Pt-100 Messwiderstände

Industrieausführungen von Widerstandsfühler

Aufgrund ihrer Bauart sind Widerstandsthermometer für Laboran-wendungen zwar sehr genau, jedoch für den industriellen Einsatz ungeeignet, weil diese Konstruktionen sehr teuer sind und darüber hinaus leicht durch Stöße und Vibrationen zerstört werden können. Widerstandsthermometer für den rauhen Industrieeinsatz werden erheblich robuster konstruiert, büßen dafür jedoch an Genauigkeit ein. Allerdings gelingt es, durch den Einsatz moderner hochreiner Keramiken und fortschrittlicher Fertigungsmethoden wie z. B. spezielle Wicklungstechniken und Wärmebehandlungen robuste Widerstandsthermometer mit guter Vibrationsbeständigkeit und Langzeitstabilität zu bauen, deren Genauigkeit immer näher an die der Laborthermometer heranreicht.

Was die Platinqualität angeht, so verwendet man für industrielle Messwiderstände Drähte aus dotiertem Platin mit einem reduzierten a-Koeffizient. Im Vergleich zu den Präzisionswiderständen sind die Drähte auch wesentlich dünner. Industriell verwendeter Platindraht liegt im Bereich von 30µm. Zum Vergleich: Die Dicke eines menschlichen Haares beträgt ungefähr 100µm. Zur Herstellung dieser Drähte wird das Platin durch lasergebohrte Saphir- oder Diamantprägestempel gezogen. Dieses Verfahren zeichnet sich durch gute Reproduzierbarkeit der Produktqualität aus, ohne das Platin zu verunreinigen. Bei der Konstruktion wird größte Sorgfalt auf eine gute Aufhängung der Platinwicklungen gelegt, um hohe Vibrationsbeständigkeit und Stoßfestigkeit zu gewährleisten. Gleichzeitig wird den Drähten genügend Freiraum gelassen, um sich unter Wärmeeinfluss ausdehnen und wieder zusammenziehen zu können. Offensichtlich muss je nach Anwendung eine Kompromisslösung gefunden werden.

Bei einer der klassischen Ausführungen von Industriethermometern wird der Widerstandsdraht über Formkörper aus Glas oder Keramik gewickelt (siehe Abbildung 6.4). Diese Anordnung wird dann mit Glas oder Keramikzement überzogen und versiegelt. Das technologisch schwierigste Problem bei dieser Konstruktion ist die korrekte Anpassung der thermischen Längenausdehnung des Isoliermaterials an die des Platins über möglichst große Temperaturbereiche.

Abbildung 6.4: Klassische Bauform eines industriellen, drahtgewickelten Platin- Messwiderstandes

Vorteilhaft an dieser Konstruktion sind die geringe Anfälligkeit gegenüber mechanischen Beanspruchungen sowie eine ausreichend gute Genauigkeit. Bei schneller Temperaturwechselbelastung macht sich jedoch der innige Kontakt von Platindraht und Isolator nachteilhaft bemerkbar, weil die mechanischen Spannungen Messfehler und Hystereseerscheinungen verursachen. Außerdem ist der Fühler nur bis etwa 500°C einsetzbar und die Ansprechzeiten sind wegen der Ummantelung relativ lang. Auf praktisch derselben Fertigungstechnik basieren Widerstandsthermometer, bei denen der Formkörper Nuten für die Aufnahme des Platindrahts aufweist (siehe Abbildung 6.5). Auch hier steht die Ummantelung in direktem Kontakt zu dem Platindraht.

Abbildung 6.5: Zylindrische Bauform mit in den Keramikkörper eingelassener Drahtwicklung

Eine Kompromisslösung zwischen den frei aufgehängten und vollständig eingebetteten Konstruktionen stellt eine Bauform dar, bei der die Platindrähte teilweise eingebettet sind (siehe Abbildung 6.6). Sie bietet eine verbesserte Langzeitstabilität bei guter Robustheit. Bei dieser Bauart werden mehrere Platinwicklungen in die Bohrungen eines Formkörpers aus poröser Aluminiumoxid-Keramik eingebracht. Die einzelnen Wicklungen werden mit kleinen Glasperlen am Boden der Bohrung verankert. Dadurch sind sie befestigt, haben aber dennoch ausreichend Freiraum, um sich auszudehnen. Als zusätzliche Maßnahme können die Platinwicklungen in Aluminiumoxid-Pulver eingebettet werden. Das führt zu einer weiteren Verbesserung der Vibrationsbeständigkeit.

Abbildung 6.6: Teilweise eingebettete Platinwicklungen

Mit den angesprochenen Bauformen können nahezu alle Anforderungen an ein typisches industrielles Thermometer erfüllt werden. Sie bieten entweder ausgezeichnete Langzeitstabilität bei geringer Vibrationsbeständigkeit oder eine sehr gute Vibrationsbeständigkeit bei etwas geringerer Langzeitstabilität. Über einen Temperaturbereich von -200°C bis +850°C können Genauigkeiten von wenigen Hundertstel Grad erreicht werden. Sie müssen nicht hermetisch abgedichtet werden, so dass Luft um den Platindraht strömen kann, wenn es die Betriebsbedingungen erlauben. Messwiderstände dieser Bauform sind üblicherweise etwa 25mm lang und haben einen Durchmesser von 3mm mit einem Nennwiderstand von 100Ω bei 0°C.

Folien- und Dünnfilm-Messwiderstände

Eine weitere Bauform von Messwiderständen, die in Thermometern zum Einsatz kommen, sind Folienwiderstände. Man unterscheidet hier zwei Arten: Folien- und Schichtmesswiderstände.

Bei Folienwiderständen wird ein Platindraht mit einer Klebemasse zwischen zwei Polyamidfolien eingebettet. Diese Messwiderstände haben eine Dicke von ungefähr 0,15mm bis 0,10mm und werden aufgrund ihrer hohen Flexibilität zu Temperaturmessungen an gekrümmten Oberflächen, wie beispielsweise Rohrleitungen, in einem Temperaturbereich zwischen -80°C und +230°C eingesetzt.

Abbildung 6.7: Gewickelte- und Dünnschicht-Messwiderstände

Eine neuere Entwicklung sind Dünn- und Dickschicht-Messwiderstände. Mit einem aus der Halbleitertechnik bekannten Verfahren wird zur Herstellung von Dünnschichtwiderständen eine ca. 1µm dünne Platinschicht auf ein Aluminiumoxid-Substrat aufgedampft. Die Platinschicht wird anschließend mit einem Laserstrahl strukturiert und auf den entsprechenden Nennwiderstand abgeglichen. Das Element wird dann mit einer Glasschicht von ungefähr 10µm bis 15µm Dicke versiegelt. Dünnschichtwiderstände bestechen durch ihre kurzen Antwortzeiten, was durch die geringe thermische Masse und den direkten Kontakt zwischen dem Platin und dem Trägersubstrat erreicht wird. Außerdem sind sie relativ unempfindlich gegenüber Vibrationen und Stößen. Diese Bauform verbindet die Eigenschaften eines konventionellen Platin-Messwiderstands wie Austauschbarkeit, Langzeitstabilität, Reproduzierbarkeit und einen großen Anwendungstemperaturbereich mit den Vorteilen der Großserienfertigung.

Bei Dickschicht-Messwiderständen wird eine Glas-Platinpaste durch ein spezielles Siebdruckverfahren auf das Substrat aufgedruckt. Die Anschlussdrähte werden mit Glastropfen fixiert. Bei diesen Ausführungen liegen die Einsatztemperaturen zwischen -50°C und +500°C. Je nach Anwendungsfall kann das Platin bei dieser Methode auf flache oder zylindrische Oberflächen aufgebracht werden (siehe Abbildung 6.7).

Unstimmigkeit herrscht über die Stabilität dieser Sensorelemente, besonders bei großen Messbereichen, da das Platin auf dem Substrat nicht frei expandieren kann. Dadurch ist es Spannungen durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungseigenschaften beider Materialien ausgesetzt.

Trotz der Glasversiegelung sind diese Sensoren relativ anfällig gegenüber Verschmutzung. Auch können Qualität und Eigenschaften des Trägersubstrates von Charge zu Charge verschieden sein, obwohl dies bei den heutigen modernen Fertigungstechnolgien nicht mehr so stark ins Gewicht fällt. Dennoch, als Messwiderstände für Luft- und Oberflächentemperaturmessungen nehmen diese Sensoren heute bei mittleren bis hohen Genauigkeiten über den gesamten Messbereich eine wichtige Rolle in der Temperaturmessung mit Widerstandsthermometern ein. Im Vergleich hierzu besitzen Drahtwiderstände eine um mindestens eine Größenordnung bessere Genauigkeit.