RTD-Sensoren der C-Serie für kryogene Anwendungen

Wählen Sie den C220 für kompakte kryogene Pt100-Messungen bis +150 °C, den C420 für Pt1000-Messungen im gleichen Temperaturbereich und den C416, wenn der Einsatzbereich bis +500 °C reichen muss. Die Pt100-Varianten eignen sich für Schnittstellen, die auf 100 Ω bei 0 °C ausgelegt sind, während das Pt1000-Element des C420 den zehnfachen Nennwiderstand bietet und den relativen Einfluss externer Leitungswiderstände verringert. Der C220 hat das kürzeste Gehäuse, während der C416 eine schmalere und flachere Bauform bietet. Auch das Verbindungsverfahren unterscheidet die Varianten: Der C220 ist für Hartlöten vorgesehen, der C420 für Weichlöten und der C416 für beide Verfahren. Die Auswahl sollte mit der maximalen Temperatur und dem Nennwiderstand beginnen, gefolgt vom verfügbaren Einbauraum, der Anschlussdrahtlänge und dem Fügeverfahren.

Verwenden Sie den niedrigsten Messstrom, der in der vorgesehenen Schaltung eine ausreichende Signalqualität und Störfestigkeit gewährleistet. C220 und C416 sind für 0,3 bis 1 mA ausgelegt und weisen bei 0 °C einen Eigenerwärmungswert von 0,4 K/mW auf, während C420 0,1 bis 0,3 mA unterstützt und mit 0,3 K/mW spezifiziert ist. Bei 0 °C setzt ein Pt100-Element bei einem Messstrom von 1 mA etwa 0,1 mW um, was unter der angegebenen Referenzbedingung einem geschätzten Temperaturanstieg von 0,04 K entspricht. Ein Pt1000-Element setzt bei 0,3 mA etwa 0,09 mW um, was zu einem geschätzten Anstieg von 0,027 K führt. Der tatsächliche Fehler hängt vom Medium, der Einbausituation, dem Gehäuse und der thermischen Ankopplung ab. Daher sollte die montierte Sonde mit dem vorgesehenen Erregerstrom getestet werden.

Die Ansprechzeitwerte beschreiben die Sensorelemente unter definierten Strömungsbedingungen und sollten eher als Ausgangsbasis denn als vollständige Spezifikation der Sonde betrachtet werden. In Wasser mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,4 m/s liegt t0.5 bei den drei Varianten zwischen 0,06 und 0,08 Sekunden und t0.9 zwischen 0,20 und 0,25 Sekunden. In Luft mit 2 m/s liegt t0.5 zwischen 3 und 3,5 Sekunden, während t0.9 zwischen 13 und 15 Sekunden liegt. Ein Schutzrohr, Klebstoff, Vergussmasse oder ein schlechter Oberflächenkontakt erhöhen die thermische Masse und den Wärmewiderstand und verlängern in der Regel die endgültige Ansprechzeit. Deshalb sollten Entwickler die Elementwerte bei der Auswahl vergleichen und anschließend die komplette Baugruppe unter repräsentativen Strömungs- und Einbaubedingungen verifizieren.

Das Fügeverfahren muss zum gewählten Sensor passen: C220 ist für Hartlöten vorgesehen, C420 für Weichlöten, und C416 unterstützt beide Verfahren. Obwohl C220 für Hartlöten ausgelegt ist, darf der Sensorkörper nicht Temperaturen über +150 °C ausgesetzt werden. Deshalb müssen Wärmeableitung, Abstand zur Lötstelle und Prozessdauer sorgfältig kontrolliert werden. Dieselbe Lager-, Montage- und Betriebstemperaturgrenze von +150 °C gilt auch für C420. C416 erlaubt einen Elementbetrieb bis +500 °C, allerdings können Lötlegierung, Anschlusskabel, Isolierung und Verkapselung in der Praxis eine niedrigere Montagegrenze vorgeben. Die Zugfestigkeit der Anschlussdrähte ist bei C220 und C420 mit ≥8 N und bei C416 mit ≥5 N angegeben, die Lötverbindung und die fertige Sonde müssen jedoch weiterhin separat mechanisch qualifiziert werden.

Auf Elementebene ist jede Variante für eine Beschleunigung von mindestens 40 g im Bereich von 10 bis 2.000 Hz sowie für mindestens 100 g bei einem 8-ms-Halbsinus-Stoßimpuls ausgelegt. Beide Werte hängen von der Einbausituation ab und gelten daher nicht automatisch für eine fertige Sonde, eine Kabelkonfektion oder ein Instrument. Nicht abgestützte Anschlussdrähte können Bewegungen verstärken und Belastungen in den Keramikkörper oder in elektrische Verbindungen einleiten, insbesondere bei wiederholten Vibrationen. Zugentlastung, kontrollierter Verguss, eine geeignete Führung der Anschlussdrähte und das Vermeiden starrer Unterschiede in der Wärmeausdehnung können dazu beitragen, die mechanische Belastbarkeit des Elements zu erhalten. Die fertige Baugruppe sollte anhand der tatsächlichen Einbaulage, der Gehäusematerialien, der Kabelmasse und des zu erwartenden Vibrationsspektrums qualifiziert werden.

Alle drei kryogenen RTD-Sensoren der C-Serie verwenden die Kennlinie nach DIN EN IEC 60751, einen Temperaturkoeffizienten von 3850 ppm/K und eine Toleranz nach Class F 0.3 (B) über ihre jeweils angegebenen Bereiche. F 0.3 (B) ist über den gesamten Bereich keine feste Toleranz von ±0,3 °C, daher muss das jeweils gültige Normtoleranzband für jede Messtemperatur bewertet werden. Die typische Drift von R(0 °C) beträgt nach 1.000 Stunden bei der oberen Temperaturgrenze 0,03 %, entsprechend 0,03 Ω bei Pt100 oder 0,3 Ω bei Pt1000. In der Nähe von 0 °C entspricht jede dieser Widerstandsänderungen ungefähr 0,078 °C, dabei handelt es sich jedoch um einen typischen Stabilitätswert und nicht um einen garantierten Gesamtfehler. In die vollständige Unsicherheitsberechnung sollten außerdem die Genauigkeit der Auswerteelektronik, die Leitungs-Kompensation, die Eigenerwärmung, die Kalibrierung und einbauinduzierte thermische Offsets einfließen.

Der Nennwiderstand bezieht sich auf einen definierten Punkt an den Anschlussdrähten: 8 mm vom Sensorkörper entfernt bei C220 und C416 sowie 13 mm bei C420. Jede Verlängerungsverdrahtung über diesen Punkt hinaus bringt zusätzlichen Widerstand ein, sofern dieser nicht durch die Messtopologie oder das Kalibrierverfahren kompensiert wird. Derselbe externe Leitungswiderstand verursacht bei einem Pt100-Element einen größeren relativen Fehler als beim Pt1000-Element des C420. Bei längeren Kabelstrecken kann eine Drei- oder Vierleiterschaltung in Betracht gezogen werden, sofern sie von der Messelektronik unterstützt wird, wobei über den gesamten Signalpfad niederohmige und thermisch stabile Verbindungen erforderlich sind. Kalibrierprotokolle sollten die vollständige Verdrahtungskonfiguration erfassen, anstatt den Widerstand des bloßen Elements unabhängig von seinen Anschlussdrähten zu betrachten.

Die Sensoren sind RoHS-konform und verwenden die Platin-RTD-Kennlinie nach DIN EN IEC 60751, doch diese Punkte qualifizieren die fertige Baugruppe nicht automatisch für regulierte oder sicherheitskritische Anwendungen. C420 und C416 werden mit einem California-Proposition-65-Hinweis in Bezug auf eine mögliche Exposition gegenüber Bleioxid und Kobaltoxid geliefert. Daher sollten für den vorgesehenen US-Markt die Anforderungen an Handhabung und Produktkennzeichnung geprüft werden. Standardkatalogteile werden ausdrücklich nicht für Luft- und Raumfahrtanwendungen oder bemannte Raumfahrt empfohlen, auch wenn der Temperaturbereich des C416 für luft- und raumfahrtbezogene thermische Bedingungen geeignet sein kann. Konstruktionen für Medizin, Pharmazie, Transport und sicherheitsrelevante Anwendungen erfordern daher eine unabhängige Materialprüfung, Risikobewertung und Qualifizierung des Endsystems.