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!
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.
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
Grootte Pt100 sensor t.o.v. 1 eurocent
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
Grootte van een Pt100 sensor in SMD design t.o.v. 1 eurocent
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.
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 keramiek
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.
"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.
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.
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.
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 |
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.
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.
De dunnefilmtechnologie maakt metingen mogelijk in een bereik van -70 tot +600 °C.
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)
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).
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.
