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Verarbeitung

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Verarbeitungshinweise für Platin-Messwiderstände


Allgemeines
Platin-Messwiderstände sind die temperaturempfindlichen Sensorelemente in Temperaturfühlern.
Da sie im allgemeinen nicht ungeschützt zur Temperaturmessung herangezogen werden können, werden sie zum Beispiel in Messeinsätze für Schutzarmaturen eingebaut.
Der temperaturempfindliche Teil des Sensorelementes besteht aus einem draht- oder schichtförmigen Platinwiderstand. Dieser Widerstand ist durch einen Keramikträgerkörper fixiert und mit zwei Anschlußdrähten verbunden.

Für die verschiedenen Anwendungen steht eine Vielzahl von Typen zur Verfügung, die sich in ihrem Messbereich, ihrer Geometrie und ihrer Anschlußtechnik unterscheiden.

Der Aufbau betriebssicherer Temperaturfühler erfordert Erfahrung bei der Kontaktierung und dem Einbau der Sensoren sowie bei der Auswahl der Werkstoffe. Aufgrund langjähriger anwendungstechnischer Beratung und den Erfahrungen aus der eigenen Produktion von Temperaturfühlern, verfügt Gekon Trading über ein umfangreiches know-how, aus dem die nachfolgenden Verarbeitungshinweise abgeleitet sind. Aufgrund der Vielzahl der möglichen Anwendungen, ist eine Anpassung der Werkstoffe und Verfahrensparameter im Einzelfall erforderlich.

Grundwertreihe und Fehlerklassen
Alle Messwiderstände werden nach den derzeit gültigen Normen für Widerstandsthermometer DIN EN60751 geliefert. In dieser Norm ist die Temperaturabhängigkeit eines Pt 100-Widerstandsthermometers als Polynom mit den Koeffizienten A, B und C festgelegt (ITS 90):

R = Ro x ( 1 + A T + B T² + C T³ )

A =  3,9083 x 1E-3
B = -5,7750 x 1E-7
C = -4,1830 x 1E-12 x (t-100) ( T < 0°C )
C =  0 ( T > 0°C )

Für T > 0 °C ist die Grundwertreihe eine quadratische Gleichung, die sich nach der Temperatur auflösen läßt. Mit obigen Koeffizienten A und B gilt somit:

T = -A / (2xB) - SQR ( A² / (4xB²) + 1/B x ( R/R0 - 1 ) )

Für T < 0 °C ist die Grundwertreihe ein Polynom dritter Ordnung. Die Temperatur (als Funktion des Widerstandes) kann somit nur durch einen Iterationsprozeß errechnet werden. In diesem Fall ist es einfacher auf Tabellenwerke zurückzugreifen.

Die zulässigen Abweichungen von den Grundwerten sind definiert als die zulässigen Abweichungen der tatsächlich gemessenen Temperatur von der wahren Temperatur.
Jedem einzelnen Sensortyp kann eine ensprechende Klasse A oder B für RTDs zugewiesen werden.

Klasse B = ±0,30 °C/R0
Klasse A = ±0,15 °C/R0

Die erlaubte Abweichung der gemessenen Temperatur von der tatsächlichen Temperatur ist somit von der Genauigkeitsklasse des Messwiderstandes und von der Temperatur abhängig. Neben diesen international genormten Toleranzklassen gibt es kundenspezifische Sondertoleranzen (z.B. 1/2 Kl. B bei 0°C oder 1/3 Kl. B bei 0°C), bei denen die Toleranz bei 0°C eingeschränkt wird.
Diese Sondertoleranzen sind daher nur für den Temperaturbereich unter etwa 200°C sinnvoll.

Verbindungstechniken
Die Messwiderstände sind für alle gängigen Verbindungstechniken wie z.B. Krimpen, Weich- oder Hartlöten sowie Punkt- und Laserschweißen geeignet.
Beim Verlängern sollten die Anschlußdrähte der Messwiderstände möglichst nur in axialer Richtung beansprucht werden, wobei die maximal zulässige Zugkraft nicht überschritten werden darf.
Falls sich ein Biegen der Drähte nicht vermeiden läßt, so empfehlen wir, den Draht im Bereich des Metall-Glasübergangs zu entlasten. Druckbelastungen und extrem enge Biegeradien sind zu vermeiden, da sie zum Einknicken bzw. Einschnüren der Drähte führen können.
Die hierbei entstehenden Schwachstellen können unter Umständen erst nach längerer Temperaturbelastung detektiert werden.

Weichlöten (empfohlener Temperaturbereich -30°C bis + 120°C).
Für die Verbindung mittels Weichlöten haben sich silberhaltige Lote ( >2% Silber ) und halogenfreie, wasserlösliche Flußmittel bewährt.
Flußmittelreste können zu Korrosionserscheinungen und zum Zusammenbruch der Isolationswiderstände führen.
Sie sollten daher nach dem Lötprozeß entfernt werden.
Die Warmfestigkeit von Weichloten läßt oberhalb 100°C stark nach.
Daher sind unbedingt geeignete Zugentlastungen vorzusehen.
Eine Erweiterung des Temperaturbereiches auf 180°C läßt sich mit hochschmelzenden Loten, z.B. Soldamoll 220 der Fa. Degussa erreichen.
Hochschmelzende Lote sind allerdings deutlich schwerer zu verarbeiten.

Kleben (empfohlener Temperaturbereich -50°C bis + 180°C) Kontaktierungstechnik für unbedrahtete Schichtmeßwiderstände der Typenreihen SMD oder DSC.
Die Silber-Leitkleber (z.B.Demetron Prod Nr. 6290 0370) zeigen gute Temperaturwechselbeständigkeit.

Krimpen (empfohlener Temperaturbereich -50°C bis + 200°C) Bei der Herstellung der Krimpverbindung dürfen die für die Anschlußdrähte maximal zuässigen Zugkräfte nicht überschritten werden.
Die obere Einsatztemperatur wird nicht nur durch das verwendete Krimp-Material, sondern durch mögliche Korrosionserscheinungen an den kontaktgebenden Oberflächen begrenzt.
Aus diesem Grund ist durch den Krimpvorgang ein homogener, möglichst gasdichter Materialverbund anzustreben.

Hartlöten (empfohlener Einsatztemperaturbereich -50°C bis + 400°C) Für die Verbindung mittels Hartloten haben sich niedrigschmelzende Lote bewährt.
Bei der Lötung darf die Temperatur am Chip nicht größer als seine maximal zulässige Einsatztemperatur sein. Gegebenenfalls ist die beim Lötprozeß auftretende Wärme von den Drähten abzuführen (z.B. durch Halten mit einer Flachzange). Flußmittel für Hartlote sind sehr aggressiv.
Ihre Entfernung nach dem Lötprozeß ist zwingend erforderlich.
Die Warmfestigkeit von Hartloten läßt oberhab 200°C stark nach.

Punkt-Schweißen (empf. Einsatztemperaturber. -50°C bis + 600°C)
Laser-Schweißen (empf. Einsatztemperaturber. -50°C bis + 850°C)

Die Schweißung ist die sicherste und temperaturbeständigste Verbindungstechnik.
Das Beherrschen dieser Technik erfordert jedoch großes Fertigungs-Kow-How und ein genaues Einhalten der Fertigungsparameter.
Es ist besonders darauf zu achten, daß es bei der Schweißverbindung nicht zu einer Verjüngung und somit zu einer Schwächung des Zuleitungsmaterials kommt.
Deshalb sollten die Anschlußdrähte möglichst stumpf verlängert werden.

Montage der Messwiderstände (Einbaubedingungen)
Korrosive Umgebungsbedingungen sind insbesondere in Verbindung mit Feuchtigkeit zu vermeiden, da es hierbei zu einer Beschädigung der eingesetzten Abdeckgläser oder der Anschlußdrahtmaterialien kommen kann.
Deshalb werden die Messwiderstände im allgemeinen nicht unmittelbar im Medium eingesetzt, sondern durch eine geeignete Häusung geschützt.

Bei der Montage der Messwiderstände muß auf einen guten Wärmeübergang zwischen dem medienberührenden Gehäuse und dem Sensor und auf eine hohe Vibrationsbeständigkeit des Fühlers geachtet werden.
Hierfür sind prinzipiell alle gängigen Techniken wie z.B. Einrütteln, Vergießen, Kleben, Wärmeleitpaste, Überschrumpfen geeignet.
Der Aufbau der Messwiderstände erfordert jedoch bestimmte Vorsichtsmaßnahmen, die beim Einbau derSensoren beachtet werden müssen.

Beim Einbau sind einseitig auftretende Druckbelastungen zu vermeiden, da es hierbei zu einer Durchbiegung und somit, ähnlich dem Dehnungs- Messstreifen-Effekt, zu einer Widerstandsänderung kommen kann.

Die Schichtmeßwiderstände sind durch die formschlüssige Verbindung der Schichtsysteme absolut erschütterungsfest. Bei Draht-Messwiderständen wird die Erschütterungsfestigkeit durch Einrütteln der Pt-Wendel und nachfolgendes Sintern des Al2O3-Füllpulvers erreicht.
Bei der Montage ist jedoch darauf zu achten, daß das die Messwiderstände umgebende Material nicht zu einer Beschädigung der Glasuren oder der Anschlußdrähte führen kann. Freitragende, unabgestützte Zuleitungen sind zu vermeiden.

Einrütteln: Al2O3- oder MgO-Pulver

Verguß: Die Vergußmasse muß sich chemisch neutral gegenüber Aluminium- oxid und hochschmelzenden Gläsern verhalten. Beim Aushärten darf die obere Einsatztemperatur nicht überschritten werden.
ACHTUNG: Mechanische Verspannungen der Messwiderstände unbedingt vermeiden.

Wärmeleitpaste: Besonders unkritische Montagetechnik, z.B mit dauerelastischen, isolierenden Pasten (z.B. Dow Corning 340).

Zuleitungsfehler
Die genormten Grundwertreihen und ihre zulässigen Abweichungen gelten für die Messwiderstände incl. Anschlußdrähte. Alle weiteren Widerstände im Messkreis zwischen dem Messwiderstand und letztlich dem Anzeigegerät gehen als Fehler in das Messergebnis ein, wenn sie nicht gesondert berücksichtigt oder durch geeignete Schaltungen kompensiert werden.

Eigenerwärmungsfehler
Eine direkt mit dem Sensor und seinen Eigenschaften verbundene Fehlermöglichkeit ist die Eigenerwärmung. (Eigenerwärmungskoeffizient = EK). Zur Messung des elektrischen Widerstandes muß der Sensor von einem Strom durchflossen werden. Durch die so umgesetzte elektrische Leistung (P = I² x R) wird der Widerstand geringfügig erwärmt. Das Maß der Eigenerwärmung in einem Widerstands- Thermometer ist im wesentlichen abhängig von:

• der umgesetzten Leistung
• der Oberfläche, die im Kontakt mit dem wärmeabführenden Medium steht
• dem Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Thermometer und Medium

Die im Datenblatt angegebenen Eigenerwärmungskoeffizienten gelten nur für den Messwiderstand.
Diese Zahl darf nicht dazu benutzt werden, die Eigen- Erwärmung eines kompletten Widerstandsthermometers zu bestimmen.

Isolationsfehle:
Es muß sichergestellt werden, daß der Parallelwiderstand den Messwert nicht verfälscht.
Dieser Parallelwiderstand ist im wesentlichen abhängig vom Isolationswiderstand zwischen Leitung-Leitung und Leitung- Schutzrohr.
Weitere Einflußgrößen sind der Grundwiderstand und die Umgebungstemperatur.

Lagerung
Damit die Anschlußdrähte der Messwiderstände ihre gute Lötbarkeit behalten, dürfen die Sensoren nicht bei hoher Luftfeuchtigkeit oder in aggressiver Umgebung gelagert werden.
Bei Schichtmeßwiderständen mit Silberdrähten kann es auch bei sorgfältiger Lagerung zu einem Anlaufen der Drahtoberflächen kommen.
Dies stellt jedoch keine Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit des Messwiderstandes dar.
Bei Bedarf können die Anlaufschichten durch einstündiges Tempern der Messwiderstände bei ca. 400°C entfernt werden.

Messbedingungen und Lieferqualität
Alle Gekon Trading-Messwiderstände werden nach den internen Qualitäts- Sicherungsrichtlinien (ISO 9000) gefertigt. Sie werden in regelmäßigen Abständen nach den Anforderungen der DIN IEC 751 typgeprüft. Während der Fertigung werden von jedem Messwiderstand die elektrischen Kennwerte nach DIN IEC 751 vorschriftsgemäß bei zwei Temperaturen überprüft. Die Gesamtmeßunsicherheit der Messung beträgt 0,02 K. Alle Messwiderstände werden unter Berücksichtigung der Gesamtunsicherheit klassifiziert.


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