Pt100 sensor: werking en toepassingen

Wat is een Pt100 sensor?

Een Pt100 sensor is een weerstandssensor die temperatuur meet met een meetelement van platina. Pt is het chemische symbool van platina, en 100 staat voor de weerstand die het element bij 0 °C heeft: exact 100,00 Ω. Platina is het standaardmateriaal omdat het over lange tijd stabiel blijft, goed reproduceerbaar meet en een positieve temperatuurcoëfficiënt heeft. De weerstand stijgt dus mee met de temperatuur, en dat verband is zo goed gedefinieerd dat er een internationale norm op gebouwd is.

Binnen de industriële druk- en temperatuurmeting is de Pt100 naast het thermokoppel de tweede grote meetfamilie. Rokoma levert beide, zodat je de sensor kiest op je proces en niet op wat er toevallig op voorraad ligt.

RTD betekenis en het verschil met een Pt100 sensor

RTD staat voor Resistance Temperature Detector en is de verzamelnaam voor alle sensoren die temperatuur afleiden uit een elektrische weerstand. De Pt100 is daar het meest gebruikte type binnen, maar de verhouding loopt één kant op: elke Pt100 is een RTD, terwijl niet elke RTD een Pt100 is. Onder dezelfde noemer vallen ook Pt500 en Pt1000, en historisch nikkel- en koperuitvoeringen.

Een tweede onderscheid loopt in datasheets vaak door elkaar: de meetweerstand is het platina element zelf, de weerstandsthermometer is het complete instrument daaromheen. Sinds de herziening van IEC 60751 in 2008 geldt de tolerantieklasse voor dat instrument en niet meer voor het kale element.

Verwar de Pt100 verder niet met een NTC of een PTC-thermistor. Dat zijn halfgeleiders in plaats van metaal, ze meten sterk niet-lineair, en bij een NTC daalt de weerstand juist wanneer de temperatuur stijgt.

Pt500 en Pt1000 als varianten van de RTD sensor

Pt500 en Pt1000 werken op precies hetzelfde principe als de Pt100 en verschillen alleen in de nominale weerstand bij 0 °C. Die hogere basiswaarde levert een grotere weerstandsverandering per graad op.

• Pt100: 100 Ω bij 0 °C, gevoeligheid circa 0,4 Ω/K
• Pt500: 500 Ω bij 0 °C, gevoeligheid circa 2,0 Ω/K
• Pt1000: 1000 Ω bij 0 °C, gevoeligheid circa 4,0 Ω/K

Dat verschil telt vooral bij een 2-draadsaansluiting, waar de kabelweerstand meemeet: tegenover 1000 Ω weegt die relatief tien keer minder zwaar dan tegenover 100 Ω. Zit je vast aan een bestaande tweeaderige kabel, dan is een Pt1000 vaak de praktische uitweg. Controleer wel of je uitleeselektronica het Pt1000-signaal accepteert. Naast de platinatypes is er de NTC-sensor, een goedkoper alternatief voor een beperkter bereik.

Zo werkt een Pt100 temperatuur sensor

Een Pt100 temperatuur sensor werkt doordat de elektrische weerstand van platina toeneemt naarmate de temperatuur stijgt. De oorzaak ligt in het metaalrooster: bij hogere temperatuur trillen de atomen heftiger, waardoor de vrije elektronen er moeilijker langs komen en de weerstand oploopt.

Om die weerstand uit te lezen stuurt de meetapparatuur een kleine constante stroom door het element en meet de spanningsval eroverheen. Uit die spanningsval volgt de weerstandswaarde, en daaruit wordt de temperatuur afgeleid.

Die meetstroom is meteen de eerste foutbron. De hulpstroom ligt doorgaans tussen 0,1 en 10 mA, maar blijft bij voorkeur onder 1 mA, omdat het element zichzelf anders meetbaar opwarmt. Hoe slechter de warmte wordt afgevoerd, hoe groter die fout: in stilstaande lucht of gas leest een Pt100 eerder te hoog dan in een stromende vloeistof.

Houd er verder rekening mee dat de sensor zijn eigen temperatuur meet en niet die van het medium, dus alles wat het thermisch contact verstoort komt terug in je meting.

Van weerstand naar temperatuur met de Pt100 tabel

Een Pt100 tabel geeft per temperatuur de bijbehorende weerstandswaarde volgens IEC 60751, zodat je een gemeten weerstand direct kunt terugvertalen. Vier vaste ijkpunten uit die tabel:

• -40 °C: 94,27 Ω
• 0 °C: 100,00 Ω
• 20 °C: 107,79 Ω
• 100 °C: 138,51 Ω

Rond kamertemperatuur beweegt de meting met ongeveer 0,39 Ω per graad, dus een tiende graad komt neer op zo'n 0,04 Ω. Achter de tabel zit de Callendar-Van Dusen-vergelijking, de kwadratische formule waarmee elk tussenliggend punt exact te berekenen is.

Waarom de weerstandscurve nagenoeg lineair is

De weerstandscurve van een Pt100 is nagenoeg lineair, maar niet volledig recht. Over het volle meetbereik wijkt de karakteristiek ruim vier procent af van een rechte lijn, en precies daarom bestaat die kwadratische formule. De gemiddelde helling tussen 0 en 100 °C ligt vast als temperatuurcoëfficiënt α = 3,851 × 10⁻³ °C⁻¹, in de praktijk alpha 385. Tussen ongeveer -50 en +150 °C is de lineaire benadering nauwkeurig genoeg voor procesregeling.

Let op bij internationaal materiaal. Amerikaanse sensoren gebruiken soms alpha 392, en Japans materiaal uit oudere installaties de JPt100-curve met alpha 3,916. Staat je regelaar op de verkeerde curve, dan meet een verder perfecte sensor structureel verkeerd.

Tolerantieklassen van de Pt100 sensor volgens IEC 60751

IEC 60751 deelt Pt100-sensoren in vier tolerantieklassen in, van AA als strengste tot C als ruimste. Elke klasse heeft een eigen formule waarin de toegestane afwijking meegroeit met de gemeten temperatuur, en een eigen bereik waarbinnen die klasse geldig is.

Dat geldigheidsbereik is geen voetnoot maar de kern van de indeling. Buiten dat bereik doet de norm geen enkele uitspraak over het gedrag van de sensor. Een dunfilm klasse AA heeft onder 0 °C en boven 150 °C dus helemaal geen klassetolerantie meer, hoe streng het label ook oogt. Bepaal je klasse daarom altijd op de werkelijke procestemperatuur en niet op het referentiepunt van 0 °C.

Klasse B is in industriële omgevingen de gangbare keuze, omdat de tolerantie in verhouding staat tot de prijs. Klasse A hoort bij metingen die het proces daadwerkelijk sturen. Klasse AA kom je vrijwel alleen tegen in laboratorium en onderzoek, en klasse C wordt in industriële meetkringen zelden toegepast.

Twee etiketten leiden nog vaak tot verwarring. De aanduiding 1/3 DIN komt grotendeels overeen met de moderne klasse AA. De aanduiding 1/10 DIN valt buiten IEC 60751 en is een afspraak tussen fabrikant en klant, met een smal geldig bereik. Kijk daarnaast uit met Amerikaanse specificaties: ASTM E1137 kent eigen grades A en B met andere formules, en een ASTM Grade B is niet hetzelfde als een IEC klasse B.

Draadgewonden of dunfilm Pt100 element en het bereik

Het Pt100 element is draadgewonden of dunfilm uitgevoerd, en die bouwvorm bepaalt tot welke temperatuur de tolerantieklasse geldig blijft.

• Draadgewonden: platinadraad gewikkeld om een keramische of glazen drager, met een breder geldig bereik. Klasse B loopt tot +600 °C en klasse A tot +450 °C.
• Dunfilm: een dunne laag platina op een substraat, compacter en goedkoper. Klasse B loopt hier tot +500 °C en klasse A tot +300 °C.

De norm maakt dat onderscheid sinds fabrikantonderzoek liet zien dat dunfilmweerstanden bij hoge temperatuur minder nauwkeurig zijn dan de oudere norm veronderstelde. Je herkent het in de labels: W staat voor wire wound en F voor thin film, waarbij F 0.3 het dunfilm-equivalent is van klasse B. Mechanisch is een draadwikkeling gevoeliger voor trillingen en herhaalde thermische cycli, die op termijn draadbreuk veroorzaken.

Waarom 3 draads Pt100 nauwkeuriger meet dan 2 draads

Een 3 draads Pt100 meet nauwkeuriger dan een 2-draads uitvoering omdat de weerstand van de aansluitkabel bij 2-draads rechtstreeks bij het meetresultaat wordt opgeteld. Het meetsignaal van een Pt100 is namelijk een weerstand en geen spanning, dus alles wat onderweg weerstand toevoegt komt bij de regelaar binnen als temperatuur.

Reken het even voor. Bij 0,385 Ω per graad levert 1 Ω kabelweerstand ongeveer 2,6 °C meetfout op, dus een paar meter kabel is al genoeg om de nauwkeurigheid van de sensor te overstemmen. In een 2-draadsschakeling telt die kabelweerstand volledig mee, wat de uitvoering alleen bruikbaar maakt bij korte kabels of bij een Pt1000. Een 3-draadsschakeling compenseert het grootste deel en is daarmee de industriële standaard. Een 4-draadsschakeling elimineert de kabelinvloed volledig, inclusief de variatie door de omgevingstemperatuur.

Daarmee sluit de aansluitwijze aan op de klassekeuze uit de vorige sectie: klasse A of AA is alleen zinvol in 3- of 4-draads. Een klasse A-sensor op 2-draads over een lange kabel is een nauwkeurigheidsclaim die onderweg naar de regelaar verdwijnt. Zorg er ten slotte voor dat de ingang op Pt100 staat ingesteld en niet nog op een thermokoppeltype, want temperatuurregelaars accepteren beide signaaltypes en schakelen daar niet automatisch tussen.

Pt100 rtd sensor of thermokoppel: wanneer kies je wat?

Kies een Pt100 rtd sensor tot ongeveer 600 °C wanneer nauwkeurigheid en stabiliteit tellen, en een thermokoppel daarboven of waar robuustheid zwaarder weegt dan de laatste halve graad.

Het verschil zit in het meetprincipe. Een thermokoppel bestaat uit twee ongelijke metalen die aan één zijde verbonden zijn en bij verwarming een kleine spanning opwekken. Dat vraagt een referentiepunt of koude las, en het signaal moet met thermo- of compensatiekabel naar de meetapparatuur. Een Pt100 meet een absolute weerstand, heeft geen referentiepunt nodig en werkt met gewone koperkabel.

Temperatuur is het eerste en hardste criterium. Boven circa 600 °C valt de Pt100 buiten elk geldig klassebereik en hoort er een thermokoppel in. Onder -200 °C valt hij eveneens af.

Nauwkeurigheid is het tweede. Is een afwijking van enkele graden acceptabel, dan is een thermokoppel vaak de robuustere keuze. Moet de meting binnen een graad blijven, dan is de Pt100 de aangewezen sensor.

Elektrische storing is het derde, en dat punt wordt onderschat. Rond frequentieregelaars, motoren en vermogenskabels heeft de Pt100 een structureel voordeel: het meetsignaal is tientallen tot honderden ohm, tegenover een thermospanning van enkele millivolt. Het vierde punt is het lage bereik, waar die thermospanning zo klein wordt dat elke storing meeweegt en de Pt100 tot -200 °C nauwkeurig blijft.

Ga je van het ene principe naar het andere over, pas dan de bedrading en de regelaaringang samen aan. Een Pt100 op een ingang die een thermokoppel verwacht geeft een fout van tientallen graden. In het assortiment thermokoppels zie je welke types standaard leverbaar zijn.

Toepassingen van Pt100 sensoren in de maakindustrie

Pt100 sensoren zitten in de maakindustrie overal waar temperatuur nauwkeurig geregeld moet worden bij niveaus onder ongeveer 600 °C.

Bij extrusie wordt de cilinder in zones verwarmd en per zone geregeld. De sensor zit in een boring in de cilinderwand en levert de terugkoppeling waarop de regelaar het verwarmingselement schakelt. Op extrudercilinders is een thermokoppel type J of K gangbaar, omdat de temperaturen hoog liggen en een afwijking van een graad of twee daar geen probleem vormt. De Pt100 komt in beeld waar het temperatuurniveau lager ligt of waar het procesvenster smal is, bijvoorbeeld bij temperatuurgevoelige compounds.

Bij spuitgieten en hot runner geldt hetzelfde principe, maar met kortere cyclustijden en kleinere zones. Verwarmingspatronen en neuselementen zijn met een geïntegreerde sensor leverbaar, en dan bepaalt de positie van die sensor in het element wat je feitelijk meet.

• RTr.A: het sensorelement is geïsoleerd van de mantel gemonteerd, wat het beschermt en de levensduur verlengt.
• RTr.B: het sensorelement is verbonden met de patroonmantel, voor directe registratie van de temperatuur.
• RTr.C: de positie is vrij te kiezen aan de bovenzijde, de onderzijde of in het midden, wat vooral bij langere verwarmingspatronen uitmaakt.

Bij vat-, IBC- en doorstroomverwarming is de mediumtemperatuur zelf de geregelde grootheid. De niveaus liggen doorgaans onder 200 °C en nauwkeurigheid telt zwaar, omdat veel producten bij overschrijding onherstelbaar beschadigen.

In koeltoepassingen is de Pt100 vaak de enige serieuze optie. Hij blijft tot -200 °C nauwkeurig, terwijl de thermospanning van een thermokoppel daar zo klein wordt dat elke storing meeweegt.

Pt100 en weerstandssensoren kiezen met Rokoma

Rokoma levert weerstandssensoren in de uitvoeringen PT100, PT500, PT1000 en NTC, met overige types op aanvraag. Je kunt ze laten uitvoeren in een 2-, 3- of 4-draadsschakeling, afhankelijk van de kabellengte en de nauwkeurigheid die je proces vraagt.

Zit de meting in een verwarmingselement, dan hoef je die twee niet apart te bestellen. Verwarmingspatronen en neuselementen zijn met een geïntegreerde sensor leverbaar, met de sensorpositie naar keuze. Het merendeel van het assortiment is maatwerk, al vanaf één stuk, en spoedlevering is mogelijk.

Weet je niet zeker welke uitvoering bij je proces past, leg het dan voor. Bij Rokoma krijg je een technicus aan de lijn en geen verkoper, dus je neemt procestemperatuur, kabellengte en gewenste nauwkeurigheid in één gesprek door. Het assortiment staat in de webshop, en je vraag stellen kan via het contactformulier.