Präzise, sicher und einfach:

Industrielle Temperaturmessung

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In chemischen und prozesstechnischen Anwendungen spielt die richtige Temperatur mit eine der wichtigsten Rollen. Parallel mit der Verbreitung des PCs in allen Industriebereichen gewinnt somit auch das Erfassen und Verarbeiten von Temperaturen über den PC immer mehr an Bedeutung. Ein Hersteller hat speziell für diesen Zweck eine neue PCI-Karte entwickelt, die kaum Anwenderwünsche offen lässt.

Dipl.-Ing. (FH) Volker Paroth, Fachjournalist und Presseberater

Die Karte erlaubt den direkten Anschluss von bis zu 16 analogen Temperatursensoren (Thermoelemente Typ J, T, K, E, N, S, R, B oder RTD’s Typ Pt100, Pt1000, Ni100…) und macht z.B. kostspielige Messumformer überflüssig.
In allen Industriebereichen von der Chemie und Petrochemie über die Glas- und Keramikindustrie bis hin zur Kältetechnik oder Energieerzeugung müssen Temperaturen gemessen und überwacht werden. Während vieler Reaktions- und Fertigungsprozesse ist die kontinuierliche Temperaturregelung ein wichtiger Bestandteil der Qualitätssicherung. Im Rahmen von Qualitätssicherungssystemen sind darüberhinaus die Temperaturverläufe genau zu dokumentieren. In anderen Anwendungen geht es darum, Störfälle zu vermeiden oder frühzeitig zu erkennen. Die Messstellen befinden sich in Behältern, Rohrsystemen, Maschinen, Öfen, Rührkesseln, Reaktoren, und Trocknungsanlagen, wobei es sich um gasförmige und flüssige Medien wie Gas, Dampf, Wasser, Öl, Nahrungsmittel oder spezielle chemische Substanzen handeln kann. Angesichts dieser überaus vielschichtigen Aufgabenstellungen ist Flexibilität eine der wichtigsten Forderungen an die Messtechnik sowie an die Signalweiterverarbeitung.
Industrie-PCs: schnell, preiswert und flexibel
Günstige Basishardware aufgrund eines dynamischen Massenmarktes, immer schnellere Prozessoren sowie ein offenes Konzept, das für nahezu jeden Spezialfall Lösungen ermöglicht, haben dem PC auch die Tür zur industriellen Messtechnik geöffnet. In Verbindung mit einer standardisierten Windows-Benutzerschnittstelle bietet der Industrie-PC die ideale Plattform mit der gewünschten Flexibilität. Dezentrale Messstellen lassen sich an beliebigen Stellen kostengünstig realisieren und die gesammelten Daten über das firmeninterne LAN anderen Stationen zur Verfügung stellen bzw. auf einem zentralen Server speichern. Außerdem ist bei Bedarf genügend Rechenleistung vorhanden, um vor Ort Auswertung, Visualisierung oder komplette Regelungsvorgänge zu implementieren.
Die analoge PC-Erweiterungskarte der Serie APCI-3200 ermöglicht eine einfache und gleichzeitig hochpräzise Temperaturerfassung mit 16 Bit Genauigkeit bei einer Auflösung von 18 Bit. Die Karte verfügt über 16 Eingangskanäle, die in vier Gruppen zu jeweils vier Kanälen aufgeteilt sind. An diesen 16 Eingangskanälen lassen sich bis 16 Thermoelemente und bis zu acht Widerstandssensoren kombiniert anschließen. Die Gruppen (4 Eingänge) sind einzeln konfigurierbar, sodass verschiedene Sensortypen beliebig mischbar sind (zum Beispiel zwei Gruppen mit insgesamt 8 Thermoelementen und zwei Gruppen für 2 Pt100). Alle Eingänge sind selbstverständlich bis 1000 V galvanisch getrennt. Bemerkenswert ist, dass dabei im Messkreis keinerlei zusätzliche Elektronik wie Messumformer für Signalverstärkung oder -konvertierung benötigt wird. Gegenüber Lösungen mit einer Standard-Analog-I/O-Karte und Mess-umformern spart der Anwender für ein 16 kanaliges System circa 4800 DM pro Applikation (oder circa 300 DM pro Kanal).
Da der größte Teil aller industriellen Temperaturmessstellen über Widerstandssensoren oder Thermoelemente realisiert wird, ist das Einsatzgebiet der Temperaturerfassungskarte nahezu unbegrenzt. Je nach Einsatzgebiet und -zweck gibt es die Sensoren in den unterschiedlichsten Bauformen und Größen. Spezialisierte Ausführungen sind beispielsweise in Schutzrohre eingebettet, die sie beständig machen gegen widrige mechanische oder chemische Umgebungsbedingungen, Hochdruck, Vakuum, usw.
Temperaturmessung
Widerstandssensoren, auch als RTDs (Resistance Temperature Detector) bezeichnet, nutzen die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands von Metallen aus. Dabei unterscheidet man zwischen sogenannten Kaltleitern und Heißleitern. Bei Kaltleitern erhöht sich mit steigender Temperatur der Widerstand des Leiters, bei Heißleitern ist es umgekehrt. Aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten werden Kaltleiter daher auch als PTC-Widerstände (Positive Temperature Coefficient) bezeichnet, Heißleiter hingegen als NTC-Widerstände (Negative Temperature Coefficient). Die größte Bedeutung für Temperaturmessungen im Bereich von etwa -200…+850 °C haben PTC-Widerstände auf Basis von Platin erlangt, z.B. der Pt100. Bei diesen Typen handelt es sich um Widerstände, deren Wert bei einer Temperatur von 0°C exakt 100 Ohm beträgt. Für Platin sprechen unter anderem die hohe chemische Beständigkeit, Genauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit der elektrischen Eigenschaften, Langzeitstabilität und die einfache Handhabung. Analog zum Pt100 gibt es Pt200-, Pt500- und Pt1000-Sensoren mit entsprechend höheren Nennwerten; dem Vorteil der höheren Empfindlichkeit steht bei gleichem Stromdurchfluss der Nachteil einer höheren Eigenerwärmung entgegen, die das Ergebnis verfälscht.
Für raue Umgebungsbedingungen, z.B. in der Verfahrenstechnik, eignen sich robuste Drahtmesswiderstände, die als Spirale in Keramik- oder Glaskörpern eingebettet sind. Bei Schichtmesswiderständen ist ein mänderförmig strukturierter hauchdünner Film auf dem Trägermaterial aufgebracht. Dies erlaubt wesentlich flachere Bauformen. Um schnelle Temperaturänderungen zu erfassen, kommen bevorzugt kleine Sensoren zum Einsatz. Hierfür gibt es Platin-Chip-Widerstände, die bis hin zu SMD-Bauformen erhältlich sind. Einsatzbereiche für Platin-Folien-Sensoren finden sich z.B. im Bereich Heizung, Klima, Lüftung, der Nahrungsmittelindustrie oder im Automobil.
An die APCI-3200-Karte sind gängige Kaltleiter wie Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000 oder Ni100 anschließbar, daneben auch Heißleiter und grundsätzlich alle Widerstände im Bereich von 10 bis 4000 Ohm. Zum jeweiligen Sensor wird lediglich die richtige Referenztabelle eingestellt. Anhand dieser Tabelle berechnet die Auswertesoftware die korrespondierende Temperatur zum gemessenen Widerstandswert. Als Anschlusstechnik kommt 2-, 3- oder 4-Leitertechnik in Frage; dafür stehen acht unabhängige Stromquellen zur Verfügung. Optimal hinsichtlich Genauigkeit und Effizienz der ADDI-DATA-Hardware ist die Vierleitertechnik. Der Spannungsabfall wird direkt am Widerstand gemessen, ohne dass Länge und Art der Stromleitungen das Ergebnis beeinträchtigen. Mit einem Pt100 erreicht man bei 3- oder 4-Leiterschaltung z.B. eine Genauigkeit von ±0,4°C.
Thermoelemente für hohe Temperaturen und große Messbereiche
Nicht ganz so genau und langzeitstabil wie RTDs sind Thermoelemente. Dafür lässt sich mit ihnen ein deutlich größerer Temperaturbereich abdecken. Er reicht von -200°C bis +1800°C. Typische Einsatzgebiete sind Temperaturmessstellen in Öfen und Schmelztiegeln oder z.B. bei der Kunststoffproduktion. Thermoelemente wandeln die Temperatur ohne Hilfsspannungsquelle in eine elektrische Spannung um. Zwei an einem Ende verschweißte Metalle bzw. Thermodrähte bilden das Thermopaar und damit die temperaturempfindliche Messstelle. Die in der Praxis verwendeten Thermopaare werden durch Buchstaben gekennzeichnet. In Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen Verbindungsstelle und freiem Ende sowie der unterschiedlichen Thermokräfte entsteht am freien Ende eine messbare Spannung. Erfasst wird somit nicht die Temperatur, sondern die Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle. Bei den meisten Thermoelementen ist diese Referenztemperatur auf 0°C festgelegt. Sie lässt sich im Labor recht einfach mit Eiswasser realisieren, was jedoch für den industriellen Alltag nicht sehr praktikabel ist. Daher dient in der Regel die Umgebungstemperatur der Vergleichsstelle als Referenz, was eine entsprechende Korrektur, die sogenannte „Kaltstellenkompensation“ notwendig macht.
Die im Lieferumfang der PC-Karte befindliche Klemmenplatine ermöglicht den direkten Anschluss der Thermoelement-Typen J, T, K, E, N, S, R und B über Schraubklemmen. Sie ist auf DIN-Hutschiene montierbar und wird über ein 50-adriges SUB-D-Kabel mit dem PC verbunden. Wichtig für den Betrieb mit Thermoelementen ist die in der Klemmenplatine integrierte Kaltstellenkompensation. Um die hohe Auflösung sicherzustellen findet außerdem nach jeder einzelnen Messung eine Onboard-Kalibrierung des A/D-Wandlers statt. Zusammen mit dem programmierbaren Verstärker gestattet dies hochpräzise Messungen in unterschiedlichen Temperaturspannen. Der Rechner linearisiert die Thermoelementsignale wiederum gemäß der gespeicherten Tabellen, wobei Zwischenwerte selbstverständlich interpoliert werden. Die Temperatur wird auf Wunsch in Celsius, Fahrenheit oder Kelvin ausgegeben.
Programmierbar sind kontinuierliche Abtast-raten von 20, 40, 80 und 160 Hz. Die Messungen lassen sich softwaregesteuert, timer-gesteuert oder über externe Trigger starten. Für diesen oder andere Zwecke stehen vier digitale 24-V-Eingänge zur Verfügung. Daneben gibt es drei digitale Ausgänge, über die sich Schaltbefehl an den Prozess senden oder z.B. Alarmmeldungen generieren lassen. Bei Anwendungen mit vielen Temperaturmessstellen kann man problemlos mehrere Karten in einem Rechner betreiben. Schutz gegen Störeinstrahlungen und Überspannungen sowie Eingangsfilter garantieren die notwendige Zuverlässigkeit in stör reichen industriellen Umgebungen. Fehler in der Verdrahtung detektiert die Kurzschluss- und Drahtbrucherkennungsfunktion. Für die Zukunft ist eine Software geplant, die es erlaubt für schnelle Testzwecke eine einfache Visualisierung der Messvorgänge zu realisieren und z.B. den Export der Messwerte nach Excel ermöglicht.
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