Das Widerstandsthermometer ((Widerstandsthermiegerät oder RTD) ist ein Instrument, das eine Eigenschaft ausnutzt, die Objekte haben - elektrischen Widerstand -, um die Temperatur zu messen. Dieses Verfahren wird als Messung durch bezeichnet Thermowiderstand.
Der elektrische Widerstand ist ein sehr geeigneter Parameter, da er in vielen Fällen dazu neigt, linear mit der Temperatur zuzunehmen. Es wird gesagt, dass eine bestimmte Eigenschaft X thermometrisch ist, das heißt, sie kann verwendet werden, um die Temperatur T zu messen, wenn die Beziehung zwischen X und T linear ist:
X = k ∙ΔT.
Wobei k eine zu bestimmende Proportionalitätskonstante ist.
Eine bekannte thermometrische Eigenschaft ist die Expansion von Quecksilber beim Erhitzen, die in einem klinischen Thermometer verwendet wird. Andere Thermometer verwenden unter anderem Gas, Metallbleche, die sich mit zunehmender Temperatur und Widerstand ausdehnen oder die Helligkeit eines Filaments nutzen..
Es ist zweckmäßig, über diese Möglichkeiten zu verfügen, da die Temperatur eine der charakteristischsten Größen eines jeden Systems ist, sei es biologisch oder unbelebt. Aus diesem Grund wird in industriellen Prozessen die Größe am meisten gemessen, und für die Bereiche, die in jedem von ihnen behandelt werden, sind bestimmte thermometrische Eigenschaften anderen vorzuziehen..
Artikelverzeichnis
Widerstandsthermometer haben folgende Eigenschaften:
-Sie sind sehr einfach zu bedienen. Das Sensorelement besteht aus einem Draht aus Metall, wobei Platin, Nickel, Wolfram und Kupfer am häufigsten verwendet werden..
-Sie bieten eine schnelle Lektüre.
-Hohe Genauigkeit.
-Arbeiten Sie in einem weiten Temperaturbereich.
Die zur Herstellung von Widerstandsthermometern verwendeten Materialien sind Leiter, deren spezifischer Widerstand steigt fast immer mit der Temperatur. Widerstand und spezifischer Widerstand sind keine Synonyme, aber sie sind eng miteinander verbunden.
Das spezifischer Widerstand Es ist die Beziehung zwischen dem elektrischen Feld, das innerhalb des Materials erzeugt wird, wenn der Strom zirkuliert, und der Dichte dieses Stroms. Es ist daher eine Eigenschaft des Materials.
Für bestimmte Materialien genannt ohmsch, Die Beziehung zwischen elektrischem Feld und Stromdichte ist linear. Mit steigender Temperatur erhöhen die Ionen des Leiters ihre Schwingungen und damit den Widerstand gegen den Stromdurchgang.
Stattdessen ist der Widerstand eine Eigenschaft des Leiters, die nicht nur durch den spezifischen Widerstand des Materials, sondern auch durch die Geometrie bestimmt wird: Länge und Querschnittsfläche.
Wenn der Querschnitt konstant gehalten wird, ist die Beziehung zwischen diesen Größen:
Die Einheit für den elektrischen Widerstand im internationalen System ist Ohm (Ω), während der spezifische Widerstand in Ω ∙ m angegeben wird, obwohl es üblich ist, Ω ∙ mm zu finden.
In Metallen steigt der spezifische Widerstand linear mit der Temperatur:
ρ (T) = ρoder (1 + α ∙ ΔT)
Wobei ρ der spezifische Widerstand des Materials bei einer gegebenen Temperatur ist, ρoder ist der spezifische Widerstand bei der Referenztemperatur, im Allgemeinen 0ºC oder 20ºC, α ist der Wärmekoeffizient des Materials und ΔT ist die Temperaturänderung.
Da der Widerstand vom spezifischen Widerstand des Materials abhängt, gilt: Wenn der Temperaturunterschied nicht sehr groß ist, gilt Folgendes:
R (T) = R.oder (1+ α ∙ ΔT)
Der Widerstand ist leicht zu messen und da die Beziehung zur Temperatur linear ist, ist er eine gute thermometrische Eigenschaft..
Das zentrale Element des Widerstandsthermometers ist ein Metalldraht, der um einen Isolierhalter gewickelt ist, der normalerweise aus Glimmer, Keramik oder Glas besteht. Es ist in einem mit Isolierpulver gefüllten Rohr eingeschlossen und in Isolierschichten eingewickelt, die gegen Feuchtigkeit abgedichtet sind..
Der Druck im Rohr wird niedrig gehalten, um die Bildung von Oxiden zu vermeiden, die Fehler in den Messwerten verursachen. Die Baugruppe ist klein: zwischen 1 und 5 mm Durchmesser und 10 bis 50 mm Länge, die wiederum von einem Außengehäuse abgedeckt wird, das zum Schutz dient, da das Gerät empfindlich ist und vorsichtig behandelt werden muss.
Platin, ein Edelmetall, ist das am häufigsten verwendete Material zur Herstellung von Beständigkeit, da es über einen weiten Temperaturbereich sehr stabil ist und äußerst genaue Messungen liefert, bis es als internationaler Standard für Temperaturen im Bereich von -260 ° C dient - 630 ° C. Platin-Widerstandsthermometer können jedoch mit einem viel größeren Bereich hergestellt werden..
Um Änderungen des Widerstands des Drahtes zu messen, muss er in eine spezielle Schaltung eingebaut werden, die als bezeichnet wird Wheatstone-Brücke, wird verwendet, um unbekannte Widerstände oder Impedanzen zu messen.
Dies geschieht mit dünnen Kupferdrähten (zwei, drei oder vier Kupferdrähte, je mehr Drähte, desto genauer das Thermometer, desto häufiger sind die drei)..
Damit das Gerät funktioniert, muss ein kleiner Messstrom zugeführt werden, dessen Wert nahe bei 1 mA liegt (je niedriger desto besser, um eine übermäßige Erwärmung zu vermeiden), und der erzeugte Spannungsabfall wird gemessen. Bei Kenntnis von Strom und Spannung wird der Widerstand des Sensors nach dem Ohmschen Gesetz und durch ihn die Temperatur bestimmt.
Die Linearität der Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur wird nicht immer in allen Temperaturbereichen mit absoluter Genauigkeit erfüllt, dies hängt stark vom Material des Drahtes ab.
Das Nichtlinearitätsproblem kann überwunden werden, indem eine zusätzliche Schaltung verwendet wird oder indem einfach der so genannte Widerstands-Temperatur-Graph verwendet wird Kennlinie, wie der gezeigte:
Kennlinie des Pt-100- oder 100-Ω-Platinwiderstandsthermometers. Quelle: Wikimedia Commons.
Platin-Widerstandsthermometer werden entsprechend dem Widerstand der Spule hergestellt: Pt-25, Pt-100 und Pt-1000 werden am häufigsten verwendet.
Die Buchstaben "Pt" beziehen sich auf das chemische Symbol für Platin, und die Zahl ist der Widerstand des Drahtes bei der Referenztemperatur 0ºC. Je höher der Widerstand, desto empfindlicher ist das Thermometer, da es bei gleicher Temperaturänderung eine größere Widerstandsänderung bietet. Pt-100 ist jedoch mit einer Auflösung von einem Zehntel Grad am weitesten verbreitet in der Industrie..
Anstelle von Draht- oder Spulenwicklungen verwenden einige Hersteller eine dünne Platinschicht, die auf einem isolierenden Keramiksubstrat abgeschieden ist. Dies verringert die Größe des Geräts und macht es noch genauer und schneller..
Das Widerstandsthermometer wird vorzugsweise in der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie sowie in Bereichen eingesetzt, in denen eine hohe Präzision bei der Temperaturmessung erforderlich ist, um Qualitätsprodukte zu gewährleisten.
Der Gerätehersteller gibt den Temperaturbereich an, den er genau messen kann. Außerhalb ihres Bereichs liefern Thermometer keine genauen Messungen und im schlimmsten Fall ist das Sensorelement beschädigt.
Die genaue Messung der Umgebungstemperatur ist in der Automobilindustrie wichtig, deren Montage-, Schweiß- und Motorprüfprozesse viel Wärme in der Umwelt erzeugen. In diesen Fällen ist im Allgemeinen das Kupferwiderstandsthermometer bevorzugt..
Zur Messung der Temperatur eines Automotors wird ein elektrischer Widerstand als thermometrisches Element verwendet.
Zur Bestimmung der Temperatur von industriellen Schmelzöfen, Kesseln, Kühlschränken und Kernreaktoren.
Auch eine präzise Temperaturregelung ist für die Lebensmittelindustrie sehr wichtig, da sie länger frisch und keimfrei bleibt..
Platin-Widerstandsthermometer werden zur Erfassung von Gravitationswellen verwendet. Das dafür entwickelte Gerät besteht aus zwei Interferometern, die optische Instrumente zur Messung von Lichtstörungen sind..
Interferometer verwenden Spiegel, um Laserstrahlen richtig zu lenken, und ihre Temperatur wird kontinuierlich überwacht, um sicherzustellen, dass sie die richtige Krümmung beibehalten und genaue Messungen gewährleisten..
Zu den Vorteilen gehören:
-Hohe Genauigkeit.
-Vielzahl von Anwendungen.
-Großer Messbereich, der den Einsatz in verschiedenen Branchen ermöglicht.
-Sie bleiben lange stabil.
-Sie sind über einen weiten Temperaturbereich linear oder sehr nahe an der Linearität.
Während die Einschränkungen umfassen:
-Sie werden nicht für Temperaturen über 660 ° C verwendet.
-Noch unter -270 ºC.
-Sie müssen mit Sorgfalt behandelt werden.
-Sie sind weniger empfindlich als billigere Geräte wie Thermistoren, und in einigen Anwendungen ist ihre Reaktionszeit länger als diese.
-Platinthermometer sind teuer.
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