Widerstandsthermometer / Pt100 Fühler - Finden Sie den passenden Pt100 Temperaturfühler für Ihre Anwendung

Pt100 Temperaturfühler Handbuch

Pt100 Sensor und Widerstandsthermometer für die industrielle Messtechnik

Um bei Platin-Widerstandsthermometern widerstandswert 100 ohms hohe Genauigkeit und Stabilität zu gewährleisten, müssen mechanische Spannungen in den Widerstandsdrähten sowohl bei der Fertigung als auch im Betrieb unbedingt vermieden werden. Anderenfalls können mechanisch induzierte Deformationen des Kristallgitters zu unkalkulierbaren Veränderungen der thermoelektrischen Eigenschaften führen und den Sensor für sehr präzise Messungen unbrauchbar machen. Außerdem sollte der Widerstandsdraht frei von Verunreinigungen bleiben. Entsprechend müssen Schutz- und Gehäusematerialien sorgfältig ausgewählt werden.

Während Verunreinigungen unterhalb von 250°C kaum ein Problem darstellen, können Schutz- und Isolationsmaterialien oberhalb dieser Temperatur mit dem Platindraht reagieren oder Atome dieser Werkstoffe können in das Platin eindiffundieren. Unedle Metalle und Glasarten mit Mika bzw. Glimmer und Borsilikat sind besonders für diesen Effekt bekannt. Bei der Auslegung von Messwiderständen ist deshalb auf die Auswahl geeigneter Trägerwerkstoffe und auf spezielle konstruktive Maßnahmen zur Aufhängung und Unterstützung des Plantindrahtes zu achten. Messwiderstände, die in gasdichten Schutzröhrchen untergebracht werden, benötigen außerdem etwas Sauerstoff im Füllgas, damit möglicherweise vorhandene reaktive Elemente im Füllgas mit dem Sauerstoff zu einer Oxydschicht auf dem Platin reagieren können. Diese Oxydschicht passiviert die Oberfläche des Platins und trägt zu verbesserter Langzeitstabilität bei.

Für den industriellen Einsatz wird gezielt verunreinigtes Platin verwendet. Die Dotierung mit Fremdatomen führt zu einer ausgezeichneten Langzeitstabilität, weil weitere Atome, die im Laufe des Betriebs eindiffundieren, praktisch keine Auswirkungen auf die thermoelektrischen Eigenschaften haben. Weiterhin kann der exakte Nennwiderstand des Platinwiderstandes durch die Dotierung eingestellt werden. Der Temperaturkoeffizient a dieses bewusst verunreinigten Platins ist etwas geringer als der von hochreinem Platin (siehe Teil 1, Abschnitt 4). Hochreines Platin wird normalerweise nur für spezielle Laboranwendungen benötigt.

Weiterhin muss bei der Konstruktion eines Widerstandsthermometers beachtet werden, dass Thermospannungen auch bei Widerstandsthermometern auftreten können. So entsteht zum Beispiel ein Thermoelement an der Anschlussstelle, an der die Silberdrähte des Messwiderstandes mit den Kupfer-Anschlussleitungen verbunden werden. Im Allgemeinen kann man allerdings davon ausgehen, dass sich beide bzw. alle drei oder vier Anschlussstellen auf derselben Temperatur befinden und sich die entstehenden Thermospannungen somit aufheben.

Um Messfehler durch Kriechströme zu vermeiden, muss der Messwiderstand möglichst gut (elektrisch - nicht thermisch!) gegen die Schutzhülle isoliert sein. Der Isolationswiderstand wirkt wie ein Parallelwiderstand zum Messwiderstand und führt zu einem reduzierten Gesamtwiderstand. So verursacht ein Isolationswiderstand von 100kW bei einem Pt-100 Messwiderstand einen Anzeigefehler von etwa -0,25K.

Vor allem Keramikwerkstoffe verlieren mit zunehmender Temperatur ihren Isolationswiderstand. Das hat allerdings für den Einsatz von Platin-Messwiderständen bei einer Maximaltemperatur von ungefähr 600°C wenig Bedeutung. Wesentlich größere Auswirkungen hat eindringende Feuchtigkeit, die ebenfalls Kriechströme verursachen kann und Messfehler mit sich bringt.

Da Widerstandsthermometer mit Gleichstrom oder auch Wechselstrom bis zu 500Hz betrieben werden können, dürfen die Drahtwicklungen keinen relevanten induktiven Widerstand haben. Der Messstrom sollte so niedrig sein, dass keine signifikante Selbsterwärmung erfolgt (siehe hierzu Teil 1, Abschnitt 4.2). Außerdem muss schon bei der Konstruktion und bei der Installation darauf geachtet werden, dass eine optimale Wärmeableitung (thermischer Kontakt zum Messmedium) gewährleistet ist.

Bevor wir die verschiedenen Bauarten von Messwiderständen beschreiben, wollen wir anmerken, dass Messwiderstände außer aus Platin auch aus anderen Materialien, wie zum Beispiel Nickel, angeboten werden (siehe hierzu auch Teil 1, Abschnitt 4.2). Außerdem sind sie in verschieden Größen und Formen erhältlich. Zum Beispiel können im Verhältnis zum Volumen sehr große Oberflächen gewählt werden, um kürzere Antwortzeiten zu erreichen. Alternativ kann der Messwiderstand für Messungen an gezielten Punkten sehr klein gehalten werden. Dann wiederum kann man Widerstände sehr lang oder großflächig bauen, um die Durchschnittstemperatur über eine größere Fläche zu bestimmen. Die wesentlichen Einschränkungen stellen die Aufhängung des Widerstandsdrahtes und die Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Spannungen und Verunreinigungen dar.

Bauformen von Widerstandsthermometern

Während des letzten Jahrhunderts wurden verschiedenste Konstruktionen als Widerstands-Temperatursensoren verwendet. So verwendete Callendar einen Formkörper aus Glimmer, um den der Platindraht gewickelt war. Probleme ergaben sich durch Austrocknen und Versprödung des Glimmers in offenen Thermometern oder durch Kondensation bei Thermometern mit geschlossenen Schutzrohren. Porzellanformkörper waren so massiv, dass sie eine erhebliche Zeitverzögerung des Messsignals mit sich brachten. Es wurden auch verdrillte Quarzglasstreifen und maschinell bearbeitete Keramikformkörper mit Nuten für die Wicklungen ausprobiert. Alle Konstruktionen waren so ausgelegt, dass sich die Drahtwicklungen während des Betriebs unter Wärmeeinfluss frei ausdehnen konnten, ohne Spannungen im Platin zu erzeugen und ohne an den Isolationen entlang zu reiben bzw. verunreinigt zu werden.

Für Laboranwendungen werden aus Stabilitätsgründen heutzutage Messwiderstände mit vergleichsweise dickem Platindraht verwendet (üblicherweise um 0,07mm). Wie in Abbildung 6.1 gezeigt, werden zwei spiralförmige Wicklungen in zwei dünnwandige Röhrchen aus Silikat- oder Aluminiumoxid-Keramik eingebracht. Die beiden Röhrchen werden miteinander verdrillt, um sich gegenseitig abstützen zu können. Am unteren Ende sind die beiden Platinwicklungen mit einer dickeren Platinbrücke verbunden. Vier Platin-Anschlußdrähte, zwei pro Schenkel, sind am oberen Ende mit in einen Glaspfropfen vergossen. Die gesamte Anordnung kann zusätzlich mit einem Silikat-Schutzrohr versehen werden.

Bei Präzisionsthermometern für Temperaturen oberhalb von -189°C wird die Drahtwicklung gereinigt und in ein Silikat- oder Glasröhrchen eingebracht, das ebenfalls durch einen Glaspfropfen verschlossen wird. Vor dem Versiegeln wird das Glasröhrchen entweder mit getrockneter Luft oder hochreinem Argon gefüllt, um sicher zu stellen, dass sich das Platin in oxidierender und nicht in reduzierender Umgebung befindet. Eventuell im Röhrchen verbliebene Verunreinigungen oxidieren somit während des Betriebes. Um einen ausreichenden Isolationswiderstand auch bei hohen Temperaturen zu gewährleisten, werden die Drähte gegeneinander mit Glimmer, Silikat oder Saphir isoliert.

Bei Niedertemperaturanwendungen setzt man bevorzugt gekapselte Bauformen ein (Abbildung 6.2). Hier wird der Messwiderstand in ein Platinröhrchen von ungefähr 5cm Länge und einem Durchmesser von 5 mm eingebracht, das mit einem Glasdeckel verschlossen wird. Um einen guten thermischen Kontakt zu gewährleisten, wird das Schutzrohr vor dem Verschließen mit Helium gefüllt.

Abbildung 6.1: Typischer Temperatur Messwiderstand für Laboranwendungen

Messwiderstände für Kalibrierzwecke haben üblicherweise einen α-Koeffizienten von 3,926·10-3/K und einen Nennwiderstand von 25Ω bei 0°C, was einer Empfindlichkeit von etwa 0,1Ω/K entspricht. Um bei hohen Temperaturen den Nebenschlusseffekt aufgrund von mangelndem Isolationswiderstand zu reduzieren, wird der Nennwiderstand bei solchen Anwendungen auf Werte zwischen 5Ω und 0,2Ω bei 0°C reduziert.

Es gibt mehrere Bauformen für diese Art von Messwiderständen. Eine der klassischen Formen ist die des ‘National Bureau of Standards’ (USA), der sogenannte "Vogelkäfig-Sensor" (Bird Cage Device, siehe Abbildung 6.3). Er hat acht parallele Platinwicklungen, die zwischen Quarzglasscheiben gespannt und in Serie geschaltet sind.

Das ergibt einen Nennwiderstand von 0,2Ω bei 0°C. Der Widerstand wächst bei 1000°C auf 1Ω an. Neben dieser Bauart gibt es noch eine Reihe anderer Ausführungen wie Silikat-Formkörper mit Nuten für Doppelwicklungen oder Silikat-Streifen mit Nuten.

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