Temperaturmessung

Widerstands­thermometer

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.

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.

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.

Widerstands­thermometer anschließen

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 3 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.

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 ... 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.

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.

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.

Die zur Montage notwendigen Anschlusshinweise sind in der folgenden Übersicht dargestellt:


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