RTD- und PT100-Temperaturmessung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur aus der vorhersagbaren Änderung des elektrischen Widerstands eines reinen Metalls, meist Platin. Widerstandstemperaturfühler (RTDs) sind die Standard-Sensoren für Prozesstemperaturen von etwa −200 °C bis 850 °C, ein Bereich, in dem Genauigkeit und Langzeitstabilität wichtiger sind als Ansprechgeschwindigkeit.
Das Verständnis der Widerstands-Temperatur-Beziehung, der Anschlusskonfiguration und der Toleranzklasse ist entscheidend, um einen Sensor zu spezifizieren, der tatsächlich die für den Prozess benötigte Genauigkeit liefert.
Platin hat wie die meisten reinen Metalle einen elektrischen Widerstand, der mit steigender Temperatur nahezu linear zunimmt. Ein präzises Widerstandselement wird gewickelt oder in einem bekannten Muster aufgebracht, sodass sein Widerstand bei jeder Temperatur aus einer Normkurve vorhergesagt werden kann.
Das Durchfließen eines kleinen, stabilen Messstroms durch das Element und die Messung des Spannungsabfalls ergeben einen Widerstandswert, den ein Transmitter mithilfe der Callendar‑Van‑Dusen‑Gleichung in eine Temperaturanzeige umwandelt.
Da die Beziehung eine physikalische Eigenschaft des Metalls und keine fragile Kalibrierungskurve ist, behalten RTDs ihre Genauigkeit über Jahre, sofern das Element nicht mechanisch oder chemisch beschädigt wird.
Das "PT" steht für Platin; die Zahl ist der nominelle Widerstand in Ohm bei 0 °C. Ein PT100 zeigt bei 0 °C 100,00 Ohm an; ein PT1000 zeigt bei 0 °C 1000,00 Ohm an. Beide folgen dem gleichen Temperaturkoeffizienten, sodass ein PT1000 einfach die Signaländerung pro Grad um den Faktor zehn verstärkt.
Der Temperaturkoeffizient des Widerstands, Alpha, definiert die durchschnittliche relative Widerstandsänderung pro Grad Celsius zwischen 0 °C und 100 °C. Zwei Kurven dominieren die industrielle Nutzung:
Das Mischen von Kurven in der Transmitterkonfiguration ist eine häufige Ursache für eine systematische Temperaturabweichung um mehrere Grad, obwohl der Sensor am Kalibrierpunkt korrekt misst. Bestätigen Sie stets, dass der Alpha‑Wert zwischen Sensor und Transmitter übereinstimmt, nicht nur der PT100/PT1000‑Basiswert.
Weil ein RTD den Widerstand misst, addiert sich jeglicher Widerstand in den Zuleitungen direkt zum gemessenen Wert, sofern die Schaltung diesen nicht kompensiert. Kupferleiter haben einen Widerstand von etwa 0,08 Ohm pro Meter für einen einzelnen 0,5 mm² Leiter, und dieser Widerstand ändert sich entlang der Kabellänge mit der Umgebungstemperatur, was zusätzliche Drift verursacht.
| Konfiguration | Kompensation des Leitungswiderstandsfehlers | Typischer Einfluss auf die Genauigkeit | Gängige Verwendung |
|---|---|---|---|
| 2‑Leiter | Keine; Leitungswiderstand addiert sich direkt zur Messung | Bei einem PT100 (alpha 0.00385) verschiebt jeder Ohm Leitungswiderstand die Anzeige um ungefähr 2,6 °C; ein 1,2 Ohm‑Leitungsweg (etwa 50 m dünner Kupferleiter hin und zurück) kann 3 °C Fehler hinzufügen | Kurze Leitungswege, kostengünstige HLK, PT1000‑Sensoren, wo der Fehleranteil gering ist |
| 3‑Leiter | Brücken‑artige Kompensation geht von gleichen Widerständen in zwei Leitungen aus | Restfehler nur bei Leitungs‑Mismatch; typischerweise gering, wenn beide Leiter in Länge und Querschnitt übereinstimmen | Standard für industrielle Prozess‑Transmitter |
| 4‑Leiter | Vollständige Kelvin‑Messung entfernt den Leitungswiderstand vollständig aus der Messung | Nahezu kein Leitungsfehler, begrenzt nur durch die Genauigkeit des Transmitters | Kalibrierlabore, Abrechnungs‑Messtechnik, kritische Prozessstrecken |
Für jeden Leitungsweg über wenige Meter ist bei einem PT100 die 3‑Leiter‑Schaltung das praktische Minimum. Die 4‑Leiter‑Schaltung ist Referenzmessungen vorbehalten, da der zusätzliche Leiter im Routine‑Prozess selten die Kosten rechtfertigt.
IEC 60751 definiert Toleranzklassen, die die maximal zulässige Abweichung von der Normkurve bei einer gegebenen Temperatur angeben. Die Toleranz ist keine feste Zahl; sie wird mit der Temperatur größer.
| Klasse | Toleranzformel (°C) | Toleranz bei 0°C | Toleranz bei 400°C |
|---|---|---|---|
| Klasse AA (1/3 DIN) | ±(0.10 + 0.0017 × |t|) | ±0.10°C | ±0.78°C |
| Klasse A | ±(0.15 + 0.002 × |t|) | ±0.15°C | ±0.95°C |
| Klasse B | ±(0.30 + 0.005 × |t|) | ±0.30°C | ±2.30°C |
Klasse B ist der allgemeine industrielle Standard und reicht für die meisten Regelkreise aus. Klasse A oder AA wird dort spezifiziert, wo enge Regelbänder oder abrechnungsrelevante Genauigkeit erforderlich sind, zum Beispiel am Austritt eines Feuerheizers oder auf einer Abrechnungs‑Messeinheit. AA‑Elemente sind typischerweise teurer und empfindlicher gegenüber Installationsstress, daher erhöhen überdimensionierte Toleranzanforderungen an einer nicht‑kritischen Schleife Kosten ohne Nutzen.
Der zur Widerstandsmessung verwendete Messstrom dissipiert auch Leistung im Element (I²R) und erhöht dessen Temperatur leicht über die des gemessenen Prozesses.
Die Selbsterwärmung wird durch eine Verlustleistungskonstante in mW/°C charakterisiert, die stark von Aufbau des Elements, Ausführung der Hülse und davon abhängt, ob der Sensor in einer schnellbewegten Flüssigkeit oder in stiller Luft sitzt; gut montierte industrielle Sensoren in strömenden Flüssigkeiten haben typischerweise eine höhere Dissipationskonstante (mehr Leistung pro Grad Selbsterwärmung) als ein nacktes Element in stiller Luft.
In Flüssigkeiten mit gutem Wärmeübergang liegt der Selbsterwärmungsfehler meist unter 0,05 °C; in stiller Luft oder bei schlecht wärmeleitender Hülse kann er über 1 °C liegen. Einen niedrigen Messstrom beizubehalten (typisch unter 1 mA) und guten thermischen Kontakt zwischen Sensorspitze und Prozess zu sichern, einschließlich korrekter Eintauchtiefe und passender Thermowell‑Montage, hält diesen Fehler vernachlässigbar.
Eine schlecht passende Thermowell ist außerdem eine der häufigsten Ursachen für langsame thermische Reaktion und Messverzögerung, die bei der Zustandsüberwachung einer Anlage auffallen.
Das Einspeisen eines RTD‑Signals in ein CMMS‑gekoppeltes Überwachungssystem ermöglicht es einem Wartungsteam, die tatsächliche Sensordrift über die Zeit zu verfolgen, statt nur zu reagieren, wenn eine Messung offensichtlich falsch erscheint. Wenn eine anhaltende Drift oder eine außer‑Toleranz‑Messung erkannt wird, leitet ein automatisch generierter Arbeitsauftrag in einer Plattform wie Buchen Sie eine Fabrico‑Demo Kalibrierungs‑ oder Austauschmaßnahmen ein, bevor die Abweichung die Produktqualität beeinträchtigt oder einen Abschaltvorgang auslöst.
RTDs und Thermoelemente lösen dasselbe Problem mit unterschiedlichen Kompromissen; die Wahl hängt meist von Temperaturbereich, Genauigkeit und Ansprechzeit ab.
Für die allgemeine Prozessregelung zwischen −200 °C und 500 °C, wo Genauigkeit und Langzeitstabilität den Nutzen bestimmen, ist ein RTD fast immer die bessere Standardwahl.
Beide verwenden dieselbe Platin‑Widerstands‑Temperaturkurve und dieselben Koeffizientenoptionen, aber ein PT100 zeigt bei 0 °C 100 Ohm, während ein PT1000 bei 0 °C 1000 Ohm anzeigt. Ein PT1000 erzeugt eine größere Widerstandsänderung pro Grad, wodurch der 2‑Leiter‑Leitungswiderstandsfehler bei langen Kabelstrecken viel weniger ins Gewicht fällt.
Die häufigste Ursache ist ein Alpha‑Koeffizienten‑Mismatch, also die Konfiguration eines Transmitters auf 0.00392, während der installierte Sensor dem IEC‑60751‑Standard 0.00385 folgt, oder umgekehrt. Das erzeugt einen temperaturabhängigen Fehler, der mit zunehmender Entfernung von 0 °C wächst, obwohl der Sensor selbst in Ordnung ist.
Ja, für die große Mehrheit industrieller Schleifen. Die 3‑Leiter‑Verdrahtung kompensiert den Leitungswiderstand, solange beide Leiter in Länge und Querschnitt übereinstimmen; es bleibt nur ein kleiner Restfehler. Die 4‑Leiter‑Schaltung ist für Kalibrier‑ oder Abrechnungsanwendungen vorbehalten.
Klasse B (±0.30 °C bei 0 °C, mit zunehmender Breite bei höheren Temperaturen) eignet sich für allgemeine Prozessüberwachung und die meisten Regelkreise. Klasse A oder AA sollte nur dort spezifiziert werden, wo das Regelband eng ist oder die Messung in eine abrechnungs‑ oder sicherheitskritische Berechnung eingeht, da engere Klassen teurer sind und während der Installation empfindlicher gegenüber mechanischem Stress reagieren.
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