Temperatuurmeting

De Pt100 sensor - uitgelicht

De Pt100 is een veelgebruikte temperatuursensor in de meet- en regeltechniek als onderdeel van een weerstandsthermometer. Een andere veelgebruikte benaming is RTD, Resistance Temperature Detector, hoewel hier ook andere typen sensoren onder vallen. 70% van alle industriële temperatuurmetingen wordt uitgevoerd door de RTD temperatuursensor Pt100. De reden hiervoor is het grote meetbereik, het lineaire gedrag, de lange levensduur, de eenvoudige aansluiting en de nauwkeurigheid van de sensor. Leer meer over de Pt100 sensor!

Inhoudsopgave

Wat is een Pt100 temperatuursensor?

Een Pt100 temperatuursensor is het meest voorkomende type in het assortiment RTD-temperatuursensoren. RTD staat voor de term "Resistant Temperature Detector" en beschrijft een temperatuursensor die gebruikt maakt van de interactie tussen een elektrische weerstand en de temperatuur. Pt verwijst naar het weerstandsmateriaal in de sensor, deze is gemaakt van platina (Pt). 100 betekent dat de sensor een weerstand heeft van 100 ohm (Ω) bij een temperatuur van 0 °C.


Hoe is een Pt100 temperatuursensor opgebouwd?

Tegenwoordig bestaat deze uit een keramische drager waarop een dunne platina laag is aangebracht door middel van opdampen (Chemical Vapour Deposition). Vanwege de zeer dunne laagdikte die door dit proces ontstaat wordt er ook wel gesproken van dunne-film-sensoren. De platinalaag wordt in een zigzagpatroon gestructureerd en op de drager geplaatst met behulp van een fotolithografisch proces. De aansluitdraden worden op de aansluitpads gelast en de spanning op dit contactoppervlakte wordt met een glaslaag ontlast. Een andere separate glaslaag wordt over de platinalaag heen gesmolten, deze dient als bescherming tegen externe invloeden en isolatie van de gevoelige platinalaag.

Opbouw van een Pt100 sensor

Opbouw van een Pt100 sensor

Grootte Pt100 sensor t.o.v. 1 eurocent

Grootte Pt100 sensor t.o.v. 1 eurocent

Waar wordt een Pt100 met aansluitkabel ingezet?

Een gekabelde Pt100 wordt voornamelijk gebruikt bij industriële elektrische temperatuurmetingen in RTD-temperatuursensoren.  


Bovendien zijn deze Pt100 sensoren verkrijgbaar in SMD-uitvoering (afkorting voor Surface Mounting Device). Sensoren in deze bouwvorm hebben geen draadverbindingen maar contactpunten die in verbinding staan met de printplaat en als aansluitpads fungeren. Op deze contactpunten worden de aansluitdraden rechtstreeks gelast. Ook hier wordt een glaslaag over de platinalaag heen gesmolten, welke dient als bescherming tegen externe invloeden en isolatie.

Opbouw van een Pt100 sensor in SMD design

Opbouw van een Pt100 sensor in SMD design

Grootte van een Pt100 sensor in SMD design t.o.v. 1 eurocent

Grootte van een Pt100 sensor in SMD design t.o.v. 1 eurocent

Waar wordt een Pt100 in SMD-uitvoering ingezet?

Pt100 sensoren in SMS-uitvoering zijn geschikt voor oppervlakte of omgevingstemperatuurmeting voor montage op printplaten en zijn een goede keus voor temperatuurbewaking of compensatiecircuits. Ze worden veel ingezet als meetinzet voor complete temperatuursensoren. De Pt100 sensoren in SMD-uitvoering worden volledig geautomatiseerd gemonteerd op de printplaat welke als meetinzet in een sensorarmatuur wordt gemonteerd. Dergelijke sensoren worden bijvoorbeeld in grote aantallen gebruikt voor het meten van energie in energiemeters.

Wat is een draadgewonden Pt100?

Platina chip temperatuursensoren bestaan sinds de jaren tachtig. Deze chip sensoren hebben grotendeels de tot dan toe gebruikte Pt100-sensoren met een platina draadwikkeling vervangen. Traditioneel werden de sensorelementen gemaakt door platinadraad om een isolerende keramische kern te wikkelen waarna deze in een buis van hetzelfde materiaal werden geschoven. Of de sensorelement werd gemaakt door platinadraad om een glazen staaf te wikkelen en vervolgens te verhitten tot een temperatuur waarbij het glas met de platinadraad smelt. Afhankelijk van de toepassing werd het element in een metalen of in een glazen omhulsel geplaatst.

Opbouw van een Pt100 sensor met platina draadwikkeling op glas

Opbouw van een Pt100 sensor met platina draadwikkeling op glas

Opbouw van een Pt100 sensor met platina draadwikkeling op keramiek

Opbouw van een Pt100 sensor met platina draadwikkeling op keramiek

Waar worden draadgewonden Pt100-sensoren gebruikt?

Met deze sensoren zijn metingen tot 800 °C mogelijk. In speciale toepassingen worden de draadgewonden sensoren nog steeds gebruikt (bijvoorbeeld in het laboratorium). Maar dit zijjn uitzonderingen, in de regel worden de boven beschreven platina chip-temperatuursensoren gebruikt.

Waar staat Pt100 voor?

"Pt" is de aanduiding voor het weerstandsmateriaal platina en het getal 100 betekent dat de sensor een weerstand heeft van 100 ohm (Ω) bij een temperatuur van 0 °C.


Wat is het verschil tussen een Pt100 en een thermokoppel?

Een Pt100 en een thermokoppel zijn beide temperatuursensoren, maar veel raakvlakken daarnaast hebben ze niet. Het verschil zit hem in de meetprincipe welke de Pt100 en een thermokoppel gebruiken. Een Pt100 is een temperatuursensor die gebruikmaakt van de elektrische weerstand bij een bepaalde temperatuur. Ofwel hoeveel weerstand ondervindt de elektrische geleiding van het materiaal (hier platina) wanneer de temperatuur verandert. Een thermokoppel is een temperatuursensor die gebruikmaakt van het seebeck-effect. Het seebeck-effect is gebaseerd op het verschil in spanningskracht die ontstaat tussen twee verschillende metalen geleiders, wanneer de temperatuur verandert bij het meetpunt waar deze aan elkaar zijn gelast. Doordat de temperatuursensoren verschillende meetprincipes hanteren heeft de Pt100 vooral als voordeel dat het veel nauwkeuriger de temperatuur meten dan een thermokoppel. Daarintegen heeft een thermokoppel weer een breder temperatuurbereik en is deze vaak robuuster en beter bestand tegen mechanische belasting.

Hoe werkt een Pt100 temperatuursensor?

Een temperatuurafhankelijke weerstand meet bij temperatuurschommelingen de verandering in de elektrische weerstand in het materiaal platina. De Pt100 is een temperatuursensor die gebruikmaakt van de elektrische weerstand bij een bepaalde temperatuur. Hier wordt de hoeveelheid weerstand van de elektrische geleiding gemeten in het materiaal platina. De reden is dat de elektrische geleiding in materialen meer weerstand ondervindt bij temperatuursverhoging. Dit komt doordat de atomen actiever gaan bewegen wanneer het materiaal warmer wordt, hierdoor kunnen elektronen minder vrij tussen de atomen bewegen en dit resulteert in een toename van de elektrische weerstand in het materiaal.

De weerstandswaarde volgens de Europse norm is RPt100 = 100 + 0,385055 × T. Dit betekent dat de positieve temperatuurcoëfficiënt van een Pt100 0,385055 ohm per kelvin is. Een andere nauwkeurige benadering is:  RPt100 = (100 + 0,390802 × T - 0,000 0580195 × T2).

In de video krijgt u een overzicht van het opbouw van een Pt100 sensor en de werking van RTD-temperatuursensoren waarin de Pt100 sensorelementen worden gebruikt.


Wat is een Pt100-tabel?

Een Pt100-tabel of Pt100-weerstands­tabel is een tabel met referentie­waarden voor de weerstand (in ohm) voor elke graad celsius. Hierdoor kan de weerstand voor Pt100 per graad °C gemakkelijker gevonden worden.

Pt100 weerstands­referentie­waarden in stappen van 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


Wat is de Pt100 formule?

Voor temperatuursensoren van platinum (zoals Pt sensoren) kan een polynoom worden gebruikt om de weerstand per temperatuursgraad in celsius te berekenen.

De basis formule voor de polynoom van de tweede orde is:

R(T) = R0 x (1 + A x ϑ + B x ϑ2)

R0: Basisweerstand bij 0 °C

ϑ: Temperatuur in °C

A, B: Individuele coëfficiënten van de sensor

Voor een Pt100 is de basisweerstand 100 Ω en de individuele coëfficiënten 3.9083 ×10-3 °C-1 (A) en -5.775 ×10-7 °C-2 (B). Als wij deze waarden opnemen in de polynoom dan is de formule voor de Pt100:

R(T) = 100 Ω x (1 + 3.9083 ×10-3 °C-1 x ϑ - 5.775 ×10-7 °C-2x ϑ2)

De formule geldt alleen voor positieve temperaturen.

Zijn er andere nominale weerstanden?

Naast de Pt100 sensoren bestaan er ook platina sensoren met basisweerstanden van 500 ohm bij 0 °C (de Pt500) of 1000 ohm bij 0 °C (de Pt1000). Deze sensoren komen minder vaak voor dan de Pt100, maar zijn niet zeldzaam. Vaak worden zulke sensoren gebruikt in processen waar de meting uiterst nauwkeurig moet zijn. Ga van het volgende uit: hoe hoger de basisweerstand / ohm bij 0 °C, hoe nauwkeuriger de sensor meten zal. Andere nominale weerstanden kunnen ook worden vervaardigd, maar dit wordt zelden tot niet gedaan.

Voor welk temperatuurbereik is een Pt100 geschikt?

De dunnefilmtechnologie maakt metingen mogelijk in een bereik van -70 tot +600 °C.

Hoe zit het met de nauwkeurigheid van de Pt100?

Voor de meetnauwkeurigheid van sensoren met dunnefilmtechnologie zijn toleranties in een norm gespecificeerd. Deze sensoren kunnen geclassificeerd worden in tolerantieklassen of Pt100-nauwkeurigheidsklassen van F 0,1 (hoge nauwkeurigheid) tot F 0,6 (lage nauwkeurigheid). De tolerantie of grensafwijking wordt volgens de norm bepaald wanneer wij de meettemperatuur opnemen in de Pt100 formule.

Pt100-nauwkeurigheidsklassen
Tolerantieklasse Grensafwijking [K]
F 0,1 (Klasse B 1/3 DIN) ±(0,1 + 0,0017 x ItI)
F 0,15 (Klasse A) ±(0,15 + 0,002 x ItI)
F 0,3 (Klasse B) ±(0,3 + 0,005 x ItI)
F 0,6 (Klasse 2B) ±(0,6 + 0,01 x ItI)

Hier volgen twee voorbeelden:

Bepaling van de tolerantie voor een sensor van klasse F 0,1 en een meettemperatuur van 100 °C:

±(0,1+0,0017 x I100I= ± 0,27 K (komt overeen met ±0,27 °C)


Bepaling van de tolerantie voor een sensor van klasse F 0,3 en een meettemperatuur van 400 °C:

±(0,3+0,005 x I400I= ± 2,3 K (komt overeen met  ±2,3 °C)

Waarom wordt het Pt100 genoemd?

Pt in de naam Pt100 staat voor het chemische element Platinum en is de naam van het weerstandsmateriaal. 100 in de naam staat voor de nominale waarde of nominale weerstand bij een temperatuur van 0 °C. Volgens DIN EN 60 751 is voor de nominale waarde een waarde van 100 Ω bepaald, daarom wordt het Pt100 genoemd.

Veelvouden hiervan zijn toegestaan daarom worden nominale waarden van 500 Ω en 1000 Ω aangeboden. Het voordeel zit in de hogere gevoeligheid. Dat wil zeggen een grotere weerstandsverandering ten opzicht van de temperatuur (Pt 100: ca. 0.4 Ω /K; Pt 500: ca.. 2.0 Ω /K; Pt 1000: 4.0 Ω /K).


Wat zijn de voordelen van een Pt100?

Pt100-sensoren zijn op lange termijn zeer stabiel, wat voornamelijk verklaard wordt door het weerstandsmateriaal platina. De karakteristieke curve van de sensoren is gestandaardiseerd. Als de karakteristieke curve beschikbaar is in een evaluatie-eenheid dan is de evaluatie van het temperatuursignaal mogelijk. Door de standaardisatie van de Pt100 sensoren is het geen probleem om reserveonderdelen of geprefabriceerde weerstandstemperatuursensoren aan te schaffen.