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Jeder Sensor hat seine eigene Spezifikation für einen bestimmten Temperaturbereich. Der Anwender entscheidet, welcher Sensortyp für seine Anwendung am besten geeignet ist.
Die Auswahl des Sensors hängt von einer Reihe von Spezifikationen ab, nämlich: Anwendung, Toleranz, Genauigkeit und den meisten Temperaturbereichen.
Nun geht es darum, zwischen den verschiedenen Sensortypen zu unterscheiden. Dabei werden Temperaturbereich, Toleranz, Genauigkeit, Austauschbarkeit sowie die relativen Stärken und Schwächen jedes Sensortyps berücksichtigt.
Überprüfung der Grundlagen von RTD und Thermoelementen
FTE Enthält ein Sensorelement, einen elektrischen Widerstand, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Diese Widerstandsänderung ist gut bekannt und wiederholbar. Das Sensorelement eines RTD besteht üblicherweise entweder aus einer Drahtspule oder einem Gitter aus leitfähiger Folie mit eingearbeitetem Leitermuster. Verlängerungsdrähte sind am Sensorelement angebracht, sodass dessen elektrischer Widerstand aus einiger Entfernung gemessen werden kann. Das Sensorelement wird anschließend so verpackt, dass es im Prozess platziert werden kann, wo es die im Prozess herrschende Temperatur erreicht.
ThermoelementThermoelement-Thermoelemente hingegen bestehen aus zwei elektrischen Leitern aus unterschiedlichen Materialien, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Das Ende der Leiter, das der Prozesstemperatur ausgesetzt ist, wird als Messstelle bezeichnet. Der Punkt, an dem die Thermoelementleiter enden (normalerweise dort, wo die Leiter mit dem Messgerät verbunden werden), wird als Referenzstelle bezeichnet. Wenn die Mess- und Referenzstellen eines Thermoelements unterschiedliche Temperaturen aufweisen, bildet sich innerhalb der Leiter ein Millivoltpotential.
Kennt der Benutzer den Typ des verwendeten Thermoelements, die Höhe des Millivoltpotentials im Thermoelement und die Temperatur der Referenzstelle, kann er die Temperatur an der Messstelle bestimmen. Das in den Thermoelementleitern erzeugte Millivoltpotential variiert je nach verwendetem Material. Manche Materialien eignen sich besser als andere, da die von ihnen erzeugten Millivoltpotentiale reproduzierbarer und besser etabliert sind. Diese Thermoelemente haben spezifische Typbezeichnungen wie Typ E, J, K, N, T, B, R und S.
Temperaturgrenzen für RTDs und Thermoelemente
Die in RTDs und Thermoelementen verwendeten Materialien unterliegen Temperaturbeschränkungen, die bei ihrer Verwendung ein wichtiger Gesichtspunkt sein können.
RTDs
Wie bereits erwähnt, besteht ein RTD aus einem Sensorelement, Drähten zur Verbindung des Sensorelements mit dem Messgerät und einer Halterung zur Positionierung des Sensorelements im Prozess. Jedes dieser Materialien begrenzt die Temperatur, der der RTD ausgesetzt werden kann.
Material Verwendbarer Temperaturbereich
Platin -260°C bis 650°C
Nickel -100°C bis 300°C
Kupfer -70°C bis 150°C
Nickel/Eisen 0 °C bis 200 °F
Das Sensorelement in einem RTD besteht üblicherweise aus einem Platindraht oder -film, einem Keramikgehäuse und
Keramikzement oder Glas dienen zur Abdichtung des Sensorelements und zur Unterstützung des Elementdrahts. Platin-Sensorelemente sind typischerweise Temperaturen bis ca. 650 °C ausgesetzt. Andere Materialien wie Nickel, Kupfer und Nickel-Eisen-Legierungen können ebenfalls verwendet werden, ihre nutzbaren Temperaturbereiche liegen jedoch deutlich unter denen von Platin. Die Drähte, die das Sensorelement mit der Anzeige- oder Steuereinheit verbinden, bestehen üblicherweise aus Materialien wie Nickel, Nickellegierungen, verzinntem Kupfer, versilbertem Kupfer oder vernickeltem Kupfer. Die verwendete Drahtisolierung beeinflusst ebenfalls direkt die Temperatur, der der RTD ausgesetzt werden kann. Die Tabelle enthält die üblicherweise verwendeten Draht- und Isoliermaterialien und ihre maximalen Einsatztemperaturen.
Thermoelemente
Thermoelementmaterialien sind in den Typen E, J, K, N, T, R, S und B erhältlich. Diese Thermoelementtypen können in zwei Kategorien unterteilt werden: Thermoelemente aus unedlen Metallen und Thermoelemente aus Edelmetallen.
Thermoelemente vom Typ E, J, K, N und T werden als unedle Metallthermoelemente bezeichnet, da sie aus gängigen Materialien wie Kupfer, Nickel, Aluminium, Eisen, Chrom und Silizium bestehen. Jeder Thermoelementtyp hat bevorzugte Einsatzbedingungen. Beispielsweise ist die Verwendung von blanken Thermoelementen vom Typ J (Eisen/Konstantan) typischerweise auf eine Maximaltemperatur von 540 °C begrenzt und wird aufgrund der Alterung des Eisenleiters nicht für den Einsatz in oxidierenden oder schwefelhaltigen Atmosphären empfohlen. Blanke Thermoelemente vom Typ T (Kupfer/Konstantan) werden aufgrund der Alterung des Kupferleiters nicht über 370 °C verwendet.
Thermoelemente vom Typ R, S und B werden als Edelmetall-Thermoelemente bezeichnet, da sie aus Platin und Rhodium bestehen. Diese Thermoelemente werden in Anwendungen eingesetzt, die die Leistungsfähigkeit von Thermoelementen aus unedlen Metallen übersteigen. Thermoelemente vom Typ R und S sind für Temperaturen zwischen 540 °C und 1480 °C ausgelegt, Typ B für Temperaturen zwischen 540 °C und 1700 °C. Bei längerer Belastung mit Temperaturen über 13700 °C empfiehlt sich die Wahl von Thermoelementen vom Typ B für eine längere Lebensdauer. Thermoelemente vom Typ R und S können bei längerer Lagerung nahe ihrer oberen Einsatzgrenze erhebliches Kornwachstum aufweisen.
Da Thermoelemente keine Sensorelemente besitzen, fehlen ihnen viele der temperaturbegrenzenden Materialien, die bei RTDs vorhanden sind. Thermoelemente bestehen üblicherweise aus blanken Leitern, die mit verdichtetem Keramikpulver oder geformten Keramikisolatoren isoliert sind. Diese Konstruktion ermöglicht den Einsatz von Thermoelementen bei deutlich höheren Temperaturen als RTDs.
Toleranz, Genauigkeit und Austauschbarkeit
Toleranz und Genauigkeit sind die am häufigsten missverstandenen Begriffe bei der Temperaturmessung.
Der Begriff Toleranz bezieht sich auf eine bestimmte Anforderung, die üblicherweise einen bestimmten Betrag plus oder minus angibt. Genauigkeit hingegen bezeichnet eine unendliche Anzahl von Toleranzen innerhalb eines bestimmten Bereichs.
RTDs enthalten beispielsweise ein Sensorelement, das so gefertigt ist, dass es bei einer bestimmten Temperatur einen bestimmten elektrischen Widerstand aufweist. Das gängigste Beispiel für diese Anforderung ist die sogenannte DIN-Norm. Um die Anforderungen der DIN-Norm zu erfüllen, muss ein RTD bei 0 °C einen Widerstand von 100 Ohm ±0,12 % (oder 0,12 Ohm) aufweisen, um als Sensor der Klasse B zu gelten (ein Sensor der Klasse A hat 100 Ohm ±0,06%). Die Toleranz von ±0,12 Ohm gilt nur für den Widerstand bei 32 °C und kann nicht auf andere Temperaturen angewendet werden. Viele Anbieter bieten eine Austauschbarkeit an.
Thermoelemente hingegen werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Herstellung anders spezifiziert als RTDs. Anders als das Sensorelement in RTDs ist das in einem Thermoelement erzeugte mV-Potenzial eine Funktion der Materialzusammensetzung und der metallurgischen Struktur der Leiter. Daher wird Thermoelementen kein Wert bei einer bestimmten Temperatur zugewiesen, sondern Fehlergrenzen, die einen gesamten Temperaturbereich abdecken.
Diese Thermoelementen zugewiesenen Grenzen werden als Standard- oder spezielle Fehlergrenzen bezeichnet.
Benutzern wird empfohlen, regelmäßig Tests durchzuführen, um den Zustand von Thermoelementen zu ermitteln, die in Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit oder hoher Genauigkeit verwendet werden.
Vergleich der Reaktionszeit verschiedener Sensoren
Stärken & Schwächen
Jede Art von Temperatursensor hat besondere Stärken und Schwächen.
FTE-Stärken:
RTDs werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen Wiederholbarkeit und Genauigkeit wichtige Faktoren sind. Richtig konstruierte Platin-RTDs weisen über die Zeit sehr reproduzierbare Widerstands-Temperatur-Kennlinien auf. Wenn ein Prozess bei einer bestimmten Temperatur durchgeführt wird, kann der spezifische Widerstand des RTDs bei dieser Temperatur im Labor bestimmt werden und variiert im Laufe der Zeit nicht signifikant. RTDs ermöglichen zudem eine einfachere Austauschbarkeit, da ihre ursprüngliche Schwankung deutlich geringer ist als die von Thermoelementen. Beispielsweise Thermoelement Typ K Bei 400 °C liegt die Standardfehlergrenze bei ±4 °C. Ein 100-Ohm-DIN-Platin-RTD der Klasse B hat bei dieser Temperatur eine Austauschbarkeit von ±2,2 °C. RTDs können auch mit Standard-Instrumentenkabeln zum Anschluss an Anzeige- oder Steuergeräte verwendet werden, bei denen Thermoelemente für eine genaue Messung über passende Thermoelementdrähte verfügen müssen.
RTD-Schwächen:
In der gleichen Konfiguration müssen Sie für einen RTD mit zwei- bis viermal höheren Kosten rechnen als für ein Thermoelement aus unedlen Metallen. RTDs sind teurer als Thermoelemente, da für ihre Herstellung ein größerer Konstruktionsaufwand erforderlich ist, einschließlich der Herstellung des Sensorelements, des Anschlusses von Verlängerungskabeln und der Montage des Sensors.
Aufgrund der Konstruktion des Sensorelements sind RTDs in Umgebungen mit starken Vibrationen und mechanischen Stößen nicht so beständig wie Thermoelemente. RTDs sind außerdem auf eine Temperatur von ca. 650 °C begrenzt, während Thermoelemente bei Temperaturen bis zu 1700 °C eingesetzt werden können.
Stärken des Thermoelements:
Thermoelemente können bis zu Temperaturen von 1700 °C eingesetzt werden, sind in der Regel günstiger als Widerstandsthermometer und können kleiner (bis zu ca. 0,5 mm Durchmesser) gefertigt werden, um eine schnellere Temperaturreaktion zu ermöglichen. Thermoelemente sind zudem langlebiger als Widerstandsthermometer und können daher auch bei starken Vibrationen und Stößen eingesetzt werden.
Schwächen des Thermoelements:
Thermoelemente sind bei mittleren oder hohen Temperaturen weniger stabil als RTDs. Bei kritischen Anwendungen sollten Thermoelemente ausgebaut und unter kontrollierten Bedingungen getestet werden, um ihre Leistung zu überprüfen. Zum Anschluss von Thermoelementsensoren an Thermoelementinstrumente oder Steuergeräte muss ein Thermoelement-Verlängerungskabel verwendet werden. Die Verwendung von Instrumentierungskabeln (beschichtetes Kupfer) führt bei wechselnden Umgebungstemperaturen zu Fehlern.
