Inleiding tot RTD's (weerstandsthermometers)

Inhoud

1. Hoe het werkt
2. Geschiedenis
3. Belangrijke vereisten voor nauwkeurige RTD's
4. De RTD-weerstandsvergelijking
5. De α-coëfficiënt en het fundamentele interval
6. Samenvatting

Weerstandsthermometers (RTD's) werken op het principe dat de elektrische weerstand van een geleider verandert met de temperatuur. Naarmate de temperatuur stijgt, nemen atomaire trillingen en elektronenverstrooiing in het metaal toe, waardoor de weerstand op een voorspelbare manier toeneemt. Deze relatie kan worden gebruikt om de temperatuur nauwkeurig te meten—mits het sensormateriaal stabiel en zuiver is.

Hoe het werkt

Eenvoudig gezegd vertonen metalen zoals platina een betrouwbare weerstand-temperatuurrelatie. Hoewel onzuiverheden en roosterdefecten de weerstand ook kunnen beïnvloeden, zijn deze invloeden grotendeels temperatuuronafhankelijk en beheersbaar in materialen met hoge zuiverheid.

RTD's bieden verschillende praktische voordelen ten opzichte van thermokoppels:

• Absolute meting: Geen referentielas of koude-lascompensatie nodig.
• Eenvoudigere bekabeling: Standaard koperen kabels kunnen tussen de sensor en de instrumentatie worden gebruikt, wat de complexiteit vermindert.

Geschiedenis

Het concept gaat terug tot de jaren 1860, toen Sir William Siemens voor het eerst voorstelde om temperatuursafhankelijke weerstand voor detectie te gebruiken. Vroege versies gebruikten platina, maar het ontwerp leed onder instabiliteit door mechanische spanning en verontreiniging.

Pas in 1899 werd platina-weerstandsthermometrie betrouwbaar, dankzij verbeterde materialen en constructiemethoden, geïntroduceerd door Callendar.

Belangrijke vereisten voor nauwkeurige RTD's

Om stabiele en nauwkeurige metingen te bereiken, moeten RTD-elementen:

• Gebruik metalen met hoge zuiverheid (meestal platina).
• In een volledig gegloeide toestand worden gehouden om fysieke veranderingen te vermijden.
• Beschermd tegen verontreiniging worden om chemische veranderingen te voorkomen.
• Mechanisch ondersteund worden om spanningen door thermische uitzetting te minimaliseren.

Bij het vervaardigen van RTD's moet gevoeligheid worden afgewogen tegen robuustheid om prestaties te garanderen, zelfs in zware industriële omgevingen.

De RTD-weerstandsvergelijking

Voor platina-RTD's is de weerstand-temperatuurrelatie voorspelbaar en volgt deze een polynomiale vorm:

Boven 0ºC een tweedegraads (kwadratisch) polynoom is voldoende:
R_t /R₀ = 1 + At + Bt²

Onder 0°C (voor hogere nauwkeurigheid) wordt een nauwkeuriger derdegraads (kubisch) polynoom gebruikt:
R_t /R₀ = 1 + At + Bt² + Ct³(t-100)

Daarom:
t = (1/α)(Rt - R0)/R0 + δ(t/100)(t/100 -1)

Waarbij:

• R_t = Weerstand bij temperatuur t
• R₀ = Weerstand bij 0°C
• t = Temperatuur in °C
• A, B, C = Kalibratieconstanten

De constanten A, B en C in deze vergelijkingen worden voor sensoren met hoge nauwkeurigheid doorgaans door kalibratie bepaald, maar in industriële toepassingen worden vaak gestandaardiseerde waarden gebruikt zoals gedefinieerd in IEC 60751:

• A = 3.90802 × 10^-3
• B = –5.802 × 10^-7
• C = –4.2735 × 10^-12

De α-coëfficiënt en het fundamentele interval

Een sleutelparameter bij het definiëren van platina-RTD's is de alphacoëfficiënt (α), die de gemiddelde temperatuurcoëfficiënt van de weerstand tussen 0°C en 100°C weergeeft:

α = (R₁₀₀ – R₀) / (100 × R₀)

Deze vergelijking vergelijkt de weerstand bij 0°C (R₀₀) en 100°C (R₁₀₀) — een verschil dat bekendstaat als het fundamentele interval. Voor commerciële RTD's is dit fundamentele interval typisch 38.5 Ω, wat een α-waarde van 3.85 × 10^-3/°C oplevert.

De alfa-coëfficiënt wordt beïnvloed door zowel de zuiverheid als de gegloeide toestand van de platina meetdraad. Platina met hoge zuiverheid, volledig gegloeid, kan alfa-waarden bereiken tussen 3.925 × 10^-3/°C en 3.928 × 10^-3/°C, wat een betere lineariteit en nauwkeurigheid biedt — hoewel het gevoeliger is voor mechanische spanning en verontreiniging.

Om consistentie te waarborgen, definieert de IEC 60751-norm tabellen met waarden van weerstand versus temperatuur voor RTD’s, op basis van:

• R₀ = 100 Ω bij 0°C
• R₁₀₀ – R₀ = 38.5 Ω (fundamenteel interval)
• α = 3.85 × 10^-3/°C
• Verkrijgbaar in tolerantieklasse Klasse A en Klasse B

Deze tabellen vormen de ruggengraat van industriële RTD-kalibratie en maken betrouwbare metingen over een breed temperatuurbereik mogelijk.

Samenvatting

RTD’s meten de temperatuur door te volgen hoe de weerstand verandert met warmte. Platina is het meest gebruikte materiaal vanwege zijn stabiliteit, zuiverheid en reproduceerbare eigenschappen. RTD’s zijn nauwkeurig, vereisen geen referentielas en gebruiken standaard bekabeling—waardoor ze ideaal zijn voor veel industriële toepassingen.

De relatie tussen temperatuur en weerstand wordt beschreven door polynomiale vergelijkingen en is gestandaardiseerd in IEC 60751, dat kalibratieconstanten en tolerantieklassen definieert. Voor nauwkeurige prestaties moet het RTD-element chemisch stabiel, fysiek ongewijzigd en vrij van spanning of verontreiniging blijven.

Verder lezen

RTD-uitgangstabellen
Bekijk tabellen voor weerstand versus temperatuur voor alle Pt100-sensoren.

Wat zijn de RTD-kleurcodes?
Ontdek RTD-kleurcodes en bekabelingsconfiguraties.