Pt100-weerstandsthermometers zijn nauwkeurige temperatuursensoren die veel worden gebruikt in diverse industriële en wetenschappelijke toepassingen. Hun principe is gebaseerd op de variatie van de elektrische weerstand van een platina draad afhankelijk van de temperatuur. De “Pt” in Pt100 staat voor platina, het materiaal waaruit de draad bestaat, en de “100” geeft aan dat de weerstand bij 0°C exact 100 Ohm bedraagt.
Pt100-weerstandsthermometers bieden een breed temperatuurbereik, dat van -200°C tot +850°C reikt, en ze onderscheiden zich door hun hoge nauwkeurigheid. Hun weerstand-temperatuurcurve is nagenoeg lineair, wat de kalibratie en interpretatie van de gemeten waarden vergemakkelijkt.
Deze sensoren veranderen hun elektrische weerstand evenredig met de temperatuurverandering. De temperatuurcoëfficiënt bedraagt ongeveer 0,385 Ohm/°C bij 0°C. Pt100-sensoren hebben doorgaans twee, drie of vier aansluitingen. Dienovereenkomstig kunnen ze in verschillende schakelconfiguraties worden gebruikt, waaronder 2-draads-, 3-draads- en 4-draads-schakeling.
Om nauwkeurige metingen te garanderen, moeten Pt100-weerstandsthermometers worden beschermd tegen invloeden van buitenaf, zoals vocht en mechanische belasting. Dit gebeurt vaak door het gebruik van beschermbuizen. Daarnaast moeten ze regelmatig worden gekalibreerd, hetzij in gespecialiseerde laboratoria, hetzij met behulp van referentiethermometers.
Pt100-sensoren worden in tal van toepassingen gebruikt, waaronder de levensmiddelenindustrie, laboratoria, klimatiseringstechniek, de automobielindustrie en de chemische procestechniek.
Inhoud
Hoe werken weerstandsthermometers?
Weerstandsthermometers worden vaak gebruikt voor nauwkeurige temperatuurmetingen. Het gebruikelijke temperatuurbereik ligt tussen ongeveer -50 °C en 600 °C, hoewel er speciale toepassingen bestaan waarbij weerstandsthermometers van -200 °C tot boven 1000 °C worden gebruikt. De afgebeelde Pt100-weerstandsthermometer is afkomstig uit het kalibratielaboratorium van de firma Klasmeier.
Het meetprincipe van deze thermometers is gebaseerd op de meting van de elektrische weerstand van meetweerstanden, waarvoor de wet van Ohm fundamenteel is:
U = R ⋅ I = Constante
waarbij:
U = spanning,
R = weerstand,
I = stroom
In het schoolonderwijs wordt de wet van Ohm vaak als een driehoek weergegeven, die het verband tussen stroom, spanning en weerstand verduidelijkt.
Als twee van deze grootheden bekend zijn, kan de derde worden berekend. In het schakelschema wordt de wet van Ohm weergegeven zoals in de volgende afbeelding.
De samenhang van de weerstandsmeting en dus van de weerstandsthermometers kan ook grafisch in een schema worden weergegeven.
Hierbij wordt het “VOLT-mannetje” (U – spanning) door het “AMP-mannetje” (I – stroom) door een buis geduwd, terwijl het “OHM-mannetje” (R – weerstand) probeert dit te voorkomen door de buis te vernauwen. Het succes van het “OHM-mannetje” is temperatuurafhankelijk: hoe warmer het is, hoe moeilijker het wordt voor het “VOLT-mannetje” om het “AMP-mannetje” te bewegen. Aangezien deze temperatuurafhankelijke werking reproduceerbaar is, kan het principe van de elektrische weerstandsmeting worden gebruikt voor temperatuurmeting. Een gemeten weerstand R in Ohm wordt via een bekende relatie omgerekend in een temperatuur T in °C of K.
In principe kan elke elektrische geleider, waarvoor de wet van Ohm geldt, als thermometer worden gebruikt. De specifieke weerstand is de fysische constante die deze eigenschap beschrijft. Een overzicht in toont de verschillende specifieke weerstanden van materialen bij 20 °C.
Hoewel alle genoemde materialen in principe voor temperatuurmeting kunnen worden gebruikt, zijn er bepaalde selectiecriteria voor de materiaalkeuze van thermometers. Het materiaal moet een hoge specifieke weerstand hebben en in principe geschikt zijn. Zo heeft menselijk bloed met 1,6×106 Ω⋅mm2 /m een uitstekende specifieke weerstand, maar is het niet geschikt voor de industriële productie van thermometers. Metalen zijn voor dit doel beter geschikt.
Naast de specifieke weerstand is ook de lineaire weerstand-temperatuurcoëfficiënt belangrijk. Deze beschrijft de verandering van de weerstand van een materiaal per graad Celsius en wordt in 1/K aangegeven. Hij kan ook als gevoeligheid worden aangeduid. Om de eisen aan de meettechniek te minimaliseren, moet deze coëfficiënt zo groot mogelijk zijn. Het is dus zaak om het beste compromis te vinden tussen kosten, fundamentele geschiktheid van het materiaal, specifieke weerstand en weerstand-temperatuurcoëfficiënt.
Nikkel en platina hebben zich als geschikte materialen bewezen. Aanvankelijk golden nikkel-meetweerstanden, zoals Ni100, als favorieten, omdat ze een hogere gevoeligheid hadden dan platina-meetweerstanden. Ze vertoonden echter hogere grensafwijkingen en een beperkt temperatuurbereik. De norm voor nikkel-thermometers, DIN 43760, werd in de jaren 1990 ingetrokken. Sindsdien worden nikkel-meetweerstanden voornamelijk in technische speciale toepassingen gebruikt.
Met de tijd hebben platina-meetweerstanden, zoals Pt100, zich doorgezet. Ze zijn in de industriële meettechniek wijdverbreid en vormen tegenwoordig de standaard van de elektrische temperatuurmeting met weerstandsthermometers.
De Pt100-karakteristiek voor weerstandsthermometers eenvoudig uitgelegd
Platina-sensoren hebben zich als weerstandsthermometer gevestigd. Het verband tussen de temperatuur en de weerstand bij platina-thermometers wordt niet proportioneel, maar met een polynoom van hogere orde beschreven:
Hierbij betekenen:
R(T) = Weerstand van de thermometer
R0 = Weerstand van de thermometer bij 0 °C
A, B, C, … = Individuele parameters van de thermometer of norm
T = Temperatuur
In eigen beheer
Kalibratie van weerstandsthermometers
De firma Klasmeier biedt geaccrediteerde kalibraties volgens DIN EN ISO/IEC 17025 (DAkkS) voor weerstandsthermometers (bijv. Pt100, Pt25) aan. De kalibratie vindt plaats op temperatuur-fixpunten of volgens de vergelijkingsmethode, gebaseerd op de DKD-R 5-1 richtlijn. Het kalibratiebereik reikt van -196 °C tot 962 °C, en er worden meetonzekerheden tot in het millikelvin-bereik bereikt.
Callendar-Van Dusen-vergelijking
De Callendar-Van Dusen-vergelijking is een formule die wordt gebruikt om dit verband tussen de temperatuur en de elektrische weerstand van een platina-weerstandstemperatuurvoeler te beschrijven.
De Callendar-Van-Dusen-vergelijking wordt afgekort ook als “CVD” aangeduid en wordt al sinds de jaren 1920 toegepast. De karakteristiek is in de DIN EN 60751 genormeerd, die industriële platina-weerstandsthermometers en platina-temperatuursensoren beschrijft. Ze werd voor het eerst in de jaren 1990 gepubliceerd en is in haar laatste herziening als DIN EN 60751:2009-05 nog steeds geldig.
De Callendar-Van-Dusen-vergelijking zelf kan in twee delen worden geformuleerd, voor temperaturen boven en onder 0 °C:
Voor temperaturen T > 0 °C:
Voor temperaturen T < 0 °C:
Hierbij is:
- R(T) de weerstand bij de temperatuur ( T )
- R0 de weerstand bij 0 °C
- A, B, en C zijn coëfficiënten die van de platina-weerstandsthermometer afhankelijk zijn
In de DIN EN 60751:2009-05 zijn de coëfficiënten voor de Callendar-Van-Dusen-vergelijking genormeerd:
A=3,9083×10 −3 °C-1
B=−5,775×10 −7 °C-2
C=−4,183×10 −12 °C-4
Het is echter ook mogelijk om afzonderlijke thermometers te kalibreren en individuele coëfficiënten te berekenen. Dit heeft het voordeel dat de thermometer niet meer aan de hand van de grensafwijkingen van de norm hoeft te worden beoordeeld, maar individueel aan zijn eigen karakteristiek kan worden aangepast.
De Callendar-Van-Dusen-vergelijking maakt het mogelijk om zeer nauwkeurige temperatuurmetingen uit te voeren, door de gemeten weerstand van de thermometer in de Callendar-Van-Dusen-vergelijking in te voeren en de temperatuur te berekenen.
De volgende afbeelding toont de twee temperatuurbereiken van de Callendar-Van-Dusen-vergelijking. Blauw weergegeven is het temperatuurbereik van -200 °C tot 0 °C en het temperatuurbereik van 0 °C tot 850 °C is rood weergegeven.
De nominale weerstand R0 van weerstandsthermometers
Om de meetweerstanden beter te classificeren, werd in de norm DIN EN 60751 de zogenaamde nominale weerstand R0 ingevoerd. Deze beschrijft de elektrische weerstand van de temperatuursensor bij 0 °C. Zo heeft een Pt100-temperatuursensor bij 0 °C een weerstand van 100 Ohm. In de norm worden de volgende nominale weerstanden vermeld:
- Pt 10 = 10 Ohm bij 0 °C
- Pt 100 = 100 Ohm bij 0 °C
- Pt 500 = 500 Ohm bij 0 °C
- Pt 1.000 = 1.000 Ohm bij 0 °C
Afwijkende nominale weerstanden zoals Pt 25, Pt 2,5 of Pt 0,25 worden bij precisiethermometers gebruikt en voldoen vaak aan de eisen van de ITS-90. Deze worden dan als SPRT of normaalthermometer aangeduid. Bij laboratoriumtoepassingen worden Pt 25-thermometers vaak verkozen, omdat ze een goed compromis tussen stabiliteit, gevoeligheid en eigen verwarming bieden.
Temperatuurcoëfficiënt bij weerstandsthermometers
Het verschil tussen genormeerde thermometers en normaalthermometers volgens de ITS-90 toont zich in de zogenaamde temperatuurcoëfficiënt, die in de norm door een weerstandsmeting bij 0 °C en 100 °C is gedefinieerd:
Hierbij betekenen:
alpha = stijging van de thermometer in 1/K
R100 = weerstand bij 100 °C in Ohm
R0 = weerstand bij 0 °C in Ohm
De alpha-waarde van industriële temperatuursensoren volgens de norm bedraagt 3,85 10^-3/K, terwijl de alpha-waarde bij normaalthermometers volgens ITS-90 bij 3,92875 10^-3/K ligt. Deze waarde komt overeen met de gevoeligheid van spectraal zuiver platina in dit temperatuurbereik.
Gevoeligheid bij weerstandsthermometers
De gevoeligheid van een weerstandsthermometer beschrijft hoe sterk de weerstand van de sensor verandert met betrekking tot een temperatuurverandering. Het is een maat voor hoe nauwkeurig de sensor op temperatuurveranderingen reageert. Bij de Pt100 verandert de weerstand met ongeveer 0,385 Ohm voor elke graad Celsius temperatuurverandering. Deze veranderingssnelheid, bekend als de temperatuurcoëfficiënt, is een directe maat voor de gevoeligheid van de sensor. De gevoeligheid is cruciaal voor de nauwkeurigheid en resolutie van de sensor. Een sensor met een hogere gevoeligheid kan kleinere temperatuurveranderingen herkennen en maakt nauwkeurigere temperatuurmetingen mogelijk. Dit is vooral belangrijk in toepassingen waar nauwkeurige temperatuurcontrole vereist is, zoals in laboratoria of in de procesbesturing in de industrie.
Er moet echter ook worden opgemerkt dat temperatuursensoren met een grote gevoeligheid vaak een hoge eigen verwarming hebben en zich minder lang stabiel gedragen. Daarom moet de verhouding tussen nominale waarde en gevoeligheid van een temperatuursensor zeer zorgvuldig worden gekozen.
Om een gedefinieerde nominale weerstand te bereiken, wordt de lengte of de diameter van de platina draad in de meetweerstand aangepast. Daardoor verandert niet alleen de weerstand, maar ook de gevoeligheid van de sensoren op ca:
- Pt 10 = 0,04 Ohm / K
- Pt 100 = 0,4 Ohm / K
- Pt 500 = 2 Ohm / K
- Pt 1.000 = 4 Ohm / K
In eigen beheer
eXacal precisiethermometer
De eXacal precisiethermometers van de firma Klasmeier zijn ontworpen voor nauwkeurige temperatuurmetingen en kalibraties in een breed temperatuurbereik van -200 °C tot 1200 °C. Ze zijn verkrijgbaar als weerstandsthermometers en edelmetaal-thermokoppels en bieden robuuste alternatieven voor ITS-90 normaalthermometers. Ze zijn geschikt voor zowel industriële toepassingen als voor laboratoriumkalibraties en worden in de eigen fabriek met de hand vervaardigd.
Aansluittechnologieën van weerstandsthermometers
Weerstandsthermometers kunnen met meetinstrumenten, dataloggers of meetbruggen worden verbonden, en daarvoor zijn er verschillende technieken.
- Twee-draads-techniek
- Drie-draads-techniek
- Vier-draads-techniek
Twee-draads-techniek
De twee-draads-techniek laat zien hoe men een temperatuursensor met een meetinstrument verbindt, zoals op de afbeelding te zien is. Daarbij is het belangrijk dat de weerstand van de verbindingskabels wordt meegenomen, omdat hij met de meetweerstand in serie is geschakeld.
De resulterende meting is het resultaat van de optelling van de weerstand van leiding 1, de meetweerstand (de eigenlijke temperatuursensor) en leiding 2, wat tot een verhoogde meting leidt. Daarom is een correctie van het meetresultaat onontbeerlijk om meetfouten te elimineren.
Een voorbeeldige berekening demonstreert de omvang van de meetafwijking onder bepaalde toepassingsvoorwaarden. Aangenomen dat een temperatuursensor door middel van een koperleiding wordt verbonden, onder de volgende gespecificeerde voorwaarden:
- Specifieke weerstand van de koperleiding bij kamertemperatuur: 0,017
- Doorsnede van de leiding: 0,5 mm^2
- Lengte van de leiding: ca. 50 m
De meetafwijking als gevolg van de aansluitkabel kan worden berekend met behulp van de vergelijking
wordt bepaald, waarbij:
- R de geleiderweerstand,
- ho de specifieke weerstand,
- L de geleiderlengte en
- A de oppervlakte van de doorsnede vertegenwoordigt.
In deze context resulteert een geleiderweerstand van 3,4 Ohm:
Rekening houdend met een sensitiviteit ( E ) van een PT 100 temperatuursensor van ca. 0,385 Ohm / K, resulteert een meetafwijking van 8,8 K.
De leidinglengte van ca. 50 m moet voor de „heenweg“ (leiding 1) als ook voor de „terugweg“ (leiding 2) tweemaal in aanmerking worden genomen.
Historisch gezien was het heel gebruikelijk om thermometers in productie-installaties door middel van de twee-draads-techniek te verbinden. Voor het tijdperk van digitale technologie, die de correctie van systematische fouten vereenvoudigt, werden correctietabellen gebruikt om nauwkeurige meetwaarden te verkrijgen.
Een voorbeeld illustreert correctiewaarden van een 10 m lange aansluitkabel afhankelijk van de kabeldoorsnede.
Bij een aansluitkabel met een kabeldoorsnede van 0,5 mm^2 bedraagt de weerstand in een 10 m lange twee-draads-schakeling 0,6 Ohm. Dit impliceert dat de meetwaarden met deze factor moeten worden gecorrigeerd. Bij een Pt100 komt dit overeen met ongeveer 1,6 °C.
In de volgende grafiek worden de correctiewaarden voor een Pt100 in relatie tot de doorsnede van een 10 m lange koperleiding in de twee-draads-techniek weergegeven.
Drie-draads-techniek
De drie-draads-techniek is een optimalisatie ten opzichte van de twee-draads-techniek, met name met betrekking tot de minimalisering van meetfouten als gevolg van kabelweerstanden. In deze configuratie worden drie kabels gebruikt, waarbij twee kabels parallel aan de meetweerstand en een derde kabel voor de compensatie van de kabelweerstand zijn geschakeld.
De compensatie van de kabelweerstand vindt plaats door de meetbrug, die de weerstand van de derde kabel in aanmerking neemt en dus de totale weerstand van de aansluitkabels aftrekt. Dit resulteert in een nauwkeurigere meting van de eigenlijke meetweerstand, omdat de invloeden van de aansluitkabels worden geminimaliseerd.
Hoewel de drie-draads-techniek een significante verbetering ten opzichte van de twee-draads-techniek vertegenwoordigt, is ze nog steeds vatbaar voor fouten als gevolg van temperatuurveranderingen en verschillende kabellengtes, die de compensatie van de kabelweerstand kunnen beïnvloeden.
Vier-draads-techniek
De vier-draads-techniek, ook bekend als Kelvin-vierleidermeting, vertegenwoordigt een verdere optimalisatie in de precisie van de weerstandsmeting, met name voor toepassingen waarbij de hoogste nauwkeurigheid vereist is. Deze techniek gebruikt twee extra kabels om de meetstroom te leveren en de spanningsval over de sensor te meten, waardoor de invloed van de kabelweerstand wordt geëlimineerd.
In deze configuratie loopt de meetstroom door twee van de leidingen (stroomleidingen), terwijl de andere twee leidingen (spanningsleidingen) dienen om de spanningsval direct over de sensor te meten. Omdat de meetstroom niet door de spanningsleidingen loopt, wordt de leidingweerstand van deze leidingen niet in de meting opgenomen, wat tot een hogere meetnauwkeurigheid leidt.
De vierdraadstechniek is vooral voordelig voor toepassingen met lage weerstandswaarden en lange leidinglengtes, omdat deze een nauwkeurige meting mogelijk maakt die vrij is van de invloeden van de leidingweerstanden.
Samenvattend bieden de drie- en vierdraadstechnieken verbeterde nauwkeurigheid en betrouwbaarheid in vergelijking met de tweedraadstechniek, door de invloed van leidingweerstanden te minimaliseren of te elimineren. De keuze van de geschikte techniek hangt af van de specifieke eisen van de toepassing, zoals meetnauwkeurigheid, omgevingsomstandigheden en economische overwegingen.
In eigen beheer
Pt100 Model HS Hoge-Temperatuur Precisiethermometer (0 °C tot 850 °C)
De Pt100 hoge-temperatuur precisiethermometer van Klasmeier is geschikt voor nauwkeurige metingen tot 850 °C. Uitgerust met een gasdichte keramische bescherming en handgemaakte Pt100-meetweerstand, biedt het slechts geringe meetonzekerheden. Ideaal voor gebruik als kalibratienormaal. Optioneel verkrijgbaar met geaccrediteerde kalibratie volgens DIN EN ISO/IEC 17025(DAkkS).
Bronnen
- Frank Bernhard: Handbuch der Technischen Temperaturmessung, 2. Auflage
- Thomas Klasmeier: Tabellenbuch „Temperatuur“, Ausgabe 3
- Industriële platina-weerstandsthermometers en platina-temperatuursensoren (IEC 60751:2022)
- ISOTECH koperpuntsthermometer nr. 108462 tot bijna 1100°C.
- Specifieke weerstand
- DIN 43760
- Wet van Ohm
