Temperaturen messen mit Thermoelementen über Ethernet

Wie messe ich am einfachsten Temperatur mit Thermoelementen über Ethernet?

Thermoelemente (TC/Thermocouples) sind Temperatur-Fühler/Sensoren. Sie bestehen aus zwei unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Wird die Verbindung der Metalle erwärmt oder abgekühlt, entsteht durch den thermoelektrischen Effekt eine Spannung, die der jeweiligen Temperatur entspricht. Die an den Enden der Leiter auftretenden Spannungen sind allerdings sehr klein und liegen im Bereich einiger 10 µV pro 1°C Temperaturdifferenz. Thermoelemente werden in verschiedene Typen (J, K, T, E, R, S, B, N u. a.) eingeteilt, abhängig von Material und Temperaturbereich. Um mit Thermoelementen über ein Ethernet Temperaturen zu erfassen, benötigt man

• Thermoelement.
• Signalanpassung.
• Messsystem (A/D-Wandlung und Linearisierung, CJC/Kaltstellenkompensation).
• Umsetzung/Ausgabe der Daten für Ethernet.
• Steuerrechner/PC zur Auswertung.

Als Messsystem werden wir in unserem Beispiel ein ▸RedLab E-TC verwenden. Viele Messsysteme haben Standard-Eingangsbereiche von zum Beispiel 0…10 V oder ±10 V. Diese Bereiche passen oft nicht zu den kleinen Spannungswerten der Thermoelemente, so dass eine Signalanpassung durch Messverstärker erforderlich ist. Das RedLab E-TC hat den Vorteil, dass diese Anpassung bereits integriert ist - die Thermoelemente können daher direkt an die Schraubklemmen des Moduls angeschlossen werden. Die RedLab E-TC Module unterstützen die Thermoelement-Typen J, K, T, E, R, S, B, N. Das RedLab E-TC übernimmt die Wandlung der Thermoelement-Werte in digitale Daten (mit einer Auflösung der A/D-Wandlung von 24 bit bei 4 S/s pro Kanal maximaler Sample-Rate) und liefert diese über Ethernet/LAN an einen steuernden Windows-PC. Analog dazu gibt es auch die Modelle ▸RedLab TC oder ▸RedLab TEMP - diese übertragen die Daten nicht per Ethernet sondern per USB.

Für den steuernden PC gibt es drei Möglichkeiten, was die Software betrifft: Per sofort einsetzbarer Software (zum Beispiel TracerDAQ, DAQami) kann der Anwender die Module schnell und ohne zu programmieren bedienen. Allerdings kann er dabei natürlich nur den Funktionsumfang nutzen, der ihm von der jeweiligen Software zur Verfügung gestellt wird. Die zweite Möglichkeit besteht darin, sich selbst Software zu schreiben. Die RedLabs werden dazu mit Bibliotheken und Treiber-Unterstützung für .NET, C++, C#, Visual Basic, LabVIEW, einige auch MATLAB und andere geliefert. Als dritte Lösung "dazwischen" besteht noch die Möglichkeit einer grafischen gestützten Programm-Entwicklung mit ProfiLab-Expert, das von vielen RedLabs unterstützt wird. Hier entwickelt der Anwender zwar sein Programm ebenfalls selbst, er tut dies jedoch nicht durch klassisches Programmieren mit textorientiertem Code sondern durch das grafische "Verdrahten" von Funktionsblöcken - sehr intuitiv und verständlich.

Kaltstellenkompensation (CJC/Cold Junction Compensation)

Jede Gruppe aus vier TC-Eingängen hat beim RedLab E-TC einen hochauflösenden CJC-Sensor. Werden die Sensorkabel eines Thermoelements mit dem Eingangskanal verbunden, erzeugen die unterschiedlichen Metalle an den Schraubklemmen des RedLab E-TC einen zusätzlichen Thermoknoten. An dieser Stelle entsteht so ein kleiner Spannungsfehler, der über eine CJC aus der Gesamtmessung entfernt werden muss. Der gemessene Spannungswert enthält beim RedLab E-TC daher zunächst sowohl die Spannung des Thermoelements als auch die Kaltstellenspannung. Um diesen Fehler zu kompensieren zieht das RedLab E-TC die Spannung an der Kaltstelle von der Spannung des Thermoelements ab.

Datenlinearisierung

Nach Abschluss der CJC-Korrektur an den Messdaten linearisiert ein integrierter Microcontroller im RedLab E-TC die Daten automatisch anhand der Linearisierungskoeffizienten des US-Instituts für Standards und Technologie (NIST) für den jeweiligen Thermoelement-Typ. Die Messdaten werden als 32-bit-Gleitkommawert im konfigurierten Format (Spannung oder Temperatur) über Ethernet ausgegeben.

Erkennung offener Thermoelemente

Das RedLab E-TC ist ausgestattet mit einer Funktion zur Erkennung offener Thermoelemente für alle TC-Eingangskanäle. Die Software ermittelt alle offenen Schaltkreise im TC-Sensor. Ein offener Kanal wird mithilfe eines Pullup- und Pulldown-Widerstands an den Thermoelementeingängen erkannt. Ein offenes Thermoelement zwingt die Eingangsdifferenzspannung aus dem gültigen Spannungsbereich für das Thermoelement hinaus. Die Software nimmt dies als ungültigen Wert wahr und kennzeichnet den entsprechenden Kanal. Wenn ein offenes Thermoelement erkannt wird, werden nacheinander alle anderen Kanäle abgefragt.

Zusammenfassung

Mit den beschriebenen Funktionen bieten die RedLab E-TC eine sichere, übersichtliche, kompakte und komfortable Lösung für die Temperaturmessung mit Thermoelementen am Ethernet. Das Modul erlaubt den direkten Anschluss der Thermoelemente und vereint in sich die wichtigen Funktionen der Signalanpassung, CJC, A/D-Wandlung, Linearisierung und Übertragung über das Ethernet. Die mitgelieferte Software ermöglicht verschieden Variationen einer Steuerung der RedLab E-TC Hardware vom PC aus.