Ein Pt100 misst die Temperatur über seinen elektrischen Widerstand. Bei 0 °C besitzt das Sensorelement einen Nennwiderstand von 100 Ω. Steigt die Temperatur, erhöht sich auch der Widerstand. Das angeschlossene Messgerät oder der Temperaturmessumformer rechnet den gemessenen Widerstand anschließend in einen Temperaturwert um.
Problematisch ist, dass nicht nur das Pt100-Element einen Widerstand besitzt. Auch Anschlussleitungen, Klemmen, Steckverbinder und Übergangsstellen tragen zum gemessenen Gesamtwiderstand bei. Besonders bei einer 2-Leiter-Schaltung kann dieser zusätzliche Widerstand eine deutlich zu hohe Temperatur vortäuschen.
Ob eine 2-, 3- oder 4-Leiter-Schaltung erforderlich ist, hängt deshalb nicht allein vom Pt100 ab. Kabellänge, Leiterquerschnitt, Genauigkeitsanforderung, Messumformer und Anschlussbedingungen müssen als vollständige Messkette betrachtet werden.
Inhaltsverzeichnis
- Wie misst ein Pt100 die Temperatur?
- Warum verfälscht der Leitungswiderstand den Messwert?
- Temperaturfehler durch Leitungswiderstand berechnen
- Wie funktioniert die 2-Leiter-Schaltung?
- Wie funktioniert die 3-Leiter-Schaltung?
- Wie funktioniert die 4-Leiter-Schaltung?
- 2-, 3- und 4-Leiter im direkten Vergleich
- Einfluss von Kabellänge und Leiterquerschnitt
- Warum auch die Kabeltemperatur eine Rolle spielt
- Restfehler bei der 3-Leiter-Schaltung
- Fühlerleitung verlängern oder austauschen
- Wann ist ein Temperaturmessumformer sinnvoll?
- Direkter Pt100-Anschluss an SPS und Schaltschrank
- Schirmung, EMV und Potenzialausgleich
- Typische Anschlussfehler
- Pt100-Messkette systematisch prüfen
- Praxisbeispiel: 30 Meter Leitung zur SPS
- Welche Anschlussart passt zur Anwendung?
- Welche Produkte eignen sich?
- Fazit
- Häufige Fragen
Wie misst ein Pt100 die Temperatur?
Ein Pt100 ist ein Platin-Widerstandsthermometer. Die Bezeichnung setzt sich zusammen aus:
- Pt: Sensorelement aus Platin,
- 100: Nennwiderstand von 100 Ω bei 0 °C.
Im industriell üblichen Kennlinienbereich steigt der Widerstand in der Nähe von 0 °C um ungefähr 0,385 Ω pro Kelvin beziehungsweise Grad Celsius.
Typische Widerstandswerte sind näherungsweise:
| Temperatur | Pt100-Widerstand |
|---|---|
| −100 °C | ca. 60,3 Ω |
| 0 °C | 100,0 Ω |
| 50 °C | ca. 119,4 Ω |
| 100 °C | ca. 138,5 Ω |
| 200 °C | ca. 175,9 Ω |
Das Auswertegerät speist einen kleinen Messstrom durch das Pt100 und bestimmt den resultierenden Spannungsabfall. Daraus wird der elektrische Widerstand und anschließend die Temperatur berechnet.
Der Messstrom muss ausreichend klein sein, damit sich das Sensorelement nicht durch seine eigene Verlustleistung erwärmt. Dieser Effekt wird als Selbsterwärmung bezeichnet und ist unabhängig vom Leitungsfehler zusätzlich zu berücksichtigen.
Warum verfälscht der Leitungswiderstand den Messwert?
Jeder elektrische Leiter besitzt einen Widerstand. Dieser hängt unter anderem ab von:
- Leitungslänge,
- Leiterquerschnitt,
- Leitermaterial,
- Temperatur der Leitung,
- Übergangswiderständen an Klemmen und Steckern.
Bei einer einfachen 2-Leiter-Messung kann das Messgerät nicht unterscheiden, welcher Teil des gemessenen Widerstands vom Pt100 und welcher Teil von den Anschlussleitungen stammt.
Das Messgerät erfasst:
RMessung = RPt100 + RLeitung 1 + RLeitung 2
Da ein höherer Widerstand als höhere Temperatur interpretiert wird, zeigt das Messgerät bei zusätzlichem Leitungswiderstand zu viel an.
Der Leitungsfehler kann besonders kritisch sein bei:
- langen Kabelwegen,
- kleinen Leiterquerschnitten,
- hohen Umgebungstemperaturen,
- engen Prozesstoleranzen,
- Temperaturdifferenzmessungen,
- Referenz- und Kalibrieraufgaben.
Temperaturfehler durch Leitungswiderstand berechnen
In der Nähe von 0 °C lässt sich der Temperaturfehler eines Pt100 näherungsweise berechnen:
Temperaturfehler ≈ zusätzlicher Widerstand / 0,385 Ω pro °C
Besitzen beide Anschlussleitungen jeweils einen Widerstand von 0,5 Ω, beträgt der zusätzliche Gesamtwiderstand:
0,5 Ω + 0,5 Ω = 1,0 Ω
Der ungefähre Temperaturfehler beträgt damit:
1,0 Ω / 0,385 Ω pro °C ≈ 2,6 °C
Das bedeutet: Ein Pt100 mit einer tatsächlichen Temperatur von 20,0 °C könnte in einer 2-Leiter-Schaltung ungefähr 22,6 °C anzeigen.
Die Berechnung mit 0,385 Ω pro °C ist eine praxisnahe Näherung. Die genaue Steigung der Pt100-Kennlinie verändert sich über den Temperaturbereich. Für eine präzise Berechnung muss die vollständige Kennlinie nach IEC 60751 verwendet werden.
Wie funktioniert die 2-Leiter-Schaltung?
Bei der 2-Leiter-Schaltung wird das Pt100 über zwei Leiter mit dem Messgerät verbunden. Über dieselben Leitungen fließen der Messstrom und die Spannungsmessung.
Vorteile der 2-Leiter-Schaltung sind:
- geringer Verdrahtungsaufwand,
- geringe Kabelkosten,
- einfache Anschlusstechnik,
- geeignet für sehr kurze Leitungen,
- geeignet, wenn nur geringe Genauigkeitsanforderungen bestehen.
Der entscheidende Nachteil ist, dass beide Leitungswiderstände vollständig zum Pt100-Widerstand addiert werden.
Eine 2-Leiter-Schaltung kann sinnvoll sein, wenn:
- der Sensor direkt im Anschlusskopf mit einem Messumformer verbunden wird,
- die interne Verbindung nur wenige Zentimeter lang ist,
- ein Pt1000 statt eines Pt100 verwendet wird und der relative Leitungseinfluss ausreichend klein bleibt,
- der Leitungswiderstand im Auswertegerät manuell kompensiert werden kann,
- die zulässige Messabweichung deutlich größer als der Leitungsfehler ist.
Eine einmal eingestellte Leitungswiderstandskorrektur kompensiert jedoch nur einen bekannten und stabilen Widerstand. Temperaturänderungen, neue Klemmstellen oder ein Austausch der Leitung können erneut einen Fehler verursachen.
Wie funktioniert die 3-Leiter-Schaltung?
Die 3-Leiter-Schaltung ist in industriellen Temperaturmessungen besonders verbreitet. Dabei werden zwei Leiter an einer Seite des Pt100 und ein Leiter an der anderen Seite angeschlossen.
Die Auswerteelektronik nutzt eine zusätzliche Messung, um den Leitungswiderstand rechnerisch zu kompensieren.
Die Kompensation funktioniert zuverlässig, wenn:
- alle drei Leiter denselben Querschnitt besitzen,
- alle Leiter ungefähr gleich lang sind,
- die Leiter aus demselben Material bestehen,
- sie vergleichbaren Temperaturen ausgesetzt sind,
- die Kontakt- und Übergangswiderstände ähnlich sind.
Die 3-Leiter-Schaltung bietet einen guten Kompromiss aus:
- Genauigkeit,
- Verdrahtungsaufwand,
- Kabelkosten,
- industrieller Praxistauglichkeit.
Sie eignet sich typischerweise für:
- Maschinen- und Anlagenbau,
- Prozesstemperaturmessung,
- Heizungs- und Kühlanlagen,
- Temperaturmessung an Motoren und Lagern,
- Pt100-Eingangskarten einer SPS,
- Hutschienen- und Kopftransmitter.
Wie funktioniert die 4-Leiter-Schaltung?
Bei der 4-Leiter-Schaltung werden zwei Leiter zur Einspeisung des Messstroms und zwei weitere Leiter zur Messung des Spannungsabfalls direkt am Pt100 verwendet.
Durch die beiden separaten Spannungsmessleitungen fließt aufgrund des hohen Eingangswiderstands des Messgeräts nur ein sehr kleiner Strom. Ihr eigener Widerstand verursacht daher praktisch keinen relevanten Spannungsabfall.
Damit kann das Messgerät den Widerstand des Pt100 nahezu unabhängig von den Anschlussleitungen bestimmen.
Vorteile der 4-Leiter-Schaltung sind:
- sehr geringe Beeinflussung durch Leitungswiderstand,
- Kompensation auch bei unterschiedlichen Leiterwiderständen,
- hohe Genauigkeit bei langen Leitungen,
- gute Eignung für Referenz- und Labormessungen,
- zuverlässige Erfassung kleiner Temperaturunterschiede.
Nachteile sind:
- höherer Kabel- und Verdrahtungsaufwand,
- vier geeignete Eingangsklemmen erforderlich,
- nicht jede SPS-Karte oder jeder Messumformer unterstützt 4-Leiter-Technik,
- mehr Klemmstellen und größerer Platzbedarf.
Eine 4-Leiter-Schaltung ist besonders sinnvoll bei:
- Kalibrier- und Referenzmessungen,
- engen Temperaturtoleranzen,
- langen Anschlussleitungen,
- wechselnden Umgebungstemperaturen entlang der Leitung,
- hochgenauen Differenztemperaturmessungen,
- unbekannten oder nicht symmetrischen Leitungswiderständen.
2-, 3- und 4-Leiter im direkten Vergleich
| Kriterium | 2-Leiter | 3-Leiter | 4-Leiter |
|---|---|---|---|
| Anzahl der Leiter | 2 | 3 | 4 |
| Leitungswiderstand | Geht vollständig in den Messwert ein | Wird bei gleichen Leitern weitgehend kompensiert | Wird nahezu vollständig kompensiert |
| Empfindlich gegenüber Leiterasymmetrie | Ja | Ja | Sehr gering |
| Verdrahtungsaufwand | Niedrig | Mittel | Hoch |
| Typische Genauigkeit | Für kurze Leitungen und einfache Aufgaben | Für viele industrielle Messungen | Für Präzisions- und Referenzmessungen |
| Typischer Einsatz | Kurze interne Verbindung | Maschinen- und Prozessanlagen | Labor, Kalibrierung und hochgenaue Messketten |
Einfluss von Kabellänge und Leiterquerschnitt
Der elektrische Widerstand einer Kupferleitung lässt sich näherungsweise berechnen:
R = ρ × Länge / Leiterquerschnitt
Für Kupfer kann bei Raumtemperatur näherungsweise ein spezifischer Widerstand von 0,0175 Ω × mm²/m verwendet werden.
Bei einer 2-Leiter-Schaltung muss die doppelte einfache Leitungslänge berücksichtigt werden, weil der Messstrom zum Sensor und wieder zurück fließt.
| Einfache Kabellänge | Leiterquerschnitt | Gesamter Leitungswiderstand | Ungefährer Pt100-Fehler |
|---|---|---|---|
| 5 m | 0,5 mm² | ca. 0,35 Ω | ca. 0,9 °C |
| 10 m | 0,5 mm² | ca. 0,70 Ω | ca. 1,8 °C |
| 20 m | 0,5 mm² | ca. 1,40 Ω | ca. 3,6 °C |
| 50 m | 0,5 mm² | ca. 3,50 Ω | ca. 9,1 °C |
| 20 m | 1,0 mm² | ca. 0,70 Ω | ca. 1,8 °C |
Die Tabelle zeigt, dass ein größerer Leiterquerschnitt den Widerstand reduziert. Er ersetzt bei hohen Genauigkeitsanforderungen jedoch nicht die geeignete 3- oder 4-Leiter-Schaltung.
Warum auch die Kabeltemperatur eine Rolle spielt
Der Widerstand einer Kupferleitung steigt mit ihrer Temperatur. Eine Leitung, die teilweise durch einen heißen Maschinenraum oder entlang einer Rohrleitung geführt wird, kann deshalb einen anderen Widerstand besitzen als bei der Inbetriebnahme unter Raumtemperatur.
Bei einer 2-Leiter-Schaltung führt diese Änderung unmittelbar zu einer veränderten Temperaturanzeige, obwohl die Temperatur am Pt100 unverändert bleibt.
Bei der 3-Leiter-Schaltung wird der Einfluss weitgehend kompensiert, solange alle Leiter ähnlichen Temperaturbedingungen ausgesetzt sind. Werden einzelne Adern getrennt geführt oder besitzt eine Klemme einen erhöhten Übergangswiderstand, entsteht ein Restfehler.
Die 4-Leiter-Schaltung ist gegenüber solchen Änderungen am unempfindlichsten.
Restfehler bei der 3-Leiter-Schaltung
Die 3-Leiter-Kompensation setzt voraus, dass die relevanten Leitungswiderstände gleich sind. In der Praxis können Abweichungen entstehen durch:
- unterschiedliche Leiterquerschnitte,
- verschiedene Kabellängen,
- schlechte oder korrodierte Klemmen,
- unterschiedliche Steckverbinder,
- teilweise erneuerte Leitungen,
- unterschiedliche Umgebungstemperaturen.
Unterscheiden sich zwei kompensierte Leiter beispielsweise um 0,1 Ω, kann daraus näherungsweise ein Restfehler von etwa 0,26 °C entstehen:
0,1 Ω / 0,385 Ω pro °C ≈ 0,26 °C
Bei einer groben Prozessüberwachung kann dieser Fehler unkritisch sein. Bei einer Kalibrierung oder einer engen Produkttoleranz kann er bereits relevant werden.
Fühlerleitung verlängern oder austauschen
Eine vorhandene Pt100-Leitung darf nicht beliebig verlängert werden, ohne die Anschlussart und die Auswirkungen auf die Messkette zu prüfen.
Bei einer Verlängerung sollten beachtet werden:
- gleicher Leiterquerschnitt für alle Adern,
- gleiches Leitermaterial,
- geeignete Temperaturbeständigkeit,
- saubere und korrosionsgeschützte Klemmen,
- geeignete Schirmung,
- korrekte Zuordnung der Leiter,
- Aktualisierung der Dokumentation.
Bei einer 3-Leiter-Schaltung sollten alle drei Leiter gemeinsam verlängert werden. Wird nur eine einzelne Ader durch einen anderen Querschnitt oder eine zusätzliche Klemmstelle verändert, kann die Kompensation beeinträchtigt werden.
Bei fertig konfektionierten Präzisionsfühlern sollte die Anschlussleitung nicht ohne Zustimmung des Herstellers gekürzt oder verlängert werden. Die Leitung kann Bestandteil der Kalibrierung oder Fühlerausführung sein.
Wann ist ein Temperaturmessumformer sinnvoll?
Bei langen Kabelwegen kann es sinnvoll sein, das Pt100-Signal bereits in der Nähe des Sensors in ein robustes Standardsignal umzuwandeln.
Ein Kopf- oder Feldtransmitter kann beispielsweise:
- den Pt100 in 2-, 3- oder 4-Leiter-Technik auswerten,
- die Pt100-Kennlinie linearisieren,
- den Messbereich skalieren,
- Sensorbruch und Kurzschluss erkennen,
- das Signal galvanisch trennen,
- ein 4–20-mA-, HART- oder digitales Ausgangssignal bereitstellen.
Der empfindliche Widerstandsmesskreis bleibt dadurch kurz. Über die lange Strecke zur SPS wird anschließend ein weniger leitungsempfindliches Normsignal übertragen.
Beispiel:
- Pt100 in 3-Leiter-Technik über 50 cm zum Kopftransmitter,
- Messbereich des Transmitters: 0 bis 200 °C,
- Ausgang: 4–20 mA,
- lange Stromschleife vom Transmitter zum Schaltschrank.
Ein Messumformer löst jedoch keine Fehler durch falsche Fühlerposition, schlechte Wärmeankopplung oder eine ungeeignete Tauchhülse. Er verbessert ausschließlich die elektrische Signalaufbereitung.
Direkter Pt100-Anschluss an SPS und Schaltschrank
Viele SPS-Systeme besitzen spezielle Pt100- oder RTD-Eingangskarten. Vor dem Anschluss muss geprüft werden:
- unterstützter Sensortyp,
- 2-, 3- oder 4-Leiter-Eingang,
- zulässiger Widerstands- und Temperaturbereich,
- Klemmenbelegung,
- Sensorstrom,
- Leitungsbruch- und Kurzschlusserkennung,
- galvanische Trennung,
- erforderliche Parametrierung.
Eine 3-Leiter-Karte kann einen 4-Leiter-Pt100 nicht automatisch als 4-Leiter-Schaltung auswerten. Je nach Eingangskarte muss eine Ader unbenutzt bleiben oder eine definierte Brücke gesetzt werden.
Umgekehrt darf ein 2-Leiter-Pt100 nicht ungeprüft an einen 3- oder 4-Leiter-Eingang angeschlossen werden. Erforderliche Brücken und Klemmen müssen dem Anschlussplan des Herstellers entsprechen.
Schirmung, EMV und Potenzialausgleich
Ein Pt100 liefert ein vergleichsweise kleines Widerstandssignal. Störungen durch Frequenzumrichter, Motorleitungen, Schütze oder Magnetventile können die Messung beeinflussen.
Für eine störungsarme Installation sind sinnvoll:
- verdrillte Adern,
- geeignetes geschirmtes Sensorkabel,
- getrennte Verlegung von Leistungs- und Messleitungen,
- kurze ungeschirmte Leitungsabschnitte,
- saubere Klemm- und Steckverbindungen,
- einheitliches Erdungs- und Schirmungskonzept,
- Abstand zu Frequenzumrichtern und Motorleitungen.
Der Schirm darf nicht als Pt100-Messleiter verwendet werden. Außerdem sollten Schutzleiter, Signalmasse und Kabelschirm nicht willkürlich miteinander verbunden werden.
Bei starken Potenzialunterschieden kann ein galvanisch getrennter Temperaturmessumformer sinnvoll sein.
Typische Anschlussfehler
Ein 3-Leiter-Pt100 wird als 2-Leiter-Sensor angeschlossen
Die Leitungswiderstände werden nicht kompensiert und erhöhen den angezeigten Temperaturwert.
Die gleichfarbigen Leiter werden falsch zugeordnet
Der Messkreis ist unterbrochen oder das Auswertegerät erkennt einen Kurzschluss beziehungsweise einen unplausiblen Widerstand.
Eine erforderliche Klemmenbrücke fehlt
Bei bestimmten 2-Leiter-Anschlüssen an universellen Eingängen bleibt ein Messkanal offen.
Eine Brücke wird an den falschen Klemmen gesetzt
Das Pt100 wird teilweise kurzgeschlossen oder die Kompensationsmessung funktioniert nicht.
Unterschiedliche Aderquerschnitte werden verwendet
Die Widerstände der 3-Leiter-Schaltung sind nicht mehr symmetrisch.
Eine korrodierte Klemme erhöht den Übergangswiderstand
Die Temperaturanzeige driftet oder springt abhängig von Vibration und Feuchtigkeit.
Der Eingang ist auf Pt1000 statt Pt100 eingestellt
Der angezeigte Temperaturwert ist vollständig unplausibel.
Die Leiterkompensation wird doppelt angewendet
Ein bereits kompensierter Messwert wird zusätzlich durch einen manuellen Offset verändert.
Pt100 und Thermoelement werden verwechselt
Beide Sensorarten arbeiten nach völlig unterschiedlichen Messprinzipien und benötigen unterschiedliche Eingänge.
Pt100-Messkette systematisch prüfen
- Sensorart kontrollieren: Pt100, Pt1000 oder anderer Widerstandssensor?
- Anschlussart feststellen: Sind zwei, drei oder vier wirksame Leiter vorhanden?
- Klemmenplan prüfen: Stimmen die Adern mit dem Eingang des Messgeräts überein?
- Sensor spannungsfrei messen: Widerstand mit einem geeigneten Ohmmeter kontrollieren.
- Leiter einzeln prüfen: Durchgang und Widerstand jeder Ader vergleichen.
- Übergangsstellen kontrollieren: Klemmen, Stecker und Verlängerungen prüfen.
- Auswertegerät kontrollieren: Pt100-Kennlinie, Leiterzahl und Messbereich richtig eingestellt?
- Definierten Widerstand simulieren: Eingang mit einem geeigneten Pt100- oder Widerstandssimulator prüfen.
- Vergleichsmessung durchführen: Sensor an einem stabilen Temperaturpunkt mit einer Referenz vergleichen.
- Einbausituation bewerten: Eintauchtiefe, Wärmeableitung und Tauchhülse kontrollieren.
Eine reine Widerstandsmessung mit einem Handmultimeter ist nur eine erste Plausibilitätsprüfung. Für eine genaue Beurteilung müssen Messstrom, Anschlussart und Messunsicherheit des Prüfgeräts berücksichtigt werden.
Praxisbeispiel: 30 Meter Leitung zur SPS
Ein Pt100 misst die Temperatur eines Hydrauliktanks. Der Sensor befindet sich 30 Meter vom Schaltschrank entfernt. Verwendet wird ein Kupferkabel mit 0,5 mm² Leiterquerschnitt.
Variante 1: 2-Leiter-Schaltung
Der ungefähre Widerstand beider Leitungen beträgt:
2 × 30 m × 0,0175 Ω mm²/m / 0,5 mm² = 2,1 Ω
Der daraus entstehende Temperaturfehler beträgt näherungsweise:
2,1 Ω / 0,385 Ω pro °C ≈ 5,5 °C
Die angezeigte Temperatur liegt damit unabhängig von der eigentlichen Sensortoleranz ungefähr 5,5 °C zu hoch.
Variante 2: 3-Leiter-Schaltung
Alle drei Leiter besitzen denselben Querschnitt, dieselbe Länge und werden im gleichen Kabel geführt. Die SPS kompensiert den gemeinsamen Leitungswiderstand weitgehend.
Der verbleibende Fehler hängt hauptsächlich von der Asymmetrie der Leiter und den Übergangswiderständen ab. Für die betriebliche Temperaturüberwachung des Hydrauliktanks ist diese Lösung ausreichend.
Variante 3: lokaler Messumformer
Alternativ wird ein Kopftransmitter direkt am Fühler installiert. Der Pt100 wird über eine kurze 3-Leiter-Verbindung angeschlossen. Vom Messumformer zur SPS wird ein 4–20-mA-Signal übertragen.
Diese Lösung bietet zusätzliche Vorteile:
- kurzer Pt100-Messkreis,
- robuste Übertragung zum Schaltschrank,
- einfache Skalierung in der SPS,
- Sensorbrucherkennung,
- leichte Prüfung der Stromschleife.
Für die Anwendung werden entweder die direkte 3-Leiter-Schaltung oder ein lokaler Messumformer gewählt. Eine 2-Leiter-Verbindung ist wegen des berechneten Fehlers ungeeignet.
Welche Anschlussart passt zur Anwendung?
| Anwendung | Empfohlene Anschlussart |
|---|---|
| Kurze interne Verbindung im Anschlusskopf | 2-Leiter kann ausreichend sein |
| Einfache Temperaturüberwachung mit kurzer Leitung | 2- oder 3-Leiter nach Fehlerbewertung |
| Industrielle Prozessmessung zur SPS | Meist 3-Leiter |
| Lange Leitung mit üblicher Prozessgenauigkeit | 3-Leiter oder lokaler Messumformer |
| Hohe Genauigkeit oder enge Toleranz | 4-Leiter |
| Kalibrier- und Referenzmessung | 4-Leiter |
| Unterschiedliche Leitertemperaturen oder unsymmetrische Leitungen | 4-Leiter |
| SPS besitzt nur einen 4–20-mA-Eingang | Pt100 mit Temperaturmessumformer |
Für die Auswahl sollten mindestens folgende Angaben vorliegen:
- Temperaturbereich,
- erforderliche Gesamtgenauigkeit,
- Pt100-Toleranzklasse,
- Kabellänge,
- Leiterquerschnitt,
- Umgebungstemperatur der Leitung,
- 2-, 3- oder 4-Leiter-Eingang des Messgeräts,
- direkter Anschluss oder Messumformer,
- Einbausituation und Fühlerbauform,
- Vibration, Feuchtigkeit und EMV-Bedingungen,
- Anforderungen an Kalibrierung und Dokumentation.
Welche Produkte eignen sich?
Widerstandsthermometer und Pt100-Fühler
Die Kategorie Widerstandsthermometer / Pt100-Fühler umfasst unterschiedliche Sensorbauformen für Maschinen, Rohrleitungen, Behälter und Prozessanlagen.
Je nach Ausführung stehen unter anderem zur Verfügung:
- Pt100- und Pt1000-Sensoren,
- 2-, 3- und 4-Leiter-Schaltungen,
- Kabel-, Einschraub- und Einsteckfühler,
- Widerstandsthermometer mit Anschlusskopf,
- Ausführungen mit Schutzrohr oder Tauchhülse,
- Sensoren für Hygiene- und Ex-Anwendungen,
- kundenspezifische Fühlerlängen und Prozessanschlüsse.
Die Anschlussart sollte gemeinsam mit Messbereich, Genauigkeit, Leitungslänge und Auswertegerät festgelegt werden.
Temperatur-Messumformer und Zubehör
Die Kategorie Temperatur-Messumformer und Zubehör enthält Geräte für die Signalaufbereitung und Integration von Pt100-Fühlern in SPS- und Leitsysteme.
Je nach Gerät sind möglich:
- Pt100- und Pt1000-Eingänge,
- 2-, 3- und 4-Leiter-Anschluss,
- Kopf- und Hutschienenmontage,
- frei parametrierbare Temperaturbereiche,
- Sensorbruch- und Kurzschlusserkennung,
- galvanische Trennung,
- 4–20 mA, HART, Modbus oder weitere Ausgangssignale.
Bei langen Leitungswegen ist ein Messumformer in unmittelbarer Nähe des Pt100 häufig sinnvoller als die direkte Übertragung des Widerstandssignals bis zum Schaltschrank.
Prüfung und Fehlersuche
Zur Prüfung eines Pt100-Eingangs wird ein geeigneter Widerstands- oder Temperatursimulator benötigt. Damit lassen sich definierte Pt100-Werte einspeisen und die Anzeige beziehungsweise SPS-Skalierung kontrollieren.
Besitzt der Temperaturmessumformer einen 4–20-mA-Ausgang, kann die nachgeschaltete Stromschleife mit dem UPS4E Stromschleifen-Kalibrator geprüft werden.
Der UPS4E simuliert jedoch keinen Pt100-Widerstand. Für eine vollständige Prüfung müssen Pt100-Eingang und Stromausgang getrennt beziehungsweise mit einem geeigneten Temperatursimulator gemeinsam bewertet werden.
Fazit: Der Leitungswiderstand gehört zur vollständigen Pt100-Messkette
Bei einer 2-Leiter-Schaltung addieren sich die Widerstände beider Anschlussleitungen direkt zum Pt100-Widerstand. Bereits wenige Meter Kabel können dadurch einen Temperaturfehler von mehreren Grad verursachen.
Die 3-Leiter-Schaltung kompensiert den Leitungswiderstand weitgehend, solange alle Leiter elektrisch und thermisch möglichst gleich sind. Sie ist deshalb für viele industrielle Temperaturmessungen der beste Kompromiss aus Genauigkeit und Verdrahtungsaufwand.
Die 4-Leiter-Schaltung trennt Strom- und Spannungsmessung voneinander. Dadurch werden auch unterschiedliche Leitungswiderstände nahezu vollständig kompensiert. Sie ist besonders für Referenzmessungen, lange Leitungen und enge Toleranzen geeignet.
Bei sehr langen Kabelwegen kann ein lokaler Temperaturmessumformer sinnvoll sein. Das empfindliche Pt100-Signal wird dann nur über eine kurze Strecke geführt und bereits an der Messstelle in ein robustes Standardsignal umgewandelt.
Die richtige Anschlussart muss gemeinsam mit Fühler, Kabel, Messumformer, SPS-Eingang und Genauigkeitsanforderung festgelegt werden. Ein hochwertiger Pt100 kann keine präzise Temperatur liefern, wenn seine Anschlussleitung falsch ausgelegt oder verdrahtet wurde.
Häufige Fragen zu Pt100 in 2-, 3- und 4-Leiter-Schaltung
Was ist der Unterschied zwischen einem Pt100 mit 2, 3 und 4 Leitern?
Bei zwei Leitern geht der gesamte Leitungswiderstand in den Messwert ein. Drei Leiter ermöglichen eine Kompensation bei weitgehend gleichen Leiterwiderständen. Vier Leiter ermöglichen die genaueste Messung unabhängig von den Leitungswiderständen.
Wie groß ist der Temperaturfehler durch 1 Ω Leitungswiderstand?
In der Nähe von 0 °C entspricht 1 Ω zusätzlichem Widerstand bei einem Pt100 ungefähr 2,6 °C Temperaturfehler.
Warum zeigt ein 2-Leiter-Pt100 meistens zu viel an?
Der zusätzliche Widerstand der Hin- und Rückleitung wird als Teil des Pt100-Widerstands gemessen und deshalb als höhere Temperatur interpretiert.
Ist eine 3-Leiter-Schaltung immer vollständig kompensiert?
Nein. Die Kompensation setzt möglichst gleiche Leiterwiderstände voraus. Unterschiedliche Querschnitte, Kabellängen, Temperaturen oder Übergangswiderstände erzeugen einen Restfehler.
Wann benötigt man eine 4-Leiter-Messung?
Sie ist sinnvoll bei hohen Genauigkeitsanforderungen, Referenzmessungen, langen Leitungen, kleinen Temperaturdifferenzen oder unsymmetrischen Leitungswiderständen.
Kann ich einen 3-Leiter-Pt100 an einen 2-Leiter-Eingang anschließen?
Grundsätzlich kann eine Ader unbenutzt bleiben. Die Messung arbeitet dann jedoch als 2-Leiter-Schaltung und besitzt keine Leitungswiderstandskompensation.
Kann ich einen 2-Leiter-Pt100 an einen 3-Leiter-Eingang anschließen?
Das ist bei manchen Geräten mit einer definierten Klemmenbrücke möglich. Die genaue Verdrahtung muss dem Anschlussplan des Auswertegeräts entnommen werden.
Spielt der Kabelquerschnitt eine Rolle?
Ja. Ein größerer Querschnitt reduziert den Leitungswiderstand. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen bleibt jedoch die geeignete 3- oder 4-Leiter-Schaltung entscheidend.
Warum verändert sich der Fehler mit der Umgebungstemperatur?
Der Widerstand einer Kupferleitung steigt mit ihrer Temperatur. In einer 2-Leiter-Schaltung verändert sich dadurch auch die angezeigte Pt100-Temperatur.
Ist Pt1000 bei einer 2-Leiter-Schaltung besser geeignet?
Der relative Einfluss desselben Leitungswiderstands ist bei einem Pt1000 geringer als bei einem Pt100. Trotzdem müssen Genauigkeit, Eingangsgerät und Kabellänge geprüft werden.
Kann ein Messumformer den Leitungsfehler beseitigen?
Ein Messumformer kann den Pt100 in 3- oder 4-Leiter-Technik auswerten und das Signal direkt an der Messstelle umwandeln. Dadurch bleibt der empfindliche Widerstandsmesskreis kurz.
Wie kann ein Pt100-Eingang geprüft werden?
Mit einem geeigneten Pt100- oder Widerstandssimulator werden definierte Widerstandswerte eingespeist. Anschließend werden Anzeige, Skalierung und Leitungsbrucherkennung kontrolliert.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl?
Benötigt werden Temperaturbereich, Genauigkeitsanforderung, Pt100-Toleranzklasse, Anschlussart, Kabellänge, Leiterquerschnitt, Prozessanschluss, Fühlerbauform, verfügbarer SPS- oder Messumformereingang sowie Anforderungen an Schutzart, Ex-Ausführung und Kalibrierung.