Temperatursensoren für die Gebäudeautomation: RTD, NTC oder 0–10 V

Die Temperatur ist die häufigste Messgröße im Gebäude, von Wasserkreisen bis zu Kanal-, Raum- und Außenluft. Bei der Auswahl von Temperatursensoren für die Gebäudeautomation entscheidet man sich meist zwischen Pt100- und Pt1000-Widerstandsthermometern, NTC-Thermistoren und Messumformern mit 0–10-V- oder 4–20-mA-Ausgang. Diese Wahl bestimmt, welches Eingangsmodul Sie benötigen, wie weit der Sensor davon entfernt sein darf und wie genau der Messwert wird. Im Folgenden vergleichen wir die Varianten, berechnen den Einfluss des Leitungswiderstands und zeigen, welche ICP DAS Eingangsmodule welchen Sensortyp erfassen.

Die Sensortypen

Pt100 und Pt1000

Platin-Widerstandsthermometer (RTDs) folgen einer in IEC 60751 definierten Normkennlinie. Ein Pt100 hat bei 0 °C einen Widerstand von 100 Ω, ein Pt1000 einen Widerstand von 1000 Ω. Mit dem Normkoeffizienten steigt der Widerstand beim Pt100 um etwa 0,385 Ω pro Kelvin, beim Pt1000 um 3,85 Ω pro Kelvin. Sensoren verschiedener Hersteller sind innerhalb ihrer Toleranzklasse austauschbar, weshalb RTDs die übliche Wahl für Wasserkreise und Energieberechnungen sind.

NTC-Thermistoren

Der Widerstand eines NTC-Thermistors sinkt mit steigender Temperatur, und die Änderung pro Kelvin ist groß, sodass der Leitungswiderstand kaum ins Gewicht fällt. Die Kennlinie ist nichtlinear und typabhängig: Ein 10-kΩ-NTC des einen Herstellers entspricht nicht unbedingt einem 10-kΩ-NTC eines anderen. Das Eingangsmodul muss genau die passende Kennlinie verwenden, sonst können die Messwerte an den Bereichsgrenzen um mehrere Grad abweichen.

0–10-V- und 4–20-mA-Messumformer

Ein Messumformer kombiniert ein Sensorelement mit einer Elektronik, die die Temperatur über einen festen Bereich, zum Beispiel 0–50 °C, in ein Normsignal umsetzt. Er benötigt eine Versorgung, meist 24 V, kann aber von jedem Analogeingang gelesen werden. Spannungssignale sind auf langen Leitungen empfindlich gegenüber Spannungsabfall und Störungen. Eine 4–20-mA-Schleife ist über größere Entfernungen robuster, und ein Strom unter 4 mA zeigt einen Drahtbruch an.

RTD-Anschluss in 2-, 3- und 4-Leiter-Technik

Beim 2-Leiter-Anschluss misst der Eingang den Sensor zusammen mit dem Widerstand beider Adern. Der 3-Leiter-Anschluss ergänzt eine dritte Ader, damit das Modul den Leitungswiderstand messen und abziehen kann, wobei gleiche Adern vorausgesetzt werden. Beim 4-Leiter-Anschluss sind Messstrom und Spannungsmessung getrennt, wodurch der Leitungswiderstand nahezu vollständig eliminiert wird.

Rechenbeispiel: Eine Kupferader mit 0,5 mm² hat bei 20 °C etwa 0,035 Ω pro Meter. In einer 2-Leiter-Schaltung gehen beide Adern in den Messwert ein:

Ein Pt100 in 2-Leiter-Technik ist daher nur bei sehr kurzen Leitungen vertretbar. Ein Pt1000 in 2-Leiter-Technik reicht für Raum- und Kanalfühler oft aus. Für lange Leitungswege und für Wassertemperaturen, die in Energieberechnungen eingehen, sollten Sie 3- oder 4-Leiter-Anschlüsse verwenden. Der Leitungswiderstand ändert sich zudem mit der Kabeltemperatur, sodass eine feste Offsetkorrektur nie exakt ist.

Genauigkeit: Sensor, Leitung und Eingangsmodul

Der Gesamtfehler ergibt sich aus der Sensortoleranz, dem Einfluss der Verdrahtung und dem Eingangsmodul. IEC 60751 Klasse B erlaubt ±(0,3 + 0,005·|t|) °C, also ±0,4 °C bei 20 °C, Klasse A erlaubt ±(0,15 + 0,002·|t|) °C. Die Genauigkeit von Eingangsmodulen wird meist in Prozent des Messbereichsendwerts (FSR) angegeben; rechnen Sie sie daher über die Temperaturspanne des gewählten Eingangstyps um. Verwenden Sie verdrillte, geschirmte Leitungen, verlegen Sie Sensorleitungen getrennt von Netz- und Motorleitungen und erden Sie den Schirm nur einseitig.

Vergleich der Temperatursensoren für die Gebäudeautomation

Welche ICP DAS Eingangsmodule welche Sensoren erfassen

RS-485-Module mit Modbus RTU

• M-7015-G: 6 RTD-Eingänge für Pt100, Pt1000, Ni120, Cu50, Cu100 und Cu1000, kanalweise konfigurierbar, mit Drahtbrucherkennung.
• M-7015P-G: dieselben 6 Eingänge mit Leitungswiderstandskompensation für 3-Leiter-Anschlüsse, ausgelegt für RTD-Messungen über große Entfernungen.
• M-7033-G: 3 RTD-Eingänge für Pt100, Pt1000 und Ni120 in 2-, 3- oder 4-Leiter-Anschluss, mit Leitungswiderstandskompensation im 3- und 4-Leiter-Betrieb.
• M-7005-G: 8 Thermistoreingänge mit vordefinierten Typen und benutzerdefinierten Typen über Steinhart-Koeffizienten, dazu 6 Alarmausgänge.
• tM-TH8: 8 isolierte Thermistoreingänge, ebenfalls mit benutzerdefinierten Typen.
• M-7017R-G: 8 Differenzeingänge für Spannung bis ±10 V und für Strom; Stromeingänge benötigen einen externen 125-Ω-Widerstand.

Ethernet-Module mit Modbus TCP

• ET-7015 und PET-7015: 7 RTD-Eingänge für Pt100, Pt1000, Ni120, Cu100 und Cu1000 in 2- oder 3-Leiter-Anschluss, mit Leitungswiderstandskompensation in 3-Leiter-Technik. PET-7015 bietet zusätzlich PoE nach IEEE 802.3af.
• PET-7215: dieselben RTD-Eingänge mit integriertem 2-Port-Ethernet-Switch für Daisy-Chain-Verdrahtung.
• PET-7005: 8 Thermistoreingänge mit benutzerdefinierten Typen und 4 Digitalausgängen.
• PET-7017: 8 per Jumper wählbare Spannungs- oder Stromeingänge für Messumformer.

Weitere Möglichkeiten

Nutzt die GLT BACnet/IP, liest das BNET-2310M 0–10-V-Messumformer direkt über seine ±10-V-Analogeingänge. Hat eine Steuerung nur Spannungs- oder Stromeingänge, wandelt der Signalwandler SG-3013-G einen Pt100-, Pt1000- oder Ni120-Sensor in 0–10 V oder 4–20 mA um. Für das Raumklima liefert der DL-10 Temperatur (typisch ±0,4 °C), Feuchte und Taupunkt über Modbus RTU.

Checkliste vor der Auswahl

• Sensortyp und genaue Kennlinie: Pt100- oder Pt1000-Koeffizient, NTC-Typ bzw. dessen Steinhart-Koeffizienten
• Anschlussart (2-, 3- oder 4-Leiter) und längster Leitungsweg
• Erforderliche Genauigkeit im Arbeitspunkt, einschließlich der Toleranzklasse des Sensors
• Messpunkte pro Standort und verfügbares Netzwerk: RS-485, Ethernet oder PoE
• Protokoll auf GLT-Seite: Modbus RTU, Modbus TCP oder BACnet

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