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Widerstandsthermometer und
Thermoelemente
Manfred Schleicher
Hinweise zur Präsentation
Diese Präsentation vermittelt Grundlagen zu
Widerstandsthermometern und Thermoelementen
Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
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Widerstandsthermometer
Allgemeines - 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:
Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
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Widerstandsthermometer
Allgemeines - Funktionsweise
Weiterhin findet das PT500 (Grundwiderstand 500 Ω), PT1000 (Grundwiderstand
1000 Ω) und das PT50 (Grundwiderstand 50 Ω) Verwendung
Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
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Widerstandsthermometer
Linearisierung
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
I
U
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Widerstandsthermometer
Anschlussarten-Zweileiter
Beim Zweileiteranschluss geht der Leitungswiderstand RL mit in das
Messergebnis ein
RL/2
IM
UM
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
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Widerstandsthermometer
Anschlussarten-Dreileiter
Beim Dreileiteranschluss wird der Spannungsabfall an einem Leiter bestimmt (UL/2)
IM
RL/2
I≈0
UL/2
UM
RL/2
Aufgrund des hohen Innenwiderstandes (Gerät) ist der Strom über den dritten Leiter≈0.
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 Widerstandswert aufweisen
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Widerstandsthermometer
Anschlussarten-Vierleiter
Beim Vierleiteranschluss wird der Spannungsabfall direkt am Widerstandsthermometer bestimmt:
IM
I≈0
I≈0
UWiderstand
Mit dem Spannungsabfall am Widerstandsthermometer und dem Messstrom kann direkt
der Widerstandswert ermittelt werden
Die Widerstandswerte der Zuleitungen können unterschiedlich sein
Der Vierleiteranschluss bringt die kleinste Messungenauigkeit mit sich
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Widerstandsthermometer
Toleranzklassen
Für Widerstandsthermometer sind folgende Toleranzklassen definiert:
Der größte Teil von Widerstandsthermometern wird in Toleranzklasse B geliefert
Beispiele: Bei einer Temperatur von 0°C hat das Ther mometer eine Toleranz von:
±0,3 K
Bei 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
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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
Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
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Thermoelemente
Funktionsweise – 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
Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
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Thermoelemente
Thermospannung 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:
-
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-
- -
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-
-
-
-
U
Es entsteht eine Thermospannung von einigen Millivolt. Die Spannung ist um so größer, je höher
die vorliegende Temperatur ist
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Thermoelemente
Funktionsweise – Die Vergleichsstelle
Werden die beiden Metalle an dem zweiten Ende verbunden, entsteht an dieser Stelle eine
zweite Thermospannung
Metall 1
U20°C
U100°C
Metall 2
Die Thermospannung U20°C fällt in unserem Beispiel kleiner als die Spannung U100°C aus, es
kommt zum Stromfluss
Werden beide Metalle über einen weiteren Werkstoff miteinander verbunden, entstehen zwischen
den beiden Übergängen zwei Thermospannungen:
Metall 1
U20°C-teil
U100°C
Metall 2
Kupfer
U20°C-teil
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
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Thermoelemente
Funktionsweise – Messung der Differenzspannung
Das Ergebnis der Spannungen U100°C -U20°C kann gemessen werden:
Metall 1 U20°C-teil
U100°C
U20°C-teil
V
U100°C -U20°C
Metall 2
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
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Thermoelemente
Funktionsweise – Messung der Differenzspannung
Für den verwendeten Eingang ist lediglich die Fühlerart Thermoelement und die entsprechende
Linearisierung anzugeben:
Fühlerart Thermoelement wählen
Entsprechende Linearisierung für
das Gerät anwählen
Aus der ermittelten Spannung am Thermoelement und der definierten Linearisierung ermittelt das
Feldgerät die Temperatur am Thermoelement
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Thermoelemente
Ausgleichsleitung
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:
Vergleichsstelle
Metall 1
V
U100°C
Metall 2
Ausgleichsleitung
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)
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Thermoelemente
Thermospannungsfreie 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
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Thermoelemente
Farbkennzeichnung 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:
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Thermoelemente
Farbkennzeichnung International
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Thermoelemente
Externe Temperaturkompensation – Verwendung in Sonderfällen
Prinzipiell können Thermoelement und Feldgerät mit einer Kupferleitung verbunden werden
Metall 1
U100°C
Kupfer
V
PT100
Metall 2
Eingang 2
Vergleichsstelle
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
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Thermoelemente
Externe Temperaturkompensation – Verwendung in Sonderfällen
Konfiguration am Gerät:
Thermoelement mit externer
Temperaturkompensation (Funktion
ist nur in einigen JUMO-Geräten
verfügbar)
Welcher Eingang liefert Temperatur
der Vergleichsstelle?
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Thermoelemente
Auswahlkriterien
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Thermoelemente
Grenzabweichungen
Es sind drei Toleranzklassen definiert:
Beispiel: Element Fe-CuNi „J“ Klasse 2, Messtemperatur 200°C
Toleranz: ±0,0075 x 200°C = ±1,5°C oder ± 2,5 °C
Es muss immer vom Maximalwert und somit von einer Messunsicherheit von ± 2,5°C
ausgegangen werden.
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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:
Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
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Weitere Informationen
Fachbuch Elektrische Temperaturmessung
Präsentation Widerstandsthermometer und Thermoelemente
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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
Zugehörige Unterlagen
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