Widerstandsthermometer

Zusammenfassung

Im einführenden Abschnitt 9.1 werden physikalische Modellvorstellungen für die elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern und ihrer Temperaturabhängigkeit, und im Abschnitt 9.2 insbesondere von Metallen erläutert.

Für die meist angewandten Platin-Widerstandsthermometer enthält der Abschnitt 9.2.1 die dem jeweiligen Stand der Normung entsprechenden Kennliniengleichungen mit ihren Koeffizienten, grafisch und tabellarisch die Grundwerte R(T) von Pt-100 und Pt-500 sowie ihre Empfindlichkeiten S(T) und Temperaturkoeffizienten, lineare Näherungsgleichungen für die Kennlinie mit mehreren Rechenbeispielen, Gleichungen für die inverse Kennlinie T(R), Kennliniengleichungen R(T) für höhere Temperaturen und von der IEC-Norm abweichende Standard-Kennlinien, außwerdem Kurztabellen und grafische Darstellungen zulässiger Grenzabweichungen (Toleranzen), ebenfalls mit erläuternden Rechenbeispielen.

Im Abschnitt 9.2.1.10 werden die verschiedenen Bauformen von Platin-Messwiderständen vorgestellt, wie Drahtmesswiderstände in Keramikausführung mit Außen- und Innenwicklung, Glasmess- und Folienmesswiderstände, Flachmesswiderstände in Dickschicht- und Dünnschichttechnik, Nutenwiderstandsthermometer sowie spezielle Mittelwert-Ausführungen und Dünndraht- Sensoren, jeweils mit typischen Abmessungen, Eigenerwärmungskoeffizienten und Zeitprozentkennwerten. Abschließend wird das typische Driftverhalten von Platin-Messwiderständen, also Kennlinienabweichungen als Funktion von Temperatur und Einsatzzeit erläutert.

Zu den weiteren Metall-Widerstandsthermometern im Abschnitt 9.2.2 zählen Nickel-, Kupfer- und Rhodium-Eisen-Widerstandsthermometer, letztere für den Einsatz bei Tief- und Tiefsttemperaturen.

Der Abschnitt 9.2.3 ist den Bauformen technischer Widerstandsthermometer gewidmet. Es werden anwendungstechnische Kriterien für die Auswahl einer für die jeweilige Messaufgabe bzw. die Einsatzbedingungen optimale Bauform, insbesondere für den Einsatz in fluidischen Medien, beschrieben. Weiter werden Messeinsätze als genormte Standardbauteile industrieller Thermometer, Schutzrohre und Befestigungsmittel behandelt, außerdem Mantel- Widerstandsthermometer, Kabel-Temperaturfühler und Silo-Widerstandsthermometer.

Aufbau und Eigenschaften von Platin-Präzisionsthermometern zur Darstellung und Weitergabe der Internationalen Temperaturskale und für wissenschaftliche Präzisionsmessungen und in Kalibrierlaboratorien werden im Abschnitt 9.2.3 beschrieben.

Der Abschnitt 9.3 zu Halbleiter-Widerstandsthermometern enthält einführend eine physikalische Modellvorstellung für die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleitern. Anschließend werden für die NTC-Thermistoren (Heißleiter) Materialien und Technologie, die stark nichtlineare Kennlinie und die Temperaturkoeffizienten, sowie Approximationsgleichungen für Kennlinien mit höherer Genauigkeit bzw. mit weiterem Anwendungsbereich, wiederum mit Rechenbeispielen beschrieben, außerdem Kennlinien-Toleranzen und typisches Driftverhalten, Auswirkungen der Eigenerwärmung auf ihre U-I-Kennlinie sowie Bauformen und Einsatzgebiete.

Weitere Abschnitte sind Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (Kaltleiter), Silizium-Planar-Temperatursensoren sowie Ge- und Carbon-Widerstandsthermometern gewidmet.

Die Eigenerwärmung ist eine wichtige Fehlerursache bei Widerstandsthermometern. Abschnitt 9.4 stellt ihre Grundlagen dar und erläutert sie mit drei Rechenbeispielen, beschreibt die Einflussfaktoren auf diesen Messfehler und seine Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen, sowie die Möglichkeiten seiner experimentellen Bestimmung, Verminderung bzw. Korrektur.

Nach einer möglichen Kennlinien-Korrektur durch passive Beschaltung des Messwiderstandes im Abschnitt 9.5 werden im Abschnitt 9.6 die gebräuchlichen Messschaltungen für Widerstandsthermometer behandelt. Neben einfachen Messschaltungen, der getrennten Strom- und Spannungsmessung sowie der Verhältnismessung stehen die verschiedenen klassischen Brückenschaltungen mit Abgleichverfahren oder im Ausschlag-Verfahren mit mehreren Rechenbeispielen im Mittelpunkt, sowohl für den industriellen Einsatz als auch für die Präzisions-Temperaturmessung und Kalibrierung.

Als zusätzliche Fehlerquellen (siehe Abschnitt 9.7) müssen Thermospannungen im Messkreis, elektromagnetische Einstreuungen, zu geringe Isolationswiderstände sowie Zuleitungs- und Innenleitungs-Widerstände beachtet werden. Abschließend werden im Abschnitt 9.8 Messumformer für Widerstandsthermometer sowohl mit analogem als auch mit digitalem (Bus-)Ausgangssignal behandelt.