Pt100 in 2-, 3- oder 4-Leiter-Schaltung

Pt100, Pt1000 und NTC sind die meist verwendeten Messelemente in Widerstandsthermometern. Diesen Blog möchte ich dazu nutzen, die Frage der Anschlussarten etwas genauer zu betrachten.

Widerstandsthermometer verändern ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur. Dieser physikalische Effekt macht es erst möglich, die Temperatur eines Prozesses mit einem Pt100 zu bestimmen. Der Widerstand wird mit einer Elektronik (z. B. Temperatur-Transmitter) durch Einprägen eines konstanten Stromes und Messen des Spannungsabfalls erfasst. Nach dem Ohmschen Gesetz (R = U/I) sind Widerstand [R] und Spannung [U] bei konstantem Strom [I] zueinander proportional. Dabei gibt es drei Möglichkeiten, den Pt100 an den Messumformer anzuschließen: In 2-, 3- oder 4-Leiterschaltung.

PTC/NTC in 2-Leiter-Schaltung

Abb.: Pt100 in 2-Leiter-Schaltung

Pt100 in 2-Leiter-Schaltung

Bei einer 2-Leiter-Schaltung geht der Widerstand der Zuleitung als Fehler in die Messung ein. Als Richtwert gilt bei Kupferleitung mit Querschnitt 0,22 mm2: 0,162 Ω/m → 0,42 °C/m bei Pt100. Bei einer Ausführung mit Pt1000 ist der Einfluss der Zuleitung mit 0,04 °C/m um den Faktor 10 entsprechend des Grundwiderstandes geringer. Noch weniger macht sich dieser entsprechend des Grundwiderstandes R25 bei einem NTC-Messelement (z. B. R25 = 10k) bemerkbar. Wegen der stark abfallenden Kennlinie des NTC steigt der Einfluss bei höheren Temperaturen jedoch überproportional an.

PTC/NTC in 3-Leiter-Schaltung

Abb.: Pt100 in 3-Leiter-Schaltung

Pt100 in 3-Leiter-Schaltung

Der Einfluss des Leitungswiderstandes wird mit einer 3-Leiter-Schaltung weitestgehend kompensiert. Voraussetzung hierfür ist, dass die Leitungswiderstände gleich sind, wovon bei einer 3-adrigen Anschlussleitung ausgegangen werden kann. Die maximale Länge der Anschlussleitung hängt vom Leitungsquerschnitt und von den Kompensationsmöglichkeiten der Auswerteelektronik (Transmitter, Anzeige, Regler oder Prozessleitsystem) ab. 

NTC/PTC in 4-Leiter-Schaltung

Abb.: Pt100 in 4-Leiter-Schaltung

Pt100 in 4-Leiter-Schaltung

Die 4-Leiter-Schaltung eliminiert den Einfluss der Anschlussleitung auf das Messergebnis vollständig, da auch eventuelle Asymmetrien im Leitungswiderstand der Anschlussleitung kompensiert werden.

 

Alternative Maßnahmen

Beispiel: Messfehler bei 150 °C, Leitungslänge 10 m, Leitungsquerschnitt 0,22 mm2

Eine weitere Möglichkeit den Einfluss der Zuleitung wesentlich zu verringern, besteht darin, den Leitungsquerschnitt zu erhöhen. Bei einem Querschnitt von 0,5 mm2 beträgt der Leitungswiderstand nur noch 0,036 Ω/m bzw. 0,1 °C/m. Beide Möglichkeiten (3/4-Leiterschaltung oder Erhöhung des Querschnittes) führen zu höheren Kosten der Zuleitung, die insbesondere in preissensitiven Märkten wie im Maschinenbau problematisch sein können. Als Kompromiss zwischen Kosten und Genauigkeit bietet sich bei kleineren Leitungslängen ein Pt1000-Messelement, Klasse A in 2-Leiterschaltung an.

Fazit

  • Höchste Messgenauigkeiten sind mit einem Pt100 nur in 4-Leiterschaltung realisierbar.
  • Ein Pt1000-Messelement in Klasse A bietet auch bei einer 2-Leiterschaltung gute Messgenauigkeiten und stellt im Maschinenbau eine kostengünstige Alternative zur 3- bzw. 4-Leiterschaltung dar.

 



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