Widerstandsthermometer Pt100 sind präzise Temperatursensoren, die in einer Vielzahl von industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen weit verbreitet sind. Ihr Prinzip beruht auf der Variation des elektrischen Widerstands eines Platin-Drahts in Abhängigkeit von der Temperatur. Das „Pt“ in Pt100 steht für Platin, das Material, aus dem der Draht besteht, und die „100“ gibt an, dass der Widerstand bei 0°C genau 100 Ohm beträgt.
Pt100-Widerstandsthermometer bieten einen breiten Temperaturbereich, der von -200°C bis +850°C reicht, und zeichnen sich durch ihre hohe Genauigkeit aus. Ihre Widerstand-Temperatur-Kurve ist nahezu linear, was die Kalibrierung und Interpretation der gemessenen Werte erleichtert.
Diese Sensoren verändern ihren elektrischen Widerstand proportional zur Temperaturänderung. Der Temperaturkoeffizient beträgt etwa 0,385 Ohm/°C bei 0°C. Pt100-Sensoren verfügen in der Regel über zwei, drei oder vier Anschlüsse. Dem entsprechend können sie in verschiedenen Schaltungskonfigurationen verwendet werden, darunter 2-Leiter-, 3-Leiter- und 4-Leiter-Schaltung.
Um genaue Messungen sicherzustellen, müssen Pt100-Widerstandsthermometer vor äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit und mechanischer Belastung geschützt werden. Dies geschieht oft durch den Einsatz von Schutzrohren. Zusätzlich sollten sie regelmäßig kalibriert werden, entweder in spezialisierten Laboren oder mithilfe von Referenzthermometern.
Pt100-Sensoren finden in zahlreichen Anwendungen Verwendung, darunter die Lebensmittelindustrie, Labors, Klimatisierungstechnik, die Automobilindustrie und die chemische Verfahrenstechnik.
Inhalt
Wie funktionieren Widerstandsthermometer?
Widerstandsthermometer werden häufig für präzise Temperaturmessungen eingesetzt. Der übliche Temperaturbereich liegt zwischen etwa -50 °C und 600 °C, obwohl Spezialanwendungen existieren, bei denen Widerstandsthermometer von -200 °C bis über 1000 °C eingesetzt werden[1]. Das abgebildete Pt100 Widerstandsthermometer stammt aus dem Kalibrierlabor der Firma Klasmeier.
Das Messprinzip dieser Thermometer basiert auf der Messung des elektrischen Widerstands von Messwiderständen, wofür das Ohmsche Gesetz[4] grundlegend ist:
U = R ⋅ I = Konstante
wobei:
U = Spannung,
R = Widerstand,
I = Strom
Im Schulunterricht wird das Ohmsche Gesetz oft als Dreieck dargestellt, das den Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand verdeutlicht.
Wenn zwei dieser Größen bekannt sind, kann die dritte berechnet werden. Im Schaltplan wird das Ohmsche Gesetz wie in der folgenden Grafik dargestellt.
Die Zusammenhänge der Widerstandsmessung und somit der Widerstandsthermometer können auch grafisch in einem Schaubild dargestellt werden.
Hierbei wird das „VOLT-Männchen“ (U – Spannung) vom „AMP-Männchen“ (I – Strom) durch ein Rohr gedrückt, während das „OHM-Männchen“ (R – Widerstand) versucht, dies zu verhindern, indem es das Rohr verengt. Der Erfolg des „OHM-Männchens“ ist temperaturabhängig: Je wärmer es ist, desto schwerer wird es für das „VOLT-Männchen“, das „AMP-Männchen“ zu bewegen. Da diese temperaturabhängige Wirkung reproduzierbar ist, kann das Prinzip der elektrischen Widerstandsmessung zur Temperaturmessung genutzt werden. Ein gemessener Widerstand R in Ohm wird über eine bekannte Beziehung in eine Temperatur T in °C oder K umgerechnet.
Prinzipiell kann jeder elektrische Leiter, für den das Ohmsche Gesetz gilt, als Thermometer verwendet werden. Der spezifische Widerstand ist die physikalische Konstante, die diese Eigenschaft beschreibt. Eine Übersicht in zeigt die verschiedenen spezifischen Widerstände[2] von Materialien bei 20 °C.
Obwohl alle genannten Materialien grundsätzlich zur Temperaturmessung verwendet werden können, gibt es bestimmte Auswahlkriterien für die Materialauswahl von Thermometern. Das Material sollte einen hohen spezifischen Widerstand aufweisen und grundsätzlich geeignet sein. Zum Beispiel hat menschliches Blut mit 1,6×106 Ω⋅mm2 /m einen ausgezeichneten spezifischen Widerstand, ist jedoch nicht für die industrielle Herstellung von Thermometern geeignet. Metalle sind für diesen Zweck besser geeignet.
Neben dem spezifischen Widerstand ist auch der lineare Widerstand-Temperaturkoeffizient wichtig. Dieser beschreibt die Änderung des Widerstands eines Materials pro Grad Celsius und wird in 1/K angegeben. Er kann auch als Empfindlichkeit bezeichnet werden. Um die Anforderungen an die Messtechnik zu minimieren, sollte dieser Koeffizient möglichst groß sein. Es gilt also, den besten Kompromiss zwischen Kosten, grundsätzlicher Eignung des Materials, spezifischem Widerstand und Widerstands-Temperaturkoeffizienten zu finden.
Nickel und Platin haben sich als geeignete Materialien herausgestellt. Anfangs galten Nickel-Messwiderstände, wie z.B. Ni100, als Favoriten, da sie eine höhere Empfindlichkeit als Platin-Messwiderstände aufwiesen. Allerdings zeigten sie höhere Grenzabweichungen und einen begrenzten Temperaturbereich. Die Norm für Nickel-Thermometer, DIN 43760[3], wurde in den 1990er Jahren zurückgezogen. Seitdem werden Nickel-Messwiderstände hauptsächlich in technischen Sonderanwendungen eingesetzt.
Mit der Zeit haben sich Platin-Messwiderstände, wie z.B. Pt100, durchgesetzt. Sie sind in der industriellen Messtechnik weit verbreitet und stellen heute den Standard der elektrischen Temperaturmessung mit Widerstandsthermometern dar.
Die Pt100-Kennlinie für Widerstandsthermometer einfach erklärt
Platin-Sensoren haben sich als Widerstandsthermometer etabliert. Der Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Widerstand bei Platin-Thermometern wird nicht proportional, sondern mit einem Polynom höherer Ordnung beschrieben:
Hierbei bedeuten:
R(T) = Widerstand des Thermometers
R0 = Widerstand des Thermometers bei 0 °C
A, B, C, … = Individuelle Parameter des Thermometers oder Norm
T = Temperatur
Diese Gleichung wird auch als die Callendar-Van-Dusen-Gleichung (CVD) bezeichnet und wird bereits seit den 1920er Jahren angewendet. Die Kennlinie ist in der DIN EN 60751 genormt, die industrielle Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Temperatursensoren beschreibt. Sie wurde erstmals 1996 veröffentlicht und ist in ihrer letzten Überarbeitung als DIN EN 60751:2009-05 immer noch gültig.
Die Norm unterteilt die Kennlinie in zwei Temperaturbereiche, von -200 °C bis 0 °C (in Blau dargestellt) und von 0 °C bis 850 °C (in Rot dargestellt).
Um die Messwiderstände besser zu klassifizieren, wurde in der Norm der sogenannte Nennwiderstand R0 eingeführt. Dieser beschreibt den elektrischen Widerstand des Temperatursensors bei 0 °C. Zum Beispiel hat ein Pt100-Temperatursensor bei 0 °C einen Widerstand von 100 Ohm. In der Norm werden folgende Nennwiderstände aufgeführt:
- Pt 10 = 10 Ohm bei 0 °C
- Pt 100 = 100 Ohm bei 0 °C
- Pt 500 = 500 Ohm bei 0 °C
- Pt 1.000 = 1.000 Ohm bei 0 °C
Um den definierten Nennwiderstand zu erreichen, wird die Länge oder der Durchmesser des Platin-Drahts im Messwiderstand angepasst. Dadurch ändert sich nicht nur der Widerstand, sondern auch die Empfindlichkeit der Sensoren:
- Pt 10 = 0,04 Ohm / K
- Pt 100 = 0,4 Ohm / K
- Pt 500 = 2 Ohm / K
- Pt 1.000 = 4 Ohm / K
Abweichende Nennwiderstände wie Pt 25, Pt 2,5 oder Pt 0,25 werden bei Präzisions-Thermometern verwendet und erfüllen oft die Anforderungen der ITS-90. Diese werden dann als SPRT oder Normal-Thermometer bezeichnet. Bei Laboranwendungen werden Pt 25-Thermometer oft bevorzugt, da sie einen guten Kompromiss zwischen Stabilität, Empfindlichkeit und Eigenerwärmung bieten.
Der Unterschied zwischen genormten Thermometern und Normal-Thermometern gemäß der ITS-90 zeigt sich im sogenannten Temperaturkoeffizienten, der in der Norm durch eine Widerstandsmessung bei 0 °C und 100 °C definiert ist:
Hierbei bedeuten:
alpha = Steigerung des Thermometers in 1/K
R100 = Widerstand bei 100 °C in Ohm
R0 = Widerstand bei 0 °C in Ohm
Der Alpha-Wert von industriellen Temperatursensoren nach Norm beträgt 3,85 10^-3/K, während der Alpha-Wert bei Normal-Thermometern gemäß ITS-90 bei 3,92875 10^-3/K liegt. Dieser Wert entspricht der Empfindlichkeit von spektralreinem Platin in diesem Temperaturbereich.
Quellen:
- Frank Bernhard: Handbuch der Technischen Temperaturmessung, 2. Auflage
- Thomas Klasmeier: Tabellenbuch „Temperatur“, Ausgabe 3
- [1] ISOTECH Kupferpunkt-Thermometer Nr. 108462 bis fast 1100°C.
- [2] Spezifischer Widerstand
- [3] DIN 43760
- [4] Ohmsche Gesetz