Temperaturmessung

Was sollte man über Widerstandsthermometer wissen?

Widerstandsthermometer kommen in den verschiedensten Anwendungen zur Temperaturmessung zum Einsatz. Deshalb unterscheiden sie sich in ihrem Aufbau – mit Anschlusskopf oder Anschlussleitung – und in den verwendeten Messeinsätzen, die mit unterschiedlichen Temperatursensoren bestückt sein können, z.B. Pt100, Pt500 oder Pt1000. Außerdem wird beim Anschluss von Widerstandsthemometern zwischen Zwei-, Drei- und Vierleitertechnik unterschieden.

Wie ist ein Widerstandsthermometer aufgebaut?

Es gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen Widerstandsthermometern. Die Häufigsten sind Widerstandsthermometer mit Anschlusskopf oder mit Anschlussleitung.

Ein Widerstandsthermometer mit Anschlusskopf ist modular aufgebaut: Es setzt sich zusammen aus dem Messeinsatz, dem Schutzrohr, dem Anschlusskopf und dem darin befindlichen Anschlusssockel sowie möglicherweise noch Flanschen oder Klemmverschraubungen. Als Temperatursensor wird nur der Teil des Widerstandsthermometers bezeichnet, auf den die Messgröße unmittelbar einwirkt.

Bei Widerstandsthermometern mit Anschlussleitung wird auf einen Messeinsatz und den Anschlusskopf verzichtet. Der Temperatursensor ist mit der Anschlussleitung direkt verbunden und in das Schutzrohr eingesetzt. Zur Zugentlastung wird das Schutzrohr am Ende z. T. mehrfach eingerollt oder gedrückt (Schutzart IP65). Der Innenraum zwischen Schutzrohr und Temperatursensor wird üblicherweise mit einem wärmeleitenden Material gefüllt, um den thermischen Kontakt zum Messmedium zu verbessern. Die maximale Messtemperatur wird in erster Linie durch die Temperaturbeständigkeit des Mantel- und Isoliermaterials der Anschlussleitung bestimmt.

Was ist ein Messeinsatz?

Messeinsätze sind fertig konfektionierte Einheiten, bestehend aus Temperatursensor und Anschlusssockel, wobei der Temperatursensor in einem Einsatzrohr von 6 oder 8 mm Durchmesser aus SnBz6 nach DIN 17 681 (bis 300 °C) oder Nickel untergebracht ist. Er wird in das eigentliche Schutzrohr eingeschoben, das vielfach aus Edelstahl hergestellt ist.

Wie können Widerstandsthermometer angeschlossen werden?

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

Es gibt drei Anschlussarten Zweitleiter-, Dreileiter und Vierleitertechnik.

Bei der Zweileitertechnik werden Auswerteelektronik und Temperaturfühler mit einer zweiadrigen Leitung verbunden.

Für die Dreileitertechnik wird eine zusätzliche Leitung zu einem Kontakt des Widerstandsthermometers geführt. Es bilden sich somit zwei Messkreise, von denen einer als Referenz genutzt wird. Die Vierleitertechnik bietet die optimalste Anschlussmöglichkeit für Widerstandsthermometer. Das Messergebnis wird weder von den Leitungswiderständen noch von ihren temperaturabhängigen Schwankungen beeinträchtigt.

Warum kann es bei der Zweileitertechnik zu falschen Messwerten kommen?

Wie jeder andere elektrische Leiter besitzt auch die Leitung zwischen Temperaturfühler und Auswerteelektronik einen Widerstand, der dem Temperatursensor in Reihe geschaltet ist. Damit addieren sich die beiden Widerstände und es kommt zu einer systematisch höheren Temperaturanzeige. Bei größeren Entfernungen kann der Leitungswiderstand einige Ohm betragen und eine beachtliche Verfälschung des Messwertes verursachen.

Um die geschilderten Probleme der Zweileitertechnik zu umgehen und dennoch auf mehradrige Leitungen verzichten zu können, verwendet man Zweileiter-Messumformer: Der Messumformer wandelt das Sensorsignal in ein normiertes, temperaturlineares Stromsignal von 4 bis 20mA um. Die Versorgung des Messumformers geschieht ebenfalls über die beiden Anschlussleitungen, man bedient sich hierbei eines Ruhestroms von 4 mA. Wegen des angehobenen Nullpunkts wird auch von „life zero“ gesprochen. Der Zweileiter-Messumformer bietet weiterhin den Vorteil, durch die Verstärkung des Signals dessen Störempfindlichkeit bedeutend zu verringern.

Bei der Platzierung des Messumformers gibt es zwei Bauformen. Da zur Verringerung der Störanfälligkeit des Signals die Strecke des unverstärkten Signals möglichst kurz gehalten werden soll, kann er direkt im Thermometer in dessen Anschlusskopf montiert sein. Dieser optimalen Lösung widersprechen mitunter jedoch konstruktive Gegebenheiten oder die Tatsache, dass im Fehlerfall der Messumformer unter Umständen schwer erreichbar sein kann. In diesem Fall benutzt man einen Messumformer zur Tragschienenmontage im Schaltschrank. Den Vorteil des besseren Zugriffs erkauft man sich dabei jedoch mit einer längeren Strecke, die das unverstärkte Signal zurücklegen muss.

Was bringt die dritte Leitung bei der Dreileitertechnik?

Durch die Dreileiterschaltung 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, ist die Dreileiter-Technik heute am verbreitesten. Ein Leitungsabgleich ist nicht erforderlich.

Wie funktioniert die Vierleitertechnik?

Über die Zuleitungen 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.