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Temperaturmessung mit Pt100

Zur Messung von Temperaturen in gasförmigen, flüssigen und festen Medien stehen primär drei verschiedene Methoden zur Verfügung: mechanische, elektrische und Sonderverfahren. Die erste Variante arbeitet mit Volumen- oder Längenänderungen, wohingegen das zweite Verfahrenscluster anhand von Thermospannungen oder Widerstandsänderungen die Temperatur ermittelt. Zu den Sonderverfahren zählen die in der Industrie nur noch rudimentär genutzten Temperaturkennkörper.

Für die schnelle und möglichst exakte Temperaturmessung mithilfe elektrischer Widerstände sind sogenannte Pt100 – also Platin-Messwiderstände – zum Einbau in Temperaturmessfühler oder Mantelwiderstandsthermometer sehr gut geeignet. Sie lassen sich in verschiedenen Umgebungen installieren und bieten für die industrielle Nutzung deutliche Vorteile gegenüber anderen Temperaturmessverfahren. Dank der geringen Grenzabweichung ist der Austausch eines defekten Pt100 Sensors meist ohne Neukalibrierung möglich. Das spart Zeit und Kosten während der Wartungsarbeiten.

Pt100 Widerstandstemperaturfühler

Die zur Temperaturmessung einsetzbaren Pt100 Widerstandstemperaturfühler werden als Kaltleiter (PTC) bezeichnet und gehören zur Gruppe der Thermistoren. Der grundlegende Unterschied zu einem Heißleiter besteht im positiven Temperaturkoeffizienten. Das bedeutet, der Sensor leitet elektrischen Strom bei tiefen Temperaturen wesentlich besser als bei hohen. Die Pt100 im TMH Sortiment basieren auf der Widerstandsänderung von Platin unter Temperatureinfluss und unterliegen der DIN EN 60751. Darin sind die Genauigkeitsklassen bzw. Toleranzen definiert, die bei der Herstellung der Messfühler eingehalten werden müssen. Außerdem regelt diese Norm die Grundwerte für Pt100. So beträgt beispielsweise der Widerstandswert eines solchen Sensors bei 0 °C rechnerisch 100,00 Ohm. Da in der Praxis jedoch nicht reines Platin für die Herstellung verwendet wird, kann der tatsächlich gemessene Wert geringfügig abweichen. Die Beimengung anderer Materialien hat vor allem bei hohen Temperaturen zwei entscheidende Vorteile: Einerseits ändert sie die elektrischen Werte wesentlich weniger als reines Platin und andererseits wird damit eine höhere Langzeitstabilität gewährleistet.

Bauformen des Pt100

Für die Temperaturmessung genutzte Pt100 Sensoren können von uns in verschiedenen Bauformen hergestellt werden. Die einfachste und kostengünstigste Variante sind Dünnschichtsensoren aus Platin, Aluminiumoxid und Glas. Sie eignen sich bei geringer chemischer oder mechanischer Belastung – beispielsweise zum Einbau in Geräte – und benötigen keinen gesonderten Schutz vor Umwelteinflüssen. Werden höhere Ansprüche an den messbaren Temperaturbereich gestellt, sind drahtgewickelte Keramik- oder Glaswiderstände zu empfehlen. Dank der äußeren Schutzschicht sind diese Pt100 Widerstandstemperaturfühler auch für die raue Industrieumgebung geeignet. Sie lassen sich jedoch ebenso in genormten, korrosions- und hitzefesten Messeinsätzen verbauen, um die Montierbarkeit und Wartung im industriellen Einsatz zu erleichtern.

Dünnschichtsensoren

Bei der Herstellung von Dünnschichtsensoren wird eine knapp 1 mm dicke Platinschicht auf ein Plättchen aus Aluminiumoxid aufgedampft. Im Anschluss wird die Platinbeschichtung mithilfe eines Lasers spiralförmig strukturiert und abgeglichen. Wichtig für eine möglichst lange Funktionsfähigkeit und Genauigkeit des Dünnschichtsensors ist ein entsprechender Schutz des Platin-Messfühlers. Aus diesem Grund erfolgt abschließend immer die Aufbringung einer Glasschicht. Die Dünnschichtsensoren aus dem TMH Sortiment bieten zwei entscheidende Vorteile gegenüber anderen Instrumenten zur Temperaturmessung mit Pt100: Sie lassen sich preiswert in der Großserienfertigung herstellen und bieten dank ihrer geringen Masse eine schnelle Ansprechzeit. Üblicherweise kommt diese Sensoren-Bauform in einem Temperaturbereich zwischen -50 °C und +400 °C zum Einsatz.

Drahtgewickelte Keramikwiderstände

Für Widerstandstemperaturfühler mit drahtgewickelten Keramikwiderständen wird bei der Produktion im ersten Schritt ein gewickelter Platindraht in ein Keramikrohr geführt. Im zweiten Arbeitsgang erfolgt die Verfüllung mit Aluminiumoxidpulver. Es fixiert die Wicklung und gewährleistet eine bessere Wärmeübertragung. Der Verschluss des Rohrs und die Fixierung der Anschlussdrähte werden mittels Glaspfropfen durchgeführt. Da zwischen dem Keramikrohr und der Platinwendel keine direkte Verbindung besteht, kann sich der Draht bei einem Temperaturwechsel frei ausdehnen. Ein weiterer Vorteil der Temperaturmessung mit diesem Pt100-Sensortyp ist die lediglich geringfügige Belastung des Platindrahts. So kann auch bei dauerhaftem Einsatz eine Hysterese – verzögertes Messverhalten aufgrund mechanischer Spannungen – ausgeschlossen werden. Drahtgewickelte Keramikwiderstände sind für Temperaturbereiche zwischen -200 °C und +800 °C geeignet.

Drahtgewickelte Glaswiderstände

Für die Temperaturmessung mit Pt100 in aggressiven Medien werden vorrangig drahtgewickelte Glaswiderstände genutzt, da der Platindraht im angeschmolzenen Glas komplett geschützt ist. Bei der Herstellung eines solchen Sensors wird zunächst der Draht auf einen Glasstab aufgewickelt und in diesen eingeschmolzen. Danach erfolgt der Abgleich des Widerstands – solange bis das Messinstrument eine möglichst exakte Nullanzeige liefert. Im dritten Arbeitsschritt wird ein weiteres Glasschutzrohr über den Stab geschoben und die Bauteile werden erneut miteinander verschmolzen. Nach der Aushärtung ist der Draht komplett von Glas umgeben und dadurch besonders unempfindlich gegen Erschütterungen. Sensoren vom Typ drahtgewickelter Glaswiderstände lassen sich in einem Temperaturbereich zwischen -200 °C und +400 °C einsetzen.

Messprinzip des Pt100

Der elektrische Widerstand eines Metalls variiert mit der Temperatur. Dieser physikalische Effekt kommt bei allen Metallen zum Tragen, jedoch abhängig vom Element in unterschiedlichen Ausprägungen. In der Praxis – vorwiegend in der Industrie – nutzt man sogenannte Widerstandsthermometer mit einem metallenen Messfühler aus Platin (Pt). Besonders geeignet für die Temperaturmessung sind Pt100 Widerstandstemperaturfühler. Denn im Gegensatz zu anderen Metallen verhält sich die Spannungsänderung (dU) bei Platin annähernd proportional zur Widerstandsänderung (dR) durch den Temperatureinfluss.

Grundsätzlich macht sich die Temperaturmessung mit Pt100 und anderen Widerstandsthermometern mit Platin-Messfühler das Prinzip des Spannungsabfalls zunutze. Während der Messung wird dem Temperaturfühler ein konstanter Messstrom zugeführt, der den Pt100 Sensor durchfließt und damit eine Temperaturmessung zulässt. Wichtig für ein angemessenes Messsignal ist eine maximale elektrische Stromstärke von 1 mA, da bei einer Überschreitung dieses Grenzwerts die Messfehler durch Eigenerwärmung stark zunehmen. Bei TMH erhalten Sie Pt100 Sensoren in verschiedenen Standard-Ausführungen und als Sonderanfertigung.

Messbereich und Genauigkeitsklassen des Pt100

Für Pt100 lässt sich kein universeller Messbereich festlegen, da sich dieser stark an der Bauweise des Sensors orientiert und damit für jede Bauform unterschiedlich ausfällt. Jedoch können ungefähre Temperaturbereiche für die verschiedenen Bautypen definiert werden – schriftlich festgehalten in der DIN EN 60751. Diese gliedert Pt100 in zwei Bauformen: drahtgewickelte Widerstände und Schichtwiderstände. Die jeweiligen Gültigkeits- bzw. Messbereiche sind aktuell in vier Genauigkeitsklassen AA, A, B und C sortiert.

Klasse

Gültigkeitsbereich in °C

Grenzabweichung in °C

 

drahtgewickelter Widerstand

Schichtwiderstand

 

AA

-50 bis +250

0 bis +150

± (0,1 + 0,0017 · T)

A

-100 bis + 450

-30 bis +300

± (0,15 + 0,002 · T)

B

-196 bis + 600

-50 bis + 500

± (0,3 + 0,005 · T)

C

-196 bis + 600

-50 bis + 600

± (0,6 + 0,01 · T)

Die Grenzabweichungen der einzelnen Klassen beschreiben die Abhängigkeit des zulässigen Temperaturfehlers dT von der realen Temperatur T. Oder anders ausgedrückt: die maximal zulässige Temperaturabweichung des Platin-Messwiderstands von den genormten Grundwerten. In der Praxis hat sich gezeigt, dass der gesamte Messbereich der Klasse B von -196 °C bis +600 °C nur mit drahtgewickelten Keramikwiderständen abgebildet werden kann. Beim Einsatz von drahtgewickelten Glaswiderständen ist der Praxiseinsatz bis maximal +400 °C möglich, um Messfehler aufgrund der zunehmenden elektrischen Leitfähigkeit des Glaskörpers zu vermeiden.

Auch die Genauigkeitsklasse A wurde im Vergleich zur alten DIN-Norm von 1996 in ihrem Messbereich angepasst. Grund dafür sind herstellerübergreifende Langzeittests bei extremen Temperaturen. In allen Fällen drifteten die Thermometer aus der bis dahin genormten Grenzabweichung der Klasse A heraus. Mit der Beschränkung auf einen Temperaturbereich zwischen -100 °C bis +450 °C kann sie auch im Dauereinsatz eingehalten werden.

Umrechnung der Widerstandswerte des Pt100

Mit einem Pt100 Sensor kann im Vergleich zu mechanischen Thermometern keine Temperatur, sondern nur die Änderung des Widerstandswerts gemessen werden. Vom Widerstand lässt sich jedoch auf eine entsprechende Temperatur schließen. Um diese exakt zu berechnen, wird aus der Pt100 Kennlinie für Temperaturen über 0 °C folgende Formel abgeleitet:

Formel zur Temperaturberechnung

Die PT100 Kennlinie mit Einsatztemperaturbereichen finden Sie hier >>

Pt100-Messschaltungen

Als Messschaltung wird die elektrische Verbindung vom Pt100 Sensor zum auswertenden Messinstrument bezeichnet. Da in der Praxis meist größere Entfernungen zwischen diesen beiden Punkten überbrückt werden müssen, sind längere Zuleitungen notwendig. Infolgedessen erhöht sich der Leitungswiderstand, was einen erheblichen Einfluss auf den ermittelten Messwert hat. Vor allem bei der Zweileitermessschaltung kann diese Konstellation gravierende Messfehler hervorrufen. Um Abhilfe zu schaffen, werden in der Industrie hauptsächlich Drei- und Vierleitermessschaltungen eingesetzt. Sie kompensieren die auftretenden Messfehler und ermöglichen eine exakte Temperaturmessung mit Pt100. TMH bietet verschiedene Sensoren, mit denen sich die einfachen Zweileiter- sowie die effektiven Vier- und Dreileitermessschaltungen realisieren lassen.

Die Zweileitermessschaltung

Die einfachste Möglichkeit, um einen Messfühler zu installieren, ist eine 2-polige Anschlussleitung – auch Zweileitermessschaltung genannt. In der industriellen Praxis heute kaum noch verwendet, ist sie ausschließlich für geringe Entfernungen zwischen Messschalter und -instrument nutzbar. Grund dafür ist die Kumulation unterschiedlicher Widerstände wie Mess- und Übergangswiderstände sowie dem zusätzlichen Widerstand an der Anschlussleitung. Dadurch wird eine wesentlich höhere Temperaturanzeige erreicht als sich lediglich aus dem Messwiderstand ableiten ließe. Zumindest für kurze Distanzen kann ein Abgleich des Pt100 Temperaturfühlers auf das Messgerät zu einer Lösung des Problems führen. Für größere Entfernungen ist eine Kompensation kaum mehr möglich, sodass gravierende Messfehler unvermeidbar sind.

Die Dreileitermessschaltung

Die in der Industrie am häufigsten eingesetzte Methode zur Temperaturmessung mit Pt100 ist die Dreileitermessschaltung. Dafür wird das Widerstandsthermometer über eine 3-polige Anschlussleitung mit dem System verbunden. Dank der getrennten Zuführung des Messstroms über eine zweite Leitung wird ein separater Messkreis etabliert. Dieser erlaubt die Messung des Leitungswiderstands und damit die fast vollständige Kompensation von Messabweichungen. Ein weiterer Vorteil gegenüber der Zweileitermessschaltung ist, dass kein spezieller Abgleich des Leitungswiderstands erforderlich ist. Das spart sowohl bei der Installation als auch der Wartung des Temperaturmesssystems Zeit und Kosten ein.

Die Vierleitermessschaltung

Ebenfalls in der Industrie verortet und fast ausschließlich für hochpräzise Temperaturmessungen genutzt, wird die Vierleitermessschaltung. Bei dieser Konstruktion erfolgt der Anschluss des Pt100 Messfühlers über eine 4-polige Anschlussleitung. Der Messstrom wird somit gleichzeitig über zwei Adern eingespeist und die Messung des Spannungsabfalls kann entsprechend an den beiden anderen Adern vorgenommen werden. Dank dieser Doppelbestückung können die Messabweichungen auch über größere Distanzen vollständig eliminiert werden.

Temperaturmessung mit Widerstandsthermometern

Temperaturmessungen mit Pt100 Widerstandsthermometern zählen zu den elektrischen Messverfahren, d. h. die Temperatur wird vom Sensor erfasst und an die elektronische Auswertungseinheit weitergeleitet. Widerstandstemperaturfühler mit Platin nutzen den physikalischen Effekt der nahezu proportionalen Änderung von Widerstand und Temperatur. Für die Messung wird ein Konstant-Strom von maximal 1 mA vorgegeben, der durch den Sensor fließt. Sobald sich die Temperatur am Messfühler ändert, wird ein Spannungsabfall am Widerstand registriert und dieser vom Messgerät ausgewertet. Da der Grundwert für einen Pt100 bei 0 °C bei 100 Ohm liegt, kann aus der Widerstandsänderung auf die Temperaturänderung geschlossen werden. Die entsprechende Temperatur kann mithilfe einer Formel berechnet oder anhand der in DIN EN 60751 genormten Grenzabweichungstabelle abgelesen werden.

Zulässiger Temperaturbereich

Der maximal zulässige Temperaturbereich, in dem Pt100 Temperaturmessungen durchgeführt werden können, variiert je nach Fühlerkonstruktion und Sensorart. Grundsätzlich lässt sich jedoch feststellen, dass Widerstandsthermometer im Bereich zwischen -200 °C und +600 °C maßgeblich exakter messen als vergleichbare Thermoelemente. Deutliche Unterschiede im zulässigen Temperaturbereich sind an den einzelnen Bauformen zu erkennen. Dünnschichtsensoren decken im Minusbereich die geringste Temperaturspanne ab und sind bei -50 °C bis +400 °C einsetzbar. Drahtgewickelte Keramikwiderstände kommen bei -200 °C bis + 600 °C zum Einsatz und drahtgewickelte Glaswiderstände sollten lediglich zwischen -200 °C und +400 °C genutzt werden. Bei der Produktion orientieren wir uns an der vorgegebenen DIN-Norm und ihren zulässigen Grenzabweichungen, wodurch der maximale Temperaturbereich für einzelne Sensoren abweichen kann.

Mögliche Messfehler und Messungenauigkeiten

Bereits die Produktion von Pt100 Sensoren kann zur Begünstigung späterer Messfehler beitragen. Eine Möglichkeit ist ein mangelhafter Isolationswiderstand, der elektrisch betrachtet einen parasitären Parallelwiderstand zum Messwiderstand darstellt. Ist dies der Fall, zeigen die auswertenden Komponenten im Schaltkreis eine zu geringe Temperatur an. Ebenfalls in der Herstellung begründet, liegen Messungenauigkeiten aufgrund parasitärer Thermospannungen. Diese werden durch den thermoelektrischen Effekt hervorgerufen und entstehen durch den Einsatz verschiedener Materialien – zum Beispiel für den Platinsensor und den Anschlussleiter.

Eine weitere Ursache für Messungenauigkeiten kann die Eigenerwärmung des Sensors sein, wenn beispielsweise der Messstrom zu hoch gewählt wurde. Ebenfalls thermisch bedingt sind Messfehler durch eine sogenannte Hysterese. Tritt diese nach einer großen Temperaturänderung ein, misst das Thermometer nicht mehr denselben Wert wie zuvor, d. h. den ursprünglichen Grundwert. Begründet liegt dieses fehlerhafte Messverhalten in mechanischen Spannungen am Sensorelement, da der Platinsensor und das Trägermaterial bzw. die Umhüllung unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten haben. Wird eine Hysterese am Messelement festgellt, sollte es umgehend ausgetauscht werden.

Temperaturmessungen und Kalibrierungen bei TMH

Für die volle Funktionstüchtigkeit bei der Temperaturmessung mit unseren Pt100 Sensoren bieten wir Ihnen auf Wunsch eine Werkskalibrierung an. Diese wird im hauseigenen Labor durchgeführt und umfasst den kompletten Messbereich für Widerstandsthermometer. Die Kalibrierung erfolgt ausschließlich gemäß der gültigen DIN-Norm und stellt eine preiswerte Alternative zu kostenintensiven amtlichen DAkkS-Kalibrierungen dar. Ergänzend umfasst der TMH Service auch eine Kalibrierung Ihrer kompletten Messkette zur Pt100 Temperaturmessung – bestehend aus Temperaturfühler, Anschlüssen und Anzeigegerät.

Sie möchten mehr über die Temperaturmessung mit Pt100 oder Pt1000 Sensoren erfahren? Dann kontaktieren Sie uns gern telefonisch oder per E-Mail. Unsere fachkundigen Mitarbeiter unterstützen Sie bei der Auswahl der passenden Temperatur-Messelemente und dem entsprechenden Zubehör.

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