Temperaturmessumformer

Industrielle Temperaturmessung

Temperatur ist eine von vier grundlegenden Prozessmessgrößen (neben Druck, Füllstand und Durchfluss). Temperaturmessungen werden in einer Reihe verschiedener Anwendungen benötigt. Ungenauigkeiten bei einer Temperaturmessung können weitreichende Auswirkungen haben.

Wenn zum Beispiel ein Regler die Wassertemperatur in einem Prozess auf 100 °F hält und die Temperaturrückmeldung einen nur um 1 °F zu geringen Wert liefert, wird unnötig Energie nachgeregelt, um den Prozess auf 100 °F zu bringen (obwohl dies wirklich nicht nötig ist.) Wie viel kostet Sie diese Energieverschwendung pro Jahr? Natürlich hängt es davon ab, über wie viel Wasser wir hier reden, aber wenn im Betrieb 100.000+ Liter an Wasser oder mehr pro Jahr zum Einsatz kommen, sprechen wir doch sicher von 8.000 Dollar pro Jahr? Vielleicht 10.000 Dollar pro Jahr?  oder sogar noch mehr? Die Kosten einer kleinen Ungenauigkeit bei der Messung (nur 1 °F) haben reale Auswirkungen und werden oft übersehen.

Sie sehen also, wie wichtig es ist, ein gutes Verständnis für die Temperaturmessungen zu haben. In den folgenden Abschnitten möchten wir Ihnen bestimmte Grundkenntnisse in Bezug auf Temperatursensorik vermitteln und erläutern, warum der Einsatz eines Temperaturmessumformers sinnvoll ist.

Sensoren

Im Laufe der Jahre wurden zahlreiche verschiedene Sensoren zur Temperaturmessung entwickelt. Alle leiten die vorherrschende Temperatur durch eine Änderung der physikalischen Eigenschaften des Sensors ab. Ein gutes Beispiel ist dabei das altbekannte Quecksilberthermometer. Das Volumen von Quecksilber (hier die physikalische Eigenschaft) ändert sich in vorhersagbarer Weise, wenn sich die Temperatur ändert. Wenn wir uns einer solchen vorhersehbaren Änderung bewusst sind, können wir ein Thermometer mit einer visuellen Skala konstruieren, mit welcher wir dann die Temperatur ablesen können. In der industriellen Anwendung benötigen wir jedoch etwas genaueres als ein einfaches Quecksilberthermometer. Die in industriellen Anwendungen gebräuchlicheren Sensoren sind dabei Widerstandstemperatursensoren (RTD) und Thermoelemente (T/C).

Was ist der Unterschied zwischen einem Widerstandstemperatursensoren und einem Thermoelement?

Widerstandstemperatursensoren oder RTDsind aus einem Material gefertigt, dessen elektrischer Widerstand sich bei Änderungen der vorherrschenden Temperatur ebenfalls ändert. Wenn wir die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur kennen, dann können wir Rückschlüsse auf die vorherrschende und so gemessene Temperatur ziehen. Ein übliches Material für derartige Sensoren ist Platin, wobei auch andere Materialien zum Einsatz kommen. Platin weist eine stabile, gut definierte Widerstandsänderung pro Grad Temperaturänderung über einen weiten Temperaturmessbereich auf. Der Vorteil von Widerstandstemperatursensoren liegt in der stabilen und genauen Ausgabe von Messwerten über einen langen Zeitraum. Nachteile sind die anfänglich höheren Kosten und der eingeschränkte Messbereich im Vergleich zu Thermoelementen (siehe nachstehende Grafik).

Thermoelemente sind aus zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern gefertigt, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Temperaturänderungen am Verbindungspunkt zwischen den beiden Materialien bewirken, dass zwischen ihnen eine Spannung erzeugt wird. Wenn wir die Beziehung zwischen der erzeugten Spannung und der Temperatur kennen, dann können wir Rückschlüsse auf die vorherrschende und so gemessene Temperatur schließen. Thermoelemente bestehen aus verschiedenen Materialkombinationen. Jede Kombination eignet sich für einen anderen Temperaturbereich. Thermoelemente sind robuster, kostengünstiger, reagieren schneller und weisen im Vergleich zu Widerstandstemperaturmessfühlern weitere Messbereiche auf, sind jedoch im Vergleich nicht so stabil im Betrieb und ihre Genauigkeit nimmt mit der Zeit ab.

Von diesen beiden Varianten herrscht in der Praxis der Einsatz von Thermoelementen vor.

Temperaturmessumformer

Wie bei allen Feldgeräten liegt der Sinn einer Temperaturmessung darin, diese Informationen schnell , mit hoher Genauigkeitund zuverlässigan einen Regler/eine Anzeige zu übermitteln.

Widerstandstemperaturmessfühler und Thermoelemente können direkt mit dem Empfangsgerät verdrahtet werden.

Warum also sollte man überhaupt einen Temperaturmessumformer verwenden?

Jeder Sensortyp weist besondere Anforderungen auf, wenn er direkt mit dem Empfangsgerät verdrahtet wird. Im Allgemeinen hat dieses Vorgehen negative Auswirkungen auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Sensorsignals.

Bei Widerstandstemperatursensorenkommen Verlängerungsdrähte zum Einsatz. Diese Drähte erhöhen den Widerstand des Signals von Widerstandstemperatursensoren. Da, wie der Name schon sagt, bei Widerstandstemperatursensoren der Widerstand zum Messen der Temperatur verwendet wird, führt jeder Widerstand, der nicht der Temperaturmessung geschuldet ist, zu einer Ungenauigkeit, wenn das Signal das Empfangsgerät erreicht. Dieser zusätzliche Widerstand kann bei Verwendung von 3-Leiter- oder 4-Leiter-Widerstandstemperatursensoren kompensiert werden. Diese zusätzlichen Drähte werden verwendet, um den Widerstand in der Verdrahtung selbst zu messen. Das Empfangsgerät kann diese Informationen verwenden, um den zusätzlichen Widerstand zu kompensieren. Das führt allerdings dazu, dass eine 3-Leiter bzw. 4-Leiter-Verdrahtung notwendig wird. Eine solche Verdrahtung kann Kosten bis zum Doppelten der Kosten für eine einfache 2-Leiter-Verdrahtung verursachen.

Thermoelemente erfordern eine spezielle Verdrahtung, um das Thermoelement an das Empfangsgerät anzuschließen. Diese Verdrahtung muss dabei aus den gleichen Materialien wie das Thermoelement selbst bestehen. Wenn eine Verdrahtung aus einem anderen Material verwendet wird, empfängt das Empfangsgerät ein fehlerhaftes Signal. Diese Anforderung an eine spezielle Verdrahtung sorgt für weitere Komplexität bei der Montage und Wartung von Thermoelementen. Die Kosten für diese spezielle Verdrahtung können ebenfalls bedeutend sein (insbesondere bei langen Verdrahtungswegen).

Temperaturmessumformer lösen dieses Problems. Ein Temperaturmessumformer kann in der Nähe des Sensors platziert werden, um den notwendigen speziellen Verdrahtungsweg sowie mögliche Fehler zu reduzieren. Der Messumformer wandelt das Sensorsignal in ein Signal um, das über eine größere Entfernung übertragen werden kann. Dabei kann es sich um ein einfaches 4- bis 20-mA-DC-Analogsignal, ein digitales Signal (HART®-Protokoll, BRAIN-Protokoll oder FOUNDATION™ Fieldbus-Protokoll) oder ein drahtlos übertragenes Signal (ISA100) handeln. Der Messumformer stellt eine zuverlässige und genaue Signalübertragung an das gewünschte Empfangsgerät mit einem Standard-Kabel oder bei einem drahtlosen Messumformer gänzlich ohne Kabel oder Verdrahtung her.

So werden Informationen schnell , mit hoher Genauigkeitund zuverlässigan einen Regler/eine Anzeige übermittelt.