RTD-Messung mit Beckhoff Klemmen

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.

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)

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:

Einstellung „B-Parameter Equation“ für NTC-Sensoren

Die B-Parameter-Gleichung kann auf NTC-Sensoren (Heißleiter), d.h. RTD-Elemente mit negativem Koeffizienten k, angewendet werden.

Dabei gibt der Koeffizienten RT0 den Widerstand bei der Temperatur T0 an, der B-Parameter kann den Angaben des Sensorherstellers entnommen oder durch Messung des Widerstandes bei zwei bekannten Temperaturen bestimmt werden.

In der Dokumentation zur EL3204-0200 ist dazu eine hilfreiche Excel-Datei zu finden.

Die Parameter sind dann im CoE 0x80n7 einzugeben

mit

RT0 → 0x80n7:01

B → 0x80n7:04

T0 → 0x80n7:02

Einstellung „DIN IEC 60751“ für Pt-Sensoren

Die Berechnung für T > 0°C nach

ist implementiert, die Parameter sind dann im CoE 0x80n7 einzugeben

mit

A bzw. α → 0x80n7:03

B bzw. β → 0x80n7:04

R0 → 0x80n7:01

Einstellung „Steinhart Hart“ für NTC-Sensoren

Die Steinhart-Hart Gleichung kann auf NTC-Sensoren (Heißleiter), d.h. RTD-Elemente mit negativem Koeffizienten k, angewendet werden.

Die Koeffizienten C1, C2 und C4 können entweder direkt den Herstellerdaten entnommen, oder aber berechnet werden. Zur Berechnung der Steinhart-Hart Parameter steht ebenfalls in der EL3204-0200 Dokumentation eine Beispieldatei zur Verfügung. Zur Bestimmung der Parameter werden die Widerstandswerte bei drei bekannten Temperaturen benötigt. Diese können entweder den Herstellerdaten entnommen oder direkt am Sensor gemessen werden. Der Parameter C3 läuft in den meisten Fällen gegen Null, und ist somit zu vernachlässigen, er wird daher nicht in der Berechnung der Beispieldatei berücksichtigt.

Die Parameter sind dann im CoE 0x80n7 einzugeben

mit

A → 0x80n7:03

B → 0x80n7:04

C → 0x80n7:05

D → 0x80n7:06