Temperatursensor Pt100 - Carl-Engler

Carl-Engler-Schule Karlsruhe
Temperatursensor Pt100
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Temperatursensor Pt100
1.
Physikalischer Effekt
Bei allen Metallen vergrössert sich der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur. Durch die
zunehmenden Gitterschwingungen stossen die Elektronen auf ihrem Weg durch den Draht häufiger mit den
Gitteratomen. Sie verlieren dabei Energie und ändern ihre Richtung. Der Zusammenhang zwischen
Widerstand und Temperatur ist materialabhängig. Der Widerstand eines Platindrahtes steigt pro Kelvin
Temperaturerhöhung um etwa 0.385%.
2.
Normung
Im praktischen Einsatz des Sensors wird meist ein standardisiertes Bauteil eingesetzt. Die technischen
Daten sind in den Normen DIN 43760 bzw. IEC 751 festgelegt. Der Pt100- Messwiderstand hat bei 0°C einen
elektrischen Widerstandswert von 100 Ohm (der Pt1000 hat 1000 Ohm). Der Zusammenhang zwischen
Widerstandswert und Temperatur ist nichtlinear. Er wird durch die sog. Grundwertetabelle beschrieben.
Bezüglich der zulässigen Abweichungen werden die Klassen A und B unterschieden.
Für Klasse A gilt (-200°C < T < 650°C):
Für Klasse B gilt (-200°C < T < 850°C):
Dabei ist für [T] der Betrags-Zahlenwert der Temperatur in °C
einzusetzen.
Dies bedeutet, dass bei einem Sensor der Klasse A der Widerstand
bei 0°C von Bauteil zu Bauteil nur um 0.06 Ohm variieren darf,
bei 200°C sind dies ca. 0.20 Ohm. An die Widerstandsmessung
werden also ebenfalls sehr hohe Anforderungen gestellt.
3.
Vor- und Nachteile des Pt100
Als Vorteil können folgende Eigenschaften betrachtet werden:






dauerhaftes Material
in dünnes Schutzrohr einbaubar
austauschbar
genau
"fast lineare" Kennlinie
billig, da Massenprodukt
Als Nachteil können folgende Eigenschaften betrachtet werden:
 grosser Messaufwand
 selbstheizend
 langsam, träge
Um die Selbstheizung zu reduzieren werden manchmal Messschaltungen verwendet, bei denen der
stabilisierte Meßstrom nur während der Dauer des Messvorgangs fließt (gepulste Stromquelle).
Eingekoppelte Störungen durch das Versorgungsnetz (50 Hz bzw. 60 Hz) lassen sich durch Sperrfilter
(Notch-Filter) reduzieren, hochfrequentes Rauschen durch entsprechende Tiefpassfilter (typisch 3 MHz).
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4.
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Grundwerte-Tabelle
Die genormte Grundwertetabelle legt die Widerstandswerte über den gesamten Temperatur-Messbereich
in 1K-Schritten auf 0.01 Ohm genau fest.
5.
Ausgleichsfunktionen (statische Kennlinie)
Die Grundwerte können
geeignet ist, muss im
Genauigkeitsforderungen
reicht meist eine Lineare
durch mathematische Funktionen angenähert werden. Welche Funktion dafür
Einzelfall entschieden werden, da der mathematische Aufwand mit den
und dem gewünschten Temperaturbereich steigt. Im Bereich -20°C bis 100°C
Funktion (Ausgleichsgerade) aus, mit der Funktionsgleichung:
mit α = 0.00385 K-1.
Nach Umstellung ergibt sich für die
Temperatur in °C:
Der Fehler bei -20°C beträgt dabei 0.36K,
bei 20°C sind es 0.23K und bei 50°C liegt
der Fehler bei 0.39K. Bei 0°C und bei
100°C stimmen die Werte überein.
Bei höheren Genauigkeitsansprüchen und
insbesondere
bei
erweitertem
Temperaturbereich
verwendet
man
Polynome höheren Grades, mit denen aus den gemessenen Widerstandswerten zugehörige
Temperaturwerte berechnet werden (für den gesamten Temperaturbereich des Pt100 wäre mindestens ein
Polynom 2.Grades, also eine Parabel, zu verwenden).
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6.
Temperatursensor Pt100
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Sprungantwort
Die Sprungantwort zeigt, wie der Sensor auf eine
sprungartige Änderung der physikalischen
Eingangsgrösse reagiert. Die Zeitkonstante gibt
an, nach welcher Zeit das Ausgangssignal 63%
des Endwertes erreicht. Die Zeitkonstante hängt
sehr stark von der Bauform des Sensors ab, aber
auch vom umgebenden Medium (z.B. Wasser,
Luft, Sand).
7.
Messschaltungen
RL
I=const
z.B. I=1mA
V
Messgerät
Pt100
T+
RL
2-Draht-Messung: Leitungswiderstände werden mit gemessen
RL
I=const
z.B. I=1mA
V
Messgerät
Kein Stromfluss im Messkreis,
daher kein Spannungsabfall an den
Leitungswiderständen
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T+
RL
4-Draht-Messung: Leitungswiderstände werden nicht mit gemessen
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RL
I=const
z.B. I=1mA
V
1. Messgerät
Pt100
T+
RL
V
2.Messgerät
RL
3-Draht-Messung: Spannungsabfall über einer Leitung wird zweimal abgezogen
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