Thermistor vs. RTD Temperaturmessgenauigkeit - Anwendungshinweis


Thermistoren und Widerstandsthermometer werden zur Temperaturmessung in modernen Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Kühlsystemen (HVAC/R) verwendet. Der elektrische Widerstand beider Geräte wird durch ihre Temperatur bestimmt. Durch die Messung des Widerstands der beiden Geräte kann die Umgebungstemperatur der beiden Sensoren bestimmt werden. Jedes Gerät hat seine eigenen Nachteile, die wir im Folgenden erläutern wollen.

Was ist ein RTD, wie ist es definiert und was ist seine ideale Genauigkeit?

Seit mehreren hundert Jahren ist bekannt, dass sich der Widerstand von Metallen mit steigender Temperatur erhöht. Widerstandstemperaturdetektoren (RTD) sind Temperatursensoren auf Metallbasis, die diese Widerstandsänderung ausnutzen. RTDs können aus vielen verschiedenen Metallen hergestellt werden (siehe Tabelle 1).

Thermistor vs. RTD Tabelle1

Der Temperaturkoeffizient des Widerstands ist definiert als der Widerstand des RTD bei 100°C minus dem Widerstand bei 0°C geteilt durch 100. Das Ergebnis wird dann durch den Widerstand bei 0°C geteilt. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands ist die durchschnittliche Widerstandsänderung von 0°C bis 100C°, die tatsächliche Änderung für jedes einzelne Grad von 0°C bis 100°C ist sehr nahe dran, aber nicht identisch mit ihm.

Kupfer hat die linearste Änderung des Widerstands bei einer bestimmten Temperaturänderung. Der niedrige Widerstand von Kupfer macht es schwierig, kleine Temperaturänderungen zu messen. Nickel hat eine große Widerstandsänderung bei einer Temperaturänderung. Nickel ist kein sehr stabiles Material; sein Widerstand schwankt von Charge zu Charge erheblich. Nickel ist zwar wesentlich preiswerter als Platin, aber die zusätzlichen Prozesse, die zur Stabilisierung von Nickel erforderlich sind, machen Nickelsensoren teurer als Platin.

Platin hat sich als Standard in der Präzisionsthermometrie durchgesetzt. Es hat einen relativ hohen Widerstand, einen guten Temperaturkoeffizienten, reagiert nicht mit den meisten verunreinigenden Gasen in der Luft und ist von Charge zu Charge extrem stabil.

1871 erfand Werner von Siemens den Platin-Widerstands-Temperaturfühler und stellte eine Interpolationsformel mit drei Termen vor. Der Siemens-Widerstandsthermometer fiel wegen der Instabilität der Temperaturmessung schnell in Ungnade.

Hugh Longbourne Callendar entwickelte 1885 den ersten kommerziell erfolgreichen RTD aus Platin. Callendar entdeckte, dass der von Siemens verwendete Isolator das Platin versprödete und innere Spannungen verursachte, die zu der Temperaturinstabilität führten. Callendar änderte das Isoliermaterial und glühte den Widerstandsthermometer bei Temperaturen oberhalb der höchsten gewünschten Messtemperatur.

Im Jahr 1886 verfasste Callendar eine Abhandlung über seinen Widerstandsthermometer und stellte eine Gleichung dritter Ordnung auf, die den Widerstand des Widerstandsthermometers für den Temperaturbereich von 0 bis 550 °C definierte. Im Jahr 1925 erweiterte Milton S. Van Dusen, ein Forscher am National Bureau of Standards - dem heutigen NIST - die Formel auf -200°C, während er Testmethoden für die Isolierung von Kühlgeräten erforschte.

Die Callendar-Van Dusen-Gleichung gibt es seit 100 Jahren, auch wenn sie für Platin-RTDs nicht die beste Lösung ist. Callendar und Van Dusen haben ihre Arbeit lange vor dem Aufkommen der modernen Digitalcomputer durchgeführt. Sie konnten nicht viel mehr als eine Gleichung dritter Ordnung verwenden, da sie die Gleichung von Hand lösen mussten. Sie verwendeten eine Gleichung, die einigermaßen genau war und in einem Menschenleben gelöst werden konnte.

1968 erkannte die Internationale Elektrotechnische Kommission die Unzulänglichkeiten der Callendar-Van Dusen-Gleichung und definierte eine Polynomgleichung mit 20 Termen für die Kurve des Widerstands in Abhängigkeit von der Temperatur für Platin-RTDs mit 100 Ohm (für RTDs mit 1.000 Ohm einfach mit zehn multiplizieren). Zur Zeit von Callendar und Van Dusen hätte die Lösung eines Polynoms mit 20 Termen pro Temperaturpunkt mehrere Tage gedauert. Mit dem Aufkommen des Digitalcomputers ist das Lösen einer solchen Gleichung trivial.

IEC 751 ist die Norm der Internationalen Elektrotechnischen Kommission, die die Temperaturabhängigkeit für Platin-Widerstandsthermometer mit 100 Ω, 0,00385 Ω/Ω/°C definiert. 1.000 Ω, 0,00385 Ω/Ω/°C Platin-RTDs sind definiert als das Zehnfache der IEC 751-Spezifikation. IEC 751 definiert zwei Klassen von RTDs: Klasse A und Klasse B. RTDs der Klasse A arbeiten im Temperaturbereich von -200°C bis 650°C. RTDs der Klasse B arbeiten in einem Temperaturbereich von -200°C bis 850°C. RTDs der Klasse B haben eine etwa doppelt so große Unsicherheit wie RTDs der Klasse A. Siehe Abb. 1.

Die Unsicherheitsgleichungen für Klasse-A- und Klasse-B-RTDs lauten;
Zulässige Unsicherheit - Klasse A °C = ±(0,15 + 0,002T)
Zulässige Unsicherheit - Klasse B °C = ±(0,3 + 0,005T)
Dabei ist T = gewünschte Temperatur in Grad Celsius.

Die RTD-Übertragungsfunktion kann überall zwischen den Grenzlinien in Abb. 1 variieren. Die Übertragungsfunktion eines RTD ist nicht vollkommen linear. Eine sorgfältige Untersuchung der Tabelle des Widerstands im Verhältnis zur Temperatur zeigt eine leichte "Krümmung" von etwa 0,45°C pro 100°C. Abb. 2 zeigt die Kurve des Widerstandes eines 1KΩ 0,00385 RTD in Abhängigkeit von der Temperatur mit der blauen Linie, die rote Linie zeigt einen idealen geradlinigen Verlauf.

RTD Messunsicherheit Fig1
Abb. 1: RTD-Messunsicherheit

 

RTD-Widerstandsdiagramm Fig2
Abb. 2: RTD-Übertragungsfunktion mit Darstellung des RTD-Widerstands "Bogen"

Was ist ein Thermistor, wie ist er definiert und was ist seine ideale Genauigkeit?

Ein Thermistor ist ein elektrisches Gerät, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur ändert (Thermistor ist die Abkürzung für Thermowiderstand). Die Änderung des Widerstands mit der Temperatur folgt der klassischen logarithmischen Kurve (siehe Abb. 3).

Abb. 3: Temperatur versus Widerstand für einen 10K-2 Thermistor
Abb. 3: Temperatur versus Widerstand für einen 10K-2 Thermistor

 

Thermistoren werden aus Mischungen pulverförmiger Metalloxide hergestellt; die Rezepturen sind streng gehütete Geheimnisse der verschiedenen Thermistorhersteller. Die pulverförmigen Metalloxide werden gründlich gemischt und in die Form gebracht, die für den Herstellungsprozess des Thermistors erforderlich ist. Die geformten Metalloxide werden erhitzt, bis die Metalloxide schmelzen und sich in eine Keramik verwandeln. Die meisten Thermistoren werden aus dünnen Keramikplatten hergestellt, die in einzelne Sensoren geschnitten werden. Die Thermistoren werden mit Leitungen versehen und in Epoxidharz getaucht oder in Glas eingekapselt.

Samuel Ruben erfand den Thermistor im Jahr 1930. Herr Ruben arbeitete für die Vega Manufacturing Corporation. Vega stellte Gitarren, Banjos und Aufnahmegeräte her. Ruben arbeitete an Tonabnehmern für elektronische Schallplatten, als er bemerkte, dass die Tonabnehmerkonfiguration, an der er arbeitete, einen ziemlich großen negativen Temperaturkoeffizienten aufwies.

Thermistoren haben in den letzten 80 Jahren einen langen Weg zurückgelegt. Nach Angaben eines Forschers des National Institute of Standards and Technology (NIST) sind glasgekapselte Thermistoren stabiler als RTDs. Thermistoren, ob aus Glas oder epoxidbeschichtet, können ±0,2 °C über große Temperaturintervalle einhalten. Extra Precision (XP)-Thermistoren halten ±0,1°C ein.

In den 1960er Jahren wurden Thermistoren zu den gängigsten Sensoren. Steinhart und Hart, zwei Forscher am Woods Hole Oceanographic Institute, veröffentlichten eine Arbeit, in der sie eine Formel für die Abhängigkeit der Temperatur vom Widerstand für Thermistoren aufstellten. Die Steinhart-Hart-Gleichung hat sich als Standardgleichung für Thermistoren durchgesetzt.

Die klassische Gleichung von Steinhart und Hart hat die Form:
1/T = A0 + A1(lnR) + A3(lnR)3
Wobei: T = Temperatur in Kelvin (Kelvin = Celsius + 273,15)
A0, A1, A3 = von Thermistormessungen abgeleitete Konstanten
R = Widerstand des Thermistors in Ohm
ln = Natürlicher Logarithmus (Logarithmus zur napierschen Basis 2,718281828...)

In der Praxis werden drei Thermistor-Widerstandsmessungen bei drei bestimmten Temperaturen durchgeführt. Diese Temperaturen sind normalerweise die beiden Endpunkte und der Mittelpunkt des interessierenden Temperaturbereichs. Die Gleichung trifft diese drei Punkte direkt und hat einen kleinen Fehler über den Bereich. BAPI kann Steinhart-Hart-Koeffizienten für den Temperaturbereich von 0°C bis 70°C liefern, die Unsicherheiten von 0,01°C oder weniger aufweisen.

Es gibt keine industriellen oder staatlichen Normen für Thermistoren. In der HLK/R-Welt gibt es mindestens 5 verschiedene Temperatur-Widerstands-Kurven für 10K-Thermistoren. Alle Thermistoren haben einen Widerstand von 10.000 Ohm bei 77°F oder 25°C, aber sie variieren stark, je weiter man sich von 77°F entfernt. Sowohl die 10K-2- als auch die 10K-3-Thermistoren von BAPI haben bei 77°F einen Widerstand von 10.000 Ohm. Bei 0°C (32°F) hat der 10K-2 Thermistor einen Widerstand von 32.650 Ohm und der 10K-3 von 29.490 Ohm. Wenn ein 10K-2 durch einen 10K-3 Thermistor ersetzt wird, könnte der Messfehler bei 32°F 6°F betragen.

Thermistoren haben eine sehr große Widerstandsänderung mit der Temperatur. Die Unterscheidung zwischen einem Grad und einem anderen ist relativ einfach. Diese große Widerstandsänderung begrenzt den Temperaturbereich, der aufgelöst werden kann, auf einen Bruchteil dessen, was ein RTD auflösen kann.

Wie sehen die Genauigkeiten und Temperaturbereiche von RTDs und Thermistoren im Vergleich aus?

Thermistoren sind im Allgemeinen genauer als Klasse-B-RTDs über den Betriebstemperaturbereich der Thermistoren und ähnlich wie Klasse-A-RTDs.

RTD-Widerstandsdiagramm Abb. 3
Abb. 4: Genauigkeitsgrenzen und nutzbare Temperaturbereiche für Thermistoren und RTDs

Gibt es weitere Anwendungsgrenzen für RTDs und Thermistoren?

Die Verdrahtung des Temperatursensors mit dem Messgerät erhöht den Widerstand und den Messfehler.

Normalerweise wird Kupferdraht der Stärke 18 für den Anschluss von Sensoren an ihre Messgeräte verwendet. Bei 20°C (43°F) hat 18 Gauge Draht einen Widerstand von 6,4 Ohm pro 1000 Fuß Draht. Bei 70°C (140°F) hat 18 Gauge Draht einen Widerstand von 7,7 Ohm pro 1000 Fuß Draht. Tabelle 2 zeigt, wie viel Draht verwendet werden kann, wenn Sie den Verdrahtungsfehler bei ¼ °F oder niedriger halten wollen.

Die Verdrahtungsfehler in Tabelle 2 verdeutlichen, warum Temperaturmessumformer mit RTDs verwendet werden. Angemessene Verdrahtungslängen sind nur mit Transmittern zulässig. Messumformer wandeln den RTD-Widerstand in ein Stromsignal von 4 bis 20 mA um, das proportional zur Temperatur des RTD ist. Es muss ein Temperaturbereich festgelegt werden; ein 4-mA-Ausgang entspricht der Mindesttemperatur und ein 20-mA-Ausgang entspricht der Höchsttemperatur. Jede Zwischentemperatur ist nur ein lineares Verhältnis von 4 mA zu 20 mA. Die Messumformer müssen sich in einem Abstand von weniger als 10 Fuß vom Standort des RTDs befinden. Die Messumformer dürfen bis zu 77.000 Fuß vom Messgerät entfernt sein.

Thermistor vs. RTD Tabelle2

Temperaturtransmitter können Messbereiche von 16,6°C (30°F) bis 555°C (1.000°F) und niedrige, 4mA-Temperaturen von -150°C (-238°F) bis 482°C (900°F) haben. Gegen eine zusätzliche Gebühr können RTDs und Messumformer so angepasst werden, dass sie Messfehler von 0,05°C (0,1°F) über die gesamte Spanne aufweisen.

Welcher Sensor ist also besser, ein RTD oder ein Thermistor?

Es kommt darauf an.
Thermistoren kosten weniger als RTDs.
Thermistoren messen die Temperatur mit der gleichen oder einer besseren Genauigkeit als RTDs.
Thermistoren benötigen keine zusätzlichen Kosten für Messumformer.
RTDs haben einen viel größeren Temperaturmessbereich als Thermistoren.
Messumformer kosten mindestens 100 $ mehr als ein RTD.

 

Wenn Sie Fragen haben, wenden Sie sich bitte an Ihren BAPI-Vertreter.


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