Widerstandsthermometer und Thermoelemente - jumo.de · Linearisierung PT100 gewählt, ermittelt das Gerät die zum Widerstandswert gehörende Temperatur U I. Präsentation Widerstandsthermometer

Herzlich Willkommen

Bienvenue

Welcome

Widerstandsthermometer und

Thermoelemente

Manfred Schleicher

2Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente

Diese Präsentation vermittelt Grundlagen zu

Widerstandsthermometern und Thermoelementen

Hinweise zur Präsentation


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:


WiderstandsthermometerAllgemeines - Funktionsweise

Weiterhin findet das PT500 (Grundwiderstand 500 Ω), PT1000 (Grundwiderstand 1000 Ω) und das PT50 (Grundwiderstand 50 Ω) Verwendung


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


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


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.


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


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


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


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

--

--

--

--

--

--

--

--

---

--

--

--

--

--

--

--

-

U U Im Metall entstehen durch die Ladungsverschiebungen zwei Teilspannungen, diese sind

entgegengerichtet

Die Spannung zwischen den Leitungsenden bleibt 0


--

--

--

-- -

--

--

--

-

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

--

--

-- -

--

--

--

-


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


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


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


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


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


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:


ThermoelementeFarbkennzeichnung International


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


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:


ThermoelementeAuswahlkriterien


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.


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:


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:[email protected]

Das aktuelle Seminarprogramm im Internet unter:

http://www.seminare.jumo.info

Documents

Widerstandsthermometer und Thermoelemente - jumo.de · Linearisierung PT100 gewählt, ermittelt das Gerät die zum Widerstandswert gehörende Temperatur U I. Präsentation Widerstandsthermometer