Die Grundlagen der WTH-Temperatursensoren

 
Ein WTH-Temperatursensor ist ein häufig verwendetes Gerät zur Temperaturmessung in einer Vielzahl an Industrieanwendungen. Dieser Artikel beleuchtet die gängigsten Varianten, ihre Funktionsweise sowie ihre Vor- und Nachteile.

 

Die Abkürzung „WTH“ steht für „Widerstandsthermometer“. Üblicherweise enthalten die WTH entweder Platin, Nickel oder Kupferdrähte, da diese Materialien einen positiven Temperaturkoeffizienten haben. Das bedeutet, dass sich bei einem Ansteigen der Temperatur auch der Widerstand erhöht – und anhand dieser Änderung des Widerstandes werden dann Temperaturänderungen erkannt und gemessen.

 

Platin-WTH

Platin-WTH sind die in Industrieanwendungen am häufigsten zum Einsatz kommende Variante. Das rührt daher, dass Platin eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und eine ausgezeichnete Langzeitstabilität vorweisen und darüber hinaus auch einen breiten Temperaturbereich (-200…+850°C) abdecken kann.

 

Nikkel-WTH

Nickel-WTH sind preiswerter als die Platinvariante und verfügen über eine gute Korrosionsbeständigkeit. Nickel altert allerdings mit der Zeit schneller und büßt bei höheren Temperaturen an Genauigkeit ein. Nickel ist auf einen Messbereich von -80…+260°C beschränkt.

 

Kupfer-WTH

Von den drei WTH-Varianten haben Kupfer-WTH haben die beste Beständigkeit gegen Temperaturlinearität. Darüber hinaus ist Kupfer ein preiswertes Material. Kupfer beginnt allerdings bei höheren Temperaturen, zu rosten. Kupfer ist auf einen Messbereich von -200…+260°C beschränkt.

 

 

 

Die Konstruktionsweise von WTH

Die meisten WTH werden in einer der drei folgenden Weisen gebaut: drahtgewickelte, gewickelte und Dünnschichtausführungen.

 

 

Drahtgewickelte WTH

 

 

Bei einer drahtgewickelten WTH wird ein Widerstandsdraht um einen nicht leitfähigen Kern gewickelt, der normalerweise aus Keramik besteht. Dabei bringt der Sensorhersteller den Widerstandsdraht hochpräzise auf die erforderliche Länge, um den für 0°C festgelegten Widerstand zu erzielen. Diesen bezeichnet man als “R0”.

 

Im nächsten Schritt wird ein Anschlussdraht mit dem Widerstandsdraht verbunden und anschließend wird zum Schutz des Drahtes eine Glas- oder Keramikbeschichtung aufgebracht. Mit steigender Temperatur vergrößert sich auch die Länge des Widerstandsdrahtes leicht. Bei der Entwicklung muss darauf geachtet werden, dass sich der Widerstandsdraht bei steigenden Temperaturen nicht verdreht oder anderweitig verformt. Das ist darauf zurückzuführen, dass mechanische Beanspruchungen zu einer Veränderung des Drahtwiderstandes führen.

 

WTH in Laborqualität, die in Kalibrier- oder Normlaboren zum Einsatz kommen, beseitigen diese Fehlerquelle dadurch, dass der Widerstandsdraht lose um eine nicht leitfähige Stützkonstruktion gewickelt wird. Diese WTH-Variante ist äußerst genau, aber auch sehr empfindlich und daher für die meisten Industrieanwendungen ungeeignet.

 

 

Gewickelte WTH

 

 

 

Bei einer gewickelten WTH wird der Widerstandsdraht in kleinen Spulen gewickelt, die lose in einen Keramikbehälter gelegt werden, der dann mit nicht leitfähigem Pulver gefüllt wird. Der Widerstandsdraht kann sich bei Temperaturveränderungen nach Bedarf ausdehnen und zusammenziehen und minimiert daher die durch mechanische Belastung verursachte Fehlerquote. Das Pulver erhöht den Anteil der Wärmübertragung in die Spulen und verbessert auf diese Weise die Ansprechzeit. Die gewickelten WTH sind normalerweise durch einen Metallmantel geschützt und für Industrieanwendungen geeignet.

 

 

Dünnschicht-WTH

 

 

Dünnschicht-WTH werden serienmäßig hergestellt und kosten weniger als die anderen WTH-Varianten. Sie sind kleiner und haben eine kürzere Ansprechzeit als die anderen Modelle, was bei vielen Anwendungen wünschenswert ist. Bei ihrer Herstellung wird eine dünne Platinschicht auf eine Keramikunterlage aufgebracht.

 

Der Hersteller stellt den Widerstand auf 0°C ein, indem mit einem Laserstrahl parallele Nebenwiderstände in dieser Schicht erzeugt werden. Je mehr Nebenwiderstände erzeugt werden, desto höher ist der Widerstand bei 0°C. Dünnschicht-WTH messen aus folgenden Gründen nicht so genau wie die anderen Varianten:

 

  • Der R0-Widerstand kann nicht so genau eingestellt werden, wie bei den anderen Ausführungen.
  • Die Keramikunterlage und die Platinbeschichtung haben leicht unterschiedliche Ausdehnungsraten. Das führt bei höheren Temperaturen zu einem Belastungsfehler.
  • Da die Dünnschicht-WTH kleiner sind, verursacht der WTH-Erregungsstrom eine leicht erhöhte Fehlerrate aufgrund der Eigenerwärmung des WTH.

 

WTH-Widerstandsverhältnis

Der Begriff „Widerstandsverhältnis“ beschreibt die durchschnittliche Steigung der Temperatur gegenüber der des Widerstandes, während die WTH-Temperatur von 0°C auf +100°C steigt. Die Formel für das Widerstandsverhältnis lautet wie folgt:

 

(R100-R0) / R0

 

Wobei:

R100 = WTH-Widerstand bei 100°C.

R0 = WTH-Widerstand bei 0°C.

 

Das Widerstandsverhältnis wird von der Art und der Reinheit des Metalls beeinflusst, aus dem das WTH hergestellt wird. WTH mit einem hohen R0-Wert in Verbindung mit einem hohen Widerstandsverhältnis sind im Allgemeinen leichter zu messen. Dennoch beeinflussen auch andere Eigenschaften des Metalls im Widerstandsdraht die inhärente Genauigkeit des WTH.

 

 

Die in Industrieanwendungen verwendeten Platin-WTH entsprechen normalerweise der Norm IEC 60751. Diese WTH verfügen über ein Widerstandsverhältnis von (138,5 Ω - 100 Ω)/100 Ω = 0,385 Ω/°C. Bei den gängigen Industrieanwendungen ist diese WTH-Variante durch einen Edelstahlmantel geschützt.

 

Bei WTH-Standards für den Laboreinsatz kommt Platin mit einem höheren Reinheitsgrad und einem höheren Widerstandsverhältnis zum Einsatz: (139,2 Ω - 100 Ω)/100 Ω = 0,392 Ω / °C. Bei Temperaturen über +670°C wird das hochreine Platin durch Metallionen verunreinigt, die von der Edelstahlsonde freigesetzt werden, was zu einer Änderung des Widerstandsverhältnisses führt. Aus diesem Grund werden diese WTH durch eine Sonde aus Quarzglas oder Platin geschützt. Diese Sondenmaterialien verhalten sich bei hohen Temperaturen inert, sodass das WTH vor Verunreinigung geschützt ist.

 

Nickel-WTH gemäß DIN 43760 haben ein Widerstandsverhältnis von (161,7805 Ω – 100 Ω)/100 Ω = 0,618 Ω / °C. Nickel-WTH, die normalerweise in den USA zum Einsatz kommen, haben ein Widerstandsverhältnis von (200,64 Ω – 120 Ω)/120 Ω = 0,672 Ω / °C  (in der Grafik oben dargestellt).

 

Kupfer-WTH[1] sind mit folgenden Werten erhältlich: R0 = 9,035 Ω oder 100 Ω. Beide Varianten haben ein Widerstandsverhältnis von 0,427:

 

(12,897 Ω - 9,035 Ω) / 9,035 Ω = 0,427 Ω / °C.

(142,7 Ω – 100 Ω) / 100 Ω = 0,427 Ω / °C.

 

 

Vorteile bei der Verwendung von Nickel- oder Kupfer-WTH

Nickel erzeugt einen hohen Widerstand bei 0°C und verfügt über ein hohes Widerstandsverhältnis. Dadurch ist dieses empfindliche WTH einfach zu messen. Dank dieser Eigenschaften können auch Fehler aufgrund von Anschlussdrahtwiderstand auf ein Minimum reduziert werden. Bei einem WTH beträgt die ungefähre Fehlerquote aufgrund des Anschlussdrahtwiderstandes:

 

Anschlussdrahtwiderstand / (R100-R0) x 0,01

 

Zum Beispiel:

Ein 2-Draht-Nickel-WTH misst die Temperatur eines Luftkanals. Jeder Anschlussdraht hat einen Widerstand von 0,25 Ω, das entspricht einem Gesamtwiderstand des Anschlussdrahtes von 0,5 Ω.

 

Der durch den Anschlussdrahtwiderstand hervorgerufene Fehler kann daher wie folgt berechnet werden:

0,5 Ω / (161,78 – 100) x 0,01 = 0,81°C. Das ist für viele Anwendungen genau genug.

 

Im Vergleich dazu die Werte einer 2-Draht-Platin-WTH mit demselben Anschlussdrahtwiderstand:

0,5 Ω / (138,5 – 100) x 0,01 = 1,3°C.

 

Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Nickel-WTH, kann dieses WTH von einem preiswerten Messumformer mit geringer Präzision mit einer akzeptablen Genauigkeit gemessen werden. Nickel-WTH sind in HLK-Anlagen und anderen preissensiblen Anwendungen zu finden.

 

Kupfer-WTH haben dieselbe Wärmeausdehnungsrate und elektromagnetische Hysterese wie Kupferwicklungen, die in Elektromotoren und Generatoren Verwendung finden. Aus diesem Grund werden Kupfer-WTH manchmal auch zur Temperaturmessung von Wicklungen verwendet.

 

Darüber hinaus kann Kupfer ein außergewöhnlich lineares Verhältnis zwischen Temperatur und Widerstand vorweisen. Daher ist es auch möglich, eine enge Temperaturspanne ohne zusätzliche Linearisierung genau zu messen.

 

Zum Beispiel:

Ein Cu100-WTH erzeugt bei 0°C einen Widerstand von 100 Ω und bei 100°C einen Widerstand von 142,743 Ω. Eine lineare Extrapolation ergibt den folgenden theoretischen Widerstand bei 50°C: (R100 – R0)/2 + R0

 

= (142,743 – 100)/2 + 100 = 121,3715 Ω

 

Veröffentlichten Tabellen zum Verhältnis zwischen Widerstand und Temperatur zufolge, erzeugt das WTH einen Widerstand von 121,3715 Ω bei 50°C, sodass das WTH zwischen 0…+100°C funktional linear verläuft.

 

Die Nichtlinearität von Kupfer tritt erst beim Messen einer breiten Spanne zutage. Bei einer Messung zwischen 0….200°C ergibt die lineare Extrapolation bei 100°C beispielsweise einen theoretischen Widerstand von (185,675 – 100)/2 + 100 = 142,838 Ω. Den Tabellen zufolge liegt der WTH-Widerstand bei 100°C jedoch bei 142,743 Ω.

 

Die Differenz von +0,095 Ω in °C: 0,095 Ω / 0,427 Ω pro Grad = ein Fehler von +0,222°C

 

WTH-Toleranz

Die meisten Sensor-Hersteller produzieren Platin-WTH mit Genauigkeitsgraden, die den WTH-Normen IEC 60751 oder ASTM E1137 entsprechen.

 

Die Norm IEC 60751 legt vier Toleranzklassen fest: Klasse AA, A, B und C. Die Norm ASTM E1137 legt zwei Toleranzklassen fest: Klasse A und B.

 

 

Bitte beachten Sie, dass IEC 60751 einen maximalen Temperaturbereich für jede Klasse festlegt. So muss ein Sensor der Klasse A, der mit einem gewickelten WTH-Element ausgestattet ist, beispielsweise die vorgegebene Toleranz von -100…+450°C einhalten. Wenn der Sensor außerhalb dieses Temperaturbereichs betrieben wird, entspricht die Sensorgenauigkeit eventuell Klasse B.

 

Sensoren der Toleranzstufe A oder B gemäß ASTM E1137 müssen die vorgegebene Toleranz von -200…+650°C einhalten.

 

Die folgende Tabelle zeigt die berechnete Toleranz für jede WTH-Klasse oder -Stufe. Bitte beachten Sie, dass WTH der Klasse C bei 600°C einen großen Toleranzbereich von ±6.6°C haben. Für die meisten Industrieanwendungen sind WTH mit einer Toleranz der Klasse B oder besser erforderlich.

 

 

 

Die folgende Grafik zeigt die Toleranz der WTH, die IEC 60751 erfüllen. Daraus ergibt sich, dass die Genauigkeit der WTH bei 0°C am größten ist. Bei Temperaturen oberhalb oder unterhalb von 0°C ist die Fehlerquote höher.

 

 

 

Viele Sensorhersteller bieten WTH mit einer besseren Toleranz als Klasse AA. Die Toleranz dieser hochgenauen WTH wird normalerweise als Bruchteil der Toleranz der Klasse B dargestellt. In der folgenden Grafik hat ein WTH der „1/5 Klasse B“ eine Toleranz von nur ± (0,06 + 0,001 ǀ t ǀ) zwischen -30…150°C. Diese Toleranz ist fünfmal besser als ein WTH der Klasse B.

 

 

 

Callendar-Van-Dusen-Gleichungen

Die Callendar-Van-Dusen-Gleichungen beschreiben das Verhältnis zwischen Temperatur und Widerstand bei industriellen Platin-WTH. Es gibt zwei Callendar-Van-Dusen-Gleichungen:

 

Bei Temperaturen < 0°C beträgt der WTH-Widerstand bei einer bestimmten Temperatur:

Rt = R0[1 + At + Bt² + C (t - 100) t³]

 

Bei Temperaturen ≥ 0°C beträgt der WTH-Widerstand bei einer bestimmten Temperatur:

Rt = R0(1 + At + Bt²)

 

Die Koeffizienten A, B, C sowie α, δ, β sind bei jedem WTH einzigartig. Die folgenden Werte gelten für die WTH gemäß den Normen IEC 60751 und ASTM E1137:

 

A = 3,9083 x 10-3

B = -5,775 x 10-7

C = -4,183 x 10-12

α = 3,85 x 10-3 *

β = 1,5°C

δ = 0,1086

 

* “α” ist die „Alpha”-Konstante. Bei Alpha handelt es sich um das Widerstandsverhältnis/100:

α = (R100 – R0) / (100 x R0).

Der Alpha-Wert einer Platin-WTH nach Maßgabe von IEC 60751 beläuft sich auf:

(138,5 – 100) / (100 x 100)

= 0,00385

 

Nickel-WTH haben einen Alpha-Wert von:

0,672 / 100 = 0,00672.

 

Kupfer-WTH haben einen Alpha-Wert von:

0,427 / 100 = 0,00427.

 

WTH-Charakterisierung

Auch qualitativ hochwertige WTH entsprechen nicht genau der W:T-Kurve gemäß IEC 60751/ASTM E1137. Zur weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit kann eine WTH in einem Kalibrierlabor „charakterisiert“ werden. Das erfolgt durch eine sorgfältige Messung des WTH-Widerstandes bei unterschiedlichen Temperaturen und der anschließenden Ermittlung der Koeffizienten α, δ, β und A, B und C.

 

Mit diesen Koeffizienten können der 5437 2-Draht-HART 7 Temperaturmessumformer, der 5337 2-Draht Transmitter mit HART Protokoll, und der 6337 2-Draht HART-Messumformer programmiert werden. Auf diese Weise kann der Messumformer für eine außergewöhnliche Messgenauigkeit exakt an ein charakterisiertes WTH angepasst werden.

 

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[1] HINWEIS: Ein Cu100-WTH hat einen höheren R100-R0-Wert und ist einfacher zu messen als das Cu9.035-WTH.

 

 

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