Arten von RTDs/Widerstandsthermometern

Zum Verständnis kann die temperaturabhängige Änderung des Widerstandes näherungsweise für eingeschränkte Temperaturbereiche als lineare Gleichung aufgefasst werden:

            ∆R = k(T) ⋅ ∆T

Widerstandsthermometer unterteilen sich in PTC und NTC Sensoren:

• PTC: Faktor k ist positiv, bei steigender Temperatur steigt der elektrische Widerstand, weshalb PTC-Sensoren als Kaltleiter bezeichnet werden.
• NTC: Faktor ist negativ, bei fallender Temperatur steigt der elektrische Widerstand, weshalb NTC-Sensoren als Heißleiter bezeichnet werden.

Es existieren Widerstandsthermometer in den verschiedenen Genauigkeitsklassen AA, A, B und C, die jeweils eigene Grenzabweichungen und Gültigkeitsbereiche beinhalten, wobei die Klasse AA die höchste Messgenauigkeit aufweist. Die verschiedenen Genauigkeitsklassen sind inklusive der temperaturbezogenen Toleranzen in der folgenden Tabelle zu erkennen.

Die Genauigkeitsklasse eines Sensors, sollte anhand der gewünschten Zielgenauigkeit der Messung gewählt werden. Widerstandsthermometer können aus unterschiedlichen temperatursensitiven Materialien hergestellt werden. Die Wahl des Materials und die Dimensionierung des Sensors bestimmen den möglichen Widerstandswert und ebenfalls den Temperaturbereich, für den der Sensor geeignet ist. Somit können Widerstandsthermometer speziell für verschiedene Temperatur- und Widerstandsbereiche ausgelegt werden. KTY-Widerstandssensoren werden beispielsweise, aufgrund des geringeren Kostenaufwandes als kostengünstige Alternative zu Platin-Sensoren verwendet. Aufgrund des großen Toleranzbereiches von 1 % - 5 %, werden KTY-Sensoren jedoch häufiger in Anwendungen verwendet, die keine exakte Messung erfordern. Für die Erfassung kleinerer Temperaturunterschiede eignen sich ebenfalls Widerstandsthermometer aus Nickel. Ni-Sensoren erreichen, aufgrund der höheren Empfindlichkeit als Platin-Sensoren, eine größere relative Widerstandsänderung bei gleichem Temperaturunterschied.

Zur Einordnung in der folgenden Tabelle typische Materialien und PTC/NTC-Eigenschaften:

Es gilt anwenderseitig zu prüfen, ob ein Sensor für die vorgesehenen Messzwecke und Messgeräte geeignet ist. Hierbei sind Faktoren zu berücksichtigen wie:

• Temperaturbereich: Ist der Sensor für den vorgesehenen Temperatur-Messbereich geeignet?
• Widerstands-Messbereich: Kann der Sensor-Widerstand im vorgesehenen Temperatur-Messbereich gemessen werden?
• Kennlinie: Wie kann der Sensor-Widerstand in einen Temperaturwert umgerechnet werden? (sofern dies nicht automatisch über das Messgerät geschieht, wird eine herstellerspezifische Sensorkennlinie oder Tabelle benötigt)
• Empfindlichkeit/Sensitivität/Steilheit: wie groß ist die Widerstandsänderung bei einer verfügbaren Temperaturänderung (ideal ist möglichst großer Widerstandshub) – und wie groß ist die digitale Empfindlichkeit des Messgeräts in Digits/Ω.
• Rauschen: sowohl Sensor als auch Messgerät bringen einen Rauschteil in die Messung ein, der in Abhängigkeit von Sensor- und Messgerät-Empfindlichkeit als Temperaturrauschen sichtbar wird.
• Geschwindigkeit: Wie häufig wird der Sensor-Widerstand gemessen?

Sensortausch Es ist zu beachten, dass eine 1:1 Austauschbarkeit gerade von herstellerspezifizierten Sensoren nicht immer gewährleistet ist. Ggf. muss der neue Sensor in der Anlage neu eingemessen werden.

Widerstandsmessung Zur Ermittlung des Widerstands ist es üblich, einen geringen Messstrom I im mA-Bereich (I < 5 mA) durch den Sensor fließen zu lassen und die resultierende Spannung zu messen. Dabei sind drei Effekte zu berücksichtigen: Der Messstrom kann zu einer Eigenerwärmung des Sensors führen. Dies hat üblicherweise aber nur geringen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Bei Hochpräzisionsmessungen kann dies aber eine wesentliche Rolle spielen; siehe dazu die Ausführungen im folgenden Abschnitt: „Selbsterwärmung von RTD Sensoren“. Die Zuleitungen zum Sensor sind ebenfalls widerstandsbehaftet und bringen einen (meist) konstanten zusätzlichen Widerstand in die Messung ein. Kompensation kann erfolgen durch ◦ 3- oder 4-Leiter-Anschluss des Sensors, ◦ manuelle Berücksichtigung des bekannten Leitungswiderstands in der Berechnung oder ◦ Verwendung eines Sensors mit höherem Nennwiderstand - dann fallen die Zuleitungseffekte weniger ins Gewicht. Isolationsfehler oder Thermospannungen können die Messung beeinflussen.