RTD und Thermoelement im Vergleich: Die Unterschiede verstehen

Eine präzise Temperaturmessung ist branchenübergreifend von entscheidender Bedeutung. Die beiden gängigsten Sensoren für diese Art der Datenerfassung sind Widerstandsthermometer (RTDs) und Thermoelemente. Obwohl beide demselben Zweck dienen, unterscheiden sie sich erheblich in Aufbau, Funktion und Anwendung. Die Auswahl des geeigneten Sensors beeinflusst direkt die Prozesspräzision, Effizienz und Sicherheit.

Dieser Artikel beleuchtet die wesentlichen Unterschiede zwischen RTDs und Thermoelementen, einschließlich ihrer Funktionsprinzipien, Vorteile, Einschränkungen und Anwendungsempfehlungen.

Was ist ein Widerstandsthermometer (RTD)?

Ein RTD ist ein Temperatursensor, der die Temperatur misst, indem er den elektrischen Widerstand eines Materials – meist Platin – mit Temperaturänderungen korreliert. RTDs basieren auf einem einfachen Prinzip: Der elektrische Widerstand des Materials nimmt linear mit steigender Temperatur zu.

RTDs werden typischerweise in industriellen Anwendungen eingesetzt, die Präzision erfordern, und werden aufgrund ihrer Genauigkeit, Stabilität und Messwiederholbarkeit bevorzugt. Zu den Fluke RTD-Modellen gehören der 5627A, 5615, 5609 und 5626. Diese Geräte können Temperaturen von -200 °C (-328 °F) bis 660 °C (1220 °F) zuverlässig messen, je nach Modell, wodurch sie ideal für Prozesse mit moderaten Temperaturbereichen sind. Einige RTD-Modelle, wie der Fluke 5624, können jedoch Temperaturen von bis zu 1000 °C (1832 °F) standhalten.

Verwendete Materialien in RTDs

Die meisten RTDs werden aus Platin hergestellt, aufgrund seiner linearen Widerstands-Temperatur-Beziehung und seiner Fähigkeit, hohen Temperaturen ohne Degradation standzuhalten. RTDs können auch aus anderen Materialien wie Nickel und Kupfer gefertigt werden. Diese alternativen Materialien sind jedoch im Allgemeinen weniger stabil und langlebig, was die Lebensdauer des RTDs verkürzt.

Arten von RTDs

RTDs sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, um unterschiedlichen Anwendungen gerecht zu werden. Einige der gängigsten RTD-Typen sind:

• Industrie-RTDs: Diese RTDs bieten typischerweise eine geringere Genauigkeit im Vergleich zu Sekundär-RTDs, sind aber in einer Vielzahl von Formen und Größen erhältlich. Beispiele hierfür sind die Fluke RTD-Modelle 5606, 5627A, 5608 und 5618A.
• Sekundär-RTDs: Diese RTDs bieten eine höhere Genauigkeit im Vergleich zu Industrie-Sonden, was auf die Verwendung von höherwertigem Platin in ihrer Sensorbauweise zurückzuführen ist. Beispiele hierfür sind die RTD-Modelle der Fluke 5615 Serie.
• Dünnschicht-RTDs: Diese RTDs zeichnen sich durch eine dünne Platinschicht aus, die auf einem Substrat abgeschieden ist, was sie robuster und kostengünstiger macht. Fluke bietet das Dünnschicht-RTD-Thermometer-Modell 1551A an.

Was ist ein Thermoelement?

Ein Thermoelement ist ein Temperatursensor, der eine Millivoltspannung erzeugt, die proportional zur Temperaturdifferenz zwischen zwei ungleichen Metallen ist, die an einer Verbindungsstelle zusammengefügt sind. Dieses Phänomen, bekannt als Seebeck-Effekt, bildet die Grundlage seiner Funktionsweise. Fluke bietet Typ-K-Thermoelemente in verschiedenen Ausführungen an, darunter die Fluke 80PK-xx Serie. Fluke bietet auch die Thermoelement-Modelle Typ S (5650) und Typ R (5649) an.

Thermoelemente sind bekannt für ihren weiten Temperaturbereich, ihre Robustheit und schnelle Ansprechzeiten. Sie gehören zu den beliebtesten Optionen zur Temperaturmessung in extremen Umgebungen wie Öfen, Motoren und Kryosystemen, wo Temperaturen von ca. -270 °C (-454 °F) bis 2.300 °C (4172 °F) reichen können.

Verwendete Materialien in Thermoelementen

Thermoelemente werden aus verschiedenen Metallkombinationen gefertigt, die jeweils für spezifische Temperaturbereiche und Umgebungen geeignet sind. Beispielsweise verwenden Typ-K-Thermoelemente Nickel-Chrom- und Nickel-Aluminium-Legierungen, die ein ausgewogenes Verhältnis von Robustheit und Genauigkeit über einen weiten Bereich bieten.

Arten von Thermoelementen

Die verfügbaren Thermoelement-Typen werden nach den Metallen kategorisiert, die sie zur Erzeugung der für Temperaturmessungen erforderlichen Millivoltspannung verwenden.

Die gängigsten Thermoelement-Typen sind als Basismetall-Thermoelemente bekannt. Dazu gehören:

• Typ E: Ideal für Anwendungen, die eine schnelle Ansprechzeit erfordern (z. B. in der Luft- und Raumfahrt) oder bei denen magnetische Felder vorhanden sind (Typ-E-Thermoelemente sind nichtmagnetisch). Sie messen Temperaturen von -270 °C (-454 °F) bis 1.000 °C (1832 °F) und verwenden Nickel-Chrom- und Nickel-Kupfer-Legierungen.
• Typ N: Typ-N-Thermoelemente messen Temperaturen von -270 °C (-454 °F) bis 1.300 °C (2372 °F). Sie weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf und eignen sich für Raffinerie- oder Ofenanwendungen. Diese Typen verwenden Nickel-Chrom-Silizium-Magnesium- und Nickel-Silizium-Magnesium-Legierungen.
• Typ J: Geeignet für Niedertemperaturanwendungen im Bereich von 0 °C (32 °F) bis 760 °C (1400 °F), wie z. B. in der Kunststoffherstellung oder in Vakuumumgebungen. Sie verwenden Eisen und eine Nickel-Kupfer-Legierung.
• Typ K: Ein Allzweck-Thermoelement für Temperaturen von -200 °C (-328 °F) bis 1.260 °C (2300 °F). Es ist besonders beliebt für nukleare Anwendungen aufgrund seiner Fähigkeit, Strahlung zu widerstehen. Typ-K-Thermoelemente verwenden typischerweise Nickel-Chrom- und Nickel-Aluminium-Legierungen.

Es gibt eine weitere Kategorie von Thermoelementen, bekannt als Edelmetall-Thermoelemente. Dazu gehören:

• Typ C: Arbeiten in Temperaturbereichen von 0 °C (32 °F) bis 2.320 °C (4172 °F). Sie werden typischerweise in Vakuum-, Trockenwasserstoff- und Hochtemperaturanwendungen eingesetzt, wobei Wolfram-Rhenium-Legierungen verwendet werden.
• Typ B: Arbeiten in Temperaturbereichen von 1370 °C (2498 °F) bis 1700 °C (3092 °F). Sie werden in Anwendungen wie Glasherstellung und Verbrennung eingesetzt und verwenden Platin-Rhodium-Legierungen.
• Typ R und Typ S: Arbeiten in Temperaturbereichen von -50 °C (-58 °F) bis 1.768 °C (3214 °F). Diese werden häufig in Hochtemperaturanwendungen wie Wärmebehandlungen und Biotechnologie eingesetzt und verwenden typischerweise eine Platin-Rhodium-Legierung.

Welche Unterschiede gibt es zwischen einem RTD und einem Thermoelement?

RTDs und Thermoelemente unterscheiden sich in mehreren Schlüsselbereichen, von ihren Funktionsprinzipien bis zu ihrer Leistung in spezifischen Industrieanwendungen. Die bemerkenswertesten Unterschiede werden im Folgenden dargelegt.

Temperaturbereich

• RTD: Misst Temperaturen von -200 °C (-328 °F) bis 660 °C (1220 °F), wodurch sie für moderate Temperaturbereiche geeignet sind.
• Thermoelement: Kann von -270 °C (-454 °F) bis 2.300 °C (4172 °F) messen, ideal für extreme Temperaturbereiche.

Genauigkeit

• RTD: Bietet eine höhere Genauigkeit (typischerweise ±0,012 °C), ausgezeichnete Wiederholbarkeit und minimale Drift.
• Thermoelement: Im Allgemeinen weniger genau; die typische Genauigkeit beträgt 0,75 % des Messwerts oder ±1,0 °C (1,8 °F), wobei der jeweils größere Wert für die meisten Basismetall-Thermoelemente gilt.

Ansprechverhalten

• RTD: Langsameres Ansprechverhalten aufgrund ihrer größeren Masse und Bauweise.
• Thermoelement: Reagiert schnell auf Temperaturänderungen, was sie ideal für dynamische Umgebungen macht.

Robustheit

• RTD: Anfälliger für physische Stöße aufgrund des Platin-Wicklungssensoraufbaus.
• Thermoelement: Extrem robust, gebaut um Vibrationen, hohe Drücke und korrosive Umgebungen standzuhalten.

Kosten

• RTD: Teurer aufgrund ihrer Präzision und Materialkosten.
• Thermoelement: Im Allgemeinen kostengünstiger und leichter zu ersetzen.

Vor- und Nachteile von RTDs im Vergleich zu Thermoelementen

Wann sollte man ein RTD oder ein Thermoelement verwenden?

Die Wahl zwischen einem RTD und einem Thermoelement hängt von den spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung ab.

Verwenden Sie ein RTD, wenn:

• Präzision entscheidend ist, z. B. in der pharmazeutischen Produktion oder Laborforschung.
• Temperaturen in moderaten Bereichen (-200 °C (-328 °F) bis 660 °C (1220 °F)) bleiben.
• Langzeitstabilität unerlässlich ist.

Verwenden Sie ein Thermoelement, wenn:

• Extreme Temperaturbereiche vorliegen, z. B. in Industrieöfen oder Kryolagern.
• Robustheit und schnelle Ansprechzeiten erforderlich sind, z. B. in der Luft- und Raumfahrt oder bei Automobilanwendungen.
• Kosteneffizienz entscheidend ist.

Kalibrierung von RTDs und Thermoelementen

Die Kalibrierung ist unerlässlich, um die Genauigkeit sowohl von RTDs als auch von Thermoelementen zu gewährleisten. Während RTDs eine minimale Drift aufweisen, erfordern Thermoelemente eine häufige Kalibrierung aufgrund ihrer Anfälligkeit für Verschleiß und Umwelteinflüsse.

Moderne Kalibriergeräte, wie z. B. Kalibrierbäder (Dry Wells), gestalten den Kalibrierprozess von Thermoelementen und RTDs effizient und zuverlässig. Diese tragbaren Geräte sind darauf ausgelegt, stabile Temperaturen in einem weiten Bereich zu simulieren, um eine präzise Kalibrierung im Labor oder vor Ort zu gewährleisten.

Durch den Einsatz von professionellen Messmitteln können Techniker die Messunsicherheit reduzieren und die Einhaltung strenger Industriestandards gewährleisten.

Auswahl des richtigen Sensors für Ihre Anwendung

RTDs und Thermoelemente sind unverzichtbare Werkzeuge für die Temperaturmessung, die jeweils ihre eigenen Stärken und Einschränkungen aufweisen. RTDs zeichnen sich durch Präzision und Stabilität aus, während Thermoelemente in extremen Umgebungen mit schnellen Änderungen überlegen sind.

Für Fachleute in Industrie und Messtechnik ist das Verständnis dieser Unterschiede entscheidend, um die Temperaturmessung zu optimieren und die betriebliche Exzellenz aufrechtzuerhalten. Für die Kalibrierung bieten Kalibrierbäder die notwendige Präzision und Benutzerfreundlichkeit, um sicherzustellen, dass Sensoren ihre optimale Leistung erbringen.