Tech Tipp:

Temperaturen über Thermoelemente erfassen mit Raspberry Pi® und MCC 134

Einführung
MCC 134Thermoelemente sind aufgrund ihrer geringen Kosten, einfachen Handhabung und ihres großen Messbereiches beliebte Sensoren zur Temperaturmessung. Measurement Computing (MCC) besitzt eine lange Erfahrung in der Entwicklung und Produktion von präzisen Geräten zur Erfassung von Temperaturen mittels Thermoelementen. Die Entwicklung eines DAQ HATs zur präzisen Messung mit Thermoelementen in der unregulierten Umgebung des Raspberry Pi stellte dennoch eine Herausforderung dar. Dieser Beitrag erläutert die Herausforderungen einer präzisen Messung mit Thermoelementen, wie diese beim MCC 134 HAT gemeistert wurden und wie Anwender des MCC 134 Messfehler minimieren können.

Wie Thermoelemente funktionieren
Ein Thermoelement ist ein Sensor zur Temperaturmessung. Sein Funktionsprinzip ist die Umwandlung von Temperaturgradienten in elektrische Potentialdifferenzen – ein Phänomen, das als Seebeck-Effekt bekannt ist. Ein Thermoelement ist aus zwei Drähten ungleicher Metalle gefertigt, die an einem Ende, der sog. Messstelle, zusammengeführt und verbunden sind. Da die beiden ungleichen Metalldrähte ein unterschiedliches elektrisches Potential aufgrund des Temperaturgradienten entlang des Drahtes erzeugen, kann eine Spannung in einem Stromkreis gemessen werden.

Thermoelement-Typen unterscheiden sich in der Kombination der Metalle und werden zur Messung in unterschiedlichen Temperaturbereichen verwendet. Thermoelemente vom Typ J bestehen beispielsweise aus der Kombination Eisen und Konstantan (eine Kupfer-Nickel Legierung) und sind geeignet für Messungen im Bereich von -210°C bis 1200°C, während Thermoelemente vom Typ T aus der Kombination von Kupfer und Konstantan bestehen und für Messungen im Bereich von -270°C bis 400°C eingesetzt werden können.

Der oben erwähnte Temperaturgradient bezieht sich auf die beiden Verbindungsstellen – zum einen die Messstelle zum anderen die Vergleichs- oder Übergangsstelle an den Klemmen zum Messgerät, auch als Kaltstelle bezeichnet.

Hinweis: Die Temperatur an der Messstelle kann höher oder niedriger als an der Vergleichsstelle sein.

Kaltstelle

Grundlagen der Messung mit Thermoelementen
Thermoelemente erzeugen eine Spannung relativ zum Temperaturgradienten – der Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle. Die einzige Möglichkeit zur Bestimmung der absoluten Temperatur der Messstelle ist die Kenntnis der absoluten Temperatur der Vergleichsstelle.

Ältere Systeme nutzen Eisbäder als bekannte Vergleichsstellenreferenz, moderne Messgeräte für Thermoelemente verwenden einen oder mehrere Sensoren, um die Temperatur am Klemmenblock zu messen, jener Stelle, an der das Thermoelement mit dem Messgerät verbunden ist.

Fehlerquellen bei Thermoelementen
Messfehler in Verbindung mit Thermoelementen stammen aus vielen Quellen, schließen Rauschen, Linearitäts- und Offsetfehler, das Thermoelement selbst und die Referenz- oder Kaltstellentemperatur mit ein. In modernen 24-Bit Messgeräten werden hochpräzise A/D-Wandler verwendet und Hardwaredesigns, die Rauschen, sowie Linearitäts- und Offsetfehler minimieren.

Fehler des Thermoelements können nicht vermieden, aber minimiert werden. Dieser Fehler ist auf die Unvollkommenheit der verwendeten Legierungen zurückzuführen, die in ihren Eigenschaften von Charge zu Charge leicht variieren. Bestimmte Thermoelemente weisen von Natur aus einen geringeren Fehler auf. Thermoelemente der Typen K und J zeigen einen Fehler von bis zu ±2,2°C, der Typ T dagegen bis zu ±1°C. Teurere Thermoelemente (SLE steht für Special Limits of Error) werden aus höherwertigem Draht hergestellt und reduzieren diesen Fehler um den Faktor 2.

Die genaue Messung der Vergleichsstelle, an der die Thermoelemente mit dem Messgerät verbunden sind, kann eine Herausforderung darstellen. Bei höherwertigen Instrumenten wie in bestimmten unserer MEASURpoint-Geräten wird eine isothermische Metallplatte verwendet, um die Kaltstellentemperatur konsistent zu halten und mit guter Genauigkeit zu messen. Bei preisgünstigen Messgeräten sind isothermische Metallplatten aus Kostengründen nicht einsetzbar. Ohne einen isothermischen Block ist es nicht möglich, die Temperatur exakt an der Kontaktstelle zwischen dem Thermoelement und dem Geräteanschluss zu messen. Dieser Umstand macht die Temperaturmessung an der Vergleichsstelle anfällig für temporäre Fehler durch sich schnell ändernde Temperaturen oder elektrische Wärmeerzeuger in der Nähe der Kaltstelle.

Herausforderungen an das Design des MCC 134
Die Anforderungen an das Design des MCC 134 lassen sich besser verstehen, wenn es mit dem populären E-TC verglichen wird, einem hochpräzisen Messgerät für Thermoelemente mit Ethernet-Schnittstelle. Die Vergleichsstellentemperatur wird beim E-TC mit dem Temperatursensor ADT7310 von Analog Devices gemessen. 

Dieser IC-Sensor arbeitet im MCC E-TC sehr gut, da die Messumgebung kontrolliert und konsistent ist. Das Kunststoffgehäuse steuert den Luftstrom und die elektronischen Komponenten und Prozessoren arbeiten mit konstanter Last. In der kontrollierten Umgebung des E-TC misst der IC-Sensor die Vergleichsstellentemperatur ausgezeichnet.

Als das MCC 134 ursprünglich mit einem IC-Sensor zur Messung der Vergleichsstellentemperatur entwickelt wurde, zeigte der Validierungsprozess jedoch deutlich eine unzureichende Genauigkeit. Da der IC-Sensor nicht nahe genug an der Klemmstelle platziert werden konnte, führten große, nicht kontrollierbare durch den Raspberry Pi und die äußere Umgebung verursachte Temperaturgradienten zu schlecht reproduzierbaren Messungen.
 
Das Design des MCC 134 wurde hin zu einer weit bessere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit überarbeitet, während die Kosten niedrig gehalten werden konnten. Statt einen IC-Sensor und einen Klemmenblock zu verwenden, hat MCC die Platine mit zwei Klemmblöcken und drei Thermistoren ausgestattet – je einer wurde auf beiden Seiten und zwischen den Klemmblöcken platziert (siehe Abbildung). Obwohl dies die Komplexität des Designs erhöhte, zeichnen die Thermistoren jetzt präziser die Temperaturänderungen an der Kaltstelle auf, selbst bei Änderungen der Prozessorlast und der Umgebungstemperatur.

MCC 134 Thermistoren

 

Dieses Design liefert hervorragende Ergebnisse, die weit weniger anfällig sind für die unkontrollierte Umgebung des Raspberry Pi. Trotz des verbesserten Designs beeinflussen bestimmte Faktoren jedoch weiterhin die Genauigkeit. Anwender können ihre Messergebnisse dadurch verbessern, dass schnelle Temperaturänderungen in der Nähe des MCC 134 reduziert werden.

Bewährtes Vorgehen für genaue Thermoelementmessungen mit dem MCC 134
MCC 134 sollte Ergebnisse innerhalb der spezifizierten maximalen Thermoelementgenauigkeit erzielen, solange es innerhalb der dokumentierten Umgebungsbedingungen arbeitet. Der Betrieb unter außergewöhnlichen Temperaturtransienten oder Luftströmungen kann die Ergebnisse beeinflussen. In den meisten Fällen wird das MCC 134 die typischen Spezifikationen erfüllen. Um die genauesten Thermoelement-Messwerte zu erzielen, empfiehlt MCC die folgenden Vorgehensweisen:

  • Reduzieren Sie die Prozessorlast des Raspberry Pi. Ein Programm, das alle 4 Kerne des Raspberry Pi-Prozessors auslastet, kann die Temperatur des Prozessors auf über 70°C erhöhen. Ein Programm, das nur einen Kern auslastet, führt zu einer ungefähr 20°C geringeren Erwärmung.
  • Minimieren Sie Schwankungen in der Umgebungstemperatur. Platzieren Sie das MCC 134 entfernt von nicht konstanten Wärme- oder Kältequellen. Plötzliche Änderungen der Umgebungstemperatur können zu einem erhöhten Fehler führen.
  • Stellen Sie einen gleichmäßigen Luftstrom sicher beispielsweise durch einen Lüfter. Ein gleichmäßiger Luftstrom kann Wärme ableiten und dadurch Fehler reduzieren.
  • Positionieren Sie MCC 134 in einem Stapel von mehreren MCC DAQ HATs am weitesten von der Raspberry Pi-Platine entfernt. Da der Raspberry Pi eine bedeutende Wärmequelle darstellt, wird die Genauigkeit erhöht, wenn MCC 134 am weitesten davon entfernt platziert wird.
Zusammenfassung
Thermoelemente stellen eine kostengünstige und flexible Möglichkeit der Temperaturmessung dar, die genaue Messung mit Thermoelementen gestaltet sich jedoch schwierig. MCC hat die Herausforderung der präzisen Messung mit Thermoelementen in der unkontrollierten Raspberry Pi-Umgebung durch ein innovatives Design und umfangreiche Tests bewältigt. Das MCC 134 DAQ HAT bietet die Möglichkeit Standard-Thermoelemente auf der schnell wachsenden, kostengünstigen Rechner-Plattform einzusetzen.

Weitere Informationen
Bitte wenden Sie sich an Measurement Computing, wenn Sie Fragen haben oder weitere Informationen wünschen.

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