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Widerstandsthermometer und
Thermoelemente
Manfred Schleicher
2Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
Diese Präsentation vermittelt Grundlagen zu
Widerstandsthermometern und Thermoelementen
Hinweise zur Präsentation
3Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
WiderstandsthermometerAllgemeines - Funktionsweise
Widerstandsthermometer verändern den ohmschen Widerstand bei Temperaturwechsel
Als Widerstandsmaterial hat sich in der industriellen Messtechnik Platin durchgesetzt
Gängigstes Widerstandsthermometer ist das PT100 mit einem Widerstand von 100 Ω bei 0°C
Widerstandswerte bei Temperaturen von 0…100°C:
4Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
WiderstandsthermometerAllgemeines - Funktionsweise
Weiterhin findet das PT500 (Grundwiderstand 500 Ω), PT1000 (Grundwiderstand 1000 Ω) und das PT50 (Grundwiderstand 50 Ω) Verwendung
5Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
WiderstandsthermometerLinearisierung
Beim Anschluss des Widerstandsthermometers an ein Feldgerät wird für den entsprechenden Eingang die Fühlerart Widerstandsthermometer definiert
Das Feldgerät prägt einen definierten Gleichstrom ein
Aufgrund der abfallenden Spannung und des Ohmschen Gesetzes wird der Widerstand bestimmt
Im Feldgerät liegen die unterschiedlichen Linearisierungen ab. Wird beispielsweise die Linearisierung PT100 gewählt, ermittelt das Gerät die zum Widerstandswert gehörende Temperatur
U
I
6Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
WiderstandsthermometerAnschlussarten-Zweileiter
Beim Zweileiteranschluss geht der Leitungswiderstand RL mit in das Messergebnis ein
IMRL/2
RL/2
Es wird eine höhere Temperatur gemessen, als diese tatsächlich am Widerstandsthermometer vorhanden ist
Der Offset kann am Gerät oder mit dem Setupprogramm korrigiert werden
Auch nach einem Nullpunktabgleich wird sich der Leitungswiderstand bei wechselnder Umgebungstemperatur verändern und Einfluss auf das Messsignal nehmen
Der Zweileiteranschluss bringt die größte Messungenauigkeiten mit sich
UM
7Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
WiderstandsthermometerAnschlussarten-Dreileiter
Beim Dreileiteranschluss wird der Spannungsabfall an einem Leiter bestimmt (UL/2)
Von der gemessenen Spannung UM wird der doppelte Betrag von UL/2 abgezogen
In dieser Weise wird der Spannungsabfall am Widerstandsthermometer bestimmt Der tatsächliche Widerstandswert wird ermittelt
Der Dreileiteranschluss findet am Häufigsten Verwendung
Voraussetzung für ein exaktes Ergebnis ist, dass beide Leiter den gleichen Wider-standswert aufweisen
RL/2
UM
RL/2 IM
I≈0UL/2
Aufgrund des hohen Innenwiderstandes (Gerät) ist der Strom über den dritten Leiter≈0.
8Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
WiderstandsthermometerAnschlussarten-Vierleiter
Beim Vierleiteranschluss wird der Spannungsabfall direkt am Widerstandsthermometer bestimmt:
Die Widerstandswerte der Zuleitungen können unterschiedlich sein
Der Vierleiteranschluss bringt die kleinste Messungenauigkeit mit sich
Mit dem Spannungsabfall am Widerstandsthermometer und dem Messstrom kann direkt der Widerstandswert ermittelt werden
IM
I≈0
I≈0
UWiderstand
9Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
WiderstandsthermometerToleranzklassen
Für Widerstandsthermometer sind folgende Toleranzklassen definiert:
Der größte Teil von Widerstandsthermometern wird in Toleranzklasse B geliefertBeispiele: Bei einer Temperatur von 0°C hat das Ther mometer eine Toleranz von:
±0,3 KBei einer Temperatur von 200°C entsteht eine Messtoleran z von:±(0,3 + 0,005x200)K=1,3K
Ein weitaus geringerer Teil wird in den Klassen A und ⅓ Klasse B geliefert
Klasse 0,5 findet sehr selten Anwendung
= Toleranzklasse nach DIN EN 60 751
= Herstellerbezogene Toleranzklasse
10Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
Thermoelemente
Temperaturmessungen bis typisch 600°C können mit Wi derstandsthermometern realisiert werden
Höhere Temperaturen sind meist der Grund, warum Thermoelemente zum Einsatz kommen
Die folgenden Seiten vermitteln wichtige Grundlagen zum Umgang mit Thermoelementen
11Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
ThermoelementeFunktionsweise – thermoelektrischer Effekt in einem Metall
Wird ein metallischer Leiter erhitzt, werden die freien Elektronen beschleunigt Die Elektronen drängen in den kälteren Bereich Im warmen Bereich halten sich weniger Elektronen auf
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-
U U Im Metall entstehen durch die Ladungsverschiebungen zwei Teilspannungen, diese sind
entgegengerichtet
Die Spannung zwischen den Leitungsenden bleibt 0
12Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
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-- -
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-
ThermoelementeThermospannung zwischen zwei Metallen
Ein Thermoelement besteht aus zwei aufeinander geschweißten Metallen Werden die Metalle am Übergang einer erhöhten Temperatur ausgesetzt, gibt das Metall mit der
schwächeren Elektronenbindung mehr Elektronen an das zweite Metall ab als umgekehrt:
Es entsteht eine Thermospannung von einigen Millivolt. Die Spannung ist um so größer, je höher die vorliegende Temperatur ist
U
--
--
-- -
--
--
--
-
13Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
ThermoelementeFunktionsweise – Die Vergleichsstelle
Werden die beiden Metalle an dem zweiten Ende verbunden, entsteht an dieser Stelle eine zweite Thermospannung
Werden beide Metalle über einen weiteren Werkstoff miteinander verbunden, entstehen zwischen den beiden Übergängen zwei Thermospannungen:
Metall 1
Metall 2
U100°C U20°C
Liegen für die Übergänge gleiche Temperaturen vor, entstehen für diese jeweils gleiche Thermospannungen. Im genannten Fall ergibt sich weiterhin aus den beiden Teilspannungen die vorherige Spannung U20°C
Die Thermospannung U20°C fällt in unserem Beispiel kleiner als die Spannung U100°C aus, es kommt zum Stromfluss
Metall 2
Metall 1 Kupfer
U100°C
U20°C-teil
U20°C-teil
14Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
ThermoelementeFunktionsweise – Messung der Differenzspannung
Das Ergebnis der Spannungen U100°C -U20°C kann gemessen werden:
In Feldgeräten muss jedoch auf die Spannung am Thermoelement geschlossen werden, aus diesem Grund wird die Temperatur an den Klemmen (wurde bisher mit U20°C bezeichnet) mit einem internen PT100 gemessen:
Aus der Temperatur des internen PT100 wird die Thermospannung errechnet, welche an den Klemmen vorliegt. Diese Spannung wird der gemessenen Spannung aufaddiert: In dieser Weise wird die tatsächliche Spannung am Thermoelement bestimmt. Diese Vorgehensweise wird interne Temperaturkompensation genannt
Metall 2
Metall 1
U100°CV
U20°C-teil
U20°C-teilU100°C -U20°C
15Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
ThermoelementeFunktionsweise – Messung der Differenzspannung
Fühlerart Thermoelement wählen
Entsprechende Linearisierung für das Gerät anwählen
Für den verwendeten Eingang ist lediglich die Fühlerart Thermoelement und die entsprechende Linearisierung anzugeben:
Aus der ermittelten Spannung am Thermoelement und der definierten Linearisierung ermittelt das Feldgerät die Temperatur am Thermoelement
16Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
ThermoelementeAusgleichsleitung
Bisher wurde von einem direkten Anschluss des Thermoelementes ausgegangen Es ist jedoch fast immer eine Verbindungsleitung notwendig Die beschriebene Funktion (interne Temperaturkompensation) ist nur gewährleistet, wenn die
zusätzliche Thermospannung an den Klemmen des Feldgerätes entsteht Aus diesem Grund wird zur Verbindung eine Ausgleichsleitung verwendet, welche die gleichen
thermoelektrischen Eigenschaften wie die Metalle des Thermoelementes besitzt:
Die Vergleichsstelle entsteht am Feldgerät, der Interne PT100 misst die Vergleichsstellentemperatur und das Messergebnis wird korregiert
Für jedes Thermoelement müssen die entsprechenden Ausgleichsleitungen verwendet werden (Polarität berücksichtigen)
Metall 2
Metall 1
U100°CV
Ausgleichsleitung
Vergleichsstelle
17Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
ThermoelementeThermospannungsfreie Steckverbinder
Stückelungen der Ausgleichsleitung und Verbindung über beispielsweise Lüsterklemmen verfälschen das Messergebnis
Unterbrechungen sind durch thermospannungsfreie Steckverbinder zu verbinden:
Die Stecker sind aus dem gleichen Material wie die Thermoelemente– Stecker sind abhängig vom Thermoelement– Polarität beachten
18Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
ThermoelementeFarbkennzeichnung der Ausgleichsleitung
Werden Thermoelemente nach DIN EN 60584 gefertigt, kann aus der Farbgestaltung der Ausgleichsleitung die Art des Thermoelementes und Plus-/ Minusschenkel erkannt werden
Folgende Tabelle zeigt die Farbgestaltung:
19Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
ThermoelementeFarbkennzeichnung International
20Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
ThermoelementeExterne Temperaturkompensation – Verwendung in Sonderfällen
Prinzipiell können Thermoelement und Feldgerät mit einer Kupferleitung verbunden werden
Hier entsteht die Vergleichsstelle (Thermospannung) an den Anschlussklemmen des Thermoelementes. In diesem Fall misst das Gerät die Spannung des Thermoelementes –Spannung an den Anschlussklemmen
Die Temperatur an den Anschlussklemmen muss gemessen und eine entsprechende Korrektur erfolgen
Vergleichsstelle
Metall 2
Metall 1 Kupfer
U100°CV
Eingang 2
PT100
21Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
ThermoelementeExterne Temperaturkompensation – Verwendung in Sonderfällen
Thermoelement mit externer Temperaturkompensation (Funktion ist nur in einigen JUMO-Gerätenverfügbar)
Welcher Eingang liefert Temperatur der Vergleichsstelle?
Konfiguration am Gerät:
22Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
ThermoelementeAuswahlkriterien
23Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
ThermoelementeGrenzabweichungen
Es sind drei Toleranzklassen definiert:
Beispiel: Element Fe-CuNi „J“ Klasse 2, Messtemperatur 200°CToleranz: ±0,0075 x 200°C = ±1,5°C oder ± 2,5 °CEs muss immer vom Maximalwert und somit von einer Messunsicherheit von ± 2,5°C ausgegangen werden.
24Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
Anschlussleitungen Verwendete Steckerbelegungen und Farbcodes
Die Steckerbelegung und die verwendeten Farbcodes der Anschlusskabel für Widerstandsthermometer und Thermoelemente sind genormt
Eine Übersicht gibt Typenblatt 90.0002:
25Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
Weitere Informationen Fachbuch Elektrische Temperaturmessung
Auf Wiedersehen
Au revoir
Good Bye
JUMO GmbH & Co. KG
MANFRED SCHLEICHER
Dipl. Ing. (FH)
Schulungsleiter und Referent Weiterbildung
Tel.: 0661/6003-396
E-Mail:Manfred.Schleicher@jumo.net
Das aktuelle Seminarprogramm im Internet unter:
http://www.seminare.jumo.info
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