Der Pt100 spielt eine große Rolle in der industriellen Temperaturmessung von Flüssigkeiten, Gasen sowie Feststoffen und ist in den verschiedensten Ausführungen erhältlich. Erfahren Sie mehr über den intelligenten Temperatursensor, seinen Aufbau, sein Verhalten und seine Einsatzgebiete!
Ein Pt100/Pt 100 ist das am häufigsten verwendete Sensorelement in Widerstandsthermometern und wird auch zur Bestückung von Leiterplatten eingesetzt. Er verändert seinen ohmschen Widerstand in Abhängigkeit zur Temperatur. Angeschlossen an eine Auswerteeinheit kann aus dem gemessenen Widerstand die Sensortemperatur bestimmt werden. Häufig wird der Pt100 auch als Pt100-Sensor oder Widerstandssensor bezeichnet.
Der Pt100 kommt üblicherweise als Platin-Chip-Temperatursensor zum Einsatz und besteht aus einem Keramikträger, auf den durch einen Sputterprozess eine dünne Platinschicht aufgebracht wird. Aufgrund der sehr geringen Schichtdicke ist die Bezeichnung Dünnschichtsensoren ebenfalls gebräuchlich. Die Platinbeschichtung wird im Anschluss mit einem photolithographischen Verfahren mäanderförmig strukturiert. Die Anschlussdrähte werden auf Pads aufgeschweißt und diese Kontaktflächen mit einer Glasschicht zugentlastet. Eine weitere – aufgeschmolzene – Glasschicht schützt als Deckschicht die Platinmäander vor äußeren Einflüssen und dient der Isolation.
Aufbau eines Pt100-Sensors
Größenvergleich eines Pt100-Sensors
Ein bedrahteter Pt 100 findet hauptsächlich Verwendung in der industriellen elektrischen Temperaturmessung in Widerstandsthermometern.
Weiterhin sind Dünnschichtsensoren in Surface Mounted Device-Bauform – kurz SMD-Bauform – lieferbar, die speziell für die automatisierte Bestückung auf Leiterplatten konzipiert werden. Diese Pt100-Sensoren besitzen keine Drahtanschlüsse, sondern werden über lötfähige Anschlussflächen direkt auf die Platine gelötet. Durch ihre geringe Baugröße erlauben sie eine hohe Bestückungsdichte.
Aufbau eines Pt100-Sensors in SMD-Bauform
Größenvergleich eines Pt100-Sensors in SMD-Bauform
Pt100-Sensoren ins DMD-Bauform eignen sich zur Oberflächen- oder Umgebungstemperaturmessung auf Platinen und werden bevorzugt für Temperaturüberwachungs- oder Kompensationsschaltungen eingesetzt. Eine beliebte Verwendung von SMD-Sensoren ist außerdem der Aufbau von Messeinsätzen für Temperaturfühler. Eine Platine wird automatisch mit den Pt100-Sensoren in SMD-Bauform bestückt und bildet so einen vorkonfektionierten Messeinsatz, der sich in eine Schutzhülse schieben lässt. Solche Fühler werden beispielsweise in hoher Stückzahl für die Wärmemengenmessung verwendet.
Platin-Chip-Temperatursensoren existieren seit den 1980er Jahren. Sie ersetzten weitgehend die bis dahin verwendeten Pt100-Sensoren mit einer Wicklung aus Platindraht. Die Wicklung dieser Sensoren ist entweder in Glas eingeschmolzen (Glassensor) oder in Bohrungen eines Keramikrohrs (Keramiksensor) untergebracht.
Aufbau eines Glassensors
Aufbau eines Keramiksensors
Mit den Sensoren sind Messungen von bis zu 800 °C möglich. In Sonderanwendungen kommen die drahtgewickelten Sensoren auch noch heute zum Einsatz (beispielsweise im Laborbereich). In der Regel finden aber die zuvor beschriebenen Platin-Chip-Temperatursensoren Verwendung.
„Pt“ ist die Bezeichnung für Platin und die Zahl 100 benennt den Grundwiderstand von 100 Ohm bei 0 °C.
Ein Pt100 verfügt bei 0 °C über einen Grundwiderstand von 100 Ohm. Mit steigender Temperatur verändert der Sensor seinen Widerstand um etwa 0,38 Ohm/ Kelvin (also pro °C Temperaturänderung). Die Kennlinie ist standardisiert (DIN EN 60751) und so können Auswerteeinheiten aus dem gemessenen Widerstand die Sensortemperatur ermitteln.
Weitere Informationen zur Anwendung von Pt100-Sensoren in elektrischen Thermometern erhalten Sie im Video.
Das oben beschriebene Verhalten eines Pt100 lässt sich leicht sich aus einer Pt100-Widerstandstabelle ablesen.
Pt100-Referenzwerte des Widerstands in Schritten von 1 °C
|
°C
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
0 |
100,000 |
100,391 |
100,781 |
101,172 |
101,562 |
101,953 |
102,343 |
102,733 |
103,123 |
103,513 |
|
10 |
103,903 |
104,292 |
104,682 |
105,071 |
105,460 |
105,849 |
106,238 |
106,627 |
107,016 |
107,405 |
|
20 |
107,794 |
108,182 |
108,570 |
108,959 |
109,347 |
109,735 |
110,123 |
110,510 |
110,898 |
111,286 |
|
30 |
111,673 |
112,060 |
112,447 |
112,835 |
113,221 |
113,608 |
113,995 |
114,382 |
114,768 |
115,155 |
|
40 |
115,541 |
115,927 |
116,313 |
116,699 |
117,085 |
117,470 |
1178,56 |
118,241 |
118,627 |
119,012 |
|
50 |
119,397 |
119,782 |
120,167 |
120,552 |
120,936 |
121,321 |
121,705 |
122,090 |
122,474 |
122,858 |
|
60 |
123,242 |
123,626 |
124,009 |
124,393 |
124,777 |
125,160 |
125,543 |
125,926 |
126,309 |
126,692 |
|
70 |
127,075 |
127,458 |
127,840 |
128,223 |
128,605 |
128,987 |
129,370 |
129,752 |
130,133 |
130,515 |
|
80 |
130,897 |
131,278 |
131,660 |
132,041 |
132,422 |
132,803 |
133,184 |
133,565 |
133,946 |
134,326 |
|
90 |
134,707 |
135,087 |
135,468 |
135,848 |
136,228 |
136,608 |
136,987 |
137,367 |
137,747 |
138,126 |
|
100 |
138,506 |
138,885 |
139,264 |
139,643 |
140,022 |
140,400 |
140,779 |
141,158 |
141,536 |
141,914 |
Für Metallsensoren kann mit Hilfe eines Polynoms berechnet werden, welcher Sensorwiderstand sich für unterschiedliche Sensortemperaturen ergibt.
Die Grundform für das Polynom zweiter Ordnung lautet:
R(T) = R0 x (1 + A x ϑ + B x ϑ2)
R0: Grundwiderstand bei 0 °C
ϑ: Temperatur in °C
A, B: Individuelle Koeffizienten des Sensors
Für einen Pt100 beträgt der Grundwiderstand 100 Ω und die Koeffizienten sind 3.9083 ×10-3 °C-1 (A) und -5.775 ×10-7 °C-2(B). Eingesetzt in das Polynom lautet die Pt 100-Formel:
R(T) = 100 Ω x (1 + 3.9083 ×10-3 °C-1 x ϑ - 5.775 ×10-7 °C-2x ϑ2)
Die Formel gilt für positive Temperaturen.
Platinsensoren existieren auch mit Grundwiderständen wie z. B. 1000 Ohm (bei 0 °C). Andere Nennwiderstände sind ebenfalls herstellbar, aber selten.
Die Dünnschichttechnologie erlaubt Messungen in einem Bereich von –70 bis +600 °C.
Auch die Toleranzen sind im Standard festgeschrieben. Für die Dünnschichtwiderstände existieren Toleranzklassen bzw. Pt100-Genauigkeitsklassen von F 0,1 (hohe Genauigkeit) bis F 0,6 (geringe Genauigkeit). Die Toleranz oder Grenzabweichung wird gemäß dem Standard durch Einsatz der Messtemperatur in die jeweilige Formel bestimmt.
| Pt100-Genauigkeitsklassen | |
|---|---|
| Toleranzklasse | Grenzabweichung [K] |
| F 0,1 | ±(0,1 + 0,0017 x ItI) |
| F 0,15 | ±(0,15 + 0,002 x ItI) |
| F 0,3 | ±(0,3 + 0,005 x ItI) |
| F 0,6 | ±(0,6 + 0,01 x ItI) |
Hier zwei Beispiele:
Bestimmung der Toleranz für einen Sensor der Klasse F 0,1 und einer Messtemperatur von 100 °C:
±(0,1+0,0017 x I100I= ± 0,27 K (entspricht ±0,27 °C)
Bestimmung der Toleranz für einen Sensor der Klasse F 0,3 und einer Messtemperatur von 400 °C:
±(0,3+0,005 x I400I= ± 2,3 K (entspricht ±2,3 °C)
Pt100-Sensoren sind sehr langzeitstabil, was sich vor allem durch das Widerstandsmaterial Platin erklärt. Die Kennlinie der Sensoren ist standardisiert. Steht in einer Auswerteeinheit die Kennlinie zur Verfügung, ist die Auswertung des Temperatursignals möglich. Durch die Standardisierung ist die Ersatzteilbeschaffung der Sensoren bzw. konfektionierten Thermometer sehr unproblematisch.
