Herzlich Willkommen Bienvenue Welcome. Widerstandsthermometer und Thermoelemente. Manfred Schleicher

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1 Herzlich Willkommen Bienvenue Welcome Widerstandsthermometer und Thermoelemente Manfred Schleicher

2 Hinweise zur Präsentation Diese Präsentation vermittelt Grundlagen zu Widerstandsthermometern und Thermoelementen 2

3 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 C: 3

4 Widerstandsthermometer Allgemeines Funktionsweise Weiterhin findet das PT500 (Grundwiderstand 500 Ω), PT1000 (Grundwiderstand 1000 Ω) und das PT50 (Grundwiderstand 50 Ω) Verwendung 4

5 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 5

6 Widerstandsthermometer AnschlussartenZweileiter Beim Zweileiteranschluss geht der Leitungswiderstand R L mit in das Messergebnis ein R L /2 I M U M R L /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 6

7 Widerstandsthermometer AnschlussartenDreileiter Beim Dreileiteranschluss wird der Spannungsabfall an einem Leiter bestimmt (U L /2) R L /2 I M I 0 U L /2 U M R L /2 Aufgrund des hohen Innenwiderstandes (Gerät) ist der Strom über den dritten Leiter 0. Von der gemessenen Spannung U M wird der doppelte Betrag von U L /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 7

8 Widerstandsthermometer AnschlussartenVierleiter Beim Vierleiteranschluss wird der Spannungsabfall direkt am Widerstandsthermometer bestimmt: I M I 0 I 0 U Widerstand 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 8

9 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 = Herstellerbezogene Toleranzklasse 9

10 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 10

11 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 U Im Metall entstehen durch die Ladungsverschiebungen zwei Teilspannungen, diese sind entgegengerichtet Die Spannung zwischen den Leitungsenden bleibt 0 U 11

12 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: U Es entsteht eine Thermospannung von einigen Millivolt. Die Spannung ist um so größer, je höher die vorliegende Temperatur ist 12

13 Thermoelemente Funktionsweise Die Vergleichsstelle Werden die beiden Metalle an dem zweiten Ende verbunden, entsteht an dieser Stelle eine zweite Thermospannung Metall 1 U 100 C U 20 C Metall 2 Die Thermospannung U 20 C fällt in unserem Beispiel kleiner als die Spannung U 100 C aus, es kommt zum Stromfluss Werden beide Metalle über einen weiteren Werkstoff miteinander verbunden, entstehen zwischen den beiden Übergängen zwei Thermospannungen: Metall 1 Kupfer U 100 C U 20 Cteil Metall 2 U 20 Cteil 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 U 20 C 13

14 Thermoelemente Funktionsweise Messung der Differenzspannung Das Ergebnis der Spannungen U 100 C U 20 C kann gemessen werden: Metall 1 U 20 Cteil U 100 C V U 20 Cteil U 100 C U 20 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 U 20 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 14

15 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 15

16 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: Metall 1 Vergleichsstelle U 100 C V 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) 16

17 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 17

18 Thermoelemente Farbkennzeichnung der Ausgleichsleitung Werden Thermoelemente nach DIN EN gefertigt, kann aus der Farbgestaltung der Ausgleichsleitung die Art des Thermoelementes und Plus/ Minusschenkel erkannt werden Folgende Tabelle zeigt die Farbgestaltung: 18

19 Thermoelemente Farbkennzeichnung International 19

20 Thermoelemente Externe Temperaturkompensation Verwendung in Sonderfällen Prinzipiell können Thermoelement und Feldgerät mit einer Kupferleitung verbunden werden Metall 1 Kupfer U 100 C PT100 V 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 20

21 Thermoelemente Externe Temperaturkompensation Verwendung in Sonderfällen Konfiguration am Gerät: Thermoelement mit externer Temperaturkompensation (Funktion ist nur in einigen JUMOGeräten verfügbar) Welcher Eingang liefert Temperatur der Vergleichsstelle? 21

22 Thermoelemente Auswahlkriterien 22

23 Thermoelemente Grenzabweichungen Es sind drei Toleranzklassen definiert: Beispiel: Element FeCuNi 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. 23

24 Anschlussleitungen Verwendete Steckerbelegungen und Farbcodes Die Steckerbelegung und die verwendeten Farbcodes der Anschlusskabel für Widerstandsthermometer und Thermoelemente sind genormt Eine Übersicht gibt Typenblatt : 24

25 Weitere Informationen Fachbuch Elektrische Temperaturmessung 25

26 Auf Wiedersehen Au revoir Good Bye JUMO GmbH & Co. KG MANFRED SCHLEICHER Dipl. Ing. (FH) Schulungsleiter und Referent Weiterbildung Tel.: 0661/ Das aktuelle Seminarprogramm im Internet unter:

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