Grundlagen zur Funktion
Die Thermoelementklemmen können Thermoelemente der Typen B, E, J, K, L, N, R, S, T und U auswerten. Die Linearisierung der Kennlinien und die Ermittlung der Vergleichstemperatur erfolgt direkt in der Klemme. Temperaturen werden z. B. in 1/10°C ausgegeben (geräteabhängig). Über den Buskoppler bzw. die Steuerung ist die Klemme vollständig konfigurierbar. Dabei kann zwischen verschiedenen Ausgabeformaten gewählt und auch eigene Skalierungen aktiviert werden. Zusätzlich ist die Linearisierung der Kennlinie und die Ermittlung und Verrechnung der Vergleichstemperatur (Temperatur an den Anschlusskontakten der Klemme) abschaltbar.
Messprinzip des Thermoelements
Thermoelemente gehören zu der Kategorie der aktiven Messwertaufnehmer; ausgenutzt wird hier der thermoelektrische Effekt (Seebeck, Peltier, Thomson). Über die Leitungslänge einer Leitung die sich mit Ihren Enden auf unterschiedlicher Temperatur befindet entwickelt sich die sog. Thermospannung die eine eindeutige Funktion der Temperatur und des Materials ist. Dies wird bei einem „TC-Element“ bewusst genutzt, indem zwei verschiedene Leiterwerkstoffe parallel betrieben werden. (s. Abb.)
Beispiel:
Im folgenden Beispiel wird die Spannung Uth angegeben, die an einem Typ-K-Thermoelement bei der Temperatur Tm anliegt:
Uth = (kNiCr - kNi) x ΔT
mit
ΔT = Tm - Tv
Ein Thermoelement vom Typ K besteht aus einem Übergang zwischen einer Nickel-Chrom-Legierung und Nickel, wobei kNiCr und kNi die thermoelektrischen Koeffizienten von Nickelchrom und Nickel darstellen. Durch Umstellen der Gleichung nach Tm kann die gesuchte Temperatur aus der am Thermoelement gemessenen Spannung errechnet werden. Anhand der Differenz zur Vergleichsstellentemperatur kann mit Hilfe der obigen Gleichung des Thermoelements die Temperatur an der Messstelle besser als ein Zehntel Kelvin genau bestimmt werden.
 | Sensorstrecke Eine Veränderung des Sensorkreises durch zusätzliche Elemente wie z. B. Umschalter oder Multiplexer beeinträchtigt die Messgenauigkeit. Von entsprechenden Modifikationen wird dringend abgeraten. |
Interne Umrechnung der Thermo- und Vergleichsspannung
Da die Ermittlung der Koeffizienten bei einer Vergleichstemperatur von 0°C erfolgt, muss der Einfluss der Vergleichstemperatur kompensiert werden. Dazu wird die Vergleichstemperatur in eine vom Thermoelement-Typ abhängigen Vergleichsspannung umgerechnet und diese zur gemessenen Thermospannung addiert. Aus der resultierenden Spannung und der entsprechenden Kennlinie wird die Temperatur ermittelt.
Uk = Um+ Uv
Tout = f(Uk)
Die vier LEDs geben den Betriebszustand des dazugehörigen Klemmenkanals wieder.
- grüne Run-LEDs: RUN (entfällt für KL3314)
- Ein: normaler Betrieb
- Aus: Watchdog-Timer Overflow ist aufgetreten. Werden vom Buskoppler 100 ms keine Prozessdaten übertragen, so erlöschen die grünen LEDs.
- Rote LEDs: ERROR
- Ein: Es liegt ein Drahtbruch vor. Der Widerstandswert befindet sich im ungültigen Bereich der Kennlinie des jeweiligen Thermoelements.
- Aus: Der Widerstand befindet sich im gültigen Bereich der Kennlinie.
Ausgabeformat der Prozessdaten
Die Ausgabe des Messwertes erfolgt im Auslieferungszustand in 1/10°C Schritten in Zweierkomplement-Darstellung (integer). Über das Feature-Register (R32) sind andere Darstellungsarten anwählbar (z. B. Betrags-Vorzeichendarstellung, Siemens-Ausgabeformat).
Messwert | Ausgabe | |
|---|---|---|
Hexadezimale Ausgabe | Ausgabe in Signed-Integer | |
-200,0°C | 0xF830 | -2000 |
-100,0°C | 0xFC18 | -1000 |
-0,1°C | 0xFFFF | -1 |
0,0°C | 0x0000 | 0 |
0,1°C | 0x0001 | 1 |
100,0°C | 0x03E8 | 1000 |
200,0°C | 0x07D0 | 2000 |
500,0°C | 0x1388 | 5000 |
850,0°C | 0x2134 | 8500 |
1000,0°C | 0x2710 | 10000 |
Spannungsgrenzen
- Uk > Ukmax:
Bit 1 und Bit 6 (Overrange- und Error-Bit) im Status-Byte werden gesetzt. Die Linearisierung der Kennlinie wird mit den Koeffizienten der oberen Bereichsgrenze bis zum Endanschlag des A/D-Wandlers bzw. bis zum Maximalwert 0x7FFF fortgesetzt. - Uk < Ukmin:
Bit 0 und Bit 6 (Underrange- und Error-Bit) im Status-Byte werden gesetzt. Die Linearisierung der Kennlinie wird mit den Koeffizienten der unteren Bereichsgrenze bis zum Endanschlag des A/D-Wandlers bzw. bis minimal 0x8000 fortgesetzt.
Bei Overrange bzw. Underrange wird die rote Error LED eingeschaltet.
Berechnung der Prozessdaten
Die Prozessdaten, die zum Buskoppler übertragen werden, berechnen sich aus den folgenden Gleichungen:
Tvgl = A00 * X_vgl Uvgl = a1 * Tvgl2 + b1 * Tvgl + c1 | (1.0) (1.1) | Spannungswert der Vergleichsstelle |
Um1 = A_a * X_ X_m + B_a Uk = Uvgl + Um1 T = a0 * Uk2 + b0 * Uk + c0 | (1.2) (1.3) (1.4) | gemessene Temperatur in 1/16°C
|
Taus = T | (1.5) | Weder Anwender- noch Herstellerskalierung aktiv |
Th = A_h * T + B_h Taus = Th | (1.6) | Herstellerskalierung aktiv (Werkseinstellung) |
Ta = A_w * T + B_w Taus = Ta | (1.7) | Anwenderskalierung aktiv |
Th = A_h * T + B_h Ta = A_w * T + B_w Taus = Ta | (1.7) | Hersteller- und Anwenderskalierung aktiv |
Legende
Name | Bezeichnung | Register |
|---|---|---|
X_vgl | Ausgabe Wert des A/D-Wandlers |
|
Tvgl | Temperatur der Vergleichsstelle |
|
Uvgl | Spannungswert der Vergleichsstelle |
|
X_m | ADC-Wert des Temperatursensors |
|
Um1 | Spannungswert des Temperatursensors |
|
A_a | Hersteller-Abgleichs: Gain | R17 |
B_a | Hersteller-Abgleich: Offset | R18 |
A_h | Hersteller-Skalierung: Gain | R20 |
B_h | Hersteller-Skalierung: Offset | R19 |
A_w | Anwender-Skalierung: Gain | R34 |
B_w | Anwender-Skalierung: Offset | R33 |
Uk | Summe von Uvgl und Um1 |
|
T | Gemessene Temperatur in 1/16°C |
|
Th | Temperatur nach Hersteller-Skalierung (1/10°C) |
|
Ta | Temperatur nach Anwender-Skalierung |
|
Taus | Prozessdaten zur SPS |
|
Die Geradengleichungen werden über Register R32 aktiviert
