PT100 und PT1000

In der Heizungsanlage, im Backofen mit Kerntemperaturfühler, im Labor-Wasserbad und in fast jeder Industrieanlage misst ein unscheinbares Bauteil die Temperatur: ein Platin-Messwiderstand. Er heißt PT100 oder PT1000, je nachdem, ob er bei 0 °C genau 100 Ω oder 1000 Ω hat. Gegenüber einem NTC ist er teurer und liefert ein viel kleineres Signal – dafür ist seine Kennlinie international genormt, nahezu linear und über Jahre stabil. Wenn es auf Zehntelgrad ankommt oder auf Temperaturen von mehreren hundert Grad, ist er die erste Wahl.

Aufbau und Funktionsweise

Der elektrische Widerstand von Metallen steigt mit der Temperatur, weil die Atome im Gitter stärker schwingen und die Elektronen häufiger abbremsen. Platin eignet sich dafür besonders: Es oxidiert nicht, ist chemisch beständig und lässt sich sehr rein herstellen, sodass zwei Sensoren verschiedener Hersteller dieselbe Kennlinie haben. Ein PT100 verhält sich also wie ein Kaltleiter – sein Widerstand wächst mit der Temperatur –, ist aber kein keramischer PTC, sondern ein Metallwiderstand mit sanfter, fast gerader Kennlinie. Wie unterschiedlich Metalle und Halbleiter auf Wärme reagieren, vertieft Temperaturverhalten von Halbleitern.

Es gibt zwei Bauarten:

• Dünnschicht-Sensoren: Eine hauchdünne Platinschicht wird auf ein Keramikplättchen aufgedampft und per Laser zu einem Mäander geschnitten, bis der Widerstand stimmt. Eine Glasschicht schützt sie. Das ist heute die häufigste Form: klein, billig, schnell, bis etwa 600 °C.
• Drahtgewickelte Sensoren: Ein feiner Platindraht liegt als Wendel in einem Keramik- oder Glaskörper. Sie sind teurer, aber noch stabiler und für bis zu 850 °C zugelassen.

Schaltzeichen

Im Schaltplan erscheint der PT100 als Widerstand mit schrägem, abgeknicktem Strich und dem Zusatz ϑ für Temperatur, also wie ein NTC, oft mit „+ϑ“ für den positiven Temperaturkoeffizienten. Viele Pläne beschriften ihn einfach „PT1000“. Bei Fühlern mit Kabel zeichnest du zusätzlich die Zahl der Anschlussleitungen ein, weil sie für die Messung wichtig ist.

Kennlinie und Kennwerte

Die Kennlinie ist in der Norm IEC 60751 (in Deutschland DIN EN 60751) festgelegt. Für Temperaturen ab 0 °C gilt die Callendar-Van-Dusen-Gleichung:

mit R₀ = 100 Ω (PT100) bzw. 1000 Ω (PT1000), A = 3,9083 · 10^-3 /°C und B = −5,775 · 10^-7 /°C². Unter 0 °C kommt ein weiterer, sehr kleiner Term dazu. Weil B winzig ist, verläuft die Kurve fast gerade. Als Faustwert reicht der mittlere Temperaturkoeffizient zwischen 0 und 100 °C: α = 0,00385 /K. Ein PT100 ändert sich also um etwa 0,385 Ω je Kelvin, ein PT1000 um 3,85 Ω.

Toleranzklassen

Wie weit ein einzelner Sensor von der Normkennlinie abweichen darf, legt seine Klasse fest. Die Grenze wächst mit dem Betrag der Temperatur |ϑ| in °C:

Seit der Normausgabe von 2008 tragen die Klassen bei Dünnschicht-Sensoren oft die Namen F0.1, F0.15 und F0.3 (bei Drahtwicklung W…), die Zahl ist die Abweichung bei 0 °C. Klasse B entspricht also F0.3. Der Gültigkeitsbereich ist je Klasse und Bauart begrenzt – ein Klasse-A-Sensor ist das oft nur bis 300 °C. Schau ins Datenblatt.

Bauformen

• SMD-Chips in 0603, 0805 oder 1206 (etwa Vishay PTS-Reihe) messen die Platinentemperatur.
• Dünnschicht-Elemente mit Drähten, rund 2 × 5 mm groß, zum Einbau in eigene Fühler.
• Fühler: Element in einer Edelstahlhülse mit Kabel oder Anschlusskopf – mit zwei, drei oder vier Adern.
• Anlegefühler und Einschraubfühler für Rohre und Behälter.

Die Messschaltung: zwei, drei oder vier Leiter

Das Signal ist klein. Bei 0,385 Ω je Kelvin wiegen schon die Zuleitungen viel: Sie liegen in Reihe zum Sensor und werden als Temperatur mitgemessen.

Daraus folgen drei Schaltungen:

• Zweileiterschaltung: Sensor an zwei Adern. Einfach, aber der Leitungswiderstand geht voll ins Ergebnis ein. Nur für kurze Leitungen oder PT1000 sinnvoll.
• Dreileiterschaltung: Eine dritte Ader erlaubt, den Leitungswiderstand zu messen und abzuziehen – vorausgesetzt, alle Adern sind gleich lang und gleich dick. Standard in der Industrie.
• Vierleiterschaltung: Zwei Adern führen den Messstrom, zwei andere greifen die Spannung direkt am Sensor ab. Durch die Messleitungen fließt fast kein Strom, also fällt dort keine Spannung ab. Die Leitungswiderstände sind komplett aus dem Spiel. Erste Wahl für Präzision – dasselbe Prinzip nutzt jede genaue Widerstandsmessung.

Messstrom und Eigenerwärmung

Damit überhaupt eine Spannung entsteht, braucht der Sensor einen Messstrom. Jeder Strom heizt ihn aber auf: Die Leistung P = I² · R erwärmt das kleine Element, je nach Bauform und Umgebung um einige Zehntel Kelvin je Milliwatt in ruhender Luft. Üblich ist deshalb 1 mA für einen PT100 (0,1 mW) und 0,1 bis 0,3 mA für einen PT1000 (0,01 bis 0,09 mW). Bei 0,1 mA liefert ein PT1000 nur 0,385 mV je Kelvin – ohne Verstärker oder hochauflösenden Wandler kommst du nicht aus.

Bequem sind fertige RTD-Wandler-ICs wie der MAX31865. Er misst den Sensor ratiometrisch gegen einen genauen Referenzwiderstand (typisch 430 Ω für PT100, 4,3 kΩ für PT1000), unterstützt zwei, drei und vier Leiter, erkennt Kabelbruch und liefert das Ergebnis mit 15 Bit über SPI. Für den Analogweg bieten sich eine Brückenschaltung mit Instrumentenverstärker oder ein Delta-Sigma-AD-Wandler mit Stromquellen an.

Auswahl und Praxistipps

PT100 oder PT1000? Der PT1000 liefert das zehnfache Signal und verzeiht Leitungswiderstände besser – für Elektronik mit Mikrocontroller und Zweileiteranschluss fast immer die bessere Wahl. Der PT100 ist in der klassischen Industrie verbreitet, wo Messumformer und Vierleiterkabel ohnehin vorhanden sind.

Häufige Fehler:

• Zweileiter an langem Kabel mit PT100: Mehrere Kelvin Fehler, siehe Beispiel oben.
• Zu hoher Messstrom: Ein PT1000 mit 1 mA setzt 1 mW um und misst seine eigene Wärme mit.
• Dauerstrom statt gepulst: Wenn du nur einmal pro Sekunde misst, schalte den Strom zwischendurch ab.
• Einbautiefe zu klein: Ein Fühler, der nur wenige Millimeter ins Medium ragt, misst über die Hülse auch die Umgebung mit. Faustregel: mindestens zehn- bis fünfzehnmal den Hülsendurchmesser eintauchen.
• Verwechselt mit NTC: Ein PT1000 hat bei 25 °C rund 1,1 kΩ, ein NTC 10 kΩ – die falsche Kennlinie in der Software ergibt Unsinn.

Selbsttest