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

Widerstand der Anschlussleitungen

Der Widerstand der Anschlussleitung kann über die nachfolgende Formel berechnet werden.

R= ρ x L / A

R= Widerstand der Leitung [Ohm]
ρ= spezifischer Widerstand der Leitung [Ohm x mm² /m], Kupfer: 0,017
L= Gesamtlänge der Leitung (also Hin und Rückleitung) [m]
A= Durchmesser des Kabeldrahtes [mm²]

Beispiel:
Kupferkabel mit Leitungsquerschnitt: 0,25 mm²
spez. Widerstand Kupfer (bei 20°C): 0,017 Ohm x mm²/ m
Entfernung zwischen Sensor und Auswertegerät: 30 m (Gesamtlänge: 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.

Anschlussarten Pt100 Widerstandsthermometer

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.
Durch die Wahl der Anschlussart kann der Einfluss des Widerstandes sowie Temperaturschwankungen an den Anschlussleitungen, und damit die Messgenauigkeit der Temperaturmesseinrichtung, entscheidend beeinflusst werden.

2-Leiter Anschluss

Bild Pt100-2-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

Bild Pt100 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

Bild Pt100 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.

Externe Verdrahtung des Pt100 Widerstandsthermometers

Der elektrische Anschluss der Pt100 Widerstandsthermometer an Auswertegeräten erfolgt mit:

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.

Empfohlenen Kabelfarben nach DIN EN 60751
Um die Verdrahtung zu erleichtern, werden für den Anschluss eines Pt100 Sensors spezifische Kabelfarben verwendet.
Typischerweise verwendet man Rot und Weiß. In einer 3-Leiter-Konfiguration sind zwei Drähte rot und einer weiß, während in einer 4-Leiter-Konfiguration zwei Drähte rot und zwei weiß sind.
Bei der Verwendung von zwei Pt100 Sensoren werden für den 2. Sensor die zusätzlichen Farben Gelb und Schwarz oder Grau verwendet. Diese Farbkennzeichnung, die gemäß DIN EN 60751 definiert ist, hilft, Fehler bei der Installation und Wartung zu vermeiden.
Download Tabelle Anschlussfarben für Pt100 Sensoren

Stecker

Pt100-Widerstandsthermometer werden oft mit verschiedensten Steckern geliefert, mit denen die Sensoren an die Auswertegeräte angeschlossen werden. Damit können die Widerstandthermometer einfach installiert, ausgetauscht und sicher verbunden werden. Beim notwendigen Austausch des Sensors, wird einfach der Stecker abgezogen, ohne dass die Verkabelung geändert werden muss.
Stecker werden deshalb oft bei beengte Platzverhältnisse (z.B. im Maschinenbau) oder beim Einsatz im Labor mit transportablen Handmessgeräten eingesetzt. Der Stecker ist entweder direkt an der Schutzarmatur des Sensors, oder bei Sensoren mit Kabel, am Kabel angeschlossen.
Die Anzahl der Steckerpins begrenzt die Verdrahtungsmöglichkeiten als 2-,3- oder 4-Leiter. Beim Anschluss des Steckers ist zu beachten, dass die Steckerpins herstellerspezifisch belegt werden und deshalb nicht immer ein herstellerübergreifender Austausch möglich ist.
Je nach Anwendung gibt es eine Vielzahl an unterschiedlichsten Steckertypen und Herstellern.

Anschlusskopf

Das Pt100 Widerstandsthermomter wird werkseitig mit einem Anschlusskopf geliefert. Im Anschlusskopf wird das Sensorkabel mit einem weiterführenden Kabel kundenseiitg verdrahtet. Dazu wird normalerweise ein im Kopf montierter keramischer Anschlusssockel verwendet. Alternativ kann auch direkt ein Kopftransmitter mintiert werden, der direkt das Widerstandssignal in ein genormtes Ausgangssignal umwandelt.
Einige der Anschlussköpfe sind in der DIN genormt. Sie ermöglichen einen herstellerunabhängigen Austausch von genormten Anschlusssockeln oder Kopftransmittern.
Als Material wird in der DIN Gusseisen, Aluminium oder Kunststoff festgelegt.