Tech Tipp:

Thermoelemente mit DAQ-Messgeräten erfassen

Was ist ein Thermoelement?
Thermoelemente stellen eine beliebte wie kostengünstige Möglichkeit zur Messung von Temperaturen dar. Ein Thermoelement ist ein einfaches Gerät – zwei Drähte aus verschiedenen Metallen, die an einem Ende miteinander verschweißt sind. Dieses "einfache Gerät" stellt jedoch viele Herausforderungen an ein Messsystem, einschließlich der Notwendigkeit von Verstärkung, Filterung und Kaltstellenkompensation (CJC).

Thermoelementpaare sind einfache und effiziente Sensoren, die eine extrem kleine Gleichspannung ausgeben, proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den beiden Übergängen (bei T1 und T2) in einem geschlossenen thermoelektrischen Stromkreis (siehe Abbildung 1).

Thermoelement Messkreis

Abbildung 1: Thermoelement (Typ T) Messkreis. Ein klassisches Thermoelement-Messsystem erfordert zwei Sensoren: einen für den Messpunkt und den anderen für einen Referenzübergang, der normalerweise bei 0 °C (32 °F) gehalten wird.

Ein Übergang wird normalerweise bei einer konstanten Referenztemperatur gehalten, während der andere Übergang in die zu messende Umgebung eingetaucht wird. Das Funktionsprinzip hängt mit dem eindeutigen Wert der thermischen elektromotorischen Kraft (EMK) zusammen, die zwischen den offenen Enden der Leitungen und dem Übergang zweier ungleicher Metalle, die bei einer bestimmten Temperatur gehalten werden, gemessen wird.

Thermoelement-Übergänge allein erzeugen keine Spannungen. Die Spannungs- oder Potentialdifferenz, die sich zwischen den (offenen) Leitungsenden entwickelt, ist eine Funktion sowohl der Temperatur am Übergang T1 als auch der Temperatur des offenen Endes T1'. T1' muss auf einer konstanten Temperatur gehalten werden, z. B. 0 °C, um sicherzustellen, dass sich die Spannung zwischen den Leitungsenden proportional zu den Temperaturänderungen an T1 ändert. Prinzipiell kann ein Thermoelement aus zwei beliebigen unterschiedlichen Metallen wie Nickel und Eisen hergestellt werden. In der Praxis sind jedoch nur wenige Thermoelementtypen zum Standard geworden, deren Temperaturkoeffizienten sehr gut wiederholbar sind. Sie sind robust und geben relativ kleine Spannungen aus. Die gebräuchlichsten Thermoelementtypen heißen J, K, T und E, gefolgt von N28, N14, S, R und B. Theoretisch kann die Temperatur an der Übergangsstelle aus den Tabellen zur Seebeck-Spannung abgeleitet werden. In der Praxis jedoch kann diese Spannung nicht direkt verwendet werden, da die Drahtverbindung des Thermoelements mit der Kupferklemme am Messgerät selbst eine Thermoelement-Verbindung darstellt (es sei denn, die Thermoelementleitung ist ebenfalls aus Kupfer) und eine weitere thermische EMK erzeugt, die eine Kompensation erfordert.

Die recht geringe Spannungsdifferenz, die sich am offenen Ende des Thermoelements entwickelt, liegt im µV-Bereich. Diese Spannung kann mit einem typischen Multifunktions-DAQ-Gerät und beispielsweise einem Standard-Messbereich von 0-10 V nicht genau gemessen werden. Dieses kleine Signal erfordert Verstärkungen im Bereich von Faktor 100, die von Standard-Multifunktionsgeräten normalerweise nicht bereitgestellt werden. Und weil Thermoelemente eine relativ kleine Spannung erzeugen, ist Rauschen immer ein Problem. Die häufigsten Rauschquellen sind die Wechselstromleitungen (50 Hz / 60 Hz). Da die Bandbreite der meisten Temperaturmesssysteme niedriger als 50 Hz ist, kann ein einfacher Filter in jedem Kanal das störende AC-Leitungsrauschen reduzieren. Zu den gängigen Filtern gehören passive Filter, die nur aus Widerständen und Kondensatoren bestehen, und aktive Filter, die diese Komponenten in Verbindung mit Operationsverstärkern verwenden. Während ein passives RC-Filter kostengünstig ist und sich gut für analoge Schaltungen eignet, wird es für ein gemultiplextes Frontend nicht empfohlen, da die Multiplexerlast die Filtereigenschaften ändern kann. Ein aktives Filter, das aus einem Operationsverstärker und einigen passiven Komponenten besteht, funktioniert gut in Systemen mit Multiplexer, ist aber teurer und komplexer.

Kaltstellenkompensation (CJC)
Eisbäder und Mehrfach-Referenzübergänge können in großen Testvorrichtungen schwierig einzurichten und zu warten sein. Glücklicherweise kann dies alles eliminiert werden. Die an den Klemmstellen erforderliche EMF-Korrektur kann per Software auf die NIST-Standards bezogen und kompensiert werden. Trotz Eliminierung der klassischen Eisbäder ist immer noch eine Kaltstellenkompensation erforderlich, um genaue Thermoelementmessungen zu erhalten. Die Software muss die Temperatur eines isothermen Blocks erfassen. Eine weit verbreitete Methode ist der Einsatz eines Thermistors, der in der Nähe der isothermen Klemmleiste montiert und mit den externen Thermoelementleitungen verbunden wird. Im Bereich des Thermistors und der Anschlussklemmen sind keine Temperaturgradienten zulässig. Der Thermoelementtyp ist für den jeweiligen Kanal voreingestellt. Die für die Software dynamisch erfassten Messdaten umfassen die Temperatur des isothermen Blocks sowie die gemessene Umgebungstemperatur. Die Software verwendet die Temperatur des isothermen Blocks und den Thermoelementtyp, um die Temperatur des Sensors unter Verwendung einer Polynomgleichung zu berechnen. Das Verfahren ermöglicht es, viele Thermoelementkanäle unterschiedlicher Typen gleichzeitig anzuschließen, während der Computer automatisch alle Umrechnungen vornimmt.

Kabelbruch-Erkennung
Die einfache und schnelle Erkennung von Kabelbrüchen ist besonders in Systemen mit vielen Kanälen von entscheidender Bedeutung. Thermoelemente neigen dazu, zu brechen oder ihren Widerstand zu erhöhen, wenn sie Vibrationen ausgesetzt sind, unsachgemäß behandelt werden oder langer Betriebszeit unterliegen. Ein einfacher Detektionskreis für Kabelbruch besteht aus einem kleinen Kondensator, der zwischen die Thermoelementleitungen gelegt unter einen niedrigen Strom gesetzt wird. Die niedrige Impedanz des intakten Thermoelements stellt einen virtuellen Kurzschluss zum Kondensator dar, so dass er sich nicht aufladen kann. Wenn eine Thermoelementverbindung bricht oder sich deren Widerstand erheblich ändert, lädt sich der Kondensator auf und treibt den Eingang zu einer der Versorgungsspannungen, was auf eine defekte Thermoelementverbindung hinweist (siehe Abbildung 2).

Open Thermocouple Detector

Abbildung 2: Kabelbruch-Detektor. Das Thermoelement bietet einen Kurzschlusspfad für Gleichstrom um den Kondensator herum und verhindert, dass er über die Widerstände aufgeladen wird. Wenn die Thermoelementverbindung – aufgrund unsachgemäßer Handhabung oder Vibration – offen ist, lädt sich der Kondensator auf und treibt den Eingangsverstärker zu den Spannungslevels der Stromversorgung, was einen Ausfall signalisiert.

Thermoelement-Messgeräte
Messgeräten, die nicht speziell für Thermoelementmessungen entwickelt wurden, fehlen die erforderliche Signalkonditionierung und die CJC, die für die genaue Messung von Thermoelementen erforderlich sind. Geräte wie das USB-TC verfügen über einen Eingangsbereich von ±0,080 V, 24-Bit A/D-Wandler pro Kanal und einen auf NIST rückführbaren Kalibrierungsprozess. Diese Geräte bieten die präzisest mögliche Temperaturmessung, die Genauigkeit der internen Messelektronik übertrifft die Genauigkeitsspezifikationen der Thermoelementsensoren.

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

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