Ratgeber
Temperaturen lassen sich auf vielfältige Weise ermitteln. Am einfachsten wohl per Sichtprüfung an einem Flüssigkeits- oder Bimetall-Thermometer. Im professionellen Bereich macht dies nur in wenigen Fällen Sinn. In der Prozesssteuerung beispielsweise sind Thermometer gefordert, die exakte elektrische Werte zur Umgebungstemperatur liefern. Die dafür eingesetzten Sensoren basieren im Allgemeinen auf Widerständen. Wie solche Widerstandsthermometer aufgebaut sind und funktionieren, das lesen Sie in unserem Ratgeber ebenso wie Praxistipps für die Beschaffung.
Das Grundprinzip eines Widerstandsthermometers ist recht einfach. Es funktioniert auf der Grundlage, dass sich der elektrische Widerstand eines Leiters mit der Temperatur ändert. Das ist besonders bei einigen Metallen und bestimmten Halbleitern der Fall. Bei Metallen nimmt der elektrische Widerstand in der Regel mit steigender Temperatur zu. Diese Eigenschaft wird als positiver Temperaturkoeffizient bezeichnet. Widerstandsthermometer mit Metallsensor nutzen diesen Effekt, um Temperaturänderungen zu messen.
Bei besonders präzisen Thermometern wird Platin als Sensormaterial verwendet, und zwar aufgrund seiner hohen Stabilität und Genauigkeit über einen breiten Temperaturbereich hinweg. Es lassen sich auch Materialien wie Nickel oder Kupfer verwenden – oder aber auch Halbleiter. Diese als Thermistoren bekannten Bauelemente weichen hinsichtlich ihrer Funktion aber in einigen wesentlichen Punkten von Sensoren aus Platin ab. So wird zunächst zwischen Kalt- und Warmleitern unterschieden.
Kaltleiter oder PTC-Thermistoren besitzen einen positiven Temperaturkoeffizienten, daher ihre Bezeichnung. Ihr elektrischer Widerstand nimmt bei steigender Temperatur zu. Warmleiter oder NTC-Thermistoren wiederum verringern ihren Widerstand, ihr Temperaturkoeffizient ist negativ. Beide Typen lassen sich zur Temperaturmessung verwenden, allerdings mit Einschränkungen: Ihr Widerstandsverlauf ist nicht linear. Zur Messung der exakten Temperatur sind deshalb elektronische Kompensationsschaltungen notwendig. Außerdem ist ihr Temperaturmessbereich – im Vergleich zu Platin-Widerstandsthermometern – deutlich kleiner.
Herzstück dieses Thermometers ist das Sensorelement, typischerweise ein feiner Draht oder ein dünner Film aus Platin. Im Gegensatz zu den Halbleitern in Thermistoren reagiert Platin auf Temperaturänderungen mit einem linearen Widerstandsverlauf, jeder Temperatur lässt sich zuverlässig ein Widerstandswert zuordnen. Der Messbereich ist typischerweise recht groß, er reicht von dreistelligen Minusgraden bis zu Temperaturen von 500 Grad Celsius und mehr. Das Sensorelement wird in der Regel mit Pt100, Pt500, Pt1000 oder Pt1500 bezeichnet, die Zahl repräsentiert den Widerstandswert in Ohm bei exakt 0 Grad Celsius. Das Pt100-Element wird am häufigsten verwendet, sein Widerstand beträgt beispielsweise bei 20 Grad Celsius 107,79 Ohm und steigt bei 100 Grad Celsius auf 138,51 Ohm. Dieser 100-Grad-Celsius-Wert ist in der Norm DIN 43760 fixiert.
Das eigentliche Sensorelement ist in einem Schutzröhrchen eingebettet, das es vor Umwelteinflüssen, chemischer Korrosion oder mechanischer Beschädigung schützt. Das Röhrchen kann aus verschiedenen Materialien wie Edelstahl oder Keramik bestehen, je nach Anwendung und den Bedingungen, unter denen der Sensor verwendet wird.
Um die prinzipiell geringfügigen Widerstandsänderungen präzise zu messen, wird das Sensorelement in der Regel in eine sogenannte Wheatstone-Brückenschaltung integriert. Diese Schaltung ermöglicht es, sehr kleine Widerstandsänderungen genau zu erfassen und in ein verwertbares elektrisches Signal umzuwandeln. Bei manchen Typen sind zusätzliche Komponenten zur Temperaturkompensation vorhanden. Diese Maßnahme stellt eine sehr genaue Messung sicher, unabhängig von Schwankungen der Umgebungstemperatur.
Der Aufbau eines Widerstandsthermometers kann je nach Anwendung variieren. In industriellen Anwendungen sind die Thermometer zum Beispiel robust konstruiert, um hohen Temperaturen, Druck und korrosiven Umgebungen standzuhalten. In wissenschaftlichen oder Laboranwendungen finden sich dagegen oft feinere und empfindlichere Konstruktionen mit höchster Messgenauigkeit.
Wie bei nahezu jedem Messgerät bestimmt die geplante Anwendung die Auswahl. Dabei sind bestimmte mechanische, elektrische und elektronische Parameter eines Widerstandsthermometers zu berücksichtigen. Zu den wichtigsten gehören der Einsatzzweck und damit verbunden die Art des zu messenden Betriebsmediums, der Temperaturbereich, die Bauform, der Anschlusstyp, die Kompatibilität mit Messgeräten sowie Zertifizierungen und Standards.
Ein gängiger Einsatzzweck für Widerstandsthermometer mit Pt100-Sensor ist die Temperaturmessung in Wärmeübertragungsanlagen nach DIN 4754. Hier übliche Betriebsmedien sind Wasser, Öl und Luft. Solche Messinstrumente gibt es nicht nur mit einem, sondern auch mit zwei oder drei Sensoren. Entsprechend groß ist der nutzbare Temperaturbereich, der schon bei zwei Sensoren von minus 170 bis plus 700 Grad Celsius reichen kann.
Hinsichtlich der Bauform sind die physische Größe und Form des Sensors zu berücksichtigen. Dazu gehören der Durchmesser, die Länge und ob eine Eintauchhülse benötigt wird. Die überwiegende Einbauform ist das Einschraub-Widerstandsthermometer. Es verwendet in der Industrie übliche Schraubmaße. Relevant können auch Schutzmaßnahmen gegen Feuchtigkeit, Druck, chemische Einflüsse oder mechanische Beanspruchung sein. Je nach Einsatzzweck ist auch die Verdrahtung auszuwählen, üblich sind 2-, 3- oder 4-Leiter-Anschlüsse. Mehr Leiter können die Genauigkeit verbessern, insbesondere bei längeren Kabeln.
Anschlussköpfe sorgen für die Verbindung des Thermoelements mit externen Mess- und Steuereinrichtungen. Die Wahl des richtigen Anschlusskopfes hängt von der spezifischen Anwendung, den Umgebungsbedingungen und den Installationsanforderungen ab.
Standard-Anschlussköpfe tragen die Bezeichnungen Form A und Form B. Die A-Version ist etwas größer als die B-Version, bietet dafür aber mehr Platz für die Verdrahtung. Beide Typen werden oft in industriellen Anwendungen eingesetzt.
Explosionsgeschützte Anschlussköpfe sind ebenfalls in zwei Versionen verfügbar: Als Ex-d mit druckfester Kapselung und als Ex-e für erhöhte Sicherheit. Letzterer ist ebenfalls für explosionsgefährdete Bereiche geeignet, allerdings mit Fokus auf die Unterdrückung von Funken und zu hohen Temperaturen.
Miniatur-Anschlussköpfe eignen sich für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot. Diese Anschlussköpfe sind kleiner als die Standardtypen. Oft in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie sind Edelstahlkonstruktionen zu finden, sie unterstützen Hygienemaßnahmen und lassen sich leicht reinigen.
Anschlussköpfe mit integriertem Transmitter wandeln das vom Sensorelement gemessene Widerstandssignal in ein standardisiertes Ausgangssignal mit hoher Genauigkeit um, beispielsweise in einen Strom von 4 bis 20 Milliampere. Für die Prozesssteuerung und -überwachung ein häufig zu findender Wertebereich.