Ein fehlerhaftes oder unzuverlässiges Temperatursignal kann sehr kostspielige Folgen haben. Wenn ein Prozessoperator glaubt, dass ein Ofen zu kalt ist, erhöht er möglicherweise die Hitze und beschädigt dadurch hochwertige Produkte im Inneren. Alternativ könnte ein Kontrollraumleiter eine Produktionslinie abschalten, um ein angezeigtes Problem zu vermeiden, das gar nicht real ist.
Probleme wie diese treten auf, wenn das schwache Spannungssignal eines Thermoelements oder RTD durch elektrische Störungen verfälscht wird. Eine Lösung besteht darin, einen Temperatur-Transmitter in der Nähe des Messpunkts anzubringen, der ein robusteres Signal sendet. Dieses Whitepaper von OMEGA Engineering erläutert die Vorteile der Verwendung von Temperatur-Transmittern und die verfügbaren Optionen. Die einzelnen Abschnitte behandeln folgende Themen:
- Verfälschung des Temperatursignals
- Übersicht über Temperatur-Transmitter
- Vorteile der Verwendung von Transmittern
- Transmittertypen und Auswahl
Verfälschung des Temperatursignals
Der Seebeck-Effekt beschreibt, wie unterschiedliche Drähte, die miteinander verbunden sind, eine Spannung erzeugen, wenn ihre Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Dieses sehr schwache Signal (in der Regel nur Mikrovolt pro Grad) bildet die Grundlage für jedes Thermoelement und wird zur Temperaturanzeige verwendet. In ähnlicher Weise geben auch RTDs sehr schwache Signale ab. Diese geringen Spannungen sind anfällig für elektromagnetische Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI).
An Orten wie chemischen Verarbeitungsanlagen, Fabriken und Kraftwerken gibt es viele Geräte, die EMI/RFI aussenden. Große Motoren, Frequenzumrichter, Transformatoren und insbesondere Schaltgeräte wie Schweißgeräte, Relais und Magnetspulen strahlen elektrische Signale in die Luft ab. Die dünnen Drähte, die zur Übertragung von Thermoelement- und RTD-Signalen verwendet werden, wirken wie Antennen, die diese Strahlung aufnehmen und weiterleiten. Wenn das Temperatursignal über größere Entfernungen gesendet wird (was in großen Prozessanlagen häufig der Fall ist), steigt die Wahrscheinlichkeit einer Signalverschlechterung.
Übersicht über Temperatur-Transmitter
Ein Temperatur-Transmitter ist im Wesentlichen eine Art Verstärker, der das Signal filtert, aufbereitet und verstärkt, um einen besseren Empfang an der Stelle zu gewährleisten, an der die Temperatur gemessen wird. Thermoelement- oder RTD-Drähte werden direkt an den Transmitter angeschlossen, der den Eingang auf ein 4- bis 20-mA-Ausgangssignal, eine Spannung wie 0 bis 10 VDC oder einen digitalen Ausgang wie RS232, RS485 und Modbus® skaliert. Dieses Ausgangssignal wird über eine verdrillte Doppeladerleitung an den Ort übertragen, an dem die Temperatur angezeigt oder aufgezeichnet werden soll.
Transmitter für Temperaturen sind in vielen Formen und mit unterschiedlichem Ausstattungsgrad erhältlich, von kompakten DIN-Schienen-Geräten bis hin zu programmierbaren und „intelligenten” Geräten mit Diagnosefunktionen.
Vorteile der Verwendung von Temperatur-Transmittern
In der Vergangenheit war die direkte Verkabelung von Temperatursensoren mit Anzeige- oder Datenerfassungsgeräten die Norm. Zunehmend erkennen Ingenieure jedoch die Vorteile der Verwendung von Temperatur-Transmittern. Dazu gehören:
- Verbesserte Signalintegrität, insbesondere über große Entfernungen. Die Verwendung von abgeschirmten verdrillten Doppelkabeln bietet eine noch höhere EMI-Resistenz.
- Standardisierte Ausgabe. Im Gegensatz zur Ausgabe bei direkter Verkabelung ist das 4- bis 20-mA-Signal mit den meisten Datenerfassungs-, Aufzeichnungs- und Anzeigesystemen kompatibel, was eine Standardisierung der Hardware ermöglicht.
- Verbesserte Genauigkeit. Durch Begrenzen des Milliampere-Ausgangs auf einen Teil des Messbereichs des Sensors kann die Auflösung verbessert und eine höhere Genauigkeit erzielt werden. Darüber hinaus können einige Transmitter eine Drift des Thermoelements erkennen und eine Warnung ausgeben, bevor Probleme auftreten.
- Kostengünstigere Verkabelung. Verlängerungskabel für Thermoelemente bestehen in der Regel aus dem gleichen Material wie das Gerät selbst und sind daher teurer und empfindlicher als standardmäßige verdrillte Doppelkabel. Verdrillte Doppelkabel lassen sich leichter „ziehen” und sind pro Meter kostengünstiger, was langfristig zu erheblichen Einsparungen führt.
- Vereinfachte Wartung. Verdrillte Doppelkabel sind widerstandsfähiger in rauen Umgebungen, sodass Kabelbrüche und Kurzschlüsse seltener auftreten und leichter zu erkennen sind, wenn sie doch einmal auftreten. „Intelligente” Transmitter können Diagnoseinformationen senden, sodass Probleme erkannt werden, bevor ein Techniker mit der Suche nach Fehlern beginnt.
- Flexibilität bei Nachrüstung und Aufrüstung. Sind Temperaturtransmitter einmal installiert, muss bei einer Prozessänderung und der Notwendigkeit eines anderen Thermoelements nur der Sensor selbst ausgetauscht werden. Umgekehrt kann ein Transmitter unter Verwendung bestehender direkter Kabelverbindungen installiert werden (obwohl die EMI-Störfestigkeit geringer ist).
Transmitter-Typen und Auswahl
Temperaturmessumformer sind für jede denkbare Anwendung erhältlich. Sie haben einen breiten Messbereich von kostengünstigen Geräten, die nur ein robustes Analogsignal liefern, bis hin zu „intelligenten” Transmittern, die bei abnormalen Betriebsbedingungen Warnmeldungen ausgeben. Die physischen Formate reichen von Kopfmontage-Transmittern, die direkt an der Temperatursonde angebracht werden, bis hin zu DIN-Schienen-Transmittern für den Einbau in Schaltschränken. attaching directly to the temperature probe to DIN rail-mountable transmitters for inclusion inside control cabinets.
Transmitter wie der TXDIN1600 können auf DIN-Schienen montiert werden, um sie einfach in Schaltschränke zu integrieren. Wenn die Steuerungen ohne Öffnen des Schaltschranks zugänglich sein müssen, können Versionen für die Schalttafelmontage erworben werden.
Programmierbare Transmitter wie der TXDIN1600 von OMEGA akzeptieren universelle Pt100-, Thermoelement-, mV- und mA-Eingänge und liefern dem Benutzer ein standardmäßiges Zweidraht-Ausgangssignal von 4 bis 20 mA. Zwischen Eingang und Ausgang besteht eine Isolierung, und alle Temperaturbereiche sind von Linearität zur Temperatur geprägt. Unsere neueste USB-Schnittstelle ist auf Benutzerfreundlichkeit ausgelegt und ermöglicht eine schnelle und einfache Konfiguration.
Für Umgebungen, in denen EMI möglich ist und die Signalintegrität von großer Bedeutung ist, sollte ein hochisolierter Transmitter wie die TX1500-Serie von OMEGA in Betracht gezogen werden. Dieser wird direkt über die 4- bis 20-mA-Signalverkabelung mit Strom versorgt und ist gegen Erdschleifen und elektrische Gefahren geschützt. Diese sind für Stromerzeugungssituationen geeignet, in denen die Verkabelung von vor Ort montierten Transmittern Hunderte von Metern lang sein und starken EMI-Feldern ausgesetzt sein kann. Wenn eine hohe Isolation erforderlich ist, sollten Sie nach Produkten suchen, die die Norm IEC 61326 für EMV-Kompatibilität erfüllen.
Es sind explosionsgeschützte und wetterfeste Transmitter erhältlich. Achten Sie auf NEMA-Zertifizierungen, die die Beständigkeit gegen das Eindringen von Wasser belegen, und auf FM-Zulassungen für gefährliche oder potenziell explosive Umgebungen.
Universeller DIN-Schienen-Transmitter 
Transmitter für anspruchsvolle Anwendungen 
Drahtloser RTD-Transmitter
Bei der Auswahl eines Temperaturtransmitters sind folgende Punkte zu berücksichtigen:
- Montageort. Wird er an einem Kopf montiert, im Freien oder an einem gefährlichen Ort?
- Bedeutung der Signalintegrität. Wenn ein Messfehler kostspielig sein könnte, suchen Sie nach einem Transmitter mit hoher Isolation.
- Notwendigkeit der Programmierbarkeit. Wenn Sollwerte und Skalierung zu berücksichtigen sind, suchen Sie nach diesem Transmitter-Typ.
- Notwendigkeit „intelligenter” Funktionen. Solche Temperatur-Transmitter können bei abnormalen Bedingungen Warnmeldungen senden und Diagnoseinformationen liefern, die eine schnellere Wartung ermöglichen.
Fazit
Temperatur-Transmitter haben gegenüber der direkten Verdrahtung von Thermoelementen und RTDs mehrere Vorteile. Neben einer höheren Signalintegrität (durch geringere EMI-Anfälligkeit) verursachen sie geringere Installations- und Wartungskosten.
Transmitter sind besonders nützlich bei Feldmontagen, bei denen lange Kabelwege erforderlich sind, da verdrillte Doppelkabel Kosten sparen und gleichzeitig einen hohen EMI-Schutz bieten.
Transmitter sind in vielen verschiedenen Formaten erhältlich, für Installationen von der Kopfmontage bis zur DIN-Schienen- und Schalttafelmontage. Programmierbare und „intelligente” Transmitter können die Genauigkeit der Messungen verbessern und Diagnoseinformationen und Warnmeldungen liefern.
In gefährlichen Umgebungen sollten Sie nach Transmittern mit entsprechendem Schutz suchen, der in der Regel durch ein „FM Approval”-Zeichen gekennzeichnet ist.
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