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.

Völllig neue Konstruktion des Messeinsatzes

Das „Geheimnis“ liegt in der Konstruktion dieses Messeinsatzes. Zwar wird auch hier eine mineralisolierte Mantelleitung als Basis verwendet, doch völlig neu sind der strikt modulare Aufbau und die innovative Gestaltung der Messeinsatzspitze mit dem Pt100-Sensorelement. Es wird völlig auf die Verwendung von Keramikpulvern zur Verfüllung verzichtet. Stattdessen ist das Pt100-Dünnschichtsensorelement in einer Kappe, gefüllt mit einer speziellen Keramikvergussmasse, fest und hohlraumfrei eingebettet. Ein relativ komplexes Keramikformteil dient als ein Verbindungselement zwischen den Anschlussdrähten des Sensorelements und den Innenleitern der Mantelleitung, welche bei der späteren Montage miteinander verschweißt werden.

Dieses Modul „Sensorkappe“ wird dabei unabhängig vom eigentlichen Messeinsatz gefertigt und kann, beispielsweise durch die Verwendung eines anderen Sensorelements oder eines anderen Kappenmaterials, einfach modifiziert und an spezielle Kundenwünsche angepasst werden.

Der Sensor mit den schnellsten Ansprechzeiten

Eine weitere Entwicklung auf dieser Basis ist der iTHERM QuickSens, der Sensor mit den schnellsten Ansprechzeiten. Dadurch kann die Temperatur sehr viel näher an der optimalen Prozesstemperatur gefahren werden, wodurch Energie eingespart wird.

Um Ansprechzeiten von t90 = 0,75 s zu erreichen, wird das Pt100 Sensorelement direkt mit dem Boden der Sensorkappe kontaktiert. Auf diese Art wird die Wärme direkt in den Sensor übertragen und kürzeste t90-Zeiten realisiert. Zusätzlich erlaubt diese Konstruktion sehr kurze minimale Eintauchtiefen. Konkret, sowohl in der 3 mm wie auch der 6 mm Außendurchmesservariante der QuickSens-Messeinsätze, ist die minimale Eintauchtiefe bei 100°C gemäß IEC 60751 von nur 25 mm gegeben. Auch hier kommt wieder eine Keramikvergussmasse zum Einsatz. Der auf diese Weise aufgebaute Messeinsatz kann in einem Temperaturbereich von - 50 °C bis 200 °C eingesetzt werden.

Hochtemperaturvariante für Einsätze über 600 °C

Eine besondere Hochtemperaturvariante für Einsätze ≥ 600 °C wird entwickelt und befindet sich in der Erprobungsphase, die sehr vielversprechend verläuft. Die Kombination der Messgenauigkeit, Langzeitstabilität eines Pt100 und gleichzeitig extremer Robustheit für Temperaturen um 600 °C sind bisher unerreicht. Diese Eigenschaften ermöglichen in einigen Anwendungen eine deutliche Optimierung des Wirkungsgrads der Anlage.

Auch Messeinsätze mit unterschiedlichen Außendurchmessern sind realisierbar. Durch die Verwendung jenes Keramik-Steckadapters ist eine Art Baukastensystem entstanden, aus dem unterschiedliche Sensorkappenvarianten mit diversen Mantelleitungen sehr einfach kombinierbar werden.

Eine komplett neue Fertigungstechnologie

Für die komplexe Fertigung der Sensorkappen, die Bearbeitung der Mantelleitungen, die Montage und Verschweißung von Mantelleitung und Kappe sowie für die Prüfungen der fertigen Messeinsätze wurde bei Endress+Hauser eine eigene, komplett neue Fertigungstechnologie entwickelt und umgesetzt. Die Pt100-Messeinsätze werden in der neuen Anlage in großen Stückzahlen nahezu vollautomatisch gefertigt und geprüft. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die gleichbleibend hohe Qualität und hundertprozentige Rückverfolgbarkeit dieser neuen Generation von Messeinsätzen.

Alle ausgelieferten Messeinsätze werden auf die Einhaltung ihrer spezifizierten Eigenschaften geprüft. Ebenso wird die Qualität der Schweißverbindungen sowie das Einhalten der eng tolerierten Außenmaße überwacht . Der Widerstandswert jedes einzelnen Pt100-Messeinsatzes wird mindestens bei 0 °C gemessen. Anhand erfolgt eine Klassifizierung in die Toleranzklassen A oder besser gemäß IEC 60751. Ebenso wird bei jedem Messeinsatz der Isolationswiderstandswert sowie die Spannungsfestigkeit zwischen Anschlussleitungen und Metallmantel mit typischerweise ≥ 1000 V DC bestimmt.

Alle diese Messwerte sind in Endress+Hauser Datenbanken abgelegt und für den späteren Käufer des jeweiligen Messeinsatzes über die Seriennummer transparent und jederzeit abrufbar. (jv)

* Dirk Lahme ist Produktmanager Temperaturmesstechnik bei Endress+Hauser in Weil am Rhein.

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