Messung RTD (nur Pt1000)

RTD Spezifikation und Konvertierung

Die Temperaturmessung mit widerstandsabhängigem RTD-Sensor umfasst generell zwei Schritte:

• Elektrische Messung des Widerstands, ggf. in mehreren Ohm’schen Messbereichen
• Konvertierung (Umrechnung, Transformation) des Widerstands per Software in einem Temperaturwert nach eingestelltem RTD-Typ (Pt100, Pt1000…).

Beide Schritte können lokal im Beckhoff Messgerät stattfinden. Die Transformation im Gerät kann auch deaktiviert werden, wenn sie übergeordnet in der Steuerung gerechnet werden soll. Je nach Gerätetyp können mehrere RTD-Konvertierungen implementiert sein, die sich dann nur in Software unterscheiden. Dies bedeutet für Beckhoff RTD-Messgeräte, dass

• eine Spezifikation der elektrischen Widerstandsmessung gegeben ist
• und darauf aufbauend im Folgenden je nach unterstütztem RTD-Typ die Auswirkung für die Temperaturmessung angegeben wird. Zu beachten ist, dass RTD-Kennlinien immer als Formeln höherer Ordnung oder durch eine Stützstellentabelle in der Software realisiert werden, so dass eine lineare Übertragung R→T nur in einem engen Bereich sinnvoll ist.

Anwendung auf die ELM350x

Die ELM350x unterstützt die Messung von Widerständen bis 2 kΩ in der 2/3/4‑Leiter-Messung, und die Konvertierung von Pt1000 RTD-Sensoren bis 2000 Ω/266 °C.

Auch wenn die ELM350x eine alleinige Widerstands-Messung (ohne Umrechnung in Temperatur) nicht unterstützt, sei hier eine Widerstandspezifikation angegeben da die Temperaturmessung darauf aufbaut.

¹) Die Offset-Spezifikation gilt nicht im 2‑Leiter-Betrieb, da hier geräteseitig der Offset durch Leitungswiderstände erhöht ist. Es wird deshalb ein anlagenseitiger Offset-Abgleich empfohlen; siehe „Hinweis zu 2-/3-/4-Leiter-Anschluss im R/RTD-Betrieb“. Die final erzielbare Grundgenauigkeit im 2‑Leiter-Betrieb ist wesentlich von der Qualität dieses anlagenseitigen Offset-Abgleichs abhängig.

³) Werte beziehen sich auf eine Gleichtaktstörung zwischen SGND und internem GND.

⁶) Berechneter Wert nach Formel in Kapitel „Allgemeines zur Messgenauigkeit/Messunsicherheit“ zur schnellen Abschätzung der Einsetzbarkeit über den angegebenen Umgebungstemperaturbereich im Betrieb (T_ambient). Im realen Einsatz z.B. bei relativ konstanter Umgebungstemperatur T_ambient wird eine geringere (bessere) erzielbare Unsicherheit erreicht, eine spezifische Berechnung nach Kapitel „Allgemeines zur Messgenauigkeit/Messunsicherheit“ wird empfohlen, insbesondere wenn das Gerät einen weiteren Umgebungstemperaturbereich im Betrieb als 0…55°C zulässt.

ELM3502 (20 kSps)

ELM3504 (10 kSps)

RTD-Messbereich

Angaben zu den Sensortypen in nachfolgender Tabelle Die in der folgenden Tabelle aufgeführten Werte zu den Sensortypen werden hier lediglich zu informativen Zwecken als Orientierungshilfe dargestellt. Alle Angaben sind ohne Gewähr und müssen mit dem Datenblatt des jeweiligen verwendeten Sensors überprüft werden.

Die RTD-Messung umfasst eine Verkettung von Mess- und Rechenelementen, die auf die erzielbare Messabweichung einwirken:

Maßgebend für die erzielbare Temperatur-Messgenauigkeit ist die angegebene Widerstands-Spezifikation. Im Folgenden wird sie auf die möglichen RTD-Typen angewendet.

Aufgrund

• der bei RTD vorhandenen Nichtlinearität und damit der starken Abhängigkeit der Spezifikationsdaten von der Sensortemperatur T_sens und
• des Einflusses der Umgebungstemperatur auf das verwendete Analogeingangsgerät (führt zu einer Veränderung von T_measured aufgrund von ∆T_ambient obwohl T_sens = konstant)

Grundgenauigkeit für PT1000, 3-Leiter-Anschluss:

Grundgenauigkeit für PT1000, 4-Leiter-Anschluss:

Sind weitere Spezifikationsangaben von Interesse, können bzw. müssen sie aus den in der Widerstandsspezifikation gegebenen Werten berechnet werden.

Zum Ablauf:

• Allgemein: Die Umrechnung wird hier nur für einen Messpunkt (ein bestimmtes Eingangssignal) erklärt, bei mehreren Messpunkten (bis hin zum ganzen Messbereich) müssen die Schritte einfach wiederholt werden.
• Falls der gemessene Widerstand bei dem gemessenen Temperaturmesspunkt nicht bekannt ist, muss der Messwert (MW) in [Ω] ermittelt werden:
  MW = R_Messpunkt (T_Messpunkt) mithilfe einer R→T Tabelle
• Bei diesem Widerstandswert wird die Abweichung berechnet
• Über die Gesamtformel
  
• oder einen Einzelwert, z.B. F_Einzel = 15 ppm_MBE
• muss die Messunsicherheit in [Ω] berechnet werden:
  F_Widerstand(R_Messpunkt) = F_Gesamt(R_Messpunkt) ⋅ MBE
  oder: F_Widerstand(R_Messpunkt) = F_Einzel(R_Messpunkt) ⋅ MBE
  oder (falls schon bekannt) z.B.: F_Widerstand(R_Messpunkt) = 0,03 Ω
• Dann muss die Steigung an der verwendeten Stelle ermittelt werden:
  ΔR_proK(T_Messpunkt) = [ R(T_Messpunkt + 1°C) – R(T_Messpunkt )] / 1°C
  mithilfe einer R→T Tabelle
• Über die Widerstands-Messunsicherheit und die Steigung kann die Temperatur-Messunsicherheit berechnet werden
  F_Temp(R_Messpunkt) = (F_Widerstand(T_Messpunkt)) / (ΔR_proK(T_Messpunkt) )
• Um den Fehler des gesamten Systems bestehend aus RTD und dem Messgerät in [°C] zu ermitteln, müssen die beiden Fehler quadratisch addiert werden.
  

Im Folgenden drei Beispiele, die verwendeten Zahlenwerte dienen der Veranschaulichung. Maßgebend bleiben die in den techn. Daten genannten Spezifikationswerte.

Beispiel 1:

Grundgenauigkeit einer ELM3504 bei 35°C Umgebung, Messung von -100°C im PT1000-Interface (4-Leiter), ohne Rausch- und Alterungs-Einflüsse:

T_Messpunkt = -100 °C

MW=R_{PT1000, -100°C} = 602,56 Ω

= 86,238 ppm_MBE

F_Widerstand(R_Messpunkt) = 86,238 ppm_MBE ⋅ 2000 Ω = 0,1725 Ω

ΔR_proK(T_Messpunkt) = (R(-99 °C) – R(-100 °C)) / (1 °C) = 4,05 Ω/°C

F_{ELM3504@35°C, PT1000, -100°C} = (0,1725 Ω)/(4,05 Ω/°C) ≈ 0,043 °C (bedeutet ±0,043 °C)

Beispiel 2:

Betrachtung allein der Wiederholgenauigkeit unter o.a. Bedingungen:

T_Messpunkt = -100 °C

MW = R_Messpunkt (-100 °C) = 602,56 Ω

F_Einzel = 10 ppm_MBE

F_Widerstand= 10 ppm_MBE ⋅ 2000 Ω = 0,02 Ω

ΔR_proK(T_Messpunkt) = (R_-99°C – R_-100°C) / 1°C = 4,05 Ω/°C

F_Temp(R_Messpunkt) = 0,02 Ω / 4,05 Ω/°C ≈ 0,005°C (bedeutet ±0,005 °C)

Beispiel 3:

Betrachtung allein des RMS-Rauschens ohne Filter unter o.a. Bedingungen:

T_Messpunkt = -100°C

MW = R_Messpunkt (-100°C) = 602,56 Ω

F_Einzel = 37 ppm_MBE

F_Widerstand = 37 ppm_MBE ⋅ 2000 Ω = 0,074 Ω

ΔR_proK(T_Messpunkt) = (R_-99°C – R_-100°C)/1°C = 4,05 Ω/°C

F_Temp(R_Messpunkt) = 0,074 Ω / 4,05 Ω/°C ≈ 0,018°C (bedeutet ± 0,018°C)

Beispiel 4:

Wird das Rauschen F_{Noise, PtP} der o.a. Beispielklemme nicht nur für einen Sensorpunkt -100°C sondern allgemein betrachtet ergibt sich folgender Plot: