Schaltungsarten - Thermo Sensor GmbH

Schaltungsarten
Allgemein
Temperaturmessungen mit Widerstandsthermometern beruhen auf der Messung des elektrischen
Widerstands.
Neben
dem
eigentlichen
Sensor
haben
auch
die
Anschlussleitungen
und
Übergangswiderstände an Verbindungsstellen Einfluss auf den gemessenen Wert. Um diese
unerwünschten
Einflüsse
zu
eliminieren
oder
zumindest
zu
verringern,
lassen
sich
Widerstandsthermometer auf unterschiedliche Arten anschließen.
Zwei-, Drei- und Vierleiter-Schaltungen
Der signifikanteste Fehler bei der Temperaturmessung mit Widerstandsthermometern wird durch den
elektrischen Widerstand der Anschlussleitungen verursacht, die den Sensor mit der Auswerte-Einheit
verbinden (Abbildung 1 verdeutlicht dieses Problem). Da sich die Widerstände der Leitungen nicht
vom Widerstand des Sensors unterscheiden bzw. trennen lassen, wird das Messgerät einen Wert von
R(t) + RL1 + RL2 als Widerstandswert anzeigen.
Abbildung 1
Bei einer Widerstandsmessung in Zweileiter-Technik lässt sich der Widerstand der Leitung nicht
vom Widerstand des Sensors unterscheiden.
Bei einem typischen Hand-Messgerät mit einer Leitungslänge von ein bis zwei Metern liegt der
Gesamtwiderstand der Leitung bei etwa 1 Ω, was einem Fehler von etwa 2,5 °C entspricht. Während
der Fehler durch Einstellen des Nullpunkts und des Messbereichs kompensiert werden kann, ist das
Messgerät nicht immun gegenüber Änderungen im Leitungswiderstand. Solche Änderungen können
durch die Temperaturabhängigkeit der Leitungen, die Abnutzung der Steckverbinderkontakte oder
auch durch die Abnutzung des Kabels infolge von Brüchen einzelner Litzen hervorgerufen werden. Die
meisten Zweileiter-Messungen sind eingeschränkt auf eine Genauigkeit von etwa ± 0,3 °C.
Die ideale Lösung für das Problem des Leitungswiderstands ist die Widerstands-Messung mit der
Vierleiter-Methode (siehe Abbildung 2). Der Mess-Strom wird durch ein Leiterpaar geleitet, während
die Spannung am anderen Leiterpaar gemessen wird. Da bei einem (idealen) Spannungsmessgerät in
den Leitungen kein Strom fließt, liegt hier auch kein Spannungsabfall aufgrund der Widerstände in
diesen Leitungen vor, und demnach entsteht hier auch kein Fehler. Hierbei ist zu beachten, dass der
Widerstandwert eines Vierleiter-Widerstands exakt definiert ist durch die Verbindungspunkte, an
denen sich die beiden Leitungspaare treffen. Bei einer guten Vierleiter-Messung kann der Fehler
aufgrund der Leitungswiderstände auf ein vernachlässigbares Maß reduziert werden, und an viele
Schaltungsarten
Messinstrumente können Leitungen mit mehreren Metern Länge angeschlossen werden, ohne dass ein
messbarer Fehler auftritt.
Abbildung 1
Bei einer Temperaturmessung in Vierleiter-Technik ist der gemessene Widerstand unabhängig
vom Widerstand der Leitungen.
Da es nach wie vor Messgeräte gibt, die eine Vierleiter-Messung aufgrund ihrer Funktionsweise nicht
unterstützen, wurde die Dreileiter-Technik entwickelt. In Abbildung 2 ist die Funktionsweise der
Korrektur in einem modernen Dreileiter-Messgerät dargestellt. Es werden zwei Spannungen
gemessen, eine über den Messwiderstand plus einen Leitungswiderstand, die andere nur über einen
Leitungswiderstand. Über die
Differenz zwischen den beiden Spannungen lässt sich der
Messwiderstand ermitteln (Rmess = R(t) + RL1 – RL2).
Abbildung 2
Bei der Dreileiter-Technik werden zwei Spannungs-Messungen durchgeführt. Die Spannung über
der Schleife ohne Sensor wird für die Korrektur der Hauptmessung benötigt.
Falls beide Leitungswiderstände also gleich groß sind, wird kein Messfehler auftreten. Die DreileiterMethode
ist
bei
industriellen
Anwendungen
sehr
verbreitet,
insbesondere,
wenn
die
Anschlussleitungen sehr lang sein müssen. Wie die Zweileiter-Methode ist auch die Dreileiter-Methode
anfällig für Änderungen in einer der Leitungen. Solche Beschädigungen können beim Gebrauch der
Leitung, Stecker und Kupplungen auftreten. Die Genauigkeit ist auf einige Zehntel Celsiusgrade
beschränkt, abhängig von der Länge der Leitungen.
Eine vierte Möglichkeit ist die Pseudo-Vierleiter-Technik (siehe Abbildung 3). Hierbei hat der
Messwiderstand nur zwei Leitungen, aber der Fühler hat einen zweiten Satz an Leitungen ohne
Sensor. Genau wie bei der Dreileiter-Technik wird hierbei eine Korrektur der Leitungswiderstände
erreicht (Rmess = R(t) + 2 · RL1 2 · RL2).
Schaltungsarten
Abbildung 1
Bei der Pseudo-Vierleiter-Technik wird ein Satz von Dummy-Leitungen verwendet, um die
Korrektur der Hauptmessung durchzuführen.
Wie bei der Dreileiter-Technik müssen die Leitungswiderstände der beiden Sätze identisch sein.
Außerdem bietet diese Methode keine Immunität bezüglich der Veränderung der Leitungen oder
Steckverbindungen.