Pt100-Sensoren Neu konstruierte Messeinsätze erhöhen Messgenauigkeit

Autor / Redakteur: Dirk Lahme* / Jan Vollmuth

Pt100-Messeinsätze sind das Herz des Thermometers und haben direkten Einfluss auf die messtechnischen Eigenschaften der gesamten Temperaturmessstelle. Ein neues Fertigungsverfahren von Endress+Hauser macht die sensiblen Sensoren noch feinfühliger.

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Jeder Pt100-Sensor von Endress+Hauser wird exakt in der Sensorkappe positioniert.
Jeder Pt100-Sensor von Endress+Hauser wird exakt in der Sensorkappe positioniert.
(Bild: Endress+Hauser)

Obwohl Messeinsätze so scheinbar einfach und von außen betrachtet gleich aufgebaut sind – ein Pt100-Messwiderstand mit typischerweise vier voneinander elektrisch isolierten Anschlussleitungen in einem Rohr – unterscheiden sich die Pt100-Messeinsätze verschiedener Hersteller im Detail. Es zählen letztlich die „inneren Werte“. Die konkrete Konstruktion der Sensorspitze, die aufgewendete Sorgfalt und viele vermeintliche Kleinigkeiten bei seiner Fertigung entscheiden über die tatsächliche Qualität.

Standard ist mittlerweile für höhere Einsatztemperaturen die Verwendung sogenannter mineralisolierter Mantelleitungen. Sie enthalten die Anschlussleitungen aus Kupfer, Nickel oder Nickel/Chrom, an welche der eigentliche Temperatursensor (Pt100) später mittels Hartlöten oder Verschweißung angeschlossen wird.

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Alle Hohlräume werden mit Keramikpulver aufgefüllt

Solche Mantelleitungen werden aufgerollt geliefert. Sie sind für die Herstellung eines Messeinsatzes zu richten und auf die gewünschte Länge zu kürzen. An ihren Enden wird anschließend die Mineralisolierung (MgO- oder Al2O3-Pulver) teilweise entfernt, um die Drähte freizulegen, und das Sensorelement angeschweißt bzw. gelötet. Danach ist die Leitung mit einer passenden Hülse wieder zu verlängern, alle verbleibenden Hohlräume mit Keramikpulver möglichst kompakt auszufüllen und das Ganze mit einem Boden zu versehen und zu verschließen.

Dies ist seit vielen Jahren die Standard-Fertigungstechnologie für solche Messeinsätze, die zu einem Großteil immer noch manuell ausgeführt wird. Natürlich bleiben dabei Qualitätsschwankungen nicht aus. Verunreinigungen, die das Pt100-Sensorlement bei höheren Temperaturen schneller altern lassen, eingedrungene Luftfeuchtigkeit, welche den Isolationswiderstand der Leitung herabsetzt oder verbleibende Hohlräume im Bereich der Messeinsatzspitze, die bei Vibrationen zu Leitungsbrüchen führen, sind Beispiele.

Das sichere Einbetten des Pt100-Elements ist aufwändig

Gerade das ausreichend kompakte und dichte Verfüllen mit möglichst reinem, trockenem Keramikpulver und das sichere Einbetten des Pt100-Elements gestalten sich aufwändig und lassen sich trotz des Einsatzes von Rüttelapparaturen o. ä. in der Praxis kaum wirklich zufriedenstellend mit gleichbleibender Qualität realisieren. Die Art des verwendeten Pt100-Sensorelements, seine Einbettung und Kapselung sind jedoch wesentlich für die spätere Kennlinien-Langzeitstabilität und die mechanische Belastbarkeit des Messeinsatzes unter Prozessbedingungen.

Endress+Hauser verfolgt seit einiger Zeit ein völlig neues Konzept für die Fertigung seiner Pt100-Messeinsätze. Erstes Ergebnis dieser Produkt- und Fertigungsentwicklung war der iTHERM TS111 StrongSens. Der neue Messeinsatz mit Pt100-Dünnschichtsensorelement hat 6 mm Außendurchmesser. Er ist für Dauereinsatztemperaturen im Bereich -50 °C bis 500 °C geeignet. Neben thermischen Ansprechzeiten t90 < 10 s, gemessen nach IEC 60751 in Wasser, minimalen Eigenerwärmungsfehlern von ≤ 25 mΩ/mW, hoher Langzeit-Kennlinienstabilität und Messgenauigkeit, selbst bei maximaler Einsatztemperatur, zeichnet er sich z. B. durch eine dauerhafte Vibrationsbeständigkeit selbst bei Beschleunigungen von ≥ 600 m/s2 (≥ 60 g) aus. Der iTHERM StrongSens ist in dieser Kombination von Eigenschaften derzeit wohl einzigartig auf dem Markt.

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