Weerstandsthermometer pt100:
Een Pt100 is een weerstandsthermometer die afhankelijk is van de temperatuur en waarvan de waarde toeneemt met een stijgende temperatuur. Dit wordt een positieve temperatuurscoëfficiënt genoemd. De naam Pt100 komt van het gebruikte materiaal platina (Pt) en de weerstandswaarde van 100 Ω bij 0°C. Het werkingsprincipe van metalen weerstandsthermometers, normaal gesproken thermoresistoren genoemd, is gebaseerd op de variatie van de elektrische weerstand van een metaal met veranderingen in de omringende temperatuur.
In de industriële sector worden meestal platina en nikkel gebruikt, die door hun hoge resistiviteit en stabiliteit de productie van thermo-elementen mogelijk maken die zeer reproduceerbaar zijn, klein van formaat en uitstekende dynamische eigenschappen hebben.
Temperatuurmetingen uitgevoerd met thermoresistoren zijn veel nauwkeuriger en betrouwbaarder dan die uitgevoerd met andere typen sensoren zoals thermokoppels.
Normaal gesproken worden weerstandsthermometers geïdentificeerd met de code van het materiaal waarmee ze zijn gemaakt (platina = Pt, nikkel = Ni, enz.) gevolgd door hun nominale weerstand bij een temperatuur van 0°C.
Een Pt100 is een dunne-laagsensor die bestaat uit een rechthoekig keramisch substraat, waarop het platina in een meanderende vorm wordt aangebracht. De twee uiteinden van de weerstand zijn voorzien van draden en de complete sensor krijgt een glazen beschermlaag. Nadeel: Dunne-laagelementen zoals de Pt100 zijn schokgevoelig door de glazen beschermlaag. De dunne-laagelementen worden toegepast bij temperatuurmetingen tot 400°C.
Draadgewonden keramische sensoren bestaan uit een keramische basis waarop een platina draad is aangebracht. Met de tweede externe keramische beschermlaag wordt de sensor mechanisch veilig en ook chemisch resistent. Keramische sensoren kunnen door deze constructie worden gebruikt in het meetbereik tussen -200 en 600°C. Maar ook een keramische basis heeft zijn zwaktes bij trillingen. Draadgewonden sensoren met een keramische basis worden overal gebruikt waar hogere temperaturen moeten worden gemeten, omdat deze kunnen worden gebruikt tot 600°C.
Er zijn verschillende methoden voor het verbinden van weerstandsthermometers met de meetapparaten. De keuze voor de ene methode boven de andere hangt voornamelijk af van de vereiste precisie in de meting.
Weerstandsthermometers verbindingstechnieken:
A) 2-draads
B) 3-draads
C) 4-draads
2-draads aansluiting
De twee-draads techniek is de minst precieze en wordt alleen gebruikt in gevallen waar de verbinding van de thermoweerstand wordt uitgevoerd met korte en lage weerstandsdraden. Bij het testen van het equivalente elektrische circuit kan men opmerken dat de gemeten elektrische weerstand de som is van die van het gevoelige element (en dus afhankelijk is van de te meten temperatuur) en de weerstand van de gebruikte geleiders voor de verbinding. De fout die bij dit type meting wordt geïntroduceerd, is niet constant: deze is afhankelijk van de temperatuur.
3-draads aansluiting
Dankzij de goede mate van nauwkeurigheid die met metingen kan worden verkregen, wordt de drie-draads techniek het meest gebruikt in de industriële sector. Bij deze meettechniek worden de fouten veroorzaakt door de weerstand van de geleiders die worden gebruikt voor de verbinding van de thermoweerstand geëlimineerd; bij de uitgang van de meetbrug is de aanwezige spanning volledig afhankelijk van de variatie van de weerstand van de weerstandsthermometer en dus uitsluitend van de temperatuur.
4-draads aansluiting
De volt-ampèremeter vier-draads techniek biedt de grootst mogelijke precisie; het wordt weinig gebruikt in de industriële sector en bijna uitsluitend toegepast in laboratoriumomgevingen. In een equivalent elektrisch circuit kan worden gezien dat de gemeten spanning uitsluitend afhangt van de weerstand van het thermo-element; de precisie van de meting is uitsluitend afhankelijk van de stabiliteit van de meetstroom en de nauwkeurigheid van de spanningsmeting over het thermo-element.
Thermokoppels:
Toepassing bij hoge trillingsbelastingen en hogere temperatuurbereiken vanaf 400°C.
Een thermokoppel bestaat uit twee verschillende elektro-geleidingsmaterialen met verschillende posities op de thermo-elektrische keten. Als deze op één punt met elkaar zijn verbonden en dit punt een andere temperatuur heeft dan het aansluitpunt, wordt er een spanning gegenereerd die afhankelijk is van het temperatuurverschil.
Conclusie: Hoewel thermokoppels de betere keuze zijn bij trillingen, hebben Pt100’s echter een hogere absolute nauwkeurigheid en is ook de langdurige stabiliteit beter.
Hoofdoorzaken van fouten bij metingen met thermoweerstanden:
Het meten van temperatuur met thermoweerstanden is vrij eenvoudig in vergelijking met het gebruik van andere soorten sensoren, maar bepaalde stappen moeten worden genomen om eventuele meetfouten te verhelpen. Er zijn drie hoofdoorzaken van fouten die worden geïntroduceerd bij temperatuurmetingen met thermoweerstanden:
- Fout door zelfopwarming van het gevoelige element
- Fout door slechte elektrische isolatie van het gevoelige element
- Fout doordat het gevoelige element niet op voldoende diepte is ondergedompeld
Het gevoelige element verwarmt zichzelf tijdens de meting wanneer het wordt doorkruist door een te hoge stroom, die door het Joule-effect de temperatuur van het element verhoogt. De temperatuurstijging hangt zowel af van het type gevoelige element dat wordt gebruikt als van de meetomstandigheden. Bij dezelfde temperatuur zal dezelfde thermoweerstand zichzelf minder opwarmen als deze in water wordt geplaatst in plaats van in lucht; dit komt doordat water een hogere dispersiecoëfficiënt heeft dan lucht. Normaal gesproken hebben alle meetapparaten die thermoweerstanden als sensoren gebruiken een extreem lage meetstroom, maar het is raadzaam om nooit een meetstroom van 1 mA (EN 60751) te overschrijden.
Voor een correcte meting met thermoweerstanden is het zeer belangrijk dat de elektrische isolatie tussen de geleiders en de buitenmantel voldoende groot is, vooral bij hoge temperaturen. De isolatieweerstand kan worden gezien als een elektrische weerstand die parallel staat aan die van het gevoelige element. Het is dus duidelijk dat bij een constante temperatuur, als de elektrische isolatie afneemt, de spanning die over het gevoelige element wordt gemeten ook zal afnemen, wat een fout in de meting introduceert. De isolatieweerstand kan afnemen wanneer de sonde wordt gebruikt bij te hoge temperaturen, bij sterke trillingen of door de invloed van fysieke of chemische agentia.
De dompeldiepte van het gevoelige element is ook van groot belang voor correcte metingen; in tegenstelling tot thermokoppels waar metingen puntvormig kunnen worden beschouwd, kan een onvoldoende diepte fouten veroorzaken in de meting van wel enkele graden °C. Dit komt doordat de mantel, meestal van metaal, waarmee het gevoelige element wordt beschermd, warmte verspreidt in verhouding tot het temperatuurverschil tussen de warme en koude gebieden; we hebben daarom een thermisch gradiënt langs een deel van de lengte van de mantel. De dompeldiepte moet dus voldoende zijn zodat het gevoelige element binnen de mantel niet wordt blootgesteld aan dit thermisch gradiënt. De minimale diepte zal afhangen van de fysieke meetomstandigheden en de afmetingen van de thermoweerstand (lengte van het element, etc.).