den beiden verbleibenden Enden genommen, wie in Abbildung 3 gezeigt. Allerdings sind die Widerstände der Verlängerungsleiter wichtig, da sie die Temperaturmessung beeinflussen können. Dieser Effekt wird in einer Drei-Leiter-RTD-Brückenschaltung durch Anschluss eines Dummy-Leiters C minimiert.
Bei einem Drei-Leiter-RTD neutralisieren sich die Impedanzeffekte, wenn die Leiter A und B in Länge und Querschnittsfläche identisch sind. Der Dummy-Leiter C dient dann als Sensingleiter, um den Spannungsabfall ohne Stromtragung zu messen. In diesen Schaltungen ist die Ausgangsspannung direkt proportional zur Temperatur. Daher benötigen wir eine Kalibrierformel, um die Temperatur zu ermitteln.
Ausdrücke für eine Drei-Leiter-RTD-Schaltung
Wenn wir die Werte von VS und VO kennen, können wir Rg finden und dann den Temperaturwert mit Hilfe der Kalibrierformel ermitteln. Nehmen wir nun an, R1 = R2:
Wenn R3 = Rg; dann ist VO = 0 und die Brücke ist ausgeglichen. Dies kann manuell durchgeführt werden, aber wenn wir keine manuelle Berechnung durchführen möchten, können wir einfach Gleichung 3 lösen, um den Ausdruck für Rg zu erhalten.
Dieser Ausdruck setzt voraus, dass der Leiterwiderstand RL = 0. Angenommen, RL ist in einer Situation vorhanden, dann wird der Ausdruck für Rg zu:
Es gibt also einen Fehler im RTD-Widerstandswert aufgrund des RL-Widerstands. Deshalb müssen wir den RL-Widerstand kompensieren, wie bereits besprochen, indem wir einen Dummy-Leiter 'C' anschließen, wie in Abbildung 4 gezeigt.
Einschränkungen des RTD
Im RTD-Widerstand tritt eine I²R-Leistungsdissipation durch das Gerät selbst auf, die einen leichten Heizeffekt verursacht. Dies wird als Selbstheizung im RTD bezeichnet. Dies kann auch zu fehlerhaften Messwerten führen. Daher muss der elektrische Strom durch den RTD-Widerstand ausreichend niedrig und konstant gehalten werden, um die Selbstheizung zu vermeiden.
