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

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

Beim Pt100 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.

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

Um eine Erwärmung des Sensors 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:

2-Leiter Schaltung

Pt100 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 Widerstandsthermometer 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 Sensor 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 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 mit 3-Leiter-Schaltung am verbreitetsten. Ein Leitungsabgleich ist nicht erforderlich.

4-Leiter Schaltung

Pt100 4-Leiter-Anschluss

Eine optimale Anschlussmöglichkeit für Pt100 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 Sensors 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

Pt100 Innenleiter Farben

 
Pt100 Anschluss und Schaltung der Leiter (Innenleiter)
MesselementPt100 2-Leiter Anschluss FarbenPt100 3-Leiter Anschluss FarbenPt100 4-Leiter Anschluss FarbenPt100 2-Leiter mit Schleife
Pt100rot/weißrot, rot/weißrot, rot/weiß, weißrot, weiß/ blau, blau

2 x Pt100 Innenleiter Farben

 
Schaltung der Innenleiter
Messelement2-Leiter Schaltung Farben3-Leiter Schaltung Farben4-Leiter Schaltung Farben
2 x Pt100gelb, gelb / weiß, weißrot, rot / schwarz, schwarz / weißrot, rot / weiß, weiß / schwarz, schwarz / weiß, weiß

 

3 x Pt100 Innenleiter Farben

 
Schaltung der Innenleiter
Messelement2-Leiter Schaltung Farben
3 x Pt100rot, rot / weiß, weiß / gelb, gelb

 

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