Platin-Widerstandsthermometer

Definition

Ein Platin-Widerstandsthermometer (PTR), auch bekannt als Platin-Widerstandstemperaturmessgerät (PRT), verwendet Platin als Sensormaterial zur Temperaturmessung. Sein Funktionsprinzip basiert darauf, dass der elektrische Widerstand von Platin voraussagbar mit Temperaturänderungen variiert. Dieses Thermometer kann Temperaturen in einem weiten Bereich, von -200°C bis 1200°C, präzise messen.

Platin, ein edles Metall, besitzt ausgezeichnete Verformbarkeit, was es ermöglicht, es leicht in feine, gleichmäßige Drähte zu ziehen. Diese einzigartigen Eigenschaften – chemische Stabilität und konsistente Widerstands-Temperaturcharakteristik – machen Platin zu einer idealen Wahl für die Verwendung als Sensorelement in Thermometern, um zuverlässige und präzise Temperaturmessungen in verschiedenen Anwendungen sicherzustellen.

Funktionsweise von Platin-Widerstandsthermometern

Der Widerstand von Platin zeigt eine nahezu lineare Beziehung zur Temperatur, eine grundlegende Eigenschaft, die für präzise Temperaturmessungen genutzt wird. Um den Widerstandswert zu bestimmen, wird ein Wechsel- oder Gleichstrom durch das Platinelement geleitet. Durch den Stromfluss entsteht eine Spannungsfälle über dem Metall, der mit einem Voltmeter präzise gemessen werden kann. Mit Hilfe einer vorab festgelegten Kalibriergleichung wird die gemessene Spannungswert in einen entsprechenden Temperaturwert umgerechnet, was eine genaue Temperaturbestimmung ermöglicht.

Aufbau von Platin-Widerstandsthermometern

Die nachfolgende Abbildung veranschaulicht den Aufbau eines typischen Platin-Widerstandsthermometers. Im Kern ist die Platin-Sensorkette in einer schützenden Hülle, meist aus Glas oder Pyrex, eingeschlossen. Diese Materialien bieten thermische Stabilität und elektrische Isolation, um die Integrität des Sensorelements zu schützen. Zusätzlich verbessert eine isolierende Schicht auf der Oberfläche des Glasrohres die Leistung des Thermometers, indem sie präzise und konsistente Temperaturmessungen gewährleistet.

Strukturelle Details von Platin-Widerstandsthermometern (PTRs)

In einem PTR wird ein Doppeldraht aus Platin um einen Micaschlitten gewickelt. Diese Doppel-Draht-Konfiguration minimiert induktive Effekte, die durch Wechselstrom verursacht werden, und sorgt für Messgenauigkeit. Der Micaschlitten, der als elektrischer Isolator dient, sichert die Spule an den Enden des Rohrs und verhindert Kurzschlüsse.

Ein Ebonitdeckel versiegelt das offene Ende des Rohrs und bietet mechanische Stabilität und Isolation. Die Enden des Platindrads sind mit dicken Kupferleitern verbunden, die an die in dem Ebonitdeckel eingebetteten Anschlusspunkte (bezeichnet als AB) angeschlossen sind. Um den Widerstand der Kupferdrähte zu kompensieren und die Präzision zu verbessern, werden zwei identische Kupferdrähte (bezeichnet als Ausgleichsleiter, bezeichnet als CD) an den oberen Enden angeschlossen. Diese „vier-drahtige“ Anordnung eliminiert Fehler, die durch den Widerstand der Leitungsdrähte verursacht werden, eine wichtige Funktion in Anwendungen mit hoher Genauigkeit.

Industriegerechter PTR-Aufbau

Die nachfolgende Abbildung zeigt ein industrielles Platin-Widerstandsthermometer. Hier ist die Platin-Sensorkette durch eine Edelstahlhülle oder eine Glas/Keramikbeschichtung geschützt. Diese zweischichtige Abdichtung bietet zwei wesentliche Vorteile:

• Mechanische Festigkeit: Die robuste Hülle schützt den zerbrechlichen Platindraht vor physischen Schäden in rauen Industrieumgebungen.

• Chemische Beständigkeit: Die Glas- oder Keramikabdichtung schützt das Sensorelement vor korrosiven Substanzen, wodurch Langzeitverlässlichkeit und Genauigkeit in chemisch aggressiven Umgebungen gewährleistet werden.

Dieser Aufbau vereint Haltbarkeit mit Messgenauigkeit, wodurch Platin-Widerstandsthermometer für Anwendungen von Laborforschung bis hin zu hochtemperaturigen Industrieprozessen geeignet sind.

Vorteile von Platin-Widerstandsthermometern

• Einfache Handhabung: Die Temperaturmessung mit einem Platin-Widerstandsthermometer ist im Vergleich zu Gas-Thermometern einfacher, erfordert weniger komplexe Einrichtung und Wartung.

• Hohe Präzision: Das Gerät liefert sehr genaue Temperaturangaben, was es ideal für Anwendungen mit hohen Präzisionsanforderungen wie Kalibrierlabors oder industrielle Qualitätskontrolle macht.
  

• Weiter Temperaturbereich: Es funktioniert effektiv über einen breiten Temperaturbereich, von -200°C bis 1200°C, und eignet sich für unterschiedliche Umgebungen, von kryogenen bis hin zu hochtemperaturigen Bedingungen.
  

• Sensitivität: Das Thermometer zeigt eine ausgezeichnete Sensitivität gegenüber subtilen Temperaturänderungen, wodurch auch geringfügige Schwankungen zuverlässig erkannt werden können.
  

• Reproduzierbarkeit: Die Widerstands-Temperatur-Beziehung von Platin ist sehr konstant. Bei einer bestimmten Temperatur zeigt Platin stets denselben Widerstandswert, was wiederholbare Messungen sicherstellt.

Nachteile von Platin-Widerstandsthermometern

• Lange Reaktionszeit: Das Thermometer reagiert relativ langsam auf schnelle Temperaturänderungen, was seine Eignung für Anwendungen mit Echtzeit-Verfolgung von schnellen Dynamiken einschränkt.

• Oberer Temperaturlimitationen:

• Obwohl Platin einen hohen Schmelzpunkt (~1768°C) hat, führt eine längere Exposition bei Temperaturen über 1200°C dazu, dass das Metall allmählich verdampft, was die Integrität und Genauigkeit des Sensors mit der Zeit beeinträchtigt.

• Dies begrenzt seine Verwendung in extrem hochtemperaturigen Umgebungen jenseits seines empfohlenen Betriebsbereichs.

• Empfindlichkeit gegenüber Bauqualität: Die Erreichung ausgezeichneter Sensitivität und eines breiten Messbereichs hängt stark von sorgfältiger Herstellung ab. Fehlkonstruierte Geräte können eine reduzierte Leistung oder Zuverlässigkeit aufweisen, was sorgfältige Kalibrierung und Wartung erfordert.

Wichtige Überlegungen

Trotz seiner Einschränkungen bleibt das Platin-Widerstandsthermometer in vielen Bereichen die bevorzugte Wahl aufgrund seiner unübertroffenen Stabilität, Präzision und breiten Temperaturbereichs. Für Anwendungen, die ultra-hohe Temperaturen oder schnelle Reaktionszeiten erfordern, können alternative Sensoren (z.B. Thermoelemente) geeigneter sein, aber PTRs leisten in Szenarien, die Konsistenz und langfristige Zuverlässigkeit erfordern, hervorragende Leistungen.