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Medizin+elektronik Basics: RTD: So wird aus Widerstand Temperatur

In unseren Medizin+elektronik Basics geben wir Ihnen regelmäßig die Chance, Ihr Grundlagenwissen aufzufrischen. Diesmal erläutern wir die Funktionsweise von Widerstandsthermometern. Anders gefragt: Wie wird aus Widerstand Temperatur?

© Pixabay Bildquelle: © Pixabay

Ein Widerstandsthermometer (kurz RTD für »Resistance Temperature Detector«) ist ein passives Bauelement, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. RTDs werden aus Metallen wie Platin, Kupfer oder Nickel hergestellt und eignen sich für einen großen Temperaturbereich von etwa –200 °C bis +850 °C.

 

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Bild 1. Vereinfachte RTD-Schaltung.

Je nach ihrer Genauigkeit werden RTDs in Klassen eingeteilt. Die Norm IEC/EN 60751 definiert die vier Klassen AA, A, B und C, wobei die Klasse C die niedrigste und die Klasse AA die höchste Genauigkeit aufweist. Bei den Klassen mit geringerer Genauigkeit ist allerdings der Temperaturbereich größer. Zum Beispiel deckt ein Dünnschicht-RTD der Klasse C einen Temperaturbereich von –50 °C bis +600 °C ab, während sich ein Dünnschicht-RTD der Klasse A nur für einen Temperaturbereich von 0 °C bis +150 °C eignet.

In den meisten RTD-Anwendungen dient eine Stromquelle dazu, für einen Spannungsabfall am RTD-Element zu sorgen (Bild 1). Diese Spannung ist proportional zum Widerstand des RTD und zum Erregerstrom. Die Spannungsdifferenz wird verstärkt und von einem A/D-Wandler (ADC) in eine digitale Ausgangsinformation umgewandelt, die anschließend einem Mikrocontroller (MCU) zugeführt wird. Dieser schließlich benutzt eine Wertetabelle zur Umwandlung des digitalen Ausgangswerts in einen Temperaturwert.

Texas Instruments Bildquelle: © Texas Instruments

Bild 2. Blockschaltung eines RTD-basierten Wärmezählers.

RTD-basierte Wärmezähler

Immer häufiger kommen Wärmezähler ohne bewegliche Teile zum Einsatz, um privaten und gewerblichen Nutzern die Kosten für Wärmeenergie in Rechnung stellen zu können. Wärmezähler sind im Prinzip Durchflussmesser mit einem integrierten, präzisen differenziellen Temperaturmess-Subsystem, das den Temperaturunterschied zwischen Zu- und Abfluss aufzeichnet. Bild 2 zeigt die Blockschaltung eines mit RTDs bestückten Wärmezähler-Systems.

Wärmezähler nutzen das differenzielle Temperaturmess-Subsystem, um in Abständen von wenigen Sekunden die Temperatur zu messen. Das Messergebnis informiert den Anwender, ob im System Wärme dissipiert oder absorbiert wird. Die Fähigkeit des Systems, schnell aus dem Power-off-Modus aufzuwachen, die RTD-Temperaturen zu erfassen und wieder in den Power-off-Modus zurückzukehren, verlängert die Batterielebensdauer und minimiert den Energiebedarf.

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Bild 3. Kaltstellen-Kompensation mit RTD.

Kaltstellen-Kompensation mit RTD

Thermoelemente sind Temperaturerfassungs-Bauelemente, die einen großen Messbereich bieten und deren Funktion auf der Verbindung von Drähten aus zwei unterschiedlichen Metallen beruht. Die Ausgangsspannung ist ungefähr proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Verbindungsstelle. Da man mit einem Thermoelement also nur Temperaturdifferenzen messen kann, muss die Temperatur an der Kaltstelle bekannt sein, damit sich die Temperatur an der heißen Verbindungsstelle bestimmen lässt. Diesen Prozess bezeichnet man als Kaltstellen-Kompensation (engl. Cold Junction Compensation, CJC). Wegen ihrer hohen Genauigkeit werden häufig PT100-RTDs (Platin-Widerstandsfühler) verwendet, um die Temperatur der Kaltstelle zu messen (Bild 3).

Ersatz durch Digitale Temperatursensoren
Der TMP117 ist ein digitaler Temperatursensor für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und hoher Genauigkeit. Der Baustein gibt die Temperaturinformation als 16-bit-Wert mit einer Auflösung von 0,0078 °C aus. Die werksseitig eingestellte Genauigkeit von ±0,2 °C über einen Bereich von –55 °C bis +150  °C übertrifft die Genauigkeit eines RTD der Klasse A. Ein in den TMP117 eingebautes Offsetregister versieht die Messergebnisse automatisch mit einem vom Anwender vorgegebenen Offsetwert, bevor sie vom Mikrocontroller ausgelesen werden. Der Sensor sorgt, verglichen mit einem RTD, für mehr Einfachheit, kommt ohne Kalibrierung aus und benötigt ebenfalls keine externen Schaltungen, angepasste Leiterbahnen und Kelvin-Verbindungen. mehr