Pt100 - Temperatur Sensoren

Messfehler bei der elektr. Temperaturmessung mit Pt100-Sensoren

Neben der Grundgenauigkeit der Pt100 Sensoren kann es zu nachfolgenden zusätzlichen Fehlern kommen:

• Eigenerwärmung
• Leitungsfehler
• Isolationsfehler
• Parasitäre Thermospannungen

Eigenerwärmung des Pt100 Sensoren

Um den Widerstand eines Pt100 Sensors zu messen, muss dieser von einem Strom durchflossen werden. Der Messstrom erzeugt eine Verlustleistung und damit Wärme am Sensor. Der damit verbundene Messfehler einer höheren Temperaturanzeige hängt von verschiedenen Einflussgrößen ab:

• Höhe des Temperatur-Messwiderstandes
  Ein Pt1000 Sensor wird zehnmal stärker erwärmt als ein Pt100-Widerstand.


• Ableitung der erzeugten Wärme
  Die Messarmatur sollte so eingebaut werden, dass sie optimal vom Medium umspült ist. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Mediums, desto höher der Wärmeabtrag.
  Besonders in kleinen Volumen oder ruhenden Gase kann es zu teils erheblichen Messfehlern kommen.
  


• Messstrom
  Heute ist ein Messstrom von 1 mA üblich. Dies bedeutet eine Verlustleistung von 0,0001 Watt
  Ist der Eigenerwärmungskoeffizient (E) der Messarmatur bekannt, so kann der optimale Messstrom bei gewünschtem, max. Messfehler über nachfolgende Formel errechnet werden.
  
  E=t/(R * I²)
  
  Der max. Messtrom für die tollerierte Messabweichung ergibt sich dann aus der Formel:
  
  I = (t/E -R)₂
  
  E=Eigenerwärmungskoeffizient
  t= (angezeigte Temperatur) - (Temperatur des Medium)
  R=Widerstand des Temperatursensors
  I= Messstrom
  


• Wärmekapazität und Wärmeleitung der Messarmatur
  Beim Einbau des Pt100 Messwiderstandes muss für optimalen Temperaturübergang gesorgt werden (z.B.: Wärmeleitpaste, geeignetes Isolationsmaterial). Das Material der Einbauarmatur sollte möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit haben (z.B. Metalle).
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Leitungsfehler

Der Leitungsfehler resultiert aus dem Anschluss des Pt100 -Widerstandsthermometer an die Auswerteelektronik mit einer 2-adrigen Anschlussleitung (Zweileiter-Anschluss). Dabei geht der Widerstand der Anschlussleitung als Fehler in die Messung ein.
Besonders bei langen Anschlussleitungen und kleinem Leitungsdurchmesser kann es dabei zu erheblichen Messfehlern kommen. Bei modernen Auswertegeräten kann der Widerstand der Anschlussleitung kompensiert werden, jedoch können Temperaturschwankungen an der Leitung nicht berücksichtigt werden. Die Widerstände des Pt100 und der Anschlussleitung addieren sich, es kommt zur Anzeige einer höheren Temperatur.

Abhilfe schafft der Anschluss des Pt100 in 3-oder 4-Leitertechnik.
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Isolationsfehler

Das Eindringen von Feuchtigkeit in den Sensor oder in das Isoliermaterial zwischen den Anschlussleitungen führt zu einem Messfehler (niedrigere Temperatur).
Die Sensoren sind normalerweise ausreichend gegen Feuchtigkeit geschützt. Bei der Herstellung des Messeinsatzes muss jedoch auf die Verwendung von absolut trockenen Isoliermaterialien und sorgfältige Abdichtung geachtet werden.
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Parasitäre Thermospannungen

Beim Verbinden unterschiedlicher Metalle tritt eine Thermospannung auf. Solche Metallverbindungen entstehen z.B. beim Verlängern der Sensor-Anschlussdrähte mit Kupferdrähten. Normalerweise haben die Verbindungsstellen die gleiche Temperatur und heben sich somit wertmäßig auf. Liegen jedoch durch z.B. unterschiedliche Wärmeableitung verschiedene Temperaturen an den Anschlussstellen vor, so entstehen unterschiedliche Thermospannungen die zu einem Spannungsabfall führen, der von dem Auswertegerät als Widerstandsänderung des Pt100-Sensors interpretiert wird. Es kommt zu einem Messfehler.
Wie hoch der Messfehler ist hängt stark vom Auswertegerät und der damit gewählten Anschlussart (2-,3- oder 4-Leiter) zusammen.
Fehlerfindung durch Umkehrung des Messstromes. Je höher die Differenz der gemessenen Messwerte, desto höher ist die vorliegende Thermospannung.
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Ansprechzeit (T₅₀, T₆₃, T₉₀)

In vielen Anwendungen ist es für eine präzise Steuerung und Regelung des Prozesses entscheidend, wie schnell ein Temperaturfühler auf eine Änderung der Temperatur reagiert.
Da ein Temperatursensor, vor allem bei sprungartigen Temperaturwechseln des Mediums, erst verzögert darauf reagiert, kann es zu ungewünschten Fehlsteuerungen des Prozesses oder sogar Schäden an Maschinen oder Anlagen kommen.
Wie schnell ein Pt100 Temperaturfühler auf eine Temperaturänderung reagiert hängt von verschiedenen Faktoren ab.

• Aufbau des Temperaturfühlers
  Der Pt100-Sensor muss möglichst optimalen Kontakt zu der umgebenden Schutzarmatur haben (z.B. mit Wärmeleitpaste). Je kleiner die Masse des Sensors und der Schutzarmatur, desto schneller reagiert der Temperaturfühler auf Temperaturänderungen. Als schnell ansprechend definierte Temperaturfühler haben oft eine verjüngte Messspitze.
• Messmedium
  Abhängig vom zu messenden Medium erfolgt ein unterschiedlicher Wärmeübergang vom Messmedium zum Temperaturfühler. Da Gase schlechte Wärmeleiter sind, erfolgt ein Wärmeübergang bei Gasen langsamer als bei Flüssigkeiten. Auch die Fließgeschwindigkeit spielt eine Rolle beim Wärmeübergang vom Medium zum Pt100 Temperaturfühler. Je schneller das Medium fließt, desto schneller der Wärmeübergang.
• Einbau des Temperaturfühlers
  For optimum heat transfer between the medium and the temperature sensor and to avoid heat dissipation, the resistance thermometer should be immersed as deeply as possible in the medium. It must also be ensured that the medium flows optimally around the sensor and that it is not surrounded by stagnant medium (dead water zones).

Um eine vergleichbare Aussage über die Reaktionsgeschwindigkeit eines Pt100 Temperaturfühlers zu bekommen wurde in DIN 60751 bzw. im amerikanischen Raum in der ASTM E644-11 die „Ansprechzeit“ definiert.
Diese gibt an, welche Zeit ein Temperatursensor benötigt, um von einer bestimmten Anfangstemperatur auf 50% (T₅₀), 63% (T₆₃) oder 90% (T₉₀) des Temperaturunterschiedes zwischen Anfangs- und Endtemperatur zu kommen.

Beispiel:
Sprunghafte Erhöhung der Mediumstemperatur von 50 °C auf 100 °C
Dies ist ein Temperatursprung von 50°C.
Der T₅₀ Wert liegt somit bei: 75 °C = 25 °C (50% des Temperatursprunges) + 50 °C (Anfangstemperatur)
entsprechend:
T₆₃ benötigte Zeit bis der Temperaturfühler 81,5 °C erreicht
T₉₀ benötigte Zeit bis der Temperaturfühler 95 °C erreicht

Die Ansprechzeit eines Pt100 Temperatursensors wird vom Hersteller ermittelt und im Datenblatt angegeben. Korrekterweise sollte dabei auch der Temperaturbereich angegeben werden, in dem die Messung erfolgte.
Beispiel: T₅₀: 0,5 Sekunden von 50 bis 100 °C

Es wird auch oft T_0,5 statt T₅₀, T_0,63 statt T₆₃ oder T_0,9 statt T₉₀ als Schreibweise benutzt.

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