Elektrischer Anschluss von Pt100 -Widerstandsthermometern

Elektrischer Anschluss von Pt100 Temperatursensoren

Bei Änderung der Temperatur ändert sich auch der Widerstand des Pt100 -Temperatursensors.
Um die Widerstandsänderung des Pt100 bei Änderung der Temperatur zu erfassen, wird an den Sensor ein konstanter Strom angelegt (üblicherweise zwischen 1 mA und 3 mA).
Nach dem Ohmschen Gesetz U= R x I erzeugt der Widerstand des Pt100 einen Spannungsabfall, der gemessen und ausgewertet wird.
Beispiel:
Ein Pt100 Widerstand hat bei einer Temperatur von 0°C einen Widerstand von 100 Ohm.
Das ergibt bei einem Strom von 1 mA eine Spannung von
U[V]= 100 [Ohm] x 0,001[A]= 0,1 Volt

Dieser Spannungsabfall muss nun möglichst verlustfrei zum Auswertegerät übertragen werden. Dazu können handelsübliche Kupferkabel verwendet werden. Zu beachten ist dabei, dass der Widerstand der Anschlussleitungen mit in die Messung eingeht und besonders bei langen Leitungen und Temperaturschwankungen an den Anschlussleitungen, zu Messfehlern führt.
Der Widerstand der Anschlussleitung kann über die nachfolgende Formel berechnet werden.

Beispiel:
Kupferkabel mit Leitungsquerschnitt: 0,25 mm²
spez. Widerstand Kupfer (bei 20°C): 0,017 Ohm x mm²/ m
Leitungslänge (Entfernung zwischen Sensor und Auswertegerät): 30 m (Hin-und Rückleitungsläge addieren)
R= 0,017 x (2 x 30 m) / 0,25mm² = 4,08 Ohm
Bitte beachten: Der spez. Widerstand ist abhängig vom Reinheitsgrad des Kupfers und liegt zwischen 0,017 und 0,018). Für genaue Berechnungen die Herstellerangaben des Kabellieferanten verwenden.

Zum Anschluss des Pt100-Sensors an ein Auswertegerät gibt es mehrere Möglichkeiten.
Diese unterscheiden sich in der Anzahl der elektrischen Leitungen, die zum Anschluss des Sensors an das Auswertegerät verwendet werden.

2-Leiter Anschluss

Beim 2-Leiter-Anschluss werden zwei Leitungen verwendet, um den Pt100-Sensor an das Auswertegerät anzuschließen. Der 2-Leiter-Anschluss ist einfach und kostengünstig, jedoch wird der Widerstand der Leitung zum Widerstand des Pt100 addiert. Dadurch wird eine höhere Temperatur angezeigt.
In modernen Auswertegeräten kann der Widerstand der Leitung kompensiert werden. Temperaturschwankungen an der Leitung, beeinflussen das Messergebnis jedoch weiterhin.
Die Verwendung eines Pt1000-Sensors (1000 Ohm bei 0 °C) reduziert den Einfluss der Anschlussleitung um das 10-fache. Auch ein Kabel mit größerem Leitungsquerschnitt reduziert den Kabelwiderstand.

3-Leiter Anschluss

Beim 3-Leiter-Anschluss werden drei gleiche Leitungen verwendet, um den Pt100-Sensor an das Auswertegerät anzuschließen. Mit dem 3. Leiter wird ein zweiter Messkreis zum Auswertegerät aufgebaut.
Damit kann der Widerstand der Verbindungsleitung ermittelt und kompensiert werden.
Die 3-Leiterschaltung ist eine häufige Anschlussart und bietet einen guten Kompromiss zwischen Kosten und Messgenauigkeit.

4-Leiter Anschluss

Beim 4-Leiter-Anschluss werden vier gleiche Leitungen verwendet, um den Pt100 -Sensor an das Auswertegerät anzuschließen. Dabei werden 2 Leizungen verwendet um den Sensor anzuschließen und die beiden anderen Leitungen als Kompensationsleitungen zur Messung des Leitungswiderstandes der Anschlussleitungen verwendet.
Der Einfluss der Anschlussleitungen wird damit vollständig kompensiert.
Die 4-Leiterschaltung ermöglicht die genauste Messung, wird aber wegen der höheren Kosten für die zusätzlichen Anschlussleitungen nur für spezielle Anwendungen, bei denen hohe Genauigkeit gefordert wird, eingesetzt.

Transmitter

Um die Probleme des Kabelwiderstandes zu vermeiden, empfiehlt es sich bei großen Distanzen zwischen Pt100 -Sensor und Auswertegerät einen Transmitter einzusetzen.
Dieser wandelt in der Nähe der Messstelle den Widerstand des Pt100-Sensors in ein genormtes 0(4)-20 mA oder 0-10 Volt Signal um.
Dieses Signal kann dann problemlos und kostengünstig über weite Strecken mit 2-Leiter Anschluss zum Anzeigegerät übertragen werden.
Ideal sind sogenannte „Kopftransmitter", die direkt in den Anschlusskopf des Pt100 -Widerstadsthermometers eingebaut werden. Alternativ stehen auch eine Vielzahl von Geräten zum Schalttafeleinbau zur Auswahl.

Bei genauen Messungen ist auch der Kabelwiderstand innerhalb des Pt100- Widerstandsthermometers (Thermometerwiderstand DIN 16160) zu berücksichtigen. Dieser ist normalerweise gering und kann deshalb normalerweise vernachlässigt werden.

Externe Verdrahtung des Pt100 Widerstandsthermometers

Der elektrische Anschluss der Pt100 Widerstandsthermometer an Auswertegeräten erfolgt mit:

PPt100-Einsteckthermometer.png.png

Kabel
Die Version mit Kabel oder Litzen, wird normalerweise bei kleiner Distanz zwischen Pt100 Widerstandsthermometer und Auswertegerät verwendet. Das Kabel ist werksseitig fest mit dem Pt100 Widerstandsthermometer verbunden. Um den Widerstand des Kabels möglichst gering zu halten, ist das Kabel normalerweise aus Kupfer oder einem anderen hochleitfähigen Metall oder Metalllegierung.
Bei der Auswahl des Kabels ist zu beachten:
- Ausreichender Kabelquerschnitt um den Widerstand des Kabels möglichst gering zu halten
- Anzahl der Adern entsprechend der gewünschtne Anschlussart (2-,3-,4-Leiter) und Anzahl der Sensoren (1x Pt100, 2x Pt100)
- Das Kabel sollte ausreichend hitzebeständig sein, um den teils hohen Temperaturen nahe der Messstelle standzuhalten.
- Ausreichende chemische Beständigkeit des Kabels gegenüber den Umgebungsbedingungen und eventuell dem Medium.
- Bei eventuellen elektromagnetischen Störungen, muss ein geschirmtes Kabels verwendet werden.
Da bei diesen Widerstandssensoren das Kabel werksseitig montiert wird, sollte vorab eine entsprechende Klärung der o.g. Punkte zwischen Hersteller und Anwender erfolgen.
Anschlusskopf