Widerstandstemperaturmesser oder WTM | Aufbau und Arbeitsprinzip

Was ist ein RTD (Widerstandstemperatursensor)?

Ein Widerstandstemperatursensor (auch bekannt als Widerstandsthermometer oder RTD) ist ein elektronisches Gerät, das zur Bestimmung 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 ein Thermoelement oder ein Thermistor.

Die Veränderung des Widerstands des Metalls in Abhängigkeit von der Temperaturveränderung lautet wie folgt:

Wobei Rt und R0 die Widerstandswerte bei toC und t0oC Temperaturen sind. α und β sind Konstanten, die vom verwendeten Metall abhängen.

Diese Formel gilt für einen großen Temperaturbereich. Für kleine Temperaturbereiche lautet die Formel:

In RTD-Geräten werden Kupfer, Nickel und Platin weit verbreitet eingesetzt. Diese drei Metalle haben unterschiedliche Widerstandsveränderungen in Abhängigkeit von den Temperaturveränderungen. Dies wird als Widerstand-Temperatur-Charakteristik bezeichnet.

Platin hat einen Temperaturbereich von 650oC, während Kupfer und Nickel 120oC und 300oC betragen. Abbildung 1 zeigt die Widerstand-Temperatur-Charakteristik der drei verschiedenen Metalle. Für Platin ändert sich der Widerstand um etwa 0,4 Ohm pro Grad Celsius Temperatur.

Die Reinheit des Platins wird durch die Messung von R100 / R0 überprüft. Denn, egal welche Materialien tatsächlich für die Herstellung des RTD verwendet werden, diese sollten rein sein. Wenn sie nicht rein sind, weichen sie von dem üblichen Widerstand-Temperatur-Graphen ab. Daher ändern sich die Werte von α und β je nach Metall.

Aufbau eines Widerstandstemperatursensors oder RTD

Der Aufbau ist in der Regel so gestaltet, dass der Draht auf einer Form (in einer Spule) auf einem notierten Mika-Kreuzrahmen gewickelt wird, um eine kleine Größe zu erzielen, die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern, die Reaktionszeit zu verringern und einen hohen Wärmetransferrate zu erreichen. In industriellen RTDs ist die Spule durch einen Edelstahlschutzmantel oder einen Schutzmantel geschützt.

Dadurch ist die mechanische Beanspruchung vernachlässigbar, wenn der Draht sich ausdehnt und seine Länge mit der Temperaturänderung erhöht. Wenn die Spannung im Draht zunimmt, steigt die Spannung. Dadurch ändert sich der Widerstand des Drahts, was unerwünscht ist. Wir möchten den Widerstand des Drahts nicht durch andere unerwünschte Änderungen als die Temperaturänderungen verändern. Dies ist auch nützlich für die RTD-Wartung, während die Anlage in Betrieb ist. Mika wird zwischen dem Edelstahlschutz und dem Widerstandsdraht platziert, um eine bessere elektrische Isolation zu gewährleisten. Da der Widerstandsdraht weniger beansprucht wird, muss er sorgfältig auf dem Mika-Blatt gewickelt werden. Abbildung 2 zeigt die strukturelle Ansicht eines industriellen Widerstandstemperatursensors.

Signalbedingung des RTD

Wir können diesen RTD auf dem Markt kaufen. Aber wir müssen wissen, wie man ihn verwendet und wie man die Signalbedingungsschaltung herstellt. So können Leitungsfehler und andere Kalibrierfehler minimiert werden. In diesem RTD ist die Widerstandsveränderung sehr klein in Bezug auf die Temperatur.

Daher wird der RTD-Wert mithilfe eines Brückenschaltkreises gemessen. Durch Zuführen eines konstanten elektrischen Stroms zum Brückenschaltkreis und Messen des resultierenden Spannungsabfalls über den Widerstand kann der RTD-Widerstand berechnet werden. Daraus kann die Temperatur ebenfalls bestimmt werden. Diese Temperatur wird durch Umwandlung des RTD-Widerstands mithilfe eines Kalibrierungsausdrucks bestimmt. Die verschiedenen RTD-Module sind in den untenstehenden Abbildungen dargestellt.



In der Brückenschaltung mit zwei Drähten fehlt der Dummy-Draht. Das Ausgangssignal wird von den beiden verbleibenden Enden genommen, wie in Abbildung 3 gezeigt. Allerdings sind die Widerstände der Verlängerungsdrähte sehr wichtig, da sie die Temperaturmessung beeinflussen können. Dieser Effekt wird in der Brückenschaltung mit drei Drähten durch Anschluss eines Dummy-Drahtes C minimiert.

Wenn die Drähte A und B in Bezug auf Länge und Querschnittsfläche korrekt angepasst sind, heben sich ihre Impedanzeffekte gegenseitig auf, da jeder Draht in entgegengesetzter Position ist. Der Dummy-Draht C fungiert dann als Sensordraht, um den Spannungsabfall über den RTD-Widerstand zu messen und trägt keinen Strom. In diesen Schaltungen ist die Ausgangsspannung direkt proportional zur Temperatur. Daher benötigen wir eine Kalibrierformel, um die Temperatur zu ermitteln.

Ausdrücke für eine Dreidraht-RTD-Schaltung

Wenn wir die Werte von VS und VO kennen, können wir Rg finden und dann den Temperaturwert mithilfe der Kalibrierformel ermitteln. Nehmen wir an, R1 = R2:

Wenn R3 = Rg; dann 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 Leitungswiderstand RL = 0. Angenommen, RL ist in einer Situation vorhanden, dann wird der Ausdruck für Rg,

Es gibt also einen Fehler im RTD-Widerstandswert aufgrund des RL-Widerstands. Deshalb müssen wir den RL-Widerstand kompensieren, wie bereits besprochen, indem wir eine Dummy-Leitung 'C' angeschlossen haben, wie in Abbildung 4 gezeigt.