Pt100

Pt100-Sensoren sind Temperaturfühler, die als Messeffekt die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Temperatur bei Platin anwenden. Es handelt sich um Widerstandsthermometer, und zwar um Kaltleiter (PTC). Sie sind industriell stark verbreitet und in DIN EN 60751:2009-05 genormt. Durch ihre geringen Grenzabweichungen sind sie in aller Regel austauschbar ohne Neukalibirierung.

Die Normung umfasst den Bereich −200 °C bis 850 °C, der tatsächliche Einsatzbereich eines Pt100 ist meistens enger begrenzt und im Datenblatt spezifiziert. Die Platin-Temperatursensoren werden durch ihr Material und ihren Nennwiderstand R₀ bei einer Temperatur von 0 °C bezeichnet. Genormt ist

• Pt100 (R₀ = 100 Ω).

Außerdem haben in Dünnschichttechnik Verbreitung gefunden

• Pt500 (R₀ = 500 Ω) und
• Pt1000 (R₀ = 1 kΩ).

Bei höherem Nennwiderstand ist der verfälschende Einfluss des Leiterwiderstandes von langen Anschlussleitungen (z. B. in großen Industrieöfen) geringer.

Drahtgewickelter Pt100- und Dünnschicht-Pt100-Messwiderstand

Aufbau

Die temperaturempfindliche Stelle

Platin-Temperatursensoren lassen sich in zwei Untergruppen aufteilen. In ihrer messtechnischen Qualität, z. B. in ihren Grenzabweichungen, sind beide Techniken vergleichbar. In der Schichttechnik sind kleinere körperliche Maße möglich, so dass die zu messende Umgebungstemperatur schneller angenommen und punktförmiger gemessen wird. Damit werden gelegentlich auftretende Nachteile minimiert, die sie gegenüber Thermoelementen aufweisen.

Platindraht-Sensoren

Das temperaturempfindliche Element wird von einem Platindraht gebildet. Der Abgleich des Nennwiderstands erfolgt durch Kürzen des Platindrahts. Der Draht wird in vielen Windungen in einen Glasstab eingeschmolzen oder in eine Keramikmasse eingebettet und zum Schutz vor Korrosion in einem Glas- oder Keramikröhrchen als Gehäuse untergebracht. Gewickelte Fühler werden noch vorzugsweise für höhere Temperaturen hergestellt.

Dünnschicht-Sensoren

Das Platin wird im Dünnschichtverfahren mäanderförmig auf einen Keramikträger aufgebracht. Nach dem Bonden der Anschlussdrähte und dem Abgleich des Nennwiderstands durch Lasertrimmen wird die Platinschicht mit einem Überzug versehen, um sie vor chemischen Einflüssen zu schützen. Der so hergestellte Dünnschicht-Sensor kann zusätzlich in ein Glas- oder Keramikröhrchen eingebaut und hermetisch verschlossen werden, um seine mechanische und chemische Beständigkeit zu erhöhen. Vorteil von Dünnschicht-Sensoren ist neben der Formen-Vielfalt ihr rationelles Herstellungs- und Abgleichverfahren, so dass sie jetzt bevorzugt hergestellt werden.

Bauformen

Verschiedene Pt100-Sensoren

Pt100-Widerstandsthermometer gibt es in verschiedenen Bauformen. Der einfachste Fall ist der Sensor ohne weitere Umhüllung (mittlerer und unterer Sensor im Bild rechts). Für den Einsatz bei geringer chemischer und mechanischer Beanspruchung, zum Beispiel zur Temperaturmessung innerhalb von Geräten, ist kein weiterer Schutz vor Umwelteinflüssen nötig. Der elektrische Anschluss kann beispielsweise durch Einlöten in eine Platine oder durch Oberflächenmontage (SMD) erfolgen.

Im industriellen Einsatz hingegen sind der Schutz des Sensors und seine einfache Montierbarkeit entscheidend. Beides wird durch den Einbau des Sensors in standardisierte Gehäuse als Messeinsatz erreicht. Dieser wird häufig noch zusätzlich durch ein Schutzrohr vom zu messenden Medium getrennt; Bilder dazu siehe unter Widerstandsthermometer.

Durch Einbau des Pt100-Sensors in ein biegsames Rohr aus korrosionsbeständigem Stahl entsteht ein sogenanntes Mantelwiderstandsthermometer (oberer Sensor im Bild rechts). Weitere Ausführungen gibt es zum Messen von Gastemperaturen, von Oberflächentemperaturen oder zum Einstechen in das zu messende Objekt. Der elektrische Anschluss dieser Sensoren wird durch fest montierte Leitungen oder Steckverbinder hergestellt.

Messschaltung

Die elektrische Verbindung vom Widerstandsthermometer zur auswertenden Messeinrichtung gibt es in Zweileiter-, Dreileiter- oder Vierleiterschaltung. Bei der Dreileiter- und Vierleitermessung wird die Messabweichung durch den Widerstand der Sensor-Anschlussdrähte eliminiert. Die Messschaltungen sind im Artikel Widerstandsthermometer beschrieben.

Zur weiteren Verarbeitung des Sensorsignals wird im einfachsten Fall der Spannungsabfall an dem von einem konstanten Messstrom durchflossenen Sensor gemessen. Damit ist die Spannung U proportional zum Widerstand R. Bei der Wahl des Messstroms muss zwischen dem erzielbaren Nutzsignal, das mit dem Messstrom steigt, und der ebenfalls steigenden Messabweichung durch Eigenerwärmung des Sensors abgewogen werden. Differenzbildende Brückenverfahren lassen unmittelbar die Messung einer Spannung U proportional zur Widerstandsänderung ΔR gegenüber einem festen Wert zu.

Genormte Vorgaben

Widerstandskennlinie

Die Abhängigkeit des Widerstands R eines Platin-Temperatursensors mit dem Nennwiderstand R₀ von der Celsius-Temperatur t wird in DIN EN 60751 festgelegt:

Im Bereich 0 … 850 °C gilt eine quadratische Funktion (Polynom 2. Grades) der Temperatur t:

R = R₀ · (1 + a · t + b · t²) ,

und im Bereich –200 … 0 °C gilt über einen Zusatz ein Polynom 4. Grades:

R = R₀ ·(1 + a ·t + b · t² + c · (t − 100 °C) · t³)

mit

a = 3,9083 · 10^-3 / °C

b = −5,775 · 10^-7 / °C²

c = −4,183 · 10^-12 / °C⁴

Die Realisierung dieser Festlegung ist nicht exakt, aber innerhalb der Grenzabweichungen möglich, die durch Genauigkeitsklassen spezifiziert werden.

Im Temperaturbereich 0 … 100 °C wird gerne eine lineare Näherung (Polynom 1. Grades) verwendet:

R = R₀ · (1 + α · t)

α = 3,85 · 10^-3 / °C

Genauigkeitsklassen

Für die Herstellungstoleranzen von Platin-Temperatursensoren waren früher die Genauigkeitsklassen A und B festgelegt. Die aktuelle Norm enthält zusätzlich noch die Klassen AA und C. Innerhalb eines für drahtgewickelte Widerstände und Schichtwiderstande zu jeder Klasse unterschiedlichen Gültigkeitsbereichs werden die Grenzabweichungen t_g in Abhängigkeit von der Temperatur t angegeben:

• Klasse AA: t_g = 0,1 °C + 0,0017 · |t|
• Klasse A: t_g = 0,15 °C + 0,002 · |t|
• Klasse B: t_g = 0,30 °C + 0,005 · |t|
• Klasse C: t_g = 0,6 °C + 0,01 · |t|

Beispiel zur bevorzugten Klasse B: Bei 200 °C sind Abweichungen des Messwertes zulässig bis ± 1,3 °C.

Die Grenzabweichungen sind gegenüber denen bei genormten Thermoelementen kleiner, was einen wesentlichen Vorteil darstellt.

Siehe auch

• Beispiel einer Linearisierung und Formelumkehr nach t=... durch Tabellenkalkulation auf Wikibooks

Belege, Weblinks

• Messprinzip und Schaltungen zu Pt100
• Formeln und Online-Rechner (von Andreas Hofmeier)
• DIN EN 60751 Norm (PDF-Datei; Quelle: FH Jena)