RTD Pt100-sensoren Bedrading Kleurcodes en configuraties

Details van RTD-bedradingsconfiguraties voor 2-draads, 3-draads en 4-draads RTD-sensoren

Meetbruggen voor weerstandsthermometers

Normaal baseren alle commerciële meetbruggen voor industrieel gebruik zich op het hierboven aangegeven principe van de meetbrug van Wheatstone, zie afbeelding 3.1. Onafhankelijk daarvan, of men nu de brug in de nulafstelling gebruikt of de ontstemming meet, worden de brugelementen zo geconstrueerd, dat hun karakteristieke kengrootheden bij schommelingen van de omgevingstemperatuur zich zo min mogelijk veranderen. U moet er met name op letten, dat alle brugelementen dezelfde –zo mogelijk constante- temperatuur hebben en dezelfde temperatuurgang vertonen. Inductieve bruggen moeten een zo gering mogelijke ohmsche weerstand bezitten.

Bij industriële toepassingen liggen er vaak grote afstanden tussen de meetplaats en de uitleesapparaten. Deze afstanden worden met koperen instrumentenkabels overbrugd. Meettechnisch gezien vormt de kabel een met de meetweerstand in serie geschakelde weerstand. Deze kabelweerstand beïnvloedt rechtstreeks het meetresultaat van de brug en daarom moet er rekening mee worden gehouden. In het eenvoudigste geval vormt de kabelweerstand een constante toegevoegde bijdrage aan het resultaat. Hij kan eenvoudig worden meegerekend wanneer men bij de inbedrijfstelling de kabelweerstand éénmaal meet en deze waarde van de gezamenlijke weerstand aftrekt. Vele meetapparatuur voor weerstandsthermometers zijn zo ontworpen, dat de kabelweerstand precies 10W moet bedragen.

In dit geval worden compensatieweerstanden in de kabel ingebouwd. die men zo kan trimmen dat de gezamenlijke weerstand van kabel en compensatieweerstand precies 10W bedraagt. Met deze methode kan men echter de schommelingen van de kabelweerstanden niet registreren. Daar echter in de praktijk de omgevingstemperatuur van de instrumentenkabels niet constant is, verandert de kabelweerstand zich oncontroleerbaar. Om met fouten door dit effect meettechnisch rekening te kunnen houden, worden weerstandsthermometers voor precieze metingen meestal met een of twee aanvullende aansluitkabels (3- respectievelijk 4-draadsaansluiting) uitgerust.

Meetbruggen in 2-draadsaansluiting

Afbeelding 3.1 laat de klassieke Wheatstone-brug zien. Deze schakeling werd in 1843 door de Engelse natuurwetenschapper C. Wheatstone geïntroduceerd. De brug bestaat uit de beide spanningsdelen R1 en RT alsmede R2 en R3. De brug wordt op de punten a en d van spanning voorzien. Tussen de punten b en c ligt de brugspanning UB die met een voltmeter wordt aangegeven. Wanneer de spanningsdelers in beide stroompaden dezelfde delingsverhouding hebben verdwijnt de brugspanning. De brug is dus afgesteld wanneer de volgende voorwaarde vervuld is:

R1 /RT= R2/R3

Daaruit volgt de gezochte weerstand: RT = R1 . R3/R2. Men behoeft dus alleen de weerstanden R1, R2 en R3 te kennen.

Het voordeel van een ingestelde meetbrug is, dat de waarde van de voeding UV niet in de berekening van de weerstand RT wordt opgenomen. Aan de voeding van de meetopstelling stelt men daarom geen grote eisen. Ze moet instelbaar zijn, zodat er een geschikte meetstroom (typisch 1mA) loopt. De spanning hoeft echter niet bekend te zijn en mag zelfs tussen bepaalde grenzen schommelen. Bij moderne bruggen gebruikt men vaste weerstanden.

De brug kan daarom niet afgesteld worden. Ter bepaling van de meetweerstand, inclusief de kabelweerstanden, moet men daarom zowel de brugspanning UB als de voedingsspanning UV zeer nauwkeurig meten.

Afbeelding 3.1 toont een meetbrug met een meetweerstand in tweedraadsaansluiting. De bijdrage van de kabelweerstanden aan de totale weerstand kan nu met een separate meting zonder meetweerstand bepaald worden. Een continue correctie tijdens de meting is niet mogelijk.

Omdat de weerstandsbijdrage van de toevoerkabels niet separaat kunnen worden bepaald, moeten deze toevoerkabels van weerstanden in tweedraadsaansluiting niet langer dan ongeveer 100 meter zijn. De weerstand van een 1 meter lange koperen kabel met een doorsnede van 1 mm2 ligt bij ongeveer 0,017W. Hierdoor moet men in dit geval met een kabelweerstand van ongeveer 1,7W rekenen. Veranderingen van de weerstand door temperatuurinvloeden reageren op het resultaat maar veroorzaken slechts kleine fouten. Wanneer grotere kabellengtes en dus hogere kabelweerstanden onvermijdelijk zijn, moet men teruggrijpen op een 3- of 4 draadsaansluiting.

Meetbruggen in 3-draadsaansluiting

Afbeelding 3.2 laat een opstelling zien waarbij met behulp van een derde kabel de aansluitplaats d direct aan de meetweerstand RT aangesloten is. Daarmee wordt bereikt, dat in ieder van de beide spanningsdelerkringen een kabelweerstand RL ligt. Bij een afgestelde brug geldt nu de voorwaarde:

RT + RL = R1 . (R3 + RL) / R2 = R1/R2 . R3+ RL)

Kiest men nu R1=R2, dan hebben bij een ingestelde brug de stromen in beide draden dezelfde sterkte. Daardoor is het spanningsverval via de aanvoerkabels in beide paden dezelfde en valt deze uit de bepalingsvergelijking. De kabelweerstand in de voeding heeft geen invloed op de meting omdat de voedingspanning niet in de bepalingsvergelijking voor RT wordt opgenomen.

Bij deze methode worden de kabelweerstanden niet separaat bepaald. Men gaat er eerder blindelings van uit, dat de kabelweerstanden in beide stroompaden gelijk zijn.

Belangrijke voorwaarden voor nauwkeurige resultaten zijn dus, dat de specifieke weerstand en de thermo-elektrische eigenschappen van de aanvoerkabels via de totale effectieve lengte constant zijn. Daarmee stelt men aanzienlijke eisen aan de kwaliteit van deze aanvoerkabels. Vanzelfsprekend moeten alle kabels aan dezelfde temperatuurgradiënten onderworpen zijn.

Meet men bij deze opstelling de ontstemming van de brug, dan lopen door de beide stroompaden stromen van verschillende sterktes. Strikt gezien valt de kabelweerstand dus niet helemaal uit de bepalingsvergelijking voor RT. Dit feit moet bij de meting van de ontstemde brug in de gaten worden gehouden terwijl men de meetstroom zo gering mogelijk moet houden.

In de praktijk zet men de 3-draadsaansluiting in bij kabellengtes tot ongeveer 500 meter. De kabelweerstanden liggen dan bij ongeveer 10ohm.

Meetbrug in 4-draadsaansluiting

Ook bij de in afbeelding 3.3 afgebeelde opstelling zorgt men ervoor dat de kabelweerstanden symmetrisch in beide stroompaden worden ingebracht en daardoor de beide deelstromen dezelfde sterkte vertonen. In dit geval wordt dat met behulp van een verbindingslus bereikt. Bij een ingestelde brug resulteert analoog aan de bovenstaande redeneringen: RT + 2 RL = R1/R2 . (R3+ 2 RL)

Het is duidelijk dat deze configuratie ten opzichte van de 3-draads-aansluiting geen meettechnische voordelen biedt maar eerder nadelen door hogere kosten. Beter is de op afbeelding 3.4 afgebeelde schakeling ter onderdrukking van de door de kabelweerstanden veroorzaakte fouten, waarbij men echter een goede constante voeding nodig heeft.

Met de vierdraadsaansluiting kan men de brugschakeling zo veranderen, dat door het ene toevoerpaar bij ingestelde brug, dat wil zeggen UB=0V, geen stroom meer loopt. Daardoor speelt de kabelweerstand geen rol meer en ook verschillende weerstanden van de enkele kabels vervalsen het meetresultaat niet. Kiest men de (identieke) weerstanden RH zeer veel groter dan de kabelweerstanden, dan is de brug ingesteld wanneer de vergelijkingsweerstand R praktisch precies zo groot is als de meetweerstand RT.

Ook in dit geval verspeelt men de voordelen van de brugschakeling wanneer men aan een verstemde brug meet, omdat met een toenemende brugstroom de onbekende kabelweerstanden in de meetkring in het resultaat opgenomen worden.

Bij de constructie van weerstandsthermometers voor aansluiting in 3- en 4-draadsaansluiting moet erop worden gelet dat de aanvoerkabels tot aan de meetweerstand geleid worden, wat niet bij alle thermometers het geval is. Vaak worden bij dergelijke constructies de verbindingen in de aansluitkop gemaakt. Daardoor blijken over de lengte van de eigenlijke thermometer opnieuw de problemen van de kabelweerstand en de temperatuurafhankelijke invloeden. Vanwege de in verhouding geringe afstand tussen aansluitkop en meetweerstand zijn deze fouten echter veel geringer dan bij de 2-draads weerstandsthermometers.

Meten van temperatuurverschillen met weerstandsthermometers

Ook temperatuurverschillen kunnen met meetbruggen worden bepaald.

Daartoe legt men in ieder van de beide spanningskringen een meetweerstand. De brug wordt via de potentiometer P afgesteld. In dit geval laat zich uit het verschil tussen de deelweerstanden van de potentiometer het verschil van de meetweerstanden zeer nauwkeurig bepalen. Dit weerstandsverschil is een maat voor het temperatuurverschil tussen beide meetplaatsen, zie afbeelding 3.5.

Er moet op worden gelet, dat de temperatuurgang bij vele meetweerstanden niet lineair verloopt. Om uit het verschil in weerstand het temperatuurverschil af te leiden, moet ongeveer bekend zijn in welke temperaturen de meetplaatsen zich ongeveer bevinden.

Fouten zijn in deze meetopstelling het gevolg van het feit dat de aanvoerkabels normaal gesproken aan verschillende temperatuurgradiënten zijn blootgesteld en daaruit –ook bij identieke kabellengtes- verschillende kabelweerstanden volgen. Dit probleem omzeilt men met behulp van de in afbeelding 3.6 weergegeven opstelling in de vierdraadsaansluiting.

Omdat de aanvoerkabels naar de beide meetweerstanden ook naar de andere meetplaats geleid worden, doorlopen beide kabellussen hetzelfde temperatuurprofiel. Daardoor worden meetfouten door verschillende temperatuurgradiënten effectief gecompenseerd. De kabelweerstanden zelf spelen in deze opstelling geen rol, omdat ze bij de bepaling van het verschil uit de berekening vallen.

Constante stroombronnen met 2-draadsaansluiting

Terwijl men bij brugschakelingen de meetweerstand alleen uit andere weerstanden kan berekenen, gebruikt men tegenwoordig gewoonlijk constante voedingen en spanningsmeters, omdat de mechanische inspanning voor de afstelling van een brug ondertussen duidelijk duurder is gebleken dan elektronische apparaten waarmee men kleine stromen en spanningen nauwkeurig kan meten.

In het eenvoudigste geval sluit men de meetweerstand met zijn beide aanvoerkabels rechtstreeks op de voeding aan die onafhankelijk van de aangesloten weerstand een stroom van bijvoorbeeld 1mA door de stroomkring stuwt. Meet men nu met een voltmeter de spanning aan de klemmen van de voeding, dan blijkt volgens de wet van Ohm de weerstand van de stroomkring in R=U/l.

Analoog aan de meetbrug met tweedraadsaansluiting kan men ook in dit geval de bijdragen van de kabelweerstanden aan de gezamenlijke weerstand niet van de bijdrage van de eigenlijke meetweerstand scheiden. Deze methode is daarom alleen geschikt bij zeer korte aanvoerkabels.

Constante stroombronnen met 4-draadsaansluiting

Analoog aan de in afbeelding 3.4 weergegeven schakeling kan men met behulp van een tweede paar aanvoerkabels buiten de verdeelkring een meetkring opbouwen, zie afbeelding 3.7. De constante voeding stuwt onafhankelijk van de totale weerstand in de verdeelkring een bekende stroom door de meetweerstand. Met een hoog-ohmige voltmeter wordt nu het spanningsverval via de meetweerstand bepaald. Aangezien de inwendige weerstand van de voltmeter vrijwel onbegrensd is, verzwakken via de kabelweerstanden van de meetkring vrijwel geen spanningen. Daardoor is het mogelijk om uitsluitend het spanningsverlies via de sensor te meten en voor de berekening van de meetweerstand weer de eenvoudige vergelijking R=U/l te gebruiken. Men moet er echter rekening mee houden dat aan de meetelektronica zeer aanzienlijke eisen worden gesteld. Vooral de in industriële installaties vaak zeer sterke elektromagnetische storingen vragen een hoogwaardige en dure uitrusting.

Vanzelfsprekend is het inmiddels alledaagse praktijk geworden, dat constante voedingen en voltmeters tot één apparaat worden samengebouwd, dat uit de gemeten spanning de temperatuur op het meetpunt wordt berekend en het resultaat in temperatuureenheden wordt weergegeven.

Versterkers voor weerstandsthermometers

In het algemeen worden elektronische millivoltversterkers, signaalomvormers en transmitters gebruikt. Voor brugschakelingen met vaste weerstanden en compensatieschakelingen bieden zij een hoogohmige ingang en voldoende uitgangssignaal om robuuste plaatselijke of verder verwijderde uitleesapparatuur, registreer-apparaten of regeleenheden te besturen. Voor bruggen met een nulafstelling die vaak in regeleenheden en registreerapparaten te vinden zijn, worden ze gebruikt om het servomechanisme voor de instelling van de meetbrug te besturen.

In de meeste gevallen zijn de versterkers in de buurt van de weerstandsthermometer aangebracht en hebben ze daardoor het voordeel de invloed van de kabelweerstand te verminderen. Het naar verhouding grote signaal maakt ook een vergelijkenderwijs storingsvrije overdracht naar een verder verwijderd meettoestel mogelijk, zie deel 1 paragraaf 7 en deel 2 paragraaf 10.