Der Einsatz eines Platin-Widerstandsthermometers in industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen liefert normalerweise gute, präzise Temperaturmesswerte, ohne dass dabei spezielle Kabel nötig wären (im Gegensatz zu Thermoelementen). Für bestmögliche Genauigkeit und Zuverlässigkeit ist bei der Installation des Thermometers, der Anschlüsse und der Wahl des jeweiligen Messinstruments sorgfältig vorzugehen.

 

 

Draht- oder Dünnschichtwiderstände?

Das ohmsche Element steht in zwei Formen zur Verfügung, entweder als Draht- oder als Dünnschichtwiderstand. Metallschichtwiderstände bestehen aus einer Platinschicht auf einem Keramik-Trägermaterial; die Spule eines Drahtwiderstands ist hingegen mit Keramik oder Glas gesichert.

 

a) Drahtwiderstände.

Für die Herstellung dieser Geräte stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, mit deren Hilfe den Anforderungen unterschiedlichster Anwendungen Rechnung getragen werden soll. Die ungestützte „Vogelkäfig“-Konstruktion kommt beispielsweise bei temperaturbezogenen Anforderungen zum Einsatz, während halbwegs abgestützte Varianten überall dort verwendet werden, wo ein Kompromiss zwischen Primärstandards und dem Einsatz in industriellen Anwendungen hinnehmbar ist. Weitere Konstruktionsformen umfassen vollständig abgestützte Varianten, die in der Regel Vibrationen von bis zu 100 g standhalten können, sowie Varianten mit beschichtetem Draht, bei denen die Leitungen mit einem isolierenden Medium wie Lacken und ähnlichem beschichtet sind. Die maximale Betriebstemperatur der zuletzt genannten Variante wird von der jeweiligen Beschichtung auf etwa 250 oC begrenzt.

 

b) Metallschichtwiderstände

Metallschichtwiderstände sind in Form einer dünnen (1 µm) Platinschicht auf einem Keramik-Trägermaterial erhältlich. Diese Schicht wird dabei mit Hilfe eines Lasers in Form gebracht, damit sie einen präzisen Ro-Wert erreicht, und wird anschließend in Glas eingefasst.

Dabei ist eine ganze Reihe an verschiedenen Designs und Abmessungen für die unterschiedlichsten Anwendungen erhältlich. Sensoren dieser Art bieten eine sehr kurze thermische Ansprechzeit und dringen angesichts ihrer geringen thermischen Masse nur minimal in das zu prüfende Medium ein. Diese Sensoren werden weitläufig auch als Dünnschicht- bzw. Chip-Sensoren bezeichnet.

 

 Anschlüsse mit 2, 3 oder 4 Leitungen
 

Widerstandsthermometer richtig anschließen

Im Grunde genommen verfügt jeder Messwiderstand über lediglich zwei Leitungen. Wenn der Widerstand im Zuge des Aufbaus des Messfühlers mit Verlängerungsdrähten versehen wird, ist festzulegen, ob für den jeweiligen Messvorgang ein Aufbau mit 2, 3 oder 4 Drähten erforderlich ist.

Bei einem Messwiderstand verändert sich der elektrische Widerstand gemeinsam mit der Temperatur. Die Temperatur wird dabei indirekt über den Spannungsabfall in dem Messwiderstand gemessen, während ein konstanter Strom anliegt. Der Rest kann dem Ohmschen Gesetz entnommen werden: V = R.I

Der Anschluss zwischen der Thermometer-Einheit und dem jeweiligen Instrument erfolgt über standardmäßige elektrische Kabel mit Kupferleitern und 2, 3 oder 4 Leitungen im Kern. Diese Leitungen führen einen elektrischen Widerstand ein, der mit dem Widerstandsthermometer in Reihe geschaltet wird. Diese beiden Widerstände werden somit addiert und können nicht als Temperaturänderung interpretiert werden, wenn der Anschlusswiderstand nicht zur Verfügung steht. Je kleiner der Durchmesser und/oder je länger das Kabel ist, desto größer wird der Leitungswiderstand. Messfehler können hierbei mitunter sehr deutlich ausfallen. Bei einem Anschluss mit 2 Drähten kann nur sehr wenig gegen dieses Problem unternommen werden, sodass aufgrund der Leitungen und des Aufbaus des Eingangsschaltkreises so mancher Messfehler auftreten kann.

Aus diesem Grund ist ein Anschluss mit 2 Drähten nicht zu empfehlen. Sollte es absolut notwendig sein, lediglich 2 Drähte zu verwenden, ist sicherzustellen, dass der größtmögliche Durchmesser der Leitungen angegeben wird und die Kabelstrecken so kurz wie möglich sind, damit auch der Kabelwiderstand so gering wie möglich ausfällt.

Der Einsatz von 3 Drähten, sofern von dem Aufbau des Messfühlers oder der Eingangsschaltung des Messinstruments vorgeschrieben, bietet einen zufriedenstellenden Ausgleich des Leitungswiderstandes. Diese Ausgleichtechnik basiert jedoch auf der Annahme, dass der Widerstand von allen drei Leitungen gleich ist und dass alle drei Leitungen dieselbe Umgebungstemperatur erfahren; dies ist jedoch nicht immer der Fall.

Die maximale Präzision wird somit lediglich bei einem Aufbau mit 4 Drähten erzielt. Der Pt100 Messstrom wird über das Netzteil angelegt. Der Spannungsabfall entlang des Messwiderstands wird von den Messleitungen aufgefangen. Verfügt der Messschaltkreis über einen sehr hohen Eingangswiderstand, können die Auswirkungen des Leitungswiderstands und des Anschlusskontaktwiderstands vernachlässigt werden. Der in der Folge auftretende Spannungsabfall ist dabei nicht von dem Widerstand der Anschlussleitung abhängig. In der Praxis kann der Übergang von den 2 Drähten des Pt100 hin zu den Verlängerungsdrähten oftmals nicht direkt in der Komponente selbst erfolgen, sondern erfordert aufgrund des physikalischen Aufbaus unter Umständen eine kurze 2-Draht-Verlängerung; ein solcher Aufbau kann einen gewissen Fehler einführen, dieser ist in der Regel jedoch unerheblich.

Anmerkung: Die Kabelkonfiguration (2, 3 oder 4 Leitungen) des Thermometers muss mit dem Eingang des jeweiligen Messinstruments kompatibel sein.

 

 Verlängerungskabel: Was ist zu beachten?

Im Gegensatz zu Thermoelementen erfordern Widerstandsthermometer keinerlei Spezialkabel – vielmehr sollten schlichtweg standardmäßige elektrische Leitungen mit Kupferleitern verwendet werden. Dabei gilt: Je dicker die Leiter sind, desto geringer ist der Einfluss von Fehlern aufgrund der oben beschriebenen Auswirkungen von Leitungswiderständen. In der Regel sind 7/0,2-mm- oder 14/0,2-mm-Leiter mit der jeweiligen Isolierung für eine bestimmte Anwendung versehen.

 

Montagehinweise:

a) Farbkodierungen und Anschlussbezeichnungen sind stets zu beachten; die Kabelkonfiguration des Thermometers muss der des Eingangs des jeweiligen Messinstruments entsprechen.

b) Vermeiden Sie den Einsatz „verschiedener“ Metalle in Kabeln; verwenden Sie am besten Kupfer-Anschlussblöcke bzw. farblich (oder anderweitig) gekennzeichnete Steckverbinder für ein Plus an Genauigkeit und Zuverlässigkeit sowie für mühelose Montage.

c) Verwenden Sie in jeder Installation, bei der Wechselstromaufnahme oder Interferenzen bei Relais-Kontakten auftreten können, geschirmte oder umflochtene Kabel mit Erdungsanschluss.

d) Vergewissern Sie sich bei langen Kabelstrecken, dass das jeweilige Messinstrument den Kabelwiderstand tolerieren kann, ohne Messfehler zu erzeugen. Moderne elektronische Instrumente verarbeiten in der Regel bis zu ca. 100 Ohm für Eingänge mit 3 oder 4 Drähten. Vollständige Angaben sind der Spezifikation des jeweiligen Instrumentes zu entnehmen.

e) Elektrische Leitungen sind in der Regel mit vielen verschiedenen Isoliermaterialien und äußeren Schichten erhältlich, um den verschiedenen Anwendungen Rechnung zu tragen. Gehen Sie bei der Wahl der jeweiligen Leitung sorgfältig vor und berücksichtigen Sie die Umgebungstemperatur, die erforderliche Abriebfestigkeit und das Auftreten von Feuchtigkeit oder Wasser.

f) Vergewissern Sie sich bei auftretenden Fehlern, dass Sie den Sensor, das Kabel, die Anschlüsse und das jeweilige Instrument prüfen. Viele solcher Probleme gehen vielmehr auf fehlerhafte Verkabelung oder Fehler bei der Kalibrierung des Instrumentes anstatt auf den Sensor selbst zurück.

Verwenden Sie Verbindungssysteme mit Stecker und Buchse, um Komponenten besser austauschen zu können. Hierfür sind spezielle Steckverbinder erhältlich.

 

 Optionen mit hoher Genauigkeit (Toleranzklassen)

Bei einem Anschluss mit 3 oder 4 Drähten und dem Einsatz eines Messwiderstands der Klasse B liefert eine standardmäßige Thermometer-Einheit eine Genauigkeit von etwa 0,5 oC im Bereich von 0 oC bis 100 oC. Diese Zahl kann jedoch über zahlreiche Mittel und Wege erheblich verbessert werden – so auch durch den Einsatz von Sensoren mit kleineren Toleranzen.

Das grundlegende Funktionsprinzip beschreibt die nicht-lineare Wertänderung des elektrischen Widerstandes bei Temperaturänderungen. Der weltweit in großem Maßstab verwendete Sensor Pt100 bietet einen Widerstand von 100 Ohm bei 0 °C und 138,51 Ohm bei 100 °C; alternative Pt1000 Messwiderstände werden, ebenso wie einige wenige andere anwendungsspezifische Ausführungen weniger weitläufig eingesetzt. Die Informationen in diesem Artikel gelten weitestgehend für all diese Ausführungen.

Der Gebrauch nahezu reiner seltener Metalle (Platin) in dem Messwiderstand verschafft einem Temperatursensor hohe Genauigkeit und langfristige Stabilität; hochwertige Instrumente sind für diese Punkte daher von grundlegender Bedeutung.

Dabei ist stets zu beachten, dass die Gesamtgenauigkeit eines Messsystems (z. B. Sensor, Instrument, Anschluss, Anwendung, usw.) von der Summe aller Unsicherheiten in dem jeweiligen System beeinträchtigt wird.