RTD-Messung

Das RevPi AIO Modul hat 2 Messeingänge für Platin-Widerstandsthermometer (RTD, Pt100/Pt1000). Solche Sensoren verändern ihren Widerstand proportional zur Umgebungstemperatur. Das RevPi AIO Modul misst den Widerstand des Sensors hoch präzise und berechnet daraus die Temperatur. Im Prozessabbild (PA) stehen dann die Temperaturwerte der beiden Messeingänge in der Einheit 1/10 °C. Bei Raumtemperatur könnte also im PA zum Beispiel der Wert 235 für 23,5 °C stehen. Du kannst in PiCtory aber auch eine beliebige eigene Skalierung vorgeben (zum Beispiel in °F).

Für die Verwendung von Widerstandsthermometern gibt es verschiedene messtechnische Verfahren. Diese Verfahren und Ihre Anwendungsgebiete stellen wir Dir nun vor:

Ein Widerstandstemperatursensor ist ein Metallwiderstand, der seinen Wert mit der ihn umgebenden Temperatur ändert. Der Grad der Veränderung hängt von der Art des Metalls ab. Der Zusammenhang zwischen Temperaturanstieg und Widerstandserhöhung ist fast linear, wird aber bei besonders genauen Messungen, also auch im AIO Modul über eine komplexe Formel bestimmt. Das verwendete Metall ist bei industriellen Sensoren fast immer Platin (Pt), da es bei einem großen Messbreich eine hohe Langzeitstabilität besitzt. Der typische Widerstand bei den beiden gängigsten Widerstandstemperatursensor  ist:

  • Pt100: 100 Ω bei 0 °C.
  • Pt1000: 1 kΩ bei 0 °C.

Mit diesen Widerstandstemperatursensoren lassen sich theoretisch Temperaturbereiche von -200 °C bis zu +850 °C erfassen. Der größte in der Norm DIN EN 60751 vorgesehene Gültigkeitsbereich für Grenzabweichungen liegt allerdings zwischen den technisch realisierbaren Prüfbedingungen von -196 °C (Siedepunkt Stickstoff) und 600 °C. Die erlaubten Grenzabweichungen sind in Genauigkeitsklassen eingeteilt: Klasse AA (-50 bis 250°C Gültigkeitsbereich) erlaubt eine Grenzabweichung von 0,1 + 0,0017 * T. Bei 0°C sind das also o,1 °C maximale Abweichung und bei 200°C sind es schon 0,44 °C. Die Klasse B erlaubt in einem Gültigkeitsbereich von -196 bis +600 °C eine Grenzabweichung von 0,3 + 0,005 * T (also max. 3,3 °C bei 600 °C).

Tipp!: Genaue Informationen zu Deinem Widerstandstemperatursensor erhältst Du in der Bedienungsanleitung des Herstellers.

Hier ein paar Beispiele von Widerständen der Pt100 und Pt1000 Thermometer:

Temperatur in °C −200 −100 -50 -10 ±0 +10 +50 +100 +600
Pt100 in Ω 18,52 60,26 80,31 96,09 100,0 103,9 119,4 138,5 313,7
Pt1000 in Ω 185,2 602,6 803,1 960,9 1000 1039 1194 1385 3137

Im Bereich von 0 bis 100 Ohm ändert sich der Widerstand eines Pt100 Sensors also lediglich um 0,4 Ohm (bei Pt1000 sind es 4 Ohm) pro °C. Das sind gerade mal 0,4% Widerstandsänderung pro °C. Daraus kann man auch entnehmen, wie stark die Leitung von Messgerät zum Pt100 eine Rolle spielt, denn ihr Widerstand liegt in Serie zum Sensor und addiert sich zu dessen Widerstand. Eine 3,5 Meter lange Kupferzuleitung mit 0,3 mm² Querschnitt würde schon den Pt100 Widerstand so erhöhen, dass ein Messfehler von 1 °C entsteht. Aus diesem Grund gibt es raffinierte Messverfahren, den Pt100 Widerstand exakt zu bestimmen. Die Basis der Messung ist aber immer dieselbe: Um einen Widerstand zu vermessen leitet man einen bekannten Strom durch diesen Widerstand. Dadurch fällt über dem Widerstand eine Spannung ab, die die eigentliche Messgröße für das Messgerät ist. Die Spannung ist nach dem Ohmschen Gesetz proportional zu dem bekannten Strom und dem zu ermittelnden Widerstand.

2-Draht RTD Messung

Die 2-Draht-Messung ist die einfachste Messmethode. Hierbei werden die zwei Drähte an den Platinwiderstand angeschlossen. Diese Drähte leiten den Messstrom durch den Platinwiderstand und werden gleichzeitig zum Messen der Spannung am Widerstand verwendet. Bei dieser Anordnung addieren sich aber die Leitungswiderstände wie oben beschrieben zu dem Platinwiderstand. Da die Leitungswiderstände in der Regel nicht bekannt sind, bekommst Du mit der 2-Draht Messung bei langen Leitungen sehr schnell große Messfehler, die sich nicht gut rechnerisch korrigieren lassen. Wenn Dir ein sehr genaues Messergebnis wichtig ist und Du Leitungslängen von mehreren Metern hast, empfehlen wir Dir diese Methode deshalb nicht.

HINWEIS!: Das RevPi AIO Modul hat keine speziellen 2-Draht-Eingänge. Du kannst diese Messmethode natürlich trotzdem verwenden. Dazu nutzt Du die 3-Draht Eingänge und ersetzt die fehlende Leitung durch eine Drahtbrücke am AIO-Stecker. Wähle in der Konfiguration in PiCtory „3-Wire-Connection“ als Messverfahren aus.

4-Draht RTD Messung

Die 4-Draht-Messung hat den Vorteil, dass sie nicht von den Leitungswiderständen beeinflusst wird. Mit dieser Messmethode erhältst Du die genaueste Messung der Spannung. Dafür sind an beiden Enden des Platinwiderstands jeweils 2 Drähte mit gleicher Farbe angeschlossen. Die Zuleitung verfügt also über 4 Drähte (meist 2 x rot und 2 x weiß). Über jeweils 1 dieser 2 Drähte wird der Messstrom durch den Platinwiderstand geleitet. Da der Strom bekannt ist und automatisch fest eingestellt wird, ist er unabhängig von den Widerständen der Zuleitung. Über die anderen beiden Drähte wird die Spannung am Platinwiderstand mit einem sehr hochohmigen Messverfahren gemessen. Da bei dieser Spannungsmessung praktisch kein nennenswerter Strom durch die Messleitungen fließt, fällt über den Zuleitungen auch keine Spannung ab, die die Messung verfälschen könnte. Wenn Dir ein sehr genaues Messergebnis wichtig ist und Du Leitungslängen von mehreren Metern hast, empfehlen wir Dir diese Methode.

3-Draht RTD Messung

Eine kostengünstige Alternative zur 4-Draht Messung ist die 3-Draht-Messung. Wenn Messschaltungen entfernt liegen, kann durch den Wegfall einer Zuleitungsader gegenüber der 4-Draht Messung an der Verdrahtung gespart werden.

Im Prinzip funktioniert die Messung hier so, dass 1 Draht für die Stromzuleitung und 1 Draht für die Spannungsmessung verwendet wird. Der 3. Draht wird sowohl für die Stromleitung als auch für die Spannungsmessung genutzt. Durch einen elektronischen Trick kann der Spannungsabfall über der gemeinsam genutzten Leitung kompensiert werden und beeinträchtigt dadurch nicht die Spannungsmessung über dem Platinwiderstand. Allerdings setzt dieser elektronische Trick voraus, dass alle 3 Leitungen ungefähr denselben Widerstand haben – was bei einer mehradrigen Zuleitung in der Regel der Fall ist. Wenn Dir ein sehr genaues Messergebnis wichtig ist und Du mehradrige Zuleitungen von mehreren Metern verwendest, empfehlen wir Dir diese Methode.

Wie Du einen Widerstandstemperatursensor an das RevPi AIO anschließt und konfigurierst, erfährst Du hier.

Tabellarische Übersicht zu den AIO Anschlüssen für RTD

Nach EN und DIN sind die jeweils an einem Ende des Widerstands angebrachten Leitungen gleichfarbig rot bzw. weiß. Manche Hersteller verwenden schwarz und weiß als Farbcodierung. In jedem Fall sind aber die Adern mit identischen Farben immer auch an den identischen Widerstandsanschlüssen. Die folgende Tabelle zeigt Dir, wie Du die unterschiedlichen Anschlusstypen mit den Pins vom AIO Modul verbinden musst: