Thermoelement oder RTD: Temperatursensor für Prüfstände wählen

Die Temperatur ist die häufigste Messgröße am Prüfstand, und die erste Entscheidung betrifft den Sensortyp. Thermoelement oder RTD – das ist eine Abwägung zwischen Messbereich und Robustheit auf der einen und Genauigkeit und Stabilität auf der anderen Seite. Dieser Beitrag vergleicht beide Sensortypen, erklärt die Verdrahtungsdetails hinter den meisten Messfehlern und nennt die ICP DAS Module, die den jeweiligen Typ erfassen.

So funktionieren die beiden Sensoren

Ein Thermoelement besteht aus der Verbindung zweier unterschiedlicher Metalle. Es erzeugt eine kleine Spannung, die von der Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle und dem Punkt abhängt, an dem die Thermoelementdrähte auf Kupfer treffen, der Vergleichsstelle. Ein Thermoelement Typ K liefert rund 41 µV pro °C; der Eingang muss also Mikrovolt auflösen und Störungen unterdrücken.

Ein RTD (Widerstandsthermometer) ist ein Widerstand, dessen Wert mit der Temperatur steigt. Ein Pt100 hat bei 0 °C 100 Ω und ändert sich um etwa 0,385 Ω pro °C; ein Pt1000 hat bei 0 °C 1000 Ω. Das Eingangsmodul prägt einen kleinen Strom in den Sensor ein und misst die Spannung darüber.

Thermoelement und RTD im Überblick

Ein RTD ist die richtige Wahl, wenn Genauigkeit und Stabilität zwischen etwa −200 und +600 °C gefragt sind. Ein Thermoelement empfiehlt sich für höhere Temperaturen, kleine oder schnelle Fühler und raue mechanische Bedingungen.

Vergleichsstellenkompensation

Ein Thermoelement misst eine Differenz. Um die absolute Temperatur zu erhalten, misst das Modul die Temperatur an seinen eigenen Klemmen und addiert die entsprechende Thermospannung. Diese Vergleichsstellenkompensation (CJC) ist nur so gut wie die Temperaturübereinstimmung zwischen Klemmen und CJC-Sensor; montieren Sie die Module daher fern von Wärmequellen und Zugluft. Führen Sie Thermo- oder passende Ausgleichsleitung durchgehend bis an die Eingangsklemmen; ein Kupferabschnitt dazwischen erzeugt neue Übergangsstellen mit unbekannter Temperatur.

Unter den ICP DAS Eingängen kompensieren ET-2218HS-16 und USB-4018HS automatisch auf jedem Kanal. M-7018-16-G und der Signalwandler SG-3011 bieten einen einstellbaren CJC-Offset zur Feinkalibrierung. Für Karten der Serie PCI-1800U verfügt die Anschlussplatine DB-8225 über eine Vergleichsstellenschaltung auf Analogeingangskanal 1.

Leitungswiderstand: 2-, 3- und 4-Leiter-Anschluss bei RTDs

Beim 2-Leiter-Anschluss addiert sich der Leitungswiderstand direkt zum Sensorwiderstand.

Rechenbeispiel: Ein Pt100 an 10 m Kupferkabel mit 0,5 mm² sieht etwa 0,34 Ω pro Ader bzw. 0,69 Ω in der Schleife. Geteilt durch 0,385 Ω/°C zeigt die Messung rund 1,8 °C zu viel an. Dasselbe Kabel mit einem Pt1000 ergibt einen Fehler von etwa 0,18 °C, weil sich der Sensor pro Grad zehnmal so stark ändert.

Der 3-Leiter-Anschluss misst den Leitungswiderstand über eine dritte Ader und zieht ihn ab, unter der Annahme, dass alle Adern gleich sind; er ist die übliche Wahl für die Prüfstandsverdrahtung. Der 4-Leiter-Anschluss führt den Messstrom über ein Aderpaar und misst die Spannung über das andere, wodurch der Leitungswiderstand aus dem Ergebnis verschwindet; er eignet sich für Kalibrier- und Referenzmessungen.

M-7015P-G, ET-2215H, ET-7015 und ET-7215 bieten eine Leitungswiderstandskompensation für 3-Leiter-Anschluss. Das M-7033-G nimmt RTDs in 2-, 3- und 4-Leiter-Technik auf, mit Leitungswiderstandskompensation bei 3- und 4-Leiter-Anschluss.

Ansprechzeit und Abtastrate

Die Ansprechzeit des Sensors hängt vor allem von der Bauform und dem thermischen Kontakt zum Prüfling ab. Dünne, freiliegende Thermoelement-Messstellen reagieren am schnellsten; ein Mantelfühler beider Typen reagiert umso langsamer, je größer sein Durchmesser ist.

Auch das Eingangsmodul muss schnell genug abtasten. Standard-Mehrkanalmodule teilen ihre Abtastrate auf die Kanäle auf: Das M-7018-G tastet insgesamt mit 10 Hz über 8 Kanäle ab, das M-7015-G mit 12 Hz über 6 – passend für langsame thermische Tests. Für schnelle Transienten tasten ET-2218HS-16 und USB-4018HS Thermoelemente mit 100 Hz pro Kanal ab, das ET-2215H erfasst RTDs im Schnellmodus mit 90 Hz pro Kanal bei ±0,1 % vom Messbereichsendwert, gegenüber ±0,05 % im Normalmodus bei 1,5 Hz. Der Thermoelement-Signalwandler SG-3011H hat eine per Schalter wählbare Ansprechzeit von 0,5 ms oder 100 ms.

Passende ICP DAS Module

Thermoelementeingänge

• M-7018-G (8 Kanäle) und M-7018-16-G (16 Kanäle): Module für RS-485 mit Modbus RTU und DCON, Differenzeingänge für die Typen J, K, T, E, R, S, B, N und C sowie Spannungs- und Strombereiche. Das M-7018R-G bietet zusätzlich einen Überspannungsschutz bis 240 Vrms und eine Thermoelement-Bruchüberwachung.
• M-7019R-G: universeller 8-Kanal-Eingang für Thermoelemente (einschließlich der Typen L, M und L DIN43710), Spannung und Strom, mit individuellem Messbereich je Kanal.
• ET-2218HS-16: 16-Kanal-Ethernet-Modul mit Standard-Thermoelementsteckern, 100 Hz pro Kanal und automatischer CJC.
• USB-4018HS und USB-4018HS-16: 8 oder 16 Kanäle über USB, busgespeist, ±0,5 °C Genauigkeit und 100 Hz pro Kanal.

RTD-Eingänge

• M-7015-G: 6-Kanal-Modul (RS-485) für Pt100, Pt1000, Ni120, Cu50, Cu100 und Cu1000 mit Drahtbrucherkennung; das M-7015P-G bietet zusätzlich eine Leitungswiderstandskompensation für 3-Leiter-Anschluss. Das M-7033-G hat 3 Kanäle für RTDs in 2-, 3- oder 4-Leiter-Technik.
• ET-2215H und ET-2215H-16: 8 oder 16 schnelle RTD-Kanäle über Ethernet, 90 Hz pro Kanal.
• ET-7015 und ET-7215: 7-Kanal-Ethernet-RTD-Module, ausgelegt für lange RTD-Leitungen.

Signalwandler

Für DAQ-Karten oder SPSen mit Spannungs- oder Stromeingängen setzen SG-3011 (Thermoelement) und SG-3013 (RTD) jeweils einen Sensor in ein Spannungs- oder Stromsignal um, mit 3-Wege-Isolation bis 1000 VDC.

Senden Sie Sensortypen, Temperaturbereiche, Kanalzahl und benötigte Abtastrate an unseren technischen Vertrieb – wir schlagen Ihnen passende Module vor.