RTDs sind Temperaturmesssensoren, die das Widerstands-/Temperaturverhältnis eines Materials nutzen, um die Temperatur eines Körpers zu messen. Das Sensorelement besteht aus reinen Materialien wie Platin, Nickel und Kupfer. RTDs sind im Vergleich zu Thermoelementen, üblicherweise im Bereich unter 600 °C, genauer und stabiler.
Widerstands-/Temperaturbeziehung:
Die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur wird als Änderung des Widerstands des Elements pro Grad Temperaturänderung angegeben. Diese relative Widerstandsänderung wird genannt Temperaturkoeffizient des Widerstandes (α) und dieser bleibt über den gesamten Temperaturbereich des Sensors nahezu konstant.
Platin ist das bevorzugte Material für RTD-Sensoren, da es im Gegensatz zu anderen Elementen ein hochlineares Widerstands-Temperatur-Verhältnis aufweist, das über einen weiten Temperaturbereich reproduzierbar ist. Dieser lineare Temperaturbereich reicht von (-272,5) °C bis (961,78) °C. Platin wird auch aufgrund seiner chemischen Inertheit bevorzugt, wodurch es sich ideal für den Einsatz in jeder Umgebung eignet.
Die für den Internationalen Temperaturskala-Standard (ITS-90) hergestellten Sensoren sind ebenfalls Platinsensoren.
Kupfer weist ebenfalls ein gutes lineares Widerstands-Temperatur-Verhältnis auf, oxidiert jedoch über 150 °C, was es bei höheren Temperaturen unzuverlässig macht.
Nickel zeigt oberhalb von 300 °C eine nichtlineare Beziehung, die seinen Temperaturbereich begrenzt.
Die lineare Näherung des Widerstands gegenüber der Temperatur erfolgt zwischen 0 °C und 100 °C.
α = (R100 - R0)/ (R0 x ΔT)
Wo,
R100 ist der Widerstand des Sensors bei 100 °C
R0 ist der Widerstand des Sensors bei 0 °C
ΔT ist der Temperaturunterschied
Pure Platinum hat α= 0,003925 Ω/ (Ω·°C) für den Bereich 0 – 100 °C.
Der in den Normen IEC 60751 und ASTM E-1137 angegebene akzeptable Wert beträgt jedoch
α = 0,00385 Ω/ (Ω·°C)
Der Wert von α wird durch einen Prozess namens Dotierung variiert, bei dem Verunreinigungen auf kontrollierte Weise in das Molekülgitter von Platin eingeschmolzen werden.
RTD-Elemente sind auch mit Widerständen von 200, 500 und 1000 Ω bei 0 °C erhältlich. Diese RTD-Typen werden als PT200, PT500 bzw. PT1000 bezeichnet. Die Temperaturkoeffizienten dieser Typen sind die gleichen wie beim PT100, bieten jedoch eine höhere Widerstandsänderung pro Grad Celsius und damit eine höhere Auflösung.
Arten von RTD-Elementen:
- Dünnschicht-RTD: Dieser RTD-Typ wird aufgrund seiner robusten Bauweise und Kosteneffizienz am häufigsten verwendet. Dieses Dünnschichtelement wird hergestellt, indem ein kleiner Keramikchip mit einer sehr dünnen (0,0001 Zoll) Platinschicht beschichtet und anschließend per Laserschnitt oder chemischem Ätzen ein Widerstandspfad in die Platinschicht geätzt wird. Dieser wird anschließend mit einer dünnen Glasschicht überzogen, um ihn vor äußeren Einflüssen zu schützen. Diese Sensoren sind weniger stabil als andere Typen.
- Gewickelter RTD: Diese Art von RTD-Element besteht üblicherweise aus Platindraht. Ultradünner Platindraht (20 Mikrometer) wird gewickelt und in doppelwandige Keramikisolatoren eingelegt. Verlängerungskabel werden an die Enden des Platindrahts punktgeschweißt, und die Baugruppe wird anschließend eingeklebt. Diese RTD-Typen bieten höchste Genauigkeit, sind aber nicht für raue Bedingungen geeignet.
- Drahtgewickelter RTD: Dieser RTD-Elementtyp wird hergestellt, indem der Elementdraht um einen Mitteldorn gewickelt wird, der üblicherweise aus Keramik besteht. Die Wicklung wird anschließend mit Glas oder einem anderen Isoliermaterial beschichtet, um die Wicklungen zu schützen und zu sichern. Die Wicklungsdrähte werden anschließend mit Verlängerungskabeln punktgeschweißt und mit Keramikkleber oder Epoxidharz am Gehäuse befestigt.
RTD-Klassen und -Standards:
- Klasse A: Dieser gilt als hochgenau und weist eine Eispunkttoleranz von ±0,06 Ohm auf.
- Klasse B: Dies hat eine geringere Genauigkeit und eine Eismanteltoleranz von ±0,12 Ohm.
Die Genauigkeit eines RTD nimmt mit steigender Temperatur ab.
Es gibt zwei Standards für Platin
- Europäischer Standard oder DIN/IEC-Standard
- Amerikanischer Standard
Als weltweiter Standard für Platin-RTDs gilt die europäische Norm bzw. die DIN-Norm.
Diese Norm wird auch DIN/IEC 60751 genannt. Sie besagt, dass der elektrische Widerstand eines RTD bei 0 °C 100,00 Ω und der Temperaturkoeffizient des Widerstands zwischen 0 und 100 °C 0,00385 Ω/ Ω/°C betragen sollte.
Andere Standards für PT100RTDs:
| Standard | R100/R0-Verhältnis |
| DIN 43760 | 1.385 |
| US-Rundenspezifikation | 1.3926 |
| US-Industriespezifikation. | 1.3911 |
| Kanadische Spezifikation. | 1.3889 |
| Mil – T-24388 | 1.3924 |
| Japanisches JIS C 1604 | 1.3916 |
- Platin-Widerstandstemperatursensoren (PRT) bieten hervorragende Genauigkeit über einen weiten Temperaturbereich von -200 bis 850 °C.
- Standard-Platin-RTD (SPRT): Hierbei handelt es sich um spezielle PRT-Sätze, die zur Durchführung der Interpolation gemäß den festen Referenzpunkten der Internationalen Temperaturskala von 1990 (ITS-90) verwendet werden, die von 13,8033 K (Tripelpunkt von Wasserstoff) bis 1244,93 K (Gefrierpunkt von Silber) reichen.
Anschlusskabelkonfigurationen:
RTDs sind mit 3 verschiedenen Anschlusskabelkonfigurationen erhältlich.
Zweidraht FTE:
Der Zweileiter-RTD ist die einfachste Drahtkonfiguration. An jeder Seite des Elements ist ein Draht angebracht. Eine Messung kann mit jedem Gerät durchgeführt werden, das Widerstand misst, einschließlich einfacher Volt-Ohm-Meter (VOM). Dies ist jedoch die ungenaueste Methode zur Temperaturmessung, da der Widerstand des Anschlusskabels in Reihe mit dem Sensorelement geschaltet ist. Je länger das Anschlusskabel, desto größer ist der Einfluss auf den Widerstand.
Dreileiter FTE:
Dies ist die gängigste Konfiguration für industrielle Anwendungen. Um die Auswirkungen der Leitungswiderstände zu minimieren, kann eine Dreileiterkonfiguration verwendet werden. Dabei befinden sich die beiden Leitungen des Sensors an den benachbarten Armen. In jedem Arm der Brücke befindet sich ein Leitungswiderstand, sodass sich die Widerstände aufheben, sofern die beiden Leitungswiderstände exakt gleich sind. Diese Konfiguration ermöglicht Kabellängen von bis zu 600 m.
Vierleiter-RTD:
Dies ist die genaueste Methode zur Widerstandsmessung eines RTD. Sie wird hauptsächlich in Präzisionslaboren und selten in der Industrie eingesetzt. Diese Konfiguration erhöht die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Widerstandsmessung. Der Widerstand des Anschlusskabels ist in diesem Fall null. Diese RTD-Schaltung eliminiert den Effekt nicht übereinstimmender Widerstände auf den Anschlusskabeln. Ein konstanter Strom fließt durch L1 und L4, L2 und L3 messen den Spannungsabfall über dem RTD-Element. Der Farbcode für diese Konfiguration besteht aus zwei roten und zwei weißen Drähten.
