Widerstandsmessung; 2-, 3- und 4-Leiterschaltung - Wie funktioniert diese und was ist zu verwenden?

In diesem Blogbeitrag erkläre ich, wie ein Widerstands- oder Widerstandsthermometer-Messgerät funktioniert und welcher Unterschied zwischen den 2-, 3- und 4-Leiterschaltungen besteht.

Ihnen ist vermutlich bekannt, dass bei einer Widerstands- und Widerstandsthermometer-Messung diese in 2-, 3- oder 4-Leiterschaltung erfolgen kann. Vielleicht erinnern Sie sich jedoch nicht genau, was der Unterschied zwischen diesen Schaltungen ist und wie diese tatsächlich funktionieren. Das ist nicht schlimm; nachfolgend werden wir Ihnen die Funktionsweise erläutern. Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über das Thema zu erfahren.

Inhaltsverzeichnis:

• Funktionsweise eines Widerstandsmessgeräts/ Widerstandsthermometers
• 4-Leiter-Widerstandsmessung
• 3-Leiter-Widerstandsmessung
• Fazit
• Beamex-Lösungen

In diesem Artikel erkläre ich kurz und knapp, wie ein Widerstandsmessgerät oder Widerstandsthermometer funktioniert und was der Unterschied zwischen den 2-, 3- und 4-Leiterschaltungen ist. Ich hoffe, dies dient Ihnen als nützliche Information für Ihre tägliche Arbeit.

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Betrachten wir eingehender, wie ein Widerstandsmessgerät/ Widerstandsthermometer funktioniert

Beginnen wir zunächst mit den Grundlagen. Bevor wir auf die Anzahl der Leitungen zu sprechen kommen, gehen wir näher darauf ein, wie ein Widerstandsmessgerät funktioniert.

Zunächst einmal: Ein Widerstandsmessgerät misst eigentlich nicht direkt den Widerstand. Wie ist das zu verstehen?

Das Widerstandsmessgerät sendet einen exakten Strom mit sehr geringer Stärke durch den zu messenden Widerstand und misst anschließend den über dem Widerstand gebildeten Spannungsabfall. Sobald die Stromstärke und die Spannung bekannt sind, wird der Rest über das altbewährte Ohm’sche Gesetz gelöst. Das Ohm'sche Gesetz besagt, dass der Widerstand die Spannung geteilt durch die Stromstärke ist oder R = U/I.

Das Widerstandsmessgerät misst den Widerstand demnach über die Strom- und Spannungsmessung.

In der Regel beträgt der Messstrom in etwa 1 mA; wenn Sie beispielsweise einen Widerstand von 100 Ohm messen, kommt es zu einem Spannungsabfall von 0,1 V über dem Widerstand. In den höheren Widerstandsbereichen werden kleinere Messströme verwendet. Häufig verwenden Temperaturtransmitter eine Stromstärke von etwa 0,2 mA. Nach meiner Erfahrung gibt es Transmitter im Bereich von 0,1 mA bis zu mehreren mA.

In einem Widerstandsthermometer erzeugt der Messstrom aufgrund der Verlustleistung eine Eigenerwärmung; insbesondere bei kleineren Widerstandsthermometer-Elementen mit geringerer thermischer Verbindung zur Umgebung; aus diesem Grund sollte der Messstrom niedrig gehalten werden.

Entscheidend für das Widerstandsmessgerät ist die verwendete Stromstärke, um eine korrekte Berechnung durchzuführen.

Anhand nachstehender Darstellung kann dieses vielleicht deutlicher aufgezeigt werden:

In der obigen Abbildung wird eine 2-Leiterschaltung verwendet; es stehen nur zwei Drähte (Messleitungen) zum Anschließen des Widerstands zur Verfügung. In der obigen Abbildung werden die Drähte ohne Widerstand; also im Ideal-Zustand dargestellt. In der Praxis jedoch weisen alle Drähte und Messleitungen, selbst die Kontakte, einen gewissen Widerstand auf.

Wenn wir also die 2-Leiterschaltung veranschaulichen und hierbei den Widerstand der Drähte und Anschlüsse berücksichtigen, ergibt sich hieraus die folgende schematische Darstellung:

Das größte Problem in der Praxis ist, dass das Widerstandsmessgerät nun den Widerstand aus der Kombination des "zu messenden Widerstands" und des gesamten Widerstands in den Leitungen und Anschlüssen misst.

Das Messgerät erkennt die Summe Uw+Ur+Uw, obwohl nur Ur benötigt wird.

Im Ergebnis liegt daher ein Fehler vor.

Je nach Art der Leitungen und Anschlüsse kann dieses zu schwerwiegenden Fehlern bei der Messung führen. Bei langen Leitungen und qualitativ minderwertigen Anschlüssen kommt es meistens zu Fehlern von mehreren (oder sogar unendlich vielen) Ohm. Aber selbst, wenn es sich um qualitativ hochwertige Messleitungen und Klemmen handelt, ist eine gewisse Fehlerquote nicht auszuschließen.

Wenn Sie zuverlässige und präzise Widerstands- (oder Widerstandsthermometer-) Messungen durchführen möchten, verwenden Sie niemals eine 2-Leiterschaltung.

Wie können diese Fehler bei einer 2-Leiterschaltung umgangen werden?

Die optimale Lösung hierfür wäre, ein 4-Leiterschaltung zu verwenden.

4-Leiter-Widerstandsmessung

Bei der 4-Leiterschaltung werden voneinander separate Leitungen genutzt, um den Messstrom zu liefern und den Spannungsabfall über den Widerstand zu messen.

Für diese Verbindung werden 4 Leitungen benötigt, daher auch der Name.

Veranschaulichen wir eine 4-Leiterschaltung:

Sie fragen sich wahrscheinlich, welchen Unterschied dies zum 2-Leiteranschluss macht. Verfügt man über ideale Leitungen und Anschlüsse, spielt dies keine Rolle; allerdings sind ideale Leitungen sehr schwer zu bekommen...

In der Praxis wird eben dies bei all den unbekannten und wechselnden Widerständen in den Drähten und Anschlüssen den Unterschied ausmachen.

Wie erklärt sich das? Nun, lassen Sie mich dieses näher erläutern:

Über die separaten Leitungen fließt eine exakte Stromstärke durch den Widerstand. Es ist nicht ausschlaggebend, ob diese Leitungen und Anschlüsse einen gewissen Widerstand aufweisen, weil der Fixstromgenerator in jedem Fall die gleiche Stromstärke erzeugt und sich diese nicht verändert, wenn der Strom durch die Leitungen und Anschlüsse fließt.

Für die Spannungsmessung stehen separate Leitungen zur Verfügung. Diese sind direkt an der Basis des zu messenden Widerstandes angeschlossen. In diesen Spannungsmessleitungen beeinträchtigt der Widerstand die Spannungsmessung nicht, da es sich hier um eine sehr hochohmige Messung handelt, sodass durch die Drähte praktisch kein Strom fließt und selbst wenn Widerstand vorhanden wäre, würde dieser keinen Spannungsabfall verursachen. Fehler können so ausgeschlossen werden.

Ein Schaltplan desselben früheren 4-Draht-Mess-Schemas würde in etwa so aussehen wie in der unteren Abbildung. Es wurden Draht- und Anschlusswiderstände (Rw) hinzugefügt:

Der 4-Leiteranschluss ist die beste und genaueste Methode zur Messung von Widerständen oder Widerstandsthermometer-Sensoren.

3-Leiter-Widerstandsmessung

In der Industrie kann die Verwendung/das Installieren von 4 Leitungen aufwändig sein. Es gibt eine vereinfachte Version der 4-Leiterschaltung: Die 3-Leiterschaltung. Richtig vermutet; hier werden 3 Leitungen verwendet.

Obwohl mit der 3-Leiterschaltung keine so präzisen Ergebnisse, wie mit einer 4-Leiterschaltung erzielt werden, kommt sie dieser sehr nah; vorausgesetzt alle 3 Leitungen sind gleich. Im Prinzip ähnelt die 3-Leiterschaltung in dessen Genauigkeit einer 4-Leiterschaltung und sie ist auch weitaus besser als die 2-Leiterschaltung. Aus diesem Grund ist die 3-Leiterschaltung in vielen industriellen Anwendungen zum Standard geworden.

Die Idee der 3-Leiterschaltung ist es einen der Drähte für die Spannungsmessung zu entfernen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass alle Drähte einen ähnlichen Widerstand aufweisen.

Schematische Darstellung einer 3-Leiterschaltung mit Leitungswiderständen:

In der obigen schematischen Darstellung wurde eine Messleitung für niedrigere Spannungen entfernt und an dieselbe Leitung mit dem Messstrom angeschlossen, sodass der Anschluss an der unteren Seite einer 2-Leiterschaltung gleichkommt, während die obere Seite einer 4-Leiterschaltung ähnelt. Im oberen Bereich kann das Messgerät den Drahtwiderstand ausgleichen, im unteren jedoch ist es nicht möglich, den Drahtwiderstand (Rw3) zu kompensieren.

Wie funktioniert also die Schaltung?

Das Widerstandsmessgerät verfügt über eine interne Schaltung; es misst zunächst nur den Widerstand der oberen Schleife (Zusammenfassung von Rw1+Rw2), anschließend wird das Ergebnis durch 2 geteilt, um den durchschnittlichen Widerstand der beiden Drähte zu erhalten. Das Messgerät geht nun davon aus, dass der dritte Draht (Rw3) den gleichen Widerstand aufweist, wie beim durchschnittlichen Widerstand von Rw1 und Rw2. Das Gerät schaltet auf normale Verbindung um (siehe Abbildung), um die angeschlossene Impedanz R zu messen, und verwendet die Ergebnisse der zuvor gemessenen Drahtwiderstände im Messergebnis.

Es sollte berücksichtigt werden, dass die 3-Leiterschaltung nur dann exakt funktionieren kann, wenn alle 3 Leitungen und Anschlüsse den gleichen Widerstand haben. Bei Unterschieden in den Leitungs- und Anschlusswiderständen führt eine 3-Leiterschaltung zu fehlerhaften Messergebnissen.

Für industrielle Anwendungen stellt eine 3-Leiterschaltung oft einen hervorragenden Kompromiss dar; sie bietet ausreichende Genauigkeit, und es wird nur ein Draht weniger benötigt als bei der perfekten 4-Draht-Messung.

Fazit

Zur Erinnerung:

• Verwenden Sie bei der Kalibrierung des Widerstandsthermometers nach Möglichkeit immer eine 4-Leiterschaltung.
• Bei der Kalibrierung eines Temperaturtransmitters für Widerstandsthermometer, der für eine 3-Leiterschaltung konfiguriert wurde, sollten Sie selbstverständlich 3 Leitungen verwenden. Vergewissern Sie sich, dass Sie 3 gleichwertige Leitungen verwenden und auf einen perfekten Anschluss der Leitungen an die Kontakte des Messumformers achten.
• Wenn ein Widerstandsthermometer in 3-Leiterschaltung verwendet wird, das an einen Transmitter für Widerstandsthermometer angeschlossen wurde, sollten alle 3 Leitungen an den Kontakten des Transmitters einen möglichst geringen Übergangswiderstand haben.
• Vergewissern Sie sich bei Verwendung eines Widerstandsthermometer-Referenzfühlers, dass für die Kalibrierung immer eine 4-Leiterschaltung zum Einsatz kommt.
• Verwenden Sie für Anwendungen, die eine hohe Genauigkeit erfordern, niemals eine Widerstandsmessung in 2-Leiterschaltung. Sie kann aber zur Fehlersuche und für Messungen, die eine nicht so hohe Genauigkeit erfordern, genutzt werden.

Ich hoffe, die in diesem Beitrag vermittelten Inhalte sind nützlich für Sie. Wir wären Ihnen dankbar, wenn Sie uns Ihre Kommentare und Vorschläge zu von Ihnen gewünschten kalibrierbezogenen Themen für diesen Blog zusenden.

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BEAMEX-LÖSUNGEN

Beamex bietet Lösungen für die Widerstandsmessung.

Unsere Kalibratoren der MC6-Familie können eine dokumentierte Widerstandmessung/-simulation (z.B. Pt100) durchführen. Sie können die Ergebnisse der Wiederstandsmessung/-simulation zur papierlosen Dokumentation vom Kalibrator in eine Kalibrier-Management-Software hochladen.

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