Selbsterwärmung bei PT100-Sensoren – ein unterschätztes Messproblem

 

Widerstandsthermometer vom Typ PT100 gehören zu den am häufigsten eingesetzten Temperaturfühlern in der industriellen Messtechnik. Sie werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt – von der Prozessüberwachung in Anlagen über Prüfstände bis hin zur hochpräzisen Temperaturkalibrierung im Labor. Gründe dafür sind ihre hohe Langzeitstabilität, gute Reproduzierbarkeit und die vergleichsweise einfache Auswertung des temperaturabhängigen Widerstands.

Trotz dieser Vorteile können auch PT100-Sensoren Messfehler aufweisen, die in der Praxis oft unterschätzt werden. Neben Einbaufehlern, schlechter thermischer Ankopplung oder elektrischen Störeinflüssen spielt dabei ein Effekt eine wichtige Rolle, der häufig übersehen wird: die Selbsterwärmung des Sensors.

Bei der Temperaturmessung mit einem PT100 wird ein kleiner Messstrom durch das Sensorelement geleitet, um den elektrischen Widerstand zu bestimmen. Dieser Strom führt zwangsläufig zu einer geringen elektrischen Verlustleistung im Sensor. Ein Teil dieser Energie wird in Wärme umgewandelt und kann den Sensor minimal erwärmen. In bestimmten Anwendungen führt dies dazu, dass der Fühler eine etwas höhere Temperatur misst als tatsächlich vorhanden ist.

In vielen industriellen Anwendungen ist dieser Effekt nur sehr klein und hat kaum Einfluss auf das Messergebnis. In anderen Fällen – etwa bei hochgenauen Messungen, bei schlecht wärmeleitenden Medien oder bei kleinen Sensorelementen – kann die Selbsterwärmung jedoch zu messbaren Abweichungen führen. Genau deshalb lohnt es sich, diesen Einfluss genauer zu betrachten und zu verstehen, unter welchen Bedingungen er relevant wird.

In diesem Artikel erklären wir, wie Selbsterwärmung bei PT100-Sensoren entsteht, welche Faktoren sie beeinflussen und welche Maßnahmen helfen können, mögliche Messfehler zu reduzieren.

 

Was ist ein PT100 und wie funktioniert er?

Der PT100 gehört zur Gruppe der sogenannten Widerstandsthermometer (RTD – Resistance Temperature Detector). Bei diesem Messprinzip wird die Temperatur über die Änderung des elektrischen Widerstands eines Sensorelements bestimmt.

Das Sensorelement besteht aus Platin, da dieses Material besonders stabile und reproduzierbare Widerstandseigenschaften besitzt. Mit steigender Temperatur nimmt der elektrische Widerstand des Platins sehr gleichmäßig zu. Genau diese Eigenschaft wird für die Temperaturmessung genutzt.

Grundprinzip der PT100-Messung

Die Funktionsweise lässt sich in wenigen Schritten erklären:

1. Ein kleiner Messstrom wird durch das Platinelement des Sensors geschickt.

2. Das Messgerät bestimmt den elektrischen Widerstand des Sensors.

3. Aus diesem Widerstand wird mithilfe einer Normkennlinie die Temperatur berechnet.

Die Kennlinie ist international genormt (IEC 60751), sodass Messgeräte den Widerstand eindeutig einer Temperatur zuordnen können.

Typische Widerstandswerte eines PT100

Der Name PT100 ergibt sich direkt aus dieser Kennlinie:

Typische Bauformen von PT100-Sensoren

PT100-Sensoren werden in verschiedenen Bauformen hergestellt, je nach Einsatzgebiet:

• Dünnschichtsensoren

  • kompakte Bauform

  • schnelle Reaktionszeit

  • weit verbreitet in industriellen Sensoren

• Drahtgewickelte Sensoren

  • sehr hohe Genauigkeit

  • häufig in Referenzfühlern und Kalibriertechnik

• Mantelthermoelemente / Mantel-PT100

  • robust

  • geeignet für industrielle Prozesse

Messschaltungen bei PT100

Da auch die Anschlussleitungen einen Widerstand besitzen, gibt es unterschiedliche Verdrahtungsarten:

Gerade bei präzisen Temperaturmessungen wird häufig die 4-Leiter-Technik eingesetzt, da sie den Einfluss des Leitungswiderstands praktisch vollständig kompensiert.

Warum ein Messstrom notwendig ist

Um den Widerstand eines PT100 bestimmen zu können, muss ein Messstrom durch das Sensorelement fließen. Dieser Strom ist meist sehr klein und liegt typischerweise im Bereich von:

• 0,1 mA bis 1 mA bei Präzisionsmessungen

• 1 mA bis 5 mA bei industriellen Messgeräten

Genau dieser Messstrom führt jedoch zu einem physikalischen Effekt, der häufig übersehen wird: der Selbsterwärmung des Sensors.

 

Was bedeutet Selbsterwärmung bei einem PT100?

Unter Selbsterwärmung versteht man die Erwärmung eines Sensors durch die elektrische Leistung, die während der Messung im Sensorelement umgesetzt wird. Dieser Effekt tritt bei allen Widerstandsthermometern auf – also auch bei PT100-Temperaturfühlern.

Der Grund dafür ist einfach:
Um den Widerstand eines PT100 messen zu können, muss ein Messstrom durch das Sensorelement fließen. Dieser Strom erzeugt im Sensor eine geringe elektrische Verlustleistung, die teilweise in Wärme umgewandelt wird.

Die Folge:
Der Sensor kann sich leicht erwärmen und dadurch eine etwas höhere Temperatur anzeigen als tatsächlich vorhanden ist.

Physikalischer Hintergrund

Die elektrische Leistung, die im Sensor entsteht, lässt sich mit einer einfachen Formel berechnen:

P = I² × R

Diese Leistung wird im Sensorelement als Wärme freigesetzt.

Beispiel für Selbsterwärmung

Ein typischer PT100 wird mit einem Messstrom von 1 mA betrieben.

Auch wenn diese Leistung sehr klein erscheint, kann sie in bestimmten Situationen zu einer messbaren Temperaturerhöhung führen.

Typische Selbsterwärmungswerte

Die Selbsterwärmung wird häufig in der Einheit °C pro mW angegeben.

Typische Werte liegen in folgenden Bereichen:

Je schlechter die Wärme vom Sensor abgeführt werden kann, desto stärker wirkt sich die Selbsterwärmung aus.

Warum dieser Effekt oft übersehen wird

In vielen industriellen Anwendungen beträgt der Fehler nur wenige Hundertstel Grad und bleibt deshalb unbemerkt. Dennoch kann er in bestimmten Situationen relevant werden.

Typische Gründe, warum Selbsterwärmung unterschätzt wird:

• Der Messstrom erscheint sehr klein

• Der Effekt wird in vielen Datenblättern nur am Rand erwähnt

• In normalen Prozessmessungen fällt der Fehler kaum auf

• Die Temperaturabweichung ist oft systematisch und bleibt daher lange unentdeckt

Besonders bei hochpräzisen Temperaturmessungen oder Kalibrierungen kann die Selbsterwärmung jedoch eine wichtige Rolle spielen.

 

Wie entsteht Selbsterwärmung technisch?

Die Selbsterwärmung eines PT100-Sensors ist eine direkte Folge der elektrischen Verlustleistung, die im Sensorelement während der Widerstandsmessung entsteht. Immer wenn elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, wird ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt. Dieser Effekt wird als Joule’sche Erwärmung bezeichnet.

Bei einem PT100 ist dieser Effekt grundsätzlich unvermeidbar, da zur Messung des Widerstands ein Messstrom durch das Platinelement fließen muss.

Elektrische Leistung im Sensorelement

Die elektrische Leistung, die im Sensor entsteht, lässt sich mit der bekannten Formel berechnen:

P = I² × R

Diese Leistung wird vollständig in Wärmeenergie umgewandelt.

Beispiel für eine typische PT100-Messung

Ein PT100 wird mit einem Messstrom von 1 mA betrieben.

Diese Leistung erscheint sehr klein. Trotzdem kann sie zu einer messbaren Temperaturerhöhung führen, insbesondere wenn der Sensor die Wärme nur schlecht an seine Umgebung abgeben kann.

Wärmefluss im Sensor

Ob sich der Sensor tatsächlich erwärmt, hängt stark davon ab, wie gut die entstehende Wärme abgeführt werden kann.

Der Wärmefluss erfolgt über mehrere Wege:

• Wärmeleitung über das Schutzrohr oder die Sonde

• Wärmeübertragung an das umgebende Medium

• Konvektion bei strömenden Medien

• Wärmeleitung über Anschlussdrähte

Je besser diese Wärmeabfuhr funktioniert, desto kleiner wird die Temperaturerhöhung des Sensors.

Typische Wärmeabfuhr in verschiedenen Medien

Die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Mediums hat einen großen Einfluss auf die Selbsterwärmung.

Besonders in Luft oder schlecht wärmeleitenden Materialien kann sich ein PT100 stärker erwärmen.

Zusammenhang zwischen Messstrom und Selbsterwärmung

Der Messstrom hat einen besonders starken Einfluss, da die Verlustleistung quadratisch mit dem Strom steigt.

Das bedeutet:

• Verdoppelt sich der Messstrom, vervierfacht sich die Verlustleistung.

• Dadurch kann die Selbsterwärmung deutlich ansteigen.

Aus diesem Grund arbeiten präzise Temperaturmessgeräte oft mit sehr kleinen Messströmen, um den Einfluss der Selbsterwärmung möglichst gering zu halten.

 

Welche Faktoren beeinflussen die Selbsterwärmung?

Wie stark sich ein PT100-Sensor durch den Messstrom selbst erwärmt, hängt von mehreren technischen und physikalischen Faktoren ab. In der Praxis wirkt selten nur ein einzelner Einfluss – meist ist es eine Kombination aus Messstrom, Sensorbauform und Einbausituation, die darüber entscheidet, ob der Effekt messbar wird.

Die wichtigsten Einflussgrößen werden im Folgenden erläutert.

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1. Messstrom des Auswertegeräts

Der Messstrom ist der wichtigste Faktor für die Selbsterwärmung. Da die elektrische Verlustleistung proportional zum Quadrat des Stroms ist, steigt die erzeugte Wärme sehr schnell mit zunehmendem Messstrom.

Aus diesem Grund arbeiten moderne Präzisionsmessgeräte häufig mit sehr kleinen Messströmen.

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2. Bauform des Sensors

Die Bauform des Sensorelements beeinflusst stark, wie gut Wärme abgeführt werden kann.

Unterschiedliche Sensorbauformen besitzen daher unterschiedliche Selbsterwärmungswerte.

Gerade hochgenaue Referenzfühler sind konstruktiv so aufgebaut, dass Wärme möglichst gut an die Umgebung abgeführt wird.

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3. Einbausituation des Sensors

Die Einbausituation hat einen großen Einfluss darauf, wie gut Wärme aus dem Sensor abgeleitet wird.

Typische Einbausituationen:

• direkter Metallkontakt mit Rohrleitung oder Bauteil

• Messung in Flüssigkeiten

• Messung in ruhender Luft

• Einbau in Schutzrohre

Besonders Messungen in Luft sind daher anfällig für Selbsterwärmung.

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4. Strömungsgeschwindigkeit des Mediums

Bewegte Medien transportieren Wärme deutlich besser ab als ruhende.

In Luftkanälen oder Strömungsmessungen ist der Effekt daher meist kleiner als in ruhender Umgebung.

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5. Größe des Sensorelements

Auch die Größe und Masse des Sensorelements beeinflusst die Selbsterwärmung.

• kleine Sensoren

  • reagieren schnell

  • können sich schneller erwärmen

• größere Sensoren

  • besitzen mehr thermische Masse

  • erwärmen sich langsamer

Miniaturfühler können daher in bestimmten Anwendungen stärker von Selbsterwärmung betroffen sein.

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6. Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Mediums

Die Fähigkeit eines Mediums, Wärme abzuleiten, spielt ebenfalls eine wichtige Rolle.

Aus diesem Grund sind Temperaturmessungen in Luft besonders empfindlich gegenüber Selbsterwärmung.

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Diese Faktoren zeigen, dass die Selbsterwärmung eines PT100-Sensors stark von den Betriebsbedingungen und der Messanordnung abhängt. In vielen Anwendungen bleibt der Effekt sehr klein, kann jedoch unter ungünstigen Bedingungen messbare Temperaturabweichungen verursachen.

 

Wann wird Selbsterwärmung in der Praxis problematisch?

In vielen industriellen Anwendungen ist die Selbsterwärmung eines PT100-Sensors so gering, dass sie im normalen Betrieb kaum auffällt. Typische Prozessmessungen haben oft Toleranzen im Bereich von ±0,5 °C bis ±2 °C, sodass ein Fehler von wenigen Hundertstel Grad praktisch keine Rolle spielt.

Es gibt jedoch Anwendungen, in denen selbst kleine Temperaturabweichungen kritisch sein können. In solchen Fällen kann die Selbsterwärmung zu systematischen Messfehlern führen.

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Typische Situationen mit erhöhter Selbsterwärmung

Bestimmte Einsatzbedingungen begünstigen diesen Effekt besonders.

1. Temperaturmessungen in Luft

Luft besitzt eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Dadurch wird die im Sensor entstehende Wärme nur langsam abgeführt.

Typische Beispiele:

• Raumtemperaturmessung

• Klimakanäle

• Labormessungen

• Umweltmessungen

In solchen Anwendungen kann die Selbsterwärmung deutlich stärker auftreten als in Flüssigkeiten.

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2. Messungen in ruhenden Medien

Auch in Flüssigkeiten kann der Effekt zunehmen, wenn das Medium kaum bewegt wird.

Beispiele:

• Temperierbäder ohne Umwälzung

• ruhende Flüssigkeiten in Behältern

• schlecht durchmischte Prozesse

Fehlt die Strömung, wird die Wärme schlechter abgeführt.

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3. Hochpräzise Temperaturmessungen

In Kalibrierlaboren oder Prüfanwendungen sind sehr kleine Messabweichungen relevant.

Typische Genauigkeitsanforderungen:

In solchen Anwendungen kann bereits eine geringe Selbsterwärmung zu einem messbaren Fehler führen.

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4. Verwendung kleiner Sensorelemente

Miniaturfühler reagieren zwar sehr schnell auf Temperaturänderungen, besitzen jedoch eine geringe thermische Masse. Dadurch kann sich das Sensorelement schneller erwärmen.

Typische Anwendungen:

• schnelle Prozessmessungen

• Laborfühler

• Miniaturtemperatursensoren

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5. Hoher Messstrom im Messgerät

Nicht alle Messgeräte verwenden gleich kleine Messströme. Bei älteren Geräten oder bestimmten Messverfahren kann der Strom höher sein.

Da die Verlustleistung quadratisch mit dem Strom steigt, kann dies den Effekt deutlich verstärken.

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Typisches Fehlerbild in der Praxis

Ein charakteristisches Merkmal der Selbsterwärmung ist, dass der Sensor systematisch zu hohe Temperaturen anzeigt.

Typische Beobachtungen:

• Temperatur liegt konstant leicht über dem Referenzwert

• Messwert stabilisiert sich auf einem etwas höheren Niveau

• der Fehler bleibt auch bei wiederholten Messungen gleich

Da dieser Fehler sehr stabil ist, wird er oft zunächst nicht als Messproblem erkannt.

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Beispiel aus der Praxis

Ein PT100 misst in ruhender Luft mit einem Messstrom von 1 mA.

Dieser Fehler ist klein, kann jedoch in hochpräzisen Anwendungen bereits relevant sein.

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Selbsterwärmung wird daher besonders dann wichtig, wenn sehr genaue Temperaturmessungen erforderlich sind oder die Wärmeabfuhr des Sensors eingeschränkt ist.

 

Wie groß kann der Messfehler sein?

Die durch Selbsterwärmung verursachte Temperaturabweichung ist in den meisten Anwendungen relativ klein. Dennoch kann sie unter bestimmten Bedingungen einen messbaren und reproduzierbaren Fehler verursachen. Entscheidend ist dabei das Zusammenspiel aus Messstrom, Sensoreigenschaften und Wärmeabfuhr.

Der Messfehler ergibt sich grundsätzlich aus zwei Größen:

• der elektrischen Verlustleistung im Sensor

• dem Selbsterwärmungskoeffizienten des Sensors

Der Selbsterwärmungskoeffizient wird häufig vom Hersteller angegeben und beschreibt, um wie viel Grad sich ein Sensor pro Milliwatt Leistung erwärmt.

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Typische Selbsterwärmungskoeffizienten

Die Werte hängen stark vom Medium und der Einbausituation ab.

Je schlechter die Wärme abgeführt wird, desto stärker wirkt sich die Selbsterwärmung aus.

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Beispielrechnung

Ein PT100 wird mit einem Messstrom von 1 mA betrieben.

Angenommen, der Sensor besitzt einen Selbsterwärmungskoeffizienten von 0,4 °C/mW.

Dann ergibt sich:

Temperaturerhöhung = 0,4 °C/mW × 0,1 mW
Temperaturerhöhung = 0,04 °C

Dieser Fehler ist zwar klein, aber in präzisen Messanwendungen bereits relevant.

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Einfluss eines höheren Messstroms

Da die Verlustleistung quadratisch mit dem Strom steigt, kann ein höherer Messstrom den Fehler deutlich vergrößern.

Dieses Beispiel zeigt, dass der Messstrom einen sehr großen Einfluss auf den Fehler haben kann.

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Einordnung des Fehlers in der Praxis

Ob die Selbsterwärmung relevant ist, hängt stark von der Anwendung ab.

Besonders bei Kalibrierungen oder Referenzmessungen können bereits kleine Temperaturabweichungen die Messergebnisse beeinflussen.

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Der Messfehler durch Selbsterwärmung ist daher zwar oft klein, sollte aber bei hochgenauen Temperaturmessungen immer berücksichtigt werden.

 

Warum wird dieser Fehler oft unterschätzt?

Obwohl die Selbsterwärmung ein physikalisch klar erklärbarer Effekt ist, wird sie in der Praxis häufig nicht als mögliche Fehlerquelle erkannt. In vielen industriellen Anwendungen bleibt der Einfluss so klein, dass er im normalen Betrieb kaum auffällt. Dadurch wird das Thema bei Planung, Installation und Fehlersuche oft nicht berücksichtigt.

Mehrere Gründe tragen dazu bei, dass dieser Effekt unterschätzt wird.

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1. Der Messstrom erscheint sehr klein

Messströme bei PT100-Sensoren liegen meist nur im Bereich von 0,1 mA bis 1 mA. Auf den ersten Blick scheint ein so kleiner Strom keine nennenswerte Erwärmung verursachen zu können.

In Wirklichkeit kann jedoch selbst eine sehr kleine Leistung messbare Temperaturänderungen verursachen – besonders dann, wenn die Wärme schlecht abgeführt wird.

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2. Der Fehler ist systematisch und stabil

Selbsterwärmung führt meist zu einem konstanten Temperaturversatz. Der Sensor zeigt beispielsweise dauerhaft etwa 0,03 °C oder 0,05 °C zu viel an.

Das hat zwei Folgen:

• der Messwert wirkt stabil und plausibel

• der Fehler wird selten als Messproblem erkannt

Im Gegensatz zu zufälligen Störungen verändert sich der Fehler kaum und fällt daher im Alltag selten auf.

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3. Datenblätter erwähnen den Effekt oft nur am Rand

Viele Sensorhersteller geben zwar einen Selbsterwärmungskoeffizienten an, dieser steht jedoch meist nur in den technischen Details eines Datenblatts.

Beispiel für typische Angaben:

Ohne eine konkrete Berechnung bleibt jedoch oft unklar, welche Temperaturabweichung daraus tatsächlich entsteht.

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4. In Prozessmessungen ist der Fehler meist klein

In vielen industriellen Anwendungen sind Temperaturtoleranzen relativ groß.

Ein Fehler von 0,02 °C bis 0,05 °C fällt in solchen Anwendungen kaum auf.

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5. Andere Fehlerquellen stehen oft im Fokus

Bei der Fehlersuche konzentrieren sich Anwender häufig auf andere Ursachen:

• falsche Einbaulänge

• schlechte thermische Ankopplung

• elektrische Störungen

• Leitungswiderstände

• falsche Kalibrierung

Die Selbsterwärmung wird daher selten als erstes in Betracht gezogen.

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6. Moderne Messgeräte kompensieren den Effekt teilweise

Viele hochwertige Messgeräte arbeiten mit sehr kleinen Messströmen oder gepulsten Messverfahren, um die Selbsterwärmung zu reduzieren. Dadurch tritt das Problem in modernen Systemen oft weniger stark auf als bei älteren Geräten.

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Diese Faktoren führen dazu, dass die Selbsterwärmung in der Praxis häufig unbemerkt bleibt, obwohl sie bei präzisen Messungen durchaus relevant sein kann.

 

Wie lässt sich Selbsterwärmung reduzieren?

Auch wenn Selbsterwärmung physikalisch nicht vollständig vermeidbar ist, lässt sich ihr Einfluss in der Praxis deutlich reduzieren. Bereits bei der Auswahl des Sensors, der Messtechnik und der Einbausituation können Maßnahmen getroffen werden, um den Effekt möglichst klein zu halten.

In vielen Anwendungen lassen sich Temperaturfehler dadurch auf wenige Tausendstel Grad begrenzen.

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1. Messstrom reduzieren

Die einfachste und effektivste Maßnahme besteht darin, den Messstrom zu verringern. Da die Verlustleistung proportional zum Quadrat des Stroms steigt, kann bereits eine kleine Reduzierung einen großen Effekt haben.

Viele moderne Präzisionsmessgeräte arbeiten deshalb mit Messströmen unter 1 mA.

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2. Gute thermische Ankopplung sicherstellen

Je besser die Wärme vom Sensor an seine Umgebung abgeführt werden kann, desto kleiner wird die Selbsterwärmung.

Eine gute thermische Ankopplung wird erreicht durch:

• ausreichende Eintauchtiefe des Sensors

• guten Kontakt zwischen Sensor und Medium

• Verwendung von Wärmeleitpasten oder geeigneten Einbaulösungen

• stabile mechanische Befestigung

Besonders wichtig ist dies bei Messungen in Luft, da dort die Wärmeabfuhr grundsätzlich schlechter ist.

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3. Strömung des Mediums nutzen

Strömende Medien transportieren Wärme deutlich besser ab als ruhende.

Bei Prozessmessungen in Rohrleitungen oder Kanälen ist der Effekt daher meist sehr klein.

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4. Geeignete Sensorbauform wählen

Die Bauform des Sensors beeinflusst ebenfalls die Wärmeabfuhr.

In hochgenauen Anwendungen werden häufig drahtgewickelte PT100-Sensoren verwendet, da sie eine sehr stabile und reproduzierbare Messcharakteristik besitzen.

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5. Messgeräte mit optimierter Messtechnik verwenden

Moderne Temperaturmessgeräte nutzen häufig spezielle Verfahren, um Selbsterwärmung zu minimieren.

Typische Methoden sind:

• sehr niedrige Messströme

• gepulste Messverfahren

• intelligente Signalverarbeitung

Dadurch wird der Energieeintrag in den Sensor deutlich reduziert.

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6. Messfehler bei hochpräzisen Anwendungen berücksichtigen

In Anwendungen mit sehr hohen Genauigkeitsanforderungen kann es sinnvoll sein, den Effekt rechnerisch zu berücksichtigen oder durch geeignete Messbedingungen zu minimieren.

Typische Maßnahmen:

• Vergleichsmessungen mit Referenzsensoren

• stabile Messbedingungen sicherstellen

• Messgeräte mit sehr geringem Messstrom verwenden

Gerade in Kalibrierlaboren oder Prüfanwendungen gehört die Berücksichtigung der Selbsterwärmung daher zum normalen Messkonzept.

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Durch eine Kombination dieser Maßnahmen lässt sich der Einfluss der Selbsterwärmung in vielen Fällen auf ein vernachlässigbares Niveau reduzieren.

 

Welche Rolle spielt die Messtechnik bzw. das Auswertegerät?

Neben dem Sensor selbst hat auch das Messgerät bzw. Auswertegerät einen erheblichen Einfluss auf die Selbsterwärmung eines PT100. Denn das Messgerät bestimmt, wie der Widerstand gemessen wird und welcher Messstrom dabei durch den Sensor fließt.

Unterschiedliche Messgeräte können daher bei identischem Sensor unterschiedlich große Selbsterwärmungseffekte verursachen.

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Messstrom wird vom Messgerät bestimmt

Der Messstrom eines PT100 wird nicht vom Sensor selbst vorgegeben, sondern vom Temperaturmessgerät, Transmitter oder Kalibrator.

Typische Messströme sind:

Je kleiner dieser Strom ist, desto geringer fällt die Selbsterwärmung aus.

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Unterschiedliche Messverfahren

Moderne Messgeräte nutzen unterschiedliche Verfahren zur Widerstandsmessung.

Die wichtigsten sind:

Konstanter Messstrom

• einfaches Messverfahren

• kontinuierlicher Strom durch den Sensor

• Selbsterwärmung dauerhaft vorhanden

Gepulster Messstrom

• Strom fließt nur kurzzeitig während der Messung

• geringere mittlere Verlustleistung

• reduzierte Selbsterwärmung

Gerade hochwertige Messgeräte verwenden oft gepulste Messverfahren, um den Energieeintrag in den Sensor zu minimieren.

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Einfluss der Messschaltung

Auch die verwendete Verdrahtung beeinflusst die Messqualität.

Die 4-Leiter-Messung wird besonders bei präzisen Temperaturmessungen eingesetzt, da sie Leitungswiderstände vollständig kompensieren kann.

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Rolle der Messgerätegenauigkeit

Neben dem Messstrom spielt auch die Genauigkeit des Messgeräts eine wichtige Rolle.

Je genauer das Messgerät arbeitet, desto stärker müssen auch kleine Effekte wie Selbsterwärmung berücksichtigt werden.

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Kombination aus Sensor und Messgerät

Für präzise Temperaturmessungen ist daher immer das gesamte Messsystem entscheidend.

Dazu gehören:

• Sensor (PT100)

• Anschlussleitungen

• Messgerät oder Transmitter

• Einbausituation

• Umgebungsbedingungen

Nur wenn diese Komponenten optimal zusammenarbeiten, lässt sich eine hohe Messgenauigkeit erreichen.

 

Selbsterwärmung bei PT100 in Kalibrieranwendungen

In der industriellen Prozessmesstechnik spielt die Selbsterwärmung eines PT100 häufig nur eine untergeordnete Rolle. In Kalibrieranwendungen und Präzisionsmessungen kann dieser Effekt jedoch deutlich wichtiger werden. Hier bewegen sich die zulässigen Messabweichungen oft im Bereich von wenigen Hundertstel oder sogar Tausendstel Grad Celsius.

Bereits kleine zusätzliche Wärmeeinträge in den Sensor können daher das Messergebnis beeinflussen.

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Typische Genauigkeitsanforderungen in der Kalibriertechnik

Kalibrierlabore arbeiten mit deutlich höheren Genauigkeitsanforderungen als viele industrielle Anwendungen.

In diesen Bereichen kann bereits eine Selbsterwärmung von 0,02 °C oder 0,03 °C eine messbare Rolle spielen.

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Vergleichsmessungen mit Referenzfühlern

Bei einer Kalibrierung wird ein Prüfling häufig mit einem hochgenauen Referenzsensor verglichen. Beide Sensoren befinden sich dabei im gleichen Temperaturfeld, beispielsweise in:

• Kalibrierbädern

• Trockenblockkalibratoren

• Klimakammern

Damit der Vergleich möglichst exakt ist, müssen beide Sensoren unter identischen thermischen Bedingungen arbeiten.

Unterschiedliche Selbsterwärmung kann hier zu systematischen Abweichungen führen.

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Einfluss auf Vergleichsmessungen

Wenn zwei Sensoren unterschiedliche Messströme oder Bauformen besitzen, kann ihre Selbsterwärmung unterschiedlich ausfallen.

Dadurch kann der Prüfling scheinbar eine etwas höhere Temperatur anzeigen, obwohl beide Sensoren im gleichen Temperaturfeld liegen.

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Bedeutung bei Referenzfühlern

Hochgenaue Referenzfühler sind daher speziell konstruiert, um Selbsterwärmung möglichst gering zu halten.

Typische Eigenschaften:

• drahtgewickelte Sensorelemente

• sehr stabile Kennlinie

• optimierte Wärmeleitung

• geringer Messstrom

Diese Eigenschaften ermöglichen eine sehr stabile und reproduzierbare Temperaturmessung.

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Bedeutung in Kalibrierprozessen

In professionellen Kalibrierprozessen wird Selbsterwärmung daher häufig bewusst berücksichtigt.

Typische Maßnahmen sind:

• Verwendung von Messgeräten mit sehr kleinen Messströmen

• stabile Temperaturfelder im Kalibrierbad

• ausreichende Einschwingzeit der Sensoren

• Verwendung geeigneter Referenzfühler

Durch diese Maßnahmen lässt sich der Einfluss der Selbsterwärmung in der Praxis auf ein sehr kleines Niveau reduzieren.

 

Praxisbeispiel: PT100 misst systematisch zu hoch

Selbsterwärmung macht sich in der Praxis meist durch einen konstanten, kleinen Temperaturversatz nach oben bemerkbar. Der Sensor zeigt dabei dauerhaft eine etwas höhere Temperatur an, obwohl sich die tatsächliche Temperatur des Mediums nicht verändert hat.

Da dieser Fehler stabil und reproduzierbar ist, wird er häufig zunächst nicht als Messproblem erkannt.

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Ausgangssituation

In einem Labor wird die Raumtemperatur mit einem PT100-Sensor überwacht. Der Sensor befindet sich in ruhender Luft und ist an ein präzises Temperaturmessgerät angeschlossen.

Parallel dazu wird die Temperatur mit einem Referenzthermometer überprüft.

Der Unterschied beträgt 0,04 °C.

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Erste Vermutungen

Bei einer solchen Abweichung werden in der Praxis meist zuerst andere Ursachen vermutet, zum Beispiel:

• falsche Einbaulage des Sensors

• schlechter thermischer Kontakt

• unterschiedliche Position der Sensoren

• Messgerätetoleranzen

• Luftströmungen im Raum

Erst nach genauer Analyse zeigt sich, dass der Sensor tatsächlich korrekt installiert ist.

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Ursache der Abweichung

Die Ursache liegt in der Selbsterwärmung des Sensors.

Das Messgerät arbeitet mit einem Messstrom von 1 mA. Dadurch entsteht im Sensor eine kleine elektrische Verlustleistung.

Der Sensor besitzt laut Datenblatt einen Selbsterwärmungskoeffizienten von etwa 0,4 °C/mW in Luft.

Damit ergibt sich:

Dieser Wert stimmt sehr gut mit der beobachteten Temperaturabweichung überein.

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Typische Merkmale solcher Fehler

Selbsterwärmung zeigt sich oft durch bestimmte charakteristische Eigenschaften:

• der Messwert liegt konstant leicht zu hoch

• der Fehler bleibt über lange Zeit stabil

• der Sensor reagiert ansonsten normal auf Temperaturänderungen

Dadurch kann der Fehler leicht übersehen werden.

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Praxisrelevanz

In vielen Anwendungen wäre eine Abweichung von 0,04 °C völlig unkritisch. In präzisen Messaufgaben oder bei Kalibrierungen kann sie jedoch bereits relevant sein.

Das Beispiel zeigt, dass selbst sehr kleine elektrische Leistungen in einem Sensor zu messbaren Temperaturabweichungen führen können, wenn die Wärme nur schlecht abgeführt wird.

 

Worauf Anwender bei der Auswahl eines PT100 achten sollten

Die Genauigkeit einer Temperaturmessung hängt nicht nur vom Sensor selbst ab, sondern vom gesamten Messsystem. Neben der Selbsterwärmung spielen auch Bauform, Einbausituation und die verwendete Messtechnik eine wichtige Rolle.

Bei der Auswahl eines PT100-Sensors sollten daher mehrere technische Aspekte berücksichtigt werden, um mögliche Messfehler möglichst gering zu halten.

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1. Passende Genauigkeitsklasse wählen

PT100-Sensoren sind in verschiedenen Genauigkeitsklassen nach IEC 60751 erhältlich. Diese Klassen definieren die zulässige Abweichung des Sensors über den Temperaturbereich.

Für einfache Prozessmessungen reicht oft Klasse B oder A aus. Für präzisere Anwendungen werden häufig 1/3 DIN oder 1/10 DIN Sensoren eingesetzt.

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2. Geeignete Sensorbauform auswählen

Die Bauform beeinflusst sowohl die Reaktionszeit als auch die Wärmeableitung.

Für hochpräzise Messungen werden häufig drahtgewickelte Sensorelemente verwendet.

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3. Einbaubedingungen berücksichtigen

Die Einbausituation beeinflusst die Messqualität erheblich. Besonders wichtig ist eine gute thermische Kopplung zwischen Sensor und Medium.

Wichtige Punkte sind:

• ausreichende Eintauchtiefe

• guter Kontakt zum Messmedium

• geeignete Montageposition

• Vermeidung von Wärmebrücken

Eine schlechte thermische Ankopplung kann Messfehler verursachen, die deutlich größer sind als die Selbsterwärmung.

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4. Passende Messschaltung verwenden

Die Verdrahtung eines PT100 beeinflusst die Messgenauigkeit erheblich.

Für präzise Messungen wird meist eine 4-Leiter-Schaltung verwendet, da sie Leitungswiderstände vollständig kompensieren kann.

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5. Geeignete Messtechnik einsetzen

Das verwendete Messgerät hat ebenfalls Einfluss auf die Messgenauigkeit.

Wichtige Kriterien sind:

• geringer Messstrom

• hohe Auflösung

• stabile Signalverarbeitung

• passende Messbereiche

Hochwertige Messgeräte verwenden häufig sehr kleine oder gepulste Messströme, um Selbsterwärmung möglichst gering zu halten.

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6. Anwendung berücksichtigen

Die Anforderungen an einen PT100 unterscheiden sich je nach Einsatzgebiet.

Die Auswahl eines geeigneten Sensors sollte daher immer an die jeweilige Anwendung angepasst werden.

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Wenn Sensor, Messgerät und Einbausituation sorgfältig ausgewählt werden, lassen sich viele mögliche Fehlerquellen – einschließlich der Selbsterwärmung – bereits im Vorfeld minimieren.

 

Zusammenfassend

Die Selbsterwärmung eines PT100-Sensors ist ein physikalisch unvermeidbarer Effekt, der durch den Messstrom während der Widerstandsmessung entsteht. In vielen industriellen Anwendungen bleibt dieser Einfluss sehr klein und hat kaum Auswirkungen auf die Messergebnisse.

Dennoch kann der Effekt unter bestimmten Bedingungen – etwa bei Messungen in Luft, bei hohen Messströmen oder bei hochpräzisen Anwendungen – zu messbaren Temperaturabweichungen führen.

Besonders in der Kalibriertechnik und bei präzisen Vergleichsmessungen sollte die Selbsterwärmung daher berücksichtigt werden. Bereits einfache Maßnahmen wie ein geringer Messstrom, eine gute thermische Ankopplung des Sensors und eine geeignete Messtechnik können den Einfluss deutlich reduzieren.

Für Anwender bedeutet dies: Wer die physikalischen Hintergründe versteht und Sensor, Messgerät und Einbausituation sorgfältig auswählt, kann auch mit PT100-Sensoren sehr genaue und zuverlässige Temperaturmessungen durchführen.