Temperaturtransmitter-Modul

Ein Temperaturtransmitter-Modul nimmt das Rohsignal eines RTD oder eines Thermoelements auf und wandelt es in ein genormtes Schleifensignal um, das der übrige Teil eines Steuerungssystems lesen kann. Es gibt dieses Modul, weil die beiden Sensorfamilien Signale liefern, die eine SPS-Eingangskarte, ein Schreiber oder ein Einbauanzeiger nicht direkt verarbeiten können: Ein RTD gibt einen kleinen Widerstand zurück, der von der Leitungslänge abhängt, und ein Thermoelement gibt einige zehn Millivolt zurück, die ebenso von der Temperatur der Klemmen wie von der gemessenen Temperatur abhängen. Dieses Signal am Sensor aufzubereiten statt am fernen Ende eines langen Kabels ist der Zweck des Moduls.

Das Modul auf dieser Seite ist eine Zweileiterausführung mit 24 VDC Versorgung, mit einem Ausgang von 4-20 mA als Standard und einer 0-10-V-Ausführung im selben Gehäuse. Die Eingänge decken die gängigen Platin- und Kupfer-Widerstandselemente sowie acht Thermoelementtypen ab, wobei Wolfram-Rhenium-Typen und Pt1000 auf Bestellung erhältlich sind; der im Material angegebene Genauigkeitswert ist 0,2 % FS. Die Grundplatte misst 44×40 mm mit einer Klemmenleiste im Rastermaß 8 mm, zwei Abgleichpotentiometern und Befestigungsschrauben M3×5, und das Gehäuse besteht aus flammhemmendem Nylon PA66.

Weil der Eingangstyp eine Konfiguration ist und kein eigenes Gerät, dient ein Modultyp einem weiten Bereich von Prozesstemperaturen: Dasselbe Gehäuse deckt einen Pt100 bei -200 °C und ein Thermoelement vom Typ B bei 1800 °C ab und unterscheidet sich nur im bei der Bestellung festgelegten Eingangssatz und in der ihm zugewiesenen Ausgangsspanne.

Wie ein Temperaturtransmitter arbeitet

Die Messkette beginnt am Element. Ein Widerstandselement wird gelesen, indem ein kleiner Messstrom durchgeleitet und die entstehende Spannung gemessen wird; das Material gibt diesen Strom mit 0,2 mA an, niedrig genug, dass die Eigenerwärmung im Element klein bleibt. Ein Thermoelement wird als Spannung gelesen, und da diese Spannung zwischen der heißen Messstelle und den Klemmen entsteht, an denen die Adern ankommen, muss die Klemmtemperatur bekannt und kompensiert werden. Diese Kompensation ist der Grund, warum ein Thermoelement mit der passenden Thermoelementleitung und nicht mit Kupfer an einen Transmitter angeschlossen wird: Kupferverbindungen bringen an der Stelle, an der die Thermoelementleitung endet, eigene Spannungen ein.

Anschließend wird das Signal linearisiert und skaliert. Ein RTD folgt einer veröffentlichten Kennlinie und ein Thermoelement einem Polynom für seinen Typ, und das Frontend löst das eingehende Signal fein genug auf, dass die Linearisierung nicht der begrenzende Fehler ist: Das gelieferte Material nennt einen 24-Bit-Sigma-Delta-Wandler, der weit mehr Auflösung bietet, als der Genauigkeitswert von 0,2 % FS benötigt. Auflösung und Genauigkeit sind verschiedene Größen, und es ist der Genauigkeitswert zusammen mit dem Temperaturkoeffizienten, der beschreibt, was das Modul tatsächlich liefert.

Die Ausgangsstufe treibt eine Stromschleife. In einer Zweileiteranordnung führt dasselbe Aderpaar sowohl die Versorgung als auch das Signal, und der vom Modul aufgenommene Strom ist das Messergebnis; das Modul muss daher mit der Spannung arbeiten, die verbleibt, nachdem der Schleifenwiderstand seinen Anteil genommen hat. Deshalb sind Bürde und Versorgung gekoppelt: Eine Bürde von 250 Ω oder 500 Ω plus der Kabelwiderstand ist das, was die 24-VDC-Versorgung treiben muss, und das Material nennt aus diesem Grund einen Grenzwert für den Leitungswiderstand und nicht als Kabelempfehlung.

Zwei Potentiometer sitzen am Modul für Nullpunkt und Spanne. Sie sind dort, weil der Transmitter die Stelle in der Schleife ist, an der die installierte Anordnung abgeglichen werden kann: Die Toleranz des Elements, der Leitungswiderstand und der Schleifenwiderstand ergeben zusammen einen einzigen Offset und einen einzigen Verstärkungsfehler, und beide lassen sich am Modul gegen ein Referenzthermometer korrigieren.

So wählen Sie den passenden Transmitter aus

Beginnen Sie beim Sensor, denn der Eingangstyp ist am Modul festgelegt. Ein Pt100 ist die übliche Wahl, wo die Temperatur belastbar sein muss und innerhalb seines Bereichs bleibt; ein Thermoelement übernimmt, wo die Temperatur hoch genug oder die Messstelle klein genug ist, dass ein Widerstandselement unpraktisch wäre. Das Material nennt auf der Widerstandsseite Pt100, Cu50, Cu100 und Pt1000 und auf der Thermoelementseite die Typen B, E, J, K, N, R, S und T sowie WRe3-25 und WRe5-26.

Dann die Ausgangsspanne, die Entscheidung, die das Ablesen in der Praxis am stärksten beeinflusst. Die 4-20-mA-Schleife führt einen festen Strombereich, und die ihr zugewiesene Spanne entscheidet, wie viel Temperatur jedem Milliampere entspricht. Eine enge Spanne um den Arbeitsbereich ergibt über diesen Bereich hinweg ein feineres Ablesen, alles außerhalb wird jedoch abgeschnitten. Das Material nennt die zuweisbaren Spannen von -20-60 °C bis 0-600 °C in den in der Auswahltabelle angegebenen Stufen, und auf der 0-10-V-Ausführung erscheint eine Kennzeichnung 0-100 °C.

Dann die Schleife selbst. Die Versorgung beträgt 24 VDC und die Bürde ist mit 250 Ω oder 500 Ω angegeben, mit einem einzuhaltenden Grenzwert für den Leitungswiderstand. Wo die Strecke lang ist oder das empfangende Gerät eine schwerere Bürde darstellt, ist die am Modul verfügbare Spannung das, was die Anordnung einschränkt, und das Material bietet eine Anfertigung nach Bestellung an, wo der Leitungswiderstand bei einer Pt100-Strecke 35 Ω überschreitet.

Dann Umgebung und Montage. Das Material gibt in der Parametertabelle einen Betriebsbereich von -30 bis 80 °C an, beschreibt aber -20 bis +60 °C als üblichen Arbeitsbereich, und es nennt außerdem einen Transport- und Lagerbereich von -40 bis 120 °C. Das Gehäuse ist eine Grundplatte 44×40 mm mit Schrauben M3×5, was eher zu einer Schalttafel oder einem Feldgehäuse passt als zu einer Wand.

Zuletzt die passende Sonde. Das Material dokumentiert Sonden zum Modul, darunter einen gewalzten Pt100 von φ4×30 mm an einer 0,5 m wasserdichten Leitung, einen flachen Pt100 von 7,5×20×3,6 mm, eine wasserdichte Gewindeausführung an einer 1,5 m Leitung mit M6×1 Gewinde und eine Hochtemperaturausführung mit M12×1 Gewinde bis 420 °C. Die Leitungsisolierung ist über diese Optionen hinweg nicht dieselbe, und nur die Edelstahl-Geflechtleitungen tragen die Hochtemperatur-Auslegung.

Grenzen und zu klärende Punkte

Die Genauigkeitsangabe braucht eine Referenz, um aussagekräftig zu sein. 0,2 % FS ist ein Prozentsatz der zugewiesenen Spanne und nicht der gemessenen Temperatur, sodass eine Spanne von 0-600 °C und eine von 0-50 °C aus demselben Wert ganz unterschiedliche absolute Fehler ergeben. Das Material nennt keine Referenznorm dahinter, der Wert ist daher als Spezifikation des Lieferanten zu lesen und gegen ein Zeugnis zu bestätigen, wo die Anwendung davon abhängt.

Die beiden Temperaturkoeffizienten sind nicht abgeglichen. Ein allgemeiner Wert von ≤25 ppm/°C FS und ein Pt100-spezifischer von ≤250 ppm/K FS bei einer Messspanne von 100 °C unterscheiden sich um eine Größenordnung, und das Material sagt nicht, welche Eingänge der allgemeine Wert abdeckt. Wo das Modul abseits der Abgleichtemperatur arbeitet, zählt diese Lücke mehr als der Genauigkeitswert, und bis sie geklärt ist, ist der weitere Wert der sichere, von dem auszugehen ist.

Einige Grenzwerte im Material sind sorgfältig zu lesen. Der Grenzwert des Leitungswiderstands ist mit unter 80 Ω sowohl für eine 500-Ω- als auch für eine 250-Ω-Bürde angegeben, was ungewöhnlich ist: Der zulässige Leitungswiderstand fällt normalerweise, wenn die Bürde steigt, da beide dieselbe Schleifenspannung verbrauchen. Der Wert wurde gekennzeichnet und nicht als zwei getrennte bestätigte Grenzwerte veröffentlicht. Die Strombegrenzung am Ausgang von 20,3 mA ist ebenfalls ein Sättigungswert und kein Arbeitspunkt.

Mehrere Parameter, die eine Spezifikation üblicherweise nennt, fehlen: die Schutzart, die Feuchtegrenzen, die Isolationsspannung zwischen Eingang und Ausgang und die Langzeitstabilität. Sie erscheinen auf dieser Seite als Angabe erforderlich und nicht als Schätzungen. Das Material gibt außerdem an, dass die Bauteile importiert sind, ohne eine Güte oder eine Herkunft zu nennen, was hier nicht veröffentlicht wird, weil es sich aus dem gelieferten Dokument nicht belegen lässt.

Zwei praktische Punkte zur Anordnung. Das Material gibt an, dass die passenden Sonden handgefertigt sind und eine Messstreuung aufweisen können, sodass die gepaarte Sonde und der Transmitter als eine abzugleichende Anordnung zu behandeln sind und nicht als zwei unabhängig austauschbare Teile. Und das Produkt trägt im gelieferten Dokument keine Modellbezeichnung: Die Kennzeichnung am Gehäuse ist ein Konfigurationsetikett, eine Bestellung sollte daher den Eingangstyp, die Ausgangsform und die zugewiesene Spanne nennen und nicht einen Code.