Selbsterwärmung von RTD‑Sensoren

Durch den Messstrom kommt es am Sensor-Widerstand zwangsläufig und gewollt zu einem Spannungsabfall. Es entsteht eine Verlustleistung an dem Sensor, die ihn selbst erwärmt und somit die Messung verfälscht. Das Abfließen der Wärme an die Umgebung über die Luft oder ein anderes, umliegendes Medium, dem Gehäuse, so wie dem zu messenden Objekt über Oberflächenkontaktierung (z. B. mittels Klebeschicht) kann ein komplexer Prozess sein. Es ist ratsam, überschlägig zu prüfen, ob die Selbsterwärmung in einen für die angestrebte Messgenauigkeit relevanten Bereich kommt. Je nach Sensor kann dies bei Zielgenauigkeiten von unter 100 mK der Fall sein.

Im Folgenden werden einige beispielhafte Werte zur Veranschaulichung des Effekts verwendet, die Methode ist ggf. auf die konkrete Anwendung anzupassen.

Zum Sensor:

• Ein Sensor kann einen self‑heating Koeffizient von z. B. 0,5 mK/µW ausgewiesen haben, je nach dem ihn umgebenden Medium.
• Über den Messstrom und die abfallende Spannung am Widerstandselement kann die Verlustleistung und die Selbsterwärmung berechnet werden. Achtung: Dies ist eine nichtlineare Berechnung!

Zur Beckhoff Klemme/Modul:

• Das Beckhoff-Messgerät erzeugt einen Messstrom durch den RTD-Sensor (dies kann sowohl über eine interne Spannungs- oder eine Stromquelle erfolgen).
• Eine mögliche, z. B. in EL32xx realisierte Messmethode kann die Vergleichsmessung mit einem bekannten Referenzwiderstand sein, hier für die folgenden Überlegungen vereinfacht im 2‑Leiter‑Anschluss dargestellt:



• U_supply, R_reference und U_meas seien bekannt, dann kann R_sense und damit die Temperatur T vom Modul in der Firmware berechnet werden.
• Anhand der in der Gerätedokumentation gegebenen Werte kann die Auswirkung der Messgröße auf den R-/RTD-Sensor berechnet werden.

Im Folgenden ein Beispiel in Zahlen:

• Es soll untersucht werden, mit welchem Sensor in welchem Messbereich der ELM3704 bei einer Zieltemperatur T die geringste Wärme am Sensor entsteht.
• Es wird ein Sensor Pt100 oder Pt1000 verwendet und von 0...100 °C gemessen, der Widerstandbereich wäre somit im Bereich 100...138 Ω bzw. 1000…1385 Ω.



• Die ELM3704 hat die Eigenschaften (hier nur Richtwerte, gültig sind die in der ELM370x Dokumentation gegebenen Werte)
• Messbereich 5 kΩ, R_reference = 5 kΩ, U_supply = 2,5 V
• Messbereich 2 kΩ, R_reference = 5 kΩ, U_supply = 2,5 V
• Messbereich 500 Ω, R_reference = 5 kΩ, U_supply = 4,5 V
• Messbereich 200 Ω, R_reference = 5 kΩ, U_supply = 4,5 V
• Messbereich 50 Ω, R_reference = 5 kΩ, U_supply = 4,5 V
• R_reference und R_sense liegen in Reihe, dann lässt sich der Messstrom und damit die Leistung am Sensor in Abhängigkeit von R bzw. T in den möglichen fünf Messbereichen der ELM3704 einfach berechnen:



• Somit wird bei T = 0 °C und damit R_Pt100 = 100 Ω bzw. R_Pt1000 = 1000 Ω der Pt100 mit 0,08 mW nur halb so viel Leistung umgesetzt wie der Pt1000 mit 0,17 mW. Eine geringere elektrische Verlustleistung hat damit auch eine geringere Eigenerwärmung zur Folge.
• Dennoch würde sich der o.a. Sensor also um 0,17 mW ⋅ 0,5 mK/µW = 85 mK selbst erwärmen.

Falls die Selbsterwärmung relevant für den betrachteten Prozess wird, ist zu bedenken:

• ob der Sensor gewechselt werden kann,
• ob die thermische Anbindung des Sensors verbessert werden kann,
• ob eine dauerhafte Messung nötig ist oder aus der Steuerung heraus der Messstrom des Beckhoff-Moduls temporär abgeschaltet werden kann (z. B. 1 Sekunde messen, 10 Sekunden abkühlen), und
• ob der Effekt numerisch greifbar ist und somit auch nachträglich in der Steuerung aus dem Temperaturwert herausgerechnet werden kann.

Diese Betrachtung konzentriert sich allerdings allein auf die Problematik der Eigenerwärmung.
Ob der Sensor und der Messbereich insgesamt der Geeignete ist, muss auch gegen andere Aspekte wie Rauschen, angegebene Messunsicherheit im Messbereich und Empfindlichkeit des Sensor k = ∆R/∆T_ambient geprüft werden.