Temperaturmessung mit Widerstandsthermometern

Widerstandsthermometer wie Pt100 und Pt1000 gehören zu den etablierten Sensoren in der industriellen Messtechnik. Sie eignen sich insbesondere dann, wenn Temperaturwerte präzise, stabil und reproduzierbar erfasst werden sollen. Entscheidend für die Qualität der Messung sind nicht nur der Sensor selbst, sondern auch die Anschlussart, die Auslegung des Messeingangs sowie die korrekte Linearisierung der Sensorkennlinie.

Was ist ein Widerstandsthermometer?

Die gebräuchlichsten Sensortypen sind:

• Pt100 mit 100 Ohm bei 0 °C
• Pt1000 mit 1000 Ohm bei 0 °C

Beide Sensortypen sind in der industriellen Praxis etabliert. Zudem existieren noch die Typen Pt200 (200 Ohm bei 0 °C) und Pt500 (200 Ohm bei 0 °C). MicroControl unterstützt bei der µCAN.4.ti-BOX die Typen Pt100, Pt200, Pt500 und Pt1000; die µCAN.8.ti-SNAP unterstützt Pt100 und Pt1000.

Messprinzip von Widerstandsthermometern

Zur Temperaturerfassung wird ein definierter Strom durch den Sensor geführt. Aus dem dabei entstehenden Spannungsabfall kann der Widerstand berechnet werden. Dieser Widerstandswert wird anschließend in einen Temperaturwert umgerechnet.

Eine typische Messkette besteht aus:

1. Widerstandsthermometer, zum Beispiel Pt100 oder Pt1000
2. Anschlussleitung
3. Messeingang oder Messumformer
4. Steuerung, Anzeige oder Auswertesystem

Für die Qualität des Messergebnisses sind nicht nur der Sensor selbst, sondern auch Anschlussart, Auswerteverfahren und die gesamte Signalverarbeitung relevant.

Pt100 und Pt1000

Pt100

Ein Pt100 besitzt bei 0 °C einen Widerstand von 100 Ohm.

Typische Merkmale:

– weit verbreitet in industriellen Anwendungen
– hohe Genauigkeit
– etablierter Standard in vielen Messsystemen

Pt1000

Ein Pt1000 besitzt bei 0 °C einen Widerstand von 1000 Ohm.

Typische Merkmale:

– höheres Nutzsignal im Vergleich zum Pt100
– geringerer relativer Einfluss von Leitungswiderständen
– vorteilhaft in vielen elektronischen Auswerteschaltungen

2-Leiter oder 4-Leiter

2-Leiter-Schaltung

Bei der 2-Leiter-Schaltung wird der Sensor über zwei Leitungen angeschlossen. Der Widerstand der Anschlussleitungen geht dabei direkt in die Messung ein.

Vorteile:

– einfacher Aufbau
– geringer Verdrahtungsaufwand
– wirtschaftliche Lösung für Standardanwendungen

Einschränkungen:

– Leitungswiderstände verfälschen das Messergebnis
– besonders bei langen Leitungen und kleinen Widerstandsänderungen relevant

Die 2-Leiter-Schaltung eignet sich daher vor allem für Anwendungen, bei denen eine einfache Anbindung im Vordergrund steht und die Genauigkeitsanforderungen entsprechend abgestimmt sind.

4-Leiter-Schaltung

Die 4-Leiter-Schaltung ist die technisch konsequente Lösung für präzise Widerstandsmessungen. Hier werden Stromzuführung und Spannungserfassung getrennt geführt. Dadurch wird der Einfluss der Leitungswiderstände auf das Messergebnis praktisch eliminiert.

Vorteile:

– hohe Messgenauigkeit
– präzise und reproduzierbare Widerstandserfassung
– geeignet für anspruchsvolle Messaufgaben

Typische Einsatzbereiche:

– Präzisionsmessungen
– Labor- und Prüftechnik
– industrielle Anwendungen mit hohen Anforderungen an Genauigkeit und Stabilität

Aus technischer Sicht ist eine klare Trennung oft sinnvoll: 2-Leiter für einfache Anwendungen, 4-Leiter für Präzision.

Warum auf 3-Leiter verzichtet werden kann

Die 3-Leiter-Schaltung wird in vielen industriellen Anwendungen als Kompromiss zwischen Aufwand und Genauigkeit eingesetzt. Sie setzt jedoch voraus, dass die Leitungswiderstände hinreichend gleich sind, damit eine Kompensation zuverlässig funktioniert.

Je nach Anwendung ist es sinnvoller, bewusst auf diesen Kompromiss zu verzichten und die Messung klar auszulegen:

– 2-Leiter, wenn eine einfache und wirtschaftliche Lösung ausreicht
– 4-Leiter, wenn präzise Messergebnisse gefordert sind

Damit bleibt die Auslegung der Messkette eindeutig und technisch nachvollziehbar.

Sensorkennlinie

Ein wichtiger Punkt in der Temperaturmessung mit Widerstandsthermometern ist die Kennlinie des Sensors. Zwar ändert sich der Widerstand eines Pt-Sensors in weiten Bereichen annähernd proportional zur Temperatur, der Zusammenhang ist jedoch nicht linear.

Das bedeutet: Der Temperaturwert kann nicht über den gesamten Messbereich mit einem einfachen linearen Umrechnungsfaktor ausreichend genau bestimmt werden. Für präzise Messergebnisse muss die tatsächliche Kennlinie des Sensors berücksichtigt werden.

Gerade bei höheren Genauigkeitsanforderungen oder größeren Temperaturbereichen ist dieser Zusammenhang entscheidend.

Linearisierung durch Software und Lookup-Tabellen

Dafür kommen typischerweise zum Einsatz:

– hinterlegte Kennlinien
– mathematische Approximationen
– Lookup-Tabellen mit Interpolation

Lookup-Tabellen sind in der Praxis ein bewährtes Verfahren. Dabei sind definierte Widerstandswerte den zugehörigen Temperaturwerten zugeordnet. Zwischenwerte werden rechnerisch interpoliert.

Dieses Verfahren bietet mehrere Vorteile:

– gute Genauigkeit
– reproduzierbares Verhalten
– geringer Rechenaufwand
– einfache Implementierung in Firmware oder Software

Der Widerstandssensor allein liefert also noch keinen direkt nutzbaren Temperaturwert. Erst durch die korrekte Linearisierung in der Auswerteelektronik oder Software entsteht ein belastbares Messergebnis.

Messstrom und Eigenerwärmung

Zur Widerstandsmessung muss ein definierter Strom durch das Sensorelement fließen. Dieser Strom wird häufig als Messstrom oder Erregerstrom bezeichnet.

Bei der Auslegung präziser Messeingänge ist seine Größe von besonderer Bedeutung. Ist der Messstrom zu hoch, entsteht im Sensor eine elektrische Verlustleistung. Diese führt zu einer Eigenerwärmung des Messwiderstands.

Die Folge: Der Sensor erwärmt sich durch die Messung selbst. Dadurch wird nicht mehr ausschließlich die tatsächliche Prozesstemperatur erfasst, sondern zusätzlich die temperaturerhöhende Wirkung des Messstroms.

Die Eigenerwärmung ist insbesondere relevant bei:

– kleinen Sensorelementen
– schlechter Wärmeableitung
– ruhenden Medien
– hochgenauen Messungen

Für präzise 4-Leiter-Messungen gilt daher:

– Der Messstrom muss ausreichend groß sein, damit ein stabiles Messsignal entsteht.
– Gleichzeitig muss er klein genug bleiben, um die Eigenerwärmung des Sensors gering zu halten.

Die Auslegung des Messeingangs ist damit immer ein technischer Kompromiss zwischen Signalqualität und minimaler Sensorbelastung.

Messtechnik Lösungen von MicroControl

FAQ: Temperaturmessung mit Widerstandsthermometern

Was ist der Unterschied zwischen Pt100 und Pt1000? 

Warum ist die Kennlinie eines Pt-Sensors nicht einfach linear? 

Wie erfolgt die Linearisierung in der Praxis? 

Warum ist die 4-Leiter-Schaltung genauer? 

Was ist mit Eigenerwärmung gemeint? 

Wann reicht eine 2-Leiter-Messung aus? 

Kann man einen 2-Leiter-Pt100 oder Pt1000 an einen 4-Leiter-Messeingang anschließen? 

Ja. Der Sensor wird dabei zwischen + und – angeschlossen. Zusätzlich wird die Klemme P mit + und die Klemme G mit – gebrückt.

Wichtig ist: Auch wenn der Anschluss an einem 4-Leiter-Messeingang erfolgt, bleibt die Messung funktional und messtechnisch eine 2-Leiter-Messung. Der Leitungswiderstand wird also nicht kompensiert.