Hinweise zum Betrieb und zur Messgenauigkeit

FM33xx Funktionsprinzip

Das nachfolgende Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Thermoelement-Strecke, beginnend mit Anschlussplatine im FM33xx-Modul bis zur Messstelle T4:

Auf der linken Seite befindet sich das A/D-Board (Anschlussplatine) des FM33xx (TC Plug), von dem die beiden Thermoelement-Drähte des jeweilig betrachteten Kanals zu den Steckkontakten der Anschlussebene verlaufen. Die Kontaktstrecke – bestehend aus Stecker und Buchse - ist im oberen Bild in gelb dargestellt. Ausgehend von der Buchsenseite verläuft die gleiche Thermoelement-Drahtkombination bis zur Messstelle T4. Die Indizes “l” und “k” bezeichnen die zwei unterschiedlichen Materialien der beiden Thermoelement-Drähte.

Kennzeichnung der Temperaturen

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T1 ist die Temperatur an der Stelle im TC Plug, wo die inneren Themoelemente an das A/D-Board angelötet sind

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T2 ist die Temperatur an der Verbindungsstelle (Crimpung) der Thermoelemente im Steckkontakt des TC Plug Steckers

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T3 ist die Temperatur and der Ausgangstelle (Crimpung, Lötung, oder Verschraubung) aus dem Buchsenkontakt der TC Plug Gegenstelle

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T4 ist die Messstelle, deren Temperatur gemessen werden soll und an der die beiden Thermoelemente zusammenlaufen

Das Thermoelement-Messprinzip basiert auf dem so genannten Seebeck-Effekt (Thermoelektrischer Effekt): erzeugt man eine Temperaturdifferenz an beiden Seiten eines leitenden Materials so erhält man damit eine (materialabhängige) Spannungsdifferenz zwischen den beiden Enden. Die erzeugten Spannungen sind typischerweise sehr klein, sie bewegen sich in der Größenordnung einiger Mikrovolt.

Die Spannungsdifferenz kann als Produkt aus dem Seebeck-Koeffizienten und der Spannungsdifferenz dargestellt werden:

U = α. ΔT

Unter Zugrundelegung dieser einfachen Gleichung und unter Berücksichtigung der zwei verschiedenen Thermoelement-Materialien (Index “k” und Index “l”) sowie der Strecke der goldbeschichteten Stecker/Buchsen-Kombination kann die Spannungsgleichung nach den Kirchhoff-Regeln für einen geschlossenen Umlauf erstellt werden:

Jede einzeln aufgeführte Spannung ist dabei (der Seebeck-Formel folgend) eine Funktion der Temperaturdifferenz des jeweils betrachteten Materialabschnitts.

U_M ist die Spannung die schlussendlich dem Analog-Digital-Wandler auf der Messplatine im TC Plug zugeführt wird und mit Hilfe von fest hinterlegten Tabellen im TC Plug in eine Temperatur des Messpunktes T4 umgerechnet wird. Die Umrechnungstabellen sind spezifisch für das verwendete Thermoelement-Material und können vom Anwender nicht verändert werden ( z.B. Typ J ist die Materialpaar FE / CU-NI ).

TC plug Messgenauigkeit

Ab Werk werden die TC Plugs Typ FM33xx-B110 pro Kanal auf folgende Genauigkeit abgeglichen:

±0.5 °C at 546.19 °C mit einer max. Differenz ΔT ≤ 0.5 °C über alle Kanäle

Zur Beurteilung der realen, absoluten Messgenauigkeit müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, die zum Teil in der Bauweise des TC Plugs begründet sind und zum Teil von der Art des verwendeten Thermoelementmaterials abhängen.
Es folgt eine Aufzählung der Faktoren, die die reale Messgenauigkeit beeinflussen, zusammen mit dem dadurch erzeugten Fehlerband:

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a.) Tabellarischer Umsetzungsfehler bei verschiedenen Temperaturen: ±0.1 °C (interner Softwarealgorithmus zur segmentierten Umsetzung zwischen Spannung und Temperatur)

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b.) Selbst-Aufheizung oder externe Umgebungstemperatur: ±0.4 °C (für Umgebungstemperaturen +10°C bis +55°C)

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c.) Elektronische Alterung / burn-in: ±0.5 °C (statistischer Erfahrungswert)

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d.) Temperaturgradient zwischen Steck- und Buchsenseite: ±0.5 °C (typischer Wert, hängt jedoch von der Montageausrichung, externe Heiz-/Kühleinflüsse, usw. ab …)

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e.) Qualität der eingesetzten Thermoelement-Drähte: ±2.5 °C (oder ±1.5 °C, wenn höherwertigeres Material verwendet wird)

Es fällt auf, dass der größte Messfehler als Einzelposten durch das Material der Thermoelemente selbst erzeugt wird, hier ist ggf. auf die Verwendung von Thermodrähten höherer Güte zu achten.

Es folgt eine etwas genauere Betrachtung des Faktors d):

Die Installation eines FM33xx TC Plugs erfolgt durch Aufstecken des Plugs auf ein mit einem Buchseneinsatz versehenes Gegenstück, welches typischerweise am Maschinenbett oder an einer Metallplatte/Montageblech befestigt ist. Die Kaltstellenkompensation erfolgt durch Messung der Temperatur T1 auf dem A/D-Messwandlerboard an der Stelle, wo die internen Thermoelementdrähte an die Kontaktstellen des Boards aufgelötet sind. Theoretisch müsste die Kaltstellenkompensation jedoch anhand der Temperatur T3 erfolgen. Diese Stelle befindet sich jedoch im Gegenstück des Steckers und steht dem TC Plug somit nicht zur Verfügung.

In der im Bild (Abb. 1) enthaltenen Spannungsgleichung heben sich die beiden thermoelektrischen Spannungen U_G aufgrund des gleichen Betrags in der Hin- und Rückrichtung und entgegengesetzten Vorzeichens auf und haben somit keinen Einfluss auf die Höhe der Messspannung U_M. Das ist kein Problem und auch kein Messfehler, solange T3 = T2 ist.

Wenn aber T3 ungleich T2 ist (es besteht ein innerer Temperaturgradient über den Steckbereich hinweg), werden sich die beiden Seebeck-Spannungen U_G in der Hin- und Rückleitung immer noch betragsmäßig aufheben und die Temperaturdifferenz bleibt in der Messung unberücksichtigt. Formelmäßig betrachtet ist U_M somit eine Funktion von ΔT₂₁ und ΔT₄₃, aber keine Funktion von ΔT₃₂.

ΔT₃₂ stellt somit einen Messfehler dar, man muss diese Temperaturdifferenz eigentlich zu der gemessenen Temperatur des TC Plugs vorzeichenrichtig hinzuaddieren. Die Annahme hierzu ist jedoch, dass diese Temperaturdifferenz im eingeschwungenen Zustand nicht größer als ±0.5 °C ist. Der Temperaturausgleich im gesteckten Zustand erfolgt über die sich berührenden Gehäuseteile sowie den metallischen Steckkontakten bestehenden aus Stecker und Buchse. Dennoch sollte bei der Installation des TC Plugs darauf geachtet werden, dass nicht eine Seite des zusammengesteckten Aufbaus übermäßig geheizt oder gekühlt wird, um den Temperaturgradienten und damit den Messfehler möglichst gering zu halten.