Pt100-Sensoren: Prinzipien und industrielle Anwendungen erklärt

In industriellen Umgebungen, in denen eine präzise Temperaturmessung entscheidend ist, zeichnet sich eine Technologie durch ihre Zuverlässigkeit und Genauigkeit aus: der Pt100-Platin-Widerstandstemperatursensor. Bekannt für seine hervorragende Linearität, Stabilität und Korrosionsbeständigkeit spielt dieser Sensor eine wichtige Rolle in industriellen Temperaturmessanwendungen.

Die Bezeichnung "Pt100" verrät wichtige Informationen über diesen Sensortyp. "Pt" steht für Platin, das Edelmetall, das als Sensorelement verwendet wird, während "100" einen Widerstand von 100Ω bei 0°C angibt. Ähnliche Namenskonventionen gelten für andere Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs), wie z. B. Cu100 (Kupfer) oder Ni120 (Nickel).

Unter den verschiedenen RTD-Typen ist Pt100 nach wie vor der am häufigsten verwendete. Die außergewöhnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Platin machen Platin-basierte RTDs (oft als Platin-Widerstandsthermometer oder PRTs bezeichnet) zur bevorzugten Wahl für Präzisionsmessungen.

Der Pt100 arbeitet nach einem grundlegenden Prinzip: Mit steigender Temperatur steigt auch der elektrische Widerstand des Platinelements. Ein Standard-Pt100-Sensor zeigt 100Ω bei 0°C und 138,5Ω bei 100°C, was eine konstante Änderung von etwa 0,385Ω pro Grad Celsius zeigt.

Alle Pt100-Spezifikationen—einschließlich Widerstandswerte, Temperaturkoeffizienten, Toleranzen und Kabelfarbcode—entsprechen der internationalen Norm BS EN 60751:2008. Diese Standardisierung gewährleistet die Austauschbarkeit zwischen Sensoren verschiedener Hersteller.

Obwohl es sich um ein Edelmetall mit höheren Materialkosten handelt, bietet Platin unübertroffene Linearität und Stabilität für die Temperaturmessung. Seine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit und chemische Inertheit, kombiniert mit Hochtemperaturstabilität, machen es ideal für anspruchsvolle Anwendungen. Neben RTDs wird Platin auch in Hochtemperatur-Thermoelementen verwendet.

Bemerkenswert ist, dass der tatsächliche Platinanteil in einem Pt100-Sensor minimal ist, wodurch die Materialkosten einen kleinen Bruchteil des gesamten Sensorpreises ausmachen.

Industrielle Pt100-Sensoren verwenden typischerweise eine von zwei Sensortechnologien: Dünnschichtelemente oder drahtgewickelte Elemente.

Die Dünnschichttechnologie dominiert volumenstarke, kostenempfindliche industrielle Anwendungen. Diese Elemente verfügen über ein lasergetrimmtes Platinraster, das auf einem Keramiksubstrat abgeschieden wird, wobei die automatisierte Produktion eine gleichbleibende Qualität gewährleistet. Dünnschichtsensoren, die in Automobil- und Geräteanwendungen üblich sind, bieten:

• Robuste Konstruktion, die erheblichen Stößen und Vibrationen standhält
• Standard-Betriebstemperaturbereich von -70°C bis +500°C
• Typische Toleranzen der Klasse B oder Klasse A (einige erreichen 1/3 DIN-Genauigkeit)

Es gibt jedoch Einschränkungen. Höhere Genauigkeitsanforderungen reduzieren den nutzbaren Temperaturbereich. Thermisches Radfahren kann zu einer Spannungsansammlung zwischen dem Platinraster und dem Keramiksubstrat führen, was möglicherweise die Langzeitgenauigkeit beeinträchtigt.

Drahtgewickelte Elemente, obwohl teurer aufgrund der manuellen Herstellung, liefern eine überlegene Zuverlässigkeit—insbesondere bei der Langzeitstabilität. Diese Sensoren verfügen über handgewickelte Platinspulen, die in poröse Keramikisolatoren eingesetzt werden, wodurch eine freie Wärmeausdehnung ohne Spannungsaufbau ermöglicht wird.

Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

• Erweiterter Temperaturbereich bis zu 650°C
• Höhere Toleranzklassifizierungen
• Einzige praktikable Option für kryogene Anwendungen bis zu -200°C

Der Kompromiss liegt in der mechanischen Robustheit—drahtgewickelte Elemente sind aufgrund ihrer minimal unterstützten Platinspulen nicht für Umgebungen mit hohen Vibrationen geeignet.

Unabhängig von der Sensortechnologie weisen Pt100-Sonden ähnliche Konstruktionsprinzipien auf. Die meisten verfügen über Schutzmetallhülsen—typischerweise Edelstahl 316 für den allgemeinen Gebrauch, mit Alternativen wie Edelstahl 310 oder Inconel für spezielle Anwendungen.

Freiliegende oder belüftete Elemente können trockene Gase messen, aber der Kontakt mit Flüssigkeiten muss vermieden werden. Die Anschlussmethoden variieren von der direkten Verkabelung bis zu Klemmenkästen oder Industriesteckern, je nach den Installationsanforderungen.

Die Messung der Pt100-Ausgabe ist mit kommerziellen Instrumenten, die sowohl die Signalerfassung als auch die Linearisierung handhaben, unkompliziert. Bei langen Kabelwegen wandeln Temperaturtransmitter das Widerstandssignal in industrieübliche 4-20mA-Ausgänge um, was eine zuverlässige Fernübertragung ermöglicht. Die Transmitter werden bei Bedarf in Anschlusskästen oder auf DIN-Schienen montiert.

Pt100 stellt einen spezifischen RTD-Typ mit 100Ω bei 0°C und 138,5Ω bei 100°C dar. Seine Stabilität und Genauigkeit machen ihn zum Industriestandard für die Prozess- und Labortemperaturmessung.

Der Sensor arbeitet nach der vorhersagbaren Widerstands-Temperatur-Beziehung von Platin, die durch die Callendar-Van-Dusen-Gleichung beschrieben wird. Diese lineare Änderung ermöglicht eine präzise Temperaturmessung in industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen.

Als IEC 60751-konformer RTD kombinieren Pt100-Sensoren Messrobustheit mit Genauigkeit. Ihre Platinelemente weisen eine geringe Hysterese und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf und sind oft in Edelstahl- oder Speziallegierungshülsen für raue Umgebungen untergebracht.

Mit Temperaturwerten von über 600°C dienen diese Sensoren anspruchsvollen Anwendungen von Industrieöfen bis zur Abgasmessung. Verschiedene Anschlussdrahtoptionen (Kupfer, Nickel usw.) und standardisierte Steckverbinder gewährleisten die Kompatibilität über Messsysteme hinweg.