Messen von tiefen Temperaturen
mit Platin-Dünnschichtsensoren

Einleitung

Die Anwendungen der Tieftemperatur-Technik sind vielfältig und dringen immer weiter in unser tägliches Leben vor. Angefangen von der Tiefkühllagerung von Lebensmitteln über die Medizin (Lagerung von Organen, Blutkonserven etc.) und Laboranwendungen bis zur industriellen Nutzung von verflüssigten hochreinen Gasen. Für alle oben genannten Anwendungen muß die Temperatur zuverlässig erfaßt und verarbeitet werden. Zur Messung tiefer Temperaturen sind viele Sensoren bekannt und erprobt. Halbleiterwiderstände, Kohlewiderstände, Thermistoren Thermoelemente und Platinwiderstände.

Geringe Temperaturmeßspanne - Soll ein breiter Temperaturbereich erfasst werden, müssen unterschiedliche Sensoren parallel betrieben und ausgewertet werden. Dies gilt vor allem für Ge- Halbleitersensoren, Kohlewiderstände und Thermoelemente.

Starke Streuung der Kennlinien, was zur Folge hat, daß beim Austausch der Sensoren die Auswerteelektronik auch gewechselt werden muß ( Kohle, Ge und Thermistoren).

Alterungserscheinungen - Bei Einsatz unter zyklischer Temperaturbelastung ändert sich die Kennlinie ( Kohle und Thermoelemente ).

Für Anwendungen oberhalb von 10K lassen sich die vorgenannten Schwächen durch den Einsatz von industriell hergestellten Pt-Meßwiderständen vermeiden. Die Eigenschaften von Pt Sensoren bei tiefen Temperaturen, ihre Stärken, aber auch die vom Anwender zu beachtenden Einschränkungen werden im Folgenden beschrieben.

Neben den geometrischen Abmessungen, dem Nennwiderstand und des Preises sind im Tieftemperaturbereich einige zusätzliche Punkte für Pt-Sensoren zu beachten.

Empfindlichkeit (ΔR/ΔT); diese bestimmt die Temperaturauflösung und begrenzt die Einsatztemperatur nach unten.

Reproduzierbarkeit; Genauigkeit der Messung über einen langen Zeitraum und über viele Temperaturzyklen

Ansprechzeit; sie bestimmt das Regelverhalten und die Zeitkonstante der nachfolgenden Regel- und Sicherheitskreise

Empfindlichkeit (ΔR/ΔT)

Der Widerstand von Metallen läßt sich nach der Mattiesen-Regel in einen konstanten, temperaturunabhängigen Teil und in einen temperaturabhängigen Teil zerlegen. Der temperaturabhängige Teil ändert sich nahezu linear mit der Temperatur.

Der temperaturunabhängige Teil ist abhängig von den Verunreinigungen im Kristall. Die in das Platingitter eingelagerte Fremdatome verursachen eine Erhöhung des Restwiderstandes. Die Einlagerung von Fremdatomen wird wissentlich dazu benutzt um den Norm TK herzustellen. Fast alle Anwendungen nutzen den Bereich oberhalb von 220K. Dadurch ist für die meisten Anwender der Restwiderstand nicht von Belang.

Bei Anwendungen unter 220K treten Probleme mit dem Restwiderstand unterhalb von 30K deutlich zu Tage. Je nach Dotierungsgrad des Platingitters treten hier Restwiderstände von <0,5W bis zu 2W auf. Die Widerstandskurve flacht im Bereich < 30 K sehr stark ab. Die nicht vorhersagbare Streuung des Restwiderstandes und die sehr starke Abflachung der Kennlinie machen eine individuelle Kalibrierung eines jeden einzelnen Meßwiderstandes in diesem Meßbereich nötig.

Eine Erhöhung des Nennwertes auf z.B. 1000 W bei 0°C erleichtert die Auswertung, da die Auflösung gegenüber Pt100 Sensoren um das 10fache ansteigt.

Widerstandswert als Funktion der Temperatur

Im Übergangsbereich vom annähernd linearen Widerstands-Temperaturverlauf in den Restwiderstand nimmt die Empfindlichkeit (ΔR/ΔT) stark ab und setzt damit der Meßspanne eine untere Grenze. Um auch noch unterhalb von 30K Messungen durchführen zu können ist prinzipiell nur ein Weg möglich; Individuelle Kalibrierung eines jeden Sensors.

Faßt man die Eigenschaften der Pt-Sensoren zusammen,so sollte der Anwender drei Temperaturbereiche deutlich voneinander trennen:

1. Temperaturen oberhalb von 30K können mit Platin-Temperatursensoren gut gemessen werden

2. Temperaturen von 10K bis 30K können mit hochohmigen und einzeln kalibrierten Pt-Sensoren gemessen werden.

3. Temperaturen unter 10K sind nur noch mit erheblichem meßtechnischen Aufwand zu erfassen.

Reproduzierbarkeit

Die von vielen Anwendungen bekannten hervorragenden Stabilitätseigenschaften des Platins kommen auch dem Einsatz in der Tieftemperatur-Technik zugute.

Pt-Dünnschicht Meßwiderstände zeigen eine sogenannte Hysterese, wenn die Sensoren über einen sehr weiten Bereich betrieben werden ( <-50°C ... >+150°C).Diese Hysterese zeigt sich darin, daß ein Platinsensor nach Auslagerung bei tiefen Temperaturen seinen Wert am Kalibrierpunkt ( bei 0°C ) verändert. Wird der Sensor nur bis max. 150°C belastet bleibt die Verschiebung der Kennlinie bestehen. Bei höheren Temperaturen wird die Verschiebung der Kennlinie wieder rückgängig gemacht.

Die Ursache dieser Änderung liegt in der Materialkombination von Edelmetall und keramischem Trägerkörper. Durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten kommt es zu plastischen Verformungen des Platins bei tiefen Temperaturen. Diese plastische Verformung steigt, mit sinkender Temperatur.

Bei nachfolgenden Temperaturzyklen zwischen der zu messenden tiefsten Temperatur und Raumtemperatur liegt die Reproduzierbarkeit jedoch wieder innerhalb der Meßgenauigkeit. Industriell gefertigte Sensoren für die Tieftemperaturtechnik werden aus diesem Grunde vor Ihrer Kalibrierung trainiert ( z.b. in flüssigem Stickstoff ) um die Verschiebung der Kennlinie vorweg zu nehmen.

Weitere Zyklen (beim Kunden) verändern die Kennwerte des Meßwiderstandes nicht mehr. Es muß jedoch unbedingt darauf geachtet weren, daß Tieftemperatursensoren nicht über 150°C erwärmt werden, um die Kennlinie nicht zu verändern.

Ansprechzeit

Die Ansprechzeit der Temperatursensoren wird von mehreren Faktoren beeinflußt:

Für Platinsensoren werden die Ansprechzeiten von den Sensorherstellern nach DIN EN 60751 bei Raumtemperatur in Luft und in Wasser ermittelt. Bei tiefen Temperaturen nimmt der Wärmeübergangskoeffizient stark ab. Gegenüber der Raumtemperatur führt dies zu deutlich längeren Ansprechzeiten.

Die VDI/VDE Richtlinie Nr.3522 nennt Korrekturfaktoren für den Wärmeübergangskoeffizienten bei unterschiedlichen Medien und verschiedenen Medientemperaturen.

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