Temperaturmessung mit Widerstandstemperatursensoren

Widerstandsthermometer wie Pt100 und Pt1000 messen Temperaturen anhand des physikalischen Prinzips, dass sich der elektrische Widerstand eines Metalls mit der Temperatur verändert. Das Messelement dieser Sensoren besteht aus einem Platin‑Thermowiderstand.

JUMO bietet die Sensoren in verschiedenen Ausführungen an – darunter der dampfdichte JUMO STEAMtemp, der Push‑in‑Sensor JUMO Etemp B mit Anschlussleitung sowie tragbare Anzeigegeräte zur präzisen Temperaturmessung und ‑überwachung im mobilen Einsatz.

Kompensation des Leitungswiderstands bei Temperatursensoren

Elektrische Leitungen besitzen immer einen eigenen Widerstand – je länger die Leitung, desto größer der resultierende Leitungswiderstand. So hat beispielsweise ein Kupferdraht mit 1 mm² Querschnitt einen Widerstand von etwa 0,017 Ω pro Meter. Bei einer Kabellänge von 3 km ergibt das bereits einen zusätzlichen Widerstand von 10,2 Ω, was bei einem Pt100‑Sensor einem Messfehler von rund 4 °C entspricht.

Um den Widerstand der Leitungen auszugleichen, werden Temperatursensoren in 2‑, 3‑ oder 4‑Leitertechnik angeschlossen.

Temperatursensor Pt100 – Kabelfarben

Die Leiterfarben eines Pt100‑Sensors sind in der Regel wie folgt ausgeführt:

• Weiß/Rot – für die Stromleitung
• Blau/Schwarz – zur Messung des Spannungsabfalls

In der Praxis kommen überwiegend die weißen und roten Leitungen zum Einsatz.

Zweileiter-Sensor

Die Zweileitertechnik ist die einfachste Anschlussart für Pt100‑Widerstandstemperatursensoren. Bei dieser Schaltung verbindet je ein Leiter jedes Ende des Sensors mit dem Mess- bzw. Überwachungsgerät.

Da jedoch ausschließlich zwei Leiter vorhanden sind, lässt sich der zusätzliche Widerstand, der durch die Anschlussleitungen und andere Komponenten im Stromkreis entsteht, nicht kompensieren. Auch Änderungen des Leitungswiderstands durch Temperaturänderungen fließen direkt in das Messergebnis ein und verursachen einen Messfehler. Der Grund: Das Messgerät erfasst den Gesamtwiderstand der gesamten Messschleife, nicht nur den Widerstand des Messelements.

Diese Art der Verbindung wird in Anwendungen verwendet, bei denen:

• keine hohen Genauigkeitsanforderungen bestehen
• das Sensorkabel sehr kurz ist
• der Fehler durch die Tests und den im Messgerät verwendeten Offset bestimmt wird

Vorteile der Zweileitertechnik

• Geringere Kosten

Nachteile der Zweileitertechnik

• Keine Kompensation des Leitungswiderstands
• Geringere Messgenauigkeit

Pt100-Dreileiteranschluss

Der Dreileiter‑Pt100 ist die am weitesten verbreitete Art des Temperatursensors. Durch das Hinzufügen eines dritten Leiters, der auf einer Seite des Messelements angeschlossen wird, lässt sich der Widerstand der Anschlussleitungen teilweise kompensieren. Dadurch entstehen zwei Messpfade: Einer dient der eigentlichen Temperaturmessung, der andere der Kompensation des Leitungswiderstands.

Es ist sehr wichtig, dass alle drei Leitungen im Messkreis die gleiche Länge und den gleichen Querschnitt besitzen. Der Grund dafür ist, dass das Messgerät den Mittelwert bildet – und nur dann eine gute Genauigkeit erreicht, wenn alle drei Leiter denselben Widerstand haben.

Bei einem Dreileiteranschluss misst das Gerät einen Widerstandswert über das Messelement und einen zweiten Widerstandswert über ein Leiterpaar, das auf einer Seite des Sensors angeschlossen ist. Durch Subtraktion dieses Leiterwiderstands vom Gesamtwiderstand erhält man den reinen Widerstand des Messelements.

Vorteile der Dreileitertechnik

• Optimale Kompensation des Leitungswiderstands für die meisten Anwendungen

Nachteile der Dreileitertechnik

• Keine vollständige Kompensation der Leitungen im Messsystem

Pt100‑Vierleiteranschluss

Bei einem Pt100‑Sensor in Vierleitertechnik nutzt das Messsystem ein Drahtpaar, um den Messstrom durch das Messelement zu führen, während das zweite Drahtpaar den Widerstand des Sensors über die Messung des Spannungsabfalls erfasst.

Der Anschluss von Pt100‑Sensoren in Vierleitertechnik eliminiert vollständig den Einfluss der Anschlussleitungen auf das Messergebnis. Diese Technik kompensiert sowohl alle möglichen Asymmetrien der Leitungswiderstände als auch sämtliche anderen Einflüsse, die durch die Leitungsführung entstehen können.

Die Vierleitertechnik ist die präziseste, aber auch aufwendigste und teuerste Lösung. Sie wird vor allem in Laboranwendungen, in denen höchste Messgenauigkeit erforderlich ist, sowie in Installationen mit sehr langen Leitungen eingesetzt.

Vorteile der Vierleitertechnik

• Die einzige Methode, um alle Leitungswiderstände im Messsystem vollständig zu kompensieren

Nachteile der Vierleitertechnik

• Höhere Kosten

Pt1000-Anschluss

Der Einfluss der Kabellänge auf den Messfehler ist bei einem Pt1000 im Vergleich zu einem Pt100 zehnmal geringer. Deshalb erreicht ein Pt1000‑Sensor selbst in Zweileitertechnik eine gute Messgenauigkeit.