Temperatuurmeting met behulp van weerstandstemperatuursensoren

Weerstandstemperatuursensoren, zoals de Pt100 en Pt1000, meten de temperatuur met behulp van de weerstandsveranderingen van metalen onder invloed van temperatuur. Bij een Pt100 bijvoorbeeld, is het meetelement gemaakt van platina (vandaar "Pt").

De meeste weerstandstemperatuursensoren werken volgens een vrij simpel principe. Het meetelement bestaat uit een weerstandsdraad. De weerstandsdraad is gewikkeld in een spiraal of in een zigzagpatroon op een keramische onderlaag aangebracht. Deze draad heeft een vaste weerstandswaarde bij nul graden Celsius.

Bij een Pt100 is dat 100 Ohm bij 0°C.
Bij een Pt1000 is dat 1000 Ohm bij 0°C.

Bij het stijgen van de temperatuur, zal de weerstandswaarde ook stijgen, en andersom. De weerstandswaarden van de Pt 100's van JUMO zijn conform DIN EN 60751.

Weerstandstemperatuursensoren zijn verkrijgbaar in zeer veel verschillende soorten, zoals de stoomdichte JUMO STEAMtemp, de push-in JUMO Etemp B, de VIBROtemp insteeksensoren met aansluitkabel etc.

Compensatie van draadweerstand in temperatuursensoren

Aansluitdraden hebben een weerstand: als de kabel langer (of dunner) wordt zal de weerstand van de bedrading toenemen.

Voorbeeld:

Een aansluitkabel met koperen aders heeft een weerstand van 0,05 Ohm per meter. Bij het aansluiten van 100 meter kabel, levert één aderpaar (100x0,05=) 5 Ohm weerstand. Voor de Pt100 geldt: ca. 0,4 Ω/K. Dit betekent dat de extra 5 Ohm in de aansluitdraden, tot wel (5/0,4=) 12,5 graden afwijking kan veroorzaken.

Temperatuursensoren kun je op verschillende manieren aansluiten. Het is ook mogelijk om de sensoren zodanig aan te sluiten, dat je de weerstand van de aansluitdraden kunt compenseren, om afwijkingen te voorkomen.

Tweedraadssensor

De 2-draads aansluiting is de eenvoudigste aansluiting voor weerstandstemperatuursensoren. In deze aansluiting verbindt één enkele draad beide uiteinden van de weerstandstemperatuursensor met het bewakingsapparaat. Het zijn dus twee draden in totaal.

Met slechts twee draden is het niet mogelijk om de extra weerstand te compenseren die wordt veroorzaakt door andere componenten in het circuit. Ook veranderingen in de kabelweerstand ten gevolge van de omgevingstemperatuur worden niet gecompenseerd. Het meetinstrument meet de totale weerstand van het meetcircuit meet en niet alleen de weerstand van het meetelement zelf. De afwijkingen zorgen voor meetfouten.

Dit aansluitingstype wordt gebruikt in toepassingen waarbij:

• er geen hoge nauwkeurigheidseisen zijn
• de sensorkabel erg kort is
• een meetelement met hoge weerstandswaarde wordt ingezet, zodat het effect van de meetfout wordt geminimaliseerd
• de meetfout kan worden bepaald door tests, waarna deze als offset in het meetinstrument wordt gebruikt

Voordelen van tweedraadsverbinding

• voordelige prijs
• meest eenvoudige aansluiting

Nadelen van tweedraadsverbinding

• geen compensatie voor kabelweerstand
• lagere meetnauwkeurigheid

Pt100 driedraadsaansluiting

De driedraadsaansluiting is de meest voorkomende manier van aansluiten. De toevoeging van een derde draad, aangesloten op één zijde van het meetelement, helpt de weerstand van de draad te compenseren. Het resultaat zijn twee meetcircuits, waarvan er één verantwoordelijk is voor het meten van de temperatuur en de andere voor het compenseren van de kabelweerstand.

Het is hierbij zeer belangrijk dat elk van de drie draden die in het meetcircuit worden gebruikt, dezelfde maat en lengte heeft. Het meetresultaat voor de compensatie bestaat namelijk uit een gemiddelde weerstandswaarde voor de aansluitdraden. Het gebruik van verschillende draden zou resulteren in een foutief gemiddelde en dus een foutieve compensatiewaarde.

Bij een driedraadsaansluiting wordt allereerst de weerstandswaarde van de temperatuursensor gemeten. Daarnaast wordt een tweede weerstandswaarde gemeten, via één paar draden die op één zijde van de sensor zijn aangesloten. Effectief wordt hierdoor de weerstandswaarde van de twee aansluitdraden bepaald. De gemiddelde weerstandswaarde van de aders kan nu van de totale meetwaarde afgetrokken worden. De afwijking in de meetwaarde die zou ontstaan door de kabelweerstand, is hiermee gecompenseerd.

Voordelen van driedraadsaansluiting

• Optimale temperatuurcompensatie voor de meeste toepassingen
• Afwijking door kabelweerstand voor grootste deel gecompenseerd
• Goede meetnauwkeurigheid

Nadelen van driedraadsaansluiting

• Biedt geen volledige compensatie van de draden in het meetsysteem

Pt100 vierdraadssensor

De vierdraadsaansluiting is de meest nauwkeurige manier van aansluiten.
De toevoeging van een derde en vierde draad, aangesloten op beide zijden van het meetelement, helpt de weerstand van de aansluitdraden te compenseren.
Het resultaat zijn twee meetcircuits, waarvan er één verantwoordelijk is voor het meten van de weerstandstemperatuursensor en de andere voor het compenseren van de kabelweerstand.

Bij een vierdraadsaansluiting wordt allereerst de weerstandswaarde van de temperatuursensor gemeten. Daarnaast wordt bij de twee draadparen aan beide zijden van de temperatuursensor een weerstandswaarde gemeten, van de aansluitdraden zelf.
Effectief wordt hierdoor de weerstandswaarde van alle vier de aansluitdraden bepaald.
De gemiddelde weerstandswaarde van de aders kan nu van de totale meetwaarde afgetrokken worden. De afwijking in de meetwaarde die zou ontstaan door de kabelweerstand, is hiermee volledig gecompenseerd.

Door weerstandsthermometers met de temperatuursensoren in een vierdraadsaansluiting aan te sluiten, wordt de invloed van de aansluitdraden op het temperatuurmeetresultaat volledig geëlimineerd.
Het compenseert alle mogelijke afwijkingen in de weerstand van de aansluitdraden, ook bij eventuele asymmetrie in de leidingweerstand.

Dit is de meest effectieve oplossing, maar ook de meest ingewikkelde en kostbare.
De vierdraadsaansluiting wordt het meest gebruikt in laboratoriumtoepassingen waar meetnauwkeurigheid cruciaal is, of soms in toepassingen met zeer lange kabels.

Voordelen van vierdraadsaansluiting

• de enige manier om kabelweerstand in een meetsysteem volledig te compenseren
• zeer goede meetnauwkeurigheid

Nadelen van vierdraadsaansluiting

• prijs

Pt1000 – aansluiting

De invloed van de kabelweerstand op de meetwaarde is te verkleinen door het toepassen van een hogere weerstandswaarde van het meetelement.
Bijvoorbeeld, het effect van de kabelweerstand is bij een Pt100 wel 10 keer groter dan voor een Pt1000. Dit kan zorgen voor beduidend minder afwijking door de bedrading, ook bij een tweedraadsaansluiting.

Voorbeeld:Een aansluitkabel met koperen aders heeft een weerstand van 0,05 Ohm per meter.
Bij het aansluiten van 100 meter kabel, levert één ader (100x0,05 =) 5 Ohm weerstand.

Voor de Pt100 geldt: ca. 0,4 Ω /K.
De extra 5 Ohm in de aansluitdraden geeft (5/0,4 =) 12,5 graden afwijking.

Voor de Pt1000 geldt: ca. 4,0 Ω /K.
De extra 5 Ohm in de aansluitdraden geeft (5/4,0 =) 1,25 graden afwijking.

Door toepassen van een meetelement met een hogere weerstandswaarde, is het een tweedraadsaansluiting soms al voldoende en is verdere compensatie van de kabelweerstand niet langer noodzakelijk. Dit is uiteraard mede afhankelijk van de aansluitmogelijkheden op de meetapparatuur, alsmede de toepassing en de gewenste nauwkeurigheid.

Over de schrijver

Mijn naam is Saskia van der Laan en ik al geruime tijd bij JUMO waar ik mijn professionele vaardigheden combineer met mijn passie voor schrijven. Steeds met het doel om middels geschreven tekst, de techniek te vertalen naar de praktijk en de lezer te informeren en te inspireren. In mijn vrije tijd sport ik graag en geniet ik van een lange wandeling met de hond.