Pt100 Sensor als 2-Leiter, 3-Leiter und 4-Leiter-Schaltungen

Wie unterscheiden sich Temperaturfühler mit 2-Leiter, 3-Leiter und 4-Leiter Schaltung?

Beim Pt100 Temperaturfühler ändert sich der elektrische Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur. Um das Ausgangssignal zu erfassen, wird der von einem konstanten Messstrom hervorgerufene Spannungsabfall gemessen.

Für diesen Spannungsabfall gilt nach dem Ohmschen Gesetz: U = R x l

Um eine Erwärmung des Temperatursensors zu vermeiden, sollte ein möglichst kleiner Messstrom gewählt werden. Man kann davon ausgehen, dass ein Messstrom von 1 mA keine nennenswerte Beeinträchtigung hervorruft. Dieser Strom bewirkt bei einem Pt100 bei 0°C einen Spannungsabfall von 0,1 V. Diese Messspannung muss nun durch die Anschlussleitung möglichst unverfälscht an den Ort der Anzeige oder Auswertung übertragen werden. Es werden dabei vier Anschlusstechniken bzw. Leiterschaltungen unterschieden:

Inhaltsverzeichnis

Pt100 Sensor mit 2-Leiter-Schaltung
Pt100 Sensor mit 3-Leiter-Schaltung
Pt100 Sensor mit 4-Leiter-Schaltung

Farben

Pt100 Innenleiter Farben
2 x Pt100 Innenleiter Farben
3 x Pt100 Innenleiter Farben

2-Leiter Schaltung

Pt100 Temperaturfühler mit 2-Leiter-Anschluss

Die Verbindung zwischen Auswertelektronik und Widerstandsthermometer erfolgt mit einer zweiadrigen Leitung. Wie jeder andere elektrische Leiter besitzt auch diese einen Widerstand, der dem Temperaturfühler in Reihe geschaltet ist. Damit addieren sich die beiden Widerstände, was von der Elektronik als höhere Temperatur interpretiert wird. Bei größeren Entfernungen kann der Leitungswiderstand einige Ohm betragen und eine beachtliche Verfälschung des Messwertes verursachen.

Konfigurationsbeispiel: Pt100 Temperaturfühler mit 2-Leiter Schaltung

Beispiel:

Leitungsquerschnitt: 0,35 mm²
spezifischer Widerstand: 0,0175 Ω mm² m^-1
Leitungslänge: 50 m
Leitungsmaterial: E-Kupfer (E-CU)

R = 0,0175 Ω mms² m^-1 x 2 x 50 m/ 0,35 mm² = 5,0 Ω

5,0 Ω entsprechen bei einem Pt100 einer Temperaturänderung von 12,8°C.
Um diesen Fehler zu vermeiden, kompensiert man den Leitungswiderstand auf elektrischem Wege. Die Elektronik des Gerätes ist dabei so ausgelegt, dass immer von einem Leitungswiderstand von 10 Ω ausgegangen wird. Beim Anschluss des Widerstandsthermometers wird ein Abgleichwiderstand in eine der Messleitungen geschaltet und der Sensor zunächst durch einen 100-Ω-Widerstand ersetzt.

Nun wird der Abgleichwiderstand so lange verändert, bis am Gerät 0°C angezeigt wird. Der Abgleichwiderstand bildet dann zusammen mit dem Leitungswiderstand 10 Ω. Der Abgleichwiderstand ist meist drahtgewickelt, so dass der Abgleich durch Abwickeln des Widerstandsdrahtes erfolgt. Wegen dieser vergleichsweise aufwendigen Abgleichsarbeiten und des nicht erfassten Temperatureinflusses auf die Messleitung ist die 2-Leiterschaltung rückläufig.

3-Leiter Schaltung

Pt100 Temperatursensor mit 3-Leiter-Anschluss

Um die Einflüsse der Leitungswiderstände und deren temperaturabhängige Schwankungen zu minimieren, wird statt der oben erläuterten Anschlusstechnik meist eine 3-Leiter-Schaltung verwendet. Hierbei wird eine zusätzliche Leitung zu einem Kontakt des Widerstandsthermometers geführt. Es bilden sich somit zwei Messkreise, von denen einer als Referenz genutzt wird.

Durch die 3-Leiter-Schaltung lässt sich der Leitungswiderstand sowohl in seinem Betrag als auch in seiner Temperaturabhängigkeit kompensieren. Voraussetzungen sind allerdings bei allen drei Adern identische Eigenschaften und gleiche Temperaturen, denen sie ausgesetzt sind. Da dies in den meisten Fällen mit genügender Genauigkeit zutrifft, sind Pt100 Temperatursensoren mit 3-Leiter-Schaltung am verbreitetsten.

Ein Leitungsabgleich ist nicht erforderlich.

4-Leiter Schaltung

Pt100 Sensor mit 4-Leiter-Anschluss

Eine optimale Anschlussmöglichkeit für Pt100 Sensoren bietet die 4-Leiter-Schaltung. Das Messergebnis wird weder von den Leitungswiderständen noch von ihren temperaturabhängigen Schwankungen beeinträchtigt. Ein Leitungsabgleich ist nicht erforderlich. Über die Zuleitung wird das Thermometer mit dem Messstrom gespeist. Der Spannungsabfall am Messwiderstand wird über die Messleitungen abgegriffen.

Liegt der Eingangswiderstand der nachgeschalteten Elektronik um ein Vielfaches höher als der Leitungswiderstand, ist dieser zu vernachlässigen. Der so ermittelte Spannungsabfall ist dann unabhängig von den Eigenschaften der Zuleitungen. Sowohl bei der Drei-Leiterschaltung als auch bei der Vier-Leiterschaltung muss beachtet werden, dass nicht immer die Schaltung bis zum Messelement geführt ist. Häufig ist die Verbindung des Temperatursensors zum Anschlusskopf in der Armatur, die sogenannte Innenleitung, in 2-Leiterschaltung ausgeführt. Dadurch ergeben sich - wenn auch in wesentlich geringerem Ausmaß - für diese Verbindung die bei der Zwei-Leiterschaltung geschilderten Probleme.

Konfikurationsbeispiel: Pt100 Sensor mit 4-Leiter Schaltung

Pt 100 Innenleiter Farben

	Pt100 Anschluss und Schaltung der Leiter (Innenleiter)
Messelement	Pt100 2-Leiter Anschluss Farben	Pt100 3-Leiter Anschluss Farben	Pt100 4-Leiter Anschluss Farben	Pt100 2-Leiter mit Schleife
Pt100	rot/weiß	rot, rot/weiß	rot, rot/weiß, weiß	rot, weiß/ blau, blau

2 x Pt100 Innenleiter Farben

	Schaltung der Innenleiter
Messelement	2-Leiter Schaltung Farben	3-Leiter Schaltung Farben	4-Leiter Schaltung Farben
2 x Pt100	gelb, gelb / weiß, weiß	rot, rot / schwarz, schwarz / weiß	rot, rot / weiß, weiß / schwarz, schwarz / weiß, weiß

3 x Pt100 Innenleiter Farben

	Schaltung der Innenleiter
Messelement	2-Leiter Schaltung Farben
3 x Pt100	rot, rot / weiß, weiß / gelb, gelb

Pt100 Fühler Übersicht - Grundlegende Arten und Bauformen

Pt100 Temperaturfühler gibt es in verschiedenen Bauformen und Ausführungen. In der folgenden Übersicht finden Sie gängige Typen und Bauformen von Pt100 bzw. Pt1000 Fühlern, die häufig eingesetzt werden. Weitere Pt100 Temperatursensoren können wir auf Anfrage Ihren individuellen Anforderungen und dem Einsatzzweck anpassen. Kontaktieren Sie das SAB-Team.