PT100/1000-Messwiderstände messen bis 850 °C

Inhaltsverzeichnis
1. Temperaturmesstechnik für die Industrie
2. PT100, PT500 und PT1000
3. Mögliche Bauformen
4. Widerstände in Dünnschichttechnik
5. Gewickelte Drahtwiderstände
6. Zwei-, Drei- oder Vierleiterschaltung
7. PT1000 für Batteriegeräte

Thermoelemente, die vor allem in der Industrie und in der Prozesstechnik zum Einsatz kommen, wandeln eine Temperaturdifferenz in eine elektrische Spannung um. Die ebenfalls aus Platin bestehenden Messwiderstände PT100 bzw. PT1000 zeichnen sich dagegen durch einen nahezu linearen Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand aus. Aus dem absoluten Widerstand lässt sich ein genauer Temperaturwert ermitteln.

Temperaturmesstechnik für die Industrie

Die einfachste Form mechanisch arbeitender Temperaturschalter speziell für den Einsatz in Konsum- oder Hausgeräten stellen Bimetalle dar. Werden zwei Metalle unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten zusammengenietet, krümmen sie sich abhängig von der Temperatur. Mithilfe dieses Bimetalls lässt sich dann ein elektrischer Kontakt betätigen. Ferromagnetische Temperatursensoren bestehen wiederum aus einem Dauermagneten, der unterhalb der Curie-Temperatur an ferromagnetischem Material haftet und oberhalb dieser Temperatur abfällt. Abhängig vom Abstand zwischen diesem Magnet sowie einem Eisenanker schaltet der Sensor selbsttätig ein und aus. Ebenfalls weitverbreitet sind die Einbau-Thermostate, die auf dem Prinzip der Flüssigkeitsausdehnung basieren. Diese Temperaturregler kommen in vielen Applikationen beispielsweise in Hausgeräten zum Einsatz.

Typische Temperatursensoren für den Industrieeinsatz sind Heißleiter (NTC), die auf der Basis von Metalloxiden oder Halbleitern ihren Widerstand bei Temperaturerhöhung verringern, während Kaltleiter (PTC) ihren Widerstand erhöhen. Halbleiter-Messwiderstände aus Silizium kommen im Temperaturbereich von -50 bis +150 °C zum Einsatz. Keramik-Kaltleiter wiederum weisen bei einer materialspezifischen Temperatur einen hohen Widerstandsanstieg auf. Sie können außerdem als selbstregelndes Heizelement oder als Thermosicherung zum Beispiel für Antriebe im elektrischen Fensterheber eines Fahrzeugs eingesetzt werden.

Integrierte Halbleiter-Temperatursensoren liefern einen zu ihrer Betriebstemperatur proportionalen Strom, eine zu ihrer Temperatur proportionale Spannung oder ein von der Temperatur abhängiges digitales Signal. Die Basis-Emitter-Spannung eines als Diode geschalteten Transistors beispielsweise sinkt mit steigender Temperatur. Der Wert ist stromabhängig; bei 1 mA beträgt die Änderung 2,3 mV/K. Auch die in vielen elektronischen Schaltungen eingesetzten Schwingquarze ändern ihre Frequenz mit der Temperatur, die Temperaturänderungen können so präzise über die Frequenzänderung gemessen werden.

PT100, PT500 und PT1000

Platin-Messwiderstände sind Temperatur-Sensoren, die als Messeffekt die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Temperatur nutzen. Sie sind in der Regel ausgelegt zum Einbau in industrielle Widerstandsthermometer. Weite Verbreitung gefunden sind sie in der EN 60751 genormt. Aufgrund der geringen Abweichungen sind die Sensoren verschiedener Hersteller in der Regel austauschbar und können ohne weitere Parametrierung eingesetzt werden. Platin-Messwiderstände werden nach ihrem Material und ihrem Nennwiderstand bei einer Temperatur von 0 °C bezeichnet. Sie sind in den Varianten Pt100, Pt500 (= 500 Ohm) oder Pt1000 (= 1.000 Ohm) verfügbar. Die Spanne möglicher Nennwerte reicht jedoch bis 10.000 Ohm. Charakterisierender Wert ist der mittlere Temperaturkoeffizient, der über den Bereich von 0 bis 100 °C angegeben wird:

A₀= R₁₀₀-R₀/R₀*100 °C = 3,851/10³ °C

Für die Herstellungstoleranzen von Platin-Messwiderständen sind für drahtgewickelte und Schicht-Widerstände jeweils vier Genauigkeitsklassen festgelegt. Die entsprechenden Grenzabweichungen stimmen mit denen bei Platin-Widerstandsthermometern im Wesentlichen überein. Die Grenzabweichungen sind jedoch gegenüber denen genormter Thermoelemente geringer. In der Regel ist das Platin eine gezielte Legierung mit anderen Metallen, sodass es seine elektrischen Werte auch bei sehr hohen Temperaturen nur in geringerem Maße ändert, verglichen mit reinem Material. Außerdem resultiert eine höhere Langzeitstabilität.

Neben den in der IEC 60751 weltweit genormten Messwiderständen werden in Nordamerika und Fernost Sensoren aus reinem Platin eingesetzt. Der mittlere Temperaturkoeffizient des reinen Platins beträgt

A₀ = 3,92/10³ °C

Mögliche Bauformen

Platin-Messwiderstände lassen sich in zwei Untergruppen aufteilen. In ihrer messtechnischen Qualität sowie bei den Grenzabweichungen sind beide Techniken vergleichbar. Mittels Dünnschichttechnik sind jedoch kompaktere Maße möglich, mit dem Ergebnis, dass die zu messende Temperatur des Messobjekts schneller angenommen wird und auch sehr punktförmig gemessen werden kann.

Widerstände in Dünnschichttechnik

Bei Schichtwiderständen wird das Platin in Dünnschichttechnik 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 weitere Gehäuse eingebaut werden, um seine mechanische und chemische Beständigkeit zu steigern. Der Vorteil dieser Dünnschicht-Sensoren liegt vor allem im einfachen Herstellungs- und Abgleichverfahren sowie im geringen Platinbedarf und der Möglichkeit, auch sehr hochohmige Versionen zu produzieren. Sie eignen sich vor allem für solche Applikationen, in denen keine sehr hohen Temperaturen zu messen sind und auch keine präzise Langzeitstabilität gefordert wird.

Gewickelte Drahtwiderstände

Beim Drahtwiderstand wird das Sensorelement von einem Platindraht gebildet. Der Abgleich des Nennwiderstands erfolgt dabei durch Kürzen des Platindrahts. Der Draht wird häufig in vielen Windungen in einen Glasstab eingeschmolzen oder in eine Keramikmasse eingebettet und zum Schutz vor Korrosion in einem weiteren Glas- oder Keramikgehäuse untergebracht. Gewickelte Fühler werden vor allem als Pt100 hergestellt und vorzugsweise zur Messung höherer Temperaturen eingesetzt.

Ob Draht- oder Schichtwiderstand, auf einem keramischen Träger ist beim Einsatz beispielsweise zur Temperaturmessung innerhalb von Geräten kein weiterer Schutz vor Umwelteinflüssen nötig. Im industriellen Einsatz hingegen sind der Schutz des Messwiderstands und seine einfache Montierbarkeit entscheidend. Beides wird durch den Einbau des Sensors in korrosions- und hitzefestem Material erreicht; dazu gibt es genormte Gehäuse als Messeinsatz. Diese werden meist noch zusätzlich durch ein Schutzrohr und den Prozessanschluss vom Medium getrennt.

Wird der Messwiderstand in ein biegsames Rohr aus korrosionsbeständigem Stahl eingebaut, entsteht ein sogenanntes Mantelwiderstandsthermometer. Weitere Ausführungen gibt es zum Messen von Gastemperaturen, von Oberflächentemperaturen oder zum Einstechen in das zu messende Objekt. Der elektrische Anschluss dieser Messwiderstände wird durch fest montierte Leitungen oder Steckverbinder hergestellt.

Zwei-, Drei- oder Vierleiterschaltung

Die elektrische Verbindung vom PT100 zum Messgerät erfolgt wahlweise in Zwei-, Drei- oder Vierleiterschaltung. Da der Widerstand der Leitungen mitgemessen wird, kann der Fehler bei der Zweileiterschaltung groß sein. Die Dreileiter-Messung ist dagegen erheblich genauer, da sie die Leitungswiderstände kompensiert. In der Vierleiterschaltung werden zwei Leitungen verwendet, um einen konstanten Strom durch den Pt100 zu schicken. Mit Hilfe der beiden anderen Leitungen wird die Spannung am Pt100 abgegriffen und ausgewertet. Der Widerstand der Zuleitungen ist nicht relevant, da es sich um eine Konstantstromquelle handelt. Da über die beiden Messleitungen nur die Spannung am Pt100 gemessen wird, fließt über diese ein vernachlässigbarer Strom. Aufgrund des geringen Spannungsabfalls an den Messleitungen tritt kaum eine Messwert-Verfälschung auf. Bei der Höhe des Messstroms muss zwischen dem Nutzsignal, das mit dem Messstrom steigt, und der zunehmenden Messabweichung durch Eigenerwärmung des Sensors abgewogen werden.

PT1000 für Batteriegeräte

Aus diesem Grund bieten PT1000-Messwiderstände Vorteile gegenüber den Pt100-Varianten. Bei einem Pt1000 kann im Vergleich zu einem Pt100 zur Erzielung einer gleichen elektrischen Spannung in einer Messschaltung die Stromstärke 1 zu 10 reduziert werden, was besonders bei batteriebetriebenen Geräten vorteilhaft ist. Außerdem reduziert sich so die Eigenerwärmung um den Faktor 10, da der Strom quadratisch und der Widerstand linear in die Eigenerwärmung eingehen. (ge)

Linearer Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand

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