Anschlusstechniken und Zuleitungswiderstandskompensation

Zwangsläufig bei der Nutzung von RTD-Sensoren ist, dass diese ausschließlich über Zuleitungen gemessen werden können. Die Zuleitungen zu dem Sensor besitzen jeweils einen (temperaturabhängigen!) Eigenwiderstand, welcher die Messung beeinflusst und verfälscht. Zusätzlich können Isolationsfehler oder Thermospannungen, beispielsweise aufgrund ungleicher Temperaturverteilungen, die Messung ebenfalls beeinflussen. Diese sind anwenderseitig zu prüfen und je nach Anwendungsfall zu berücksichtigen. Darüber hinaus reagieren RTD-Sensoren auf die entstehende Eigenerwärmung, sodass diese das Messergebnis ebenfalls beeinflusst. Für die Kompensation der Zuleitungswiderstände helfen verschiedene Anschlusstechniken und spezielle Sensordaten, die Sensoreigenerwärmung kann ebenfalls mithilfe spezieller Sensordaten berechnet werden. Als mögliche Anschlusstechniken bestehen die Zwei-, Drei- und Vierleitertechnik. Die einzelnen Vor- und Nachteile der jeweiligen Anschlusstechnik sind der Erklärung der Anschlusstechniken beigefügt. Es wird von einer direkten Widerstandsmessung mit Referenzwiderstand ausgegangen.

  • Zweileitertechnik
    • Anschlusstechniken und Zuleitungswiderstandskompensation 1:
    Anschluss RTD-Sensor Zweileitertechnik
  • Der Sensor wird ohne weitere Adern angeschlossen.
  • Diese Anschlusstechnik benötigt wenig Anschlussmaterial und wird für einfache RTD-Temperaturmessungen verwendet
  • Nur für kurze Zuleitungen oder einfache Messungen empfohlen
  • Übergangswiderstände der Klemmkontakte beeinflussen den Messvorgang. Ein anwenderseitiger Abgleich bei gesteckter Signalverbindung kann die Messgenauigkeit wieder erhöhen, ist aber regelmäßig zu wiederholen.
  • Für die Kompensation der Zuleitungswiderstände kann der feste Zuleitungswiderstand durch eine Messung oder einen Abgleich ermittelt und anschließend dem Messergebnis abgezogen, eine weitere Anschlusstechnik gewählt oder ein Sensor mit hohem Nennwiderstand gewählt werden

Beispiel für eine Zuleitungskompensation mit der Zweileitertechnik

Gegeben ist eine 50 m lange Zuleitung aus Kupfer mit einem Leitungsquerschnitt von 0,5 mm2. Der spezifische Widerstand von Kupfer entspricht 0,0175 Ω mm2 m-1 bei Raumtemperatur.

Ermittlung des Gesamtwiderstandes der Zuleitung:

RLges= 0,0175 Ω mm2 m-1  ⋅ (2 ⋅ 50 m / 0,5 mm2) = 3,5 Ω

Ein Pt100 Sensor besitzt eine durchschnittliche Widerstandsänderung von ≈ 0,39 Ω/K. Bei einem Leitungswiderstand von RLges = 3,5 Ω ergibt sich daraus eine statische Temperaturabweichung von 3,5 Ω / (0,39 Ω/°C) = 8,97 °C, wenn dieser nicht berücksichtigt wird. Die berechneten 3,5 Ω können dem Messwert nach der Messung (vor der R → T Transformation) abgezogen werden, sodass die Zuleitungswiderstände das Messergebnis (zumindest in diesem Moment) nicht beeinflussen.

Eine Änderung des spezifischen Widerstandes der Zuleitungen aufgrund von Alterung oder Temperaturänderung werden in diesem Fall nicht bemerkt! Für eine exakte Berechnung der Zuleitungswiderstände sind diese Faktoren zu berücksichtigen. Beispielsweise ist die Temperaturabhängigkeit von Kupferleitungen mit ~4000 ppm/K (0,4 %/K) nicht unwesentlich im 24/7-Betrieb.

  • Dreileitertechnik
    • Anschlusstechniken und Zuleitungswiderstandskompensation 2:
    Anschluss RTD-Sensor Dreileitertechnik
  • Der Sensor wird mit einer zusätzlichen Ader angeschlossen, sodass ein weiterer Messkreis entsteht.
  • Dieser Messkreis dient zur Ermittlung des Widerstandes der Zuleitungen exklusive dem angeschlossenen Sensor, sodass der Zuleitungswiderstand direkt ermittelt und dem Messwert abgezogen werden kann
  • Leitung „+“ und „-“ muss hierbei die gleichen elektrischen Eigenschaften aufweisen
  • Diese Anschlusstechnik bietet theoretisch eine genauere Temperaturmessung bei nur leicht erhöhten Installationskosten.
  • Aufgrund der Kostenreduktion im Vergleich zur Vierleitertechnik und einem dennoch genaueren Messergebnis im Vergleich zur Zweileitertechnik ist die Dreileitertechnik die verbreitetste industrielle Anschlusstechnik für Widerstandssensoren.
  • Übergangswiderstände der Klemmkontakte beeinflussen den Messvorgang (ein anwenderseitiger Abgleich bei gesteckter Signalverbindung kann die Messgenauigkeit wieder erhöhen)