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



Was ist ein Pt100 Widerstandsthermometer (RTD / Pt100 Fühler)?

Widerstandsthermometer bzw. RTD-Sensoren (Pt100 Fühler) werden in vielen Bereichen zur Temperaturerfassung eingesetzt. Es gibt unterschiedliche Arten von RTD-Sensoren, typischerweise kommen jedoch meist Pt100-Fühler zum Einsatz. Diese sind in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen und Konstruktionen erhältlich, was sie zu einer guten Wahl für genaue Temperaturmessungen in Industrie, Wissenschaft und darüber hinaus macht. Alle unsere Bauformen von Pt100-Sensoren sind auch als Pt1000 oder Pt130 verfügbar.

Pt-100 Fühler

Wir sind der größte Hersteller von Widerstandsthermometern in Europa. Durch die enorme Bandbreite unserer Komponenten auf Lager können wir praktisch jeden, von Ihnen spezifizierten, Sensor herstellen. Maßgeschneiderte Pt100 Fühler können wir typischerweise innerhalb von 5 Tagen oder früher versenden.

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Pt100 Temperaturfühler Handbuch


Gratis Handbuch zu Temperaturmessung (Thermoelementen und Pt100 fuehler)

Pt100 Sensor und Widerstandsthermometer für die industrielle Messtechnik

Um bei Platin-Widerstandsthermometern 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.

Typischer Messwiderstand für Laboranwendungen


Abbildung 6.1: Typischer Messwiderstand für Laboranwendungen




Gekapselter Platin-Messwiderstand


Abbildung 6.2: Gekapselter Platin-Messwiderstand



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.

Hochtemperatur-Messwiderstand für Laboranwendungen
Abbildung 6.3: "Bird Cage Design" - Hochtemperatur-Messwiderstand für Laboranwendungen


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.

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.

Klassische Bauform eines industriellen
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.

Zylindrische Bauform mit in den Keramikkörper eingelassener Drahtwicklung
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.

Teilweise eingebettete Platinwicklungen
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.


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