Die von Temperatursensoren erzeugten Ausgangssignale müssen aufbereitet werden, um sie in eine Form zu bringen, die für die weitere Verarbeitung verwendet werden kann. Die Signalaufbereitung umfasst:
- Verstärkung
- Signalisolierung
- Fehlerkompensation
- Linearisierung
- Erregung
Die Aufbereitung ist zwar für die Präzision unerlässlich, doch hängt die Genauigkeit auch von Faktoren wie der Bauweise des Sensors und der Signalübertragung ab. Verunreinigungen im Metall von Sensoren können zu Temperaturgradienten führen, die Fehler verursachen, und die Übertragungsentfernung kann die Qualität des Signals beeinträchtigen. Darüber hinaus können die Eigenschaften des Sensors sowie die für die Übertragung verwendete Methode eine Rolle für die Eigenschaften des Signals spielen.
Nichtlinearität von Temperatursensoren
Dünnschichtdetektor – Flaches RTD-Element Die meisten Temperaturmessgeräte weisen einen gewissen Grad an Nichtlinearität auf. Jedes hat einen anderen Betrieb und seine eigenen Anforderungen an die Signalaufbereitung. Thermoelemente arbeiten nach dem Seebeck-Effekt, der auftritt, wenn zwei unterschiedliche Metalle an einem Ende verbunden sind und am anderen Ende offen bleiben, wodurch eine Spannung im offenen Stromkreis entsteht. Die Spannung ist eine direkte Funktion der Temperaturdifferenz zwischen der Verbindungsstelle der Metalle und dem auf den Metallen gemessenen Punkt. Die Seebeck-Spannung hängt von der Zusammensetzung des Thermoelements ab. Die Ausgänge sind nichtlinear zu den Temperaturmessungen, und jeder Thermoelementtyp weist seine eigene charakteristische Nichtlinearität auf. Darüber hinaus zeigen Kalibrierungskurven, dass die Nichtlinearität von Thermoelementen zu einem erhöhten Fehler über einen größeren Messbereich führt.
Ein RTD besteht aus einem Metall wie Kupfer oder Platin, dessen Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt. Es kann sich entweder um einen Drahtwiderstand oder einen Dünnschichtwiderstand handeln. Drahtgewickelte RTDs bestehen aus einem Draht, der um einen zylindrischen Keramik- oder Glasisolator gewickelt ist. Dünnschichtsensoren bestehen aus einer Materialschicht, die auf einen Keramikisolator aufgebracht und so lange getrimmt wird, bis der Widerstand den gewünschten Wert erreicht. Die Widerstand-Temperatur-Kurve eines RTDs ist nichtlinear. Bei einem engen Messbereich kann die Nichtlinearität möglicherweise vernachlässigt werden. Über einen Messbereich von 0 bis 1000 °C haben RTDs eine Genauigkeit von ±0,5 bis 1 °C.
Thermistoren bestehen aus Metalloxiden und können entweder einen negativen oder einen positiven Temperaturkoeffizienten haben. Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten zeigen eine nichtlineare Abnahme des Widerstands mit steigender Temperatur, während Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten eine lineare Zunahme des Widerstands mit steigender Temperatur zeigen. Thermistoren weisen eine viel größere Empfindlichkeit und Signalreaktion auf Temperaturänderungen auf als Thermoelemente oder RTDs und sind daher in der Lage, höhere Genauigkeiten zu erzielen. Der Betriebstemperaturbereich von Thermistoren ist jedoch viel enger.
Infrarot-Temperatursensoren messen die Temperatur, indem sie die von einem Objekt abgegebene Infrarotstrahlung auf Sensoren fokussieren, die diese in ein elektrisches Signal umwandeln. Die von einem Objekt abgegebene Infrarotenergie ist direkt proportional zu seiner Temperatur. Da der Sensor nicht mit dem zu messenden Prozess in Kontakt steht, eignen sich Infrarotsensoren für Anwendungen mit sehr hohen Temperaturen, bei denen andere Sensortypen nicht eingesetzt werden können, oder für bewegliche Prozesse wie das Garen von Lebensmitteln auf einem Förderband.
Serie 44000 USB-Infrarot-Temperatursensor
USB-Infrarot-Sensor für Temperaturmessungen Bei der analogen Übertragung wird ein kontinuierliches Signal verwendet, dessen Amplitude variiert, um Informationen zu übertragen. Es wird am häufigsten mit Standard-Prozesssignalen wie 4 bis 20 mA, 0 bis 10 V und 0 bis 1 V verwendet. Der Messbereich von 4 bis 20 mA wird am häufigsten verwendet, da er die längste Strecke ohne Qualitätsverlust zurücklegen kann und relativ unempfindlich gegenüber externen Störsignalen ist. Er wird häufig als Prozessvariable für die Ausgabe von Temperatursensoren verwendet. Sobald der Transmitter die native Ausgabe vom Sensor empfängt, linearisiert er das Signal auf der Grundlage der Kalibrierungskurve für den jeweiligen Sensortyp. Anschließend wandelt er die linearisierte Spannung in ein Stromsignal von 4 bis 20 mA um. Das Signal kann dann von einem Aufzeichnungsgerät oder einer Steuerung weiterverarbeitet werden. Thermoelemente und RTDs erzeugen schwache Millivolt-Signale, die anfällig für Störungen sind. Das 4- bis 20-mA-Signal ist wesentlich robuster und kann ohne Störungen über große Entfernungen übertragen werden. Darüber hinaus erleichtert die Verwendung der 4-mA-Variablen für den niedrigsten Wert die Unterscheidung zwischen einem Transmitter-Ausfall und einem legitimen Signal.
Ethernet ist eine weitere Form der differentiellen Hochgeschwindigkeits-Serienübertragung, die Übertragungsraten von bis zu 1 GB/Sekunde unterstützt. Es erfordert in der Regel einen dedizierten Controller und wird häufig für industrielle, gewerbliche und private Anwendungen eingesetzt. Außerdem bildet es die Grundlage für die heutige Internetkommunikation. Es werden verschiedene Codierungsschemata verwendet, um die tatsächlichen Messdaten zwischen Maschinen oder in einigen Fällen weltweit über die Internetinfrastruktur zu übertragen. TCP/IP ist ein in Ethernet-Systemen weit verbreitetes Protokoll, das eine sichere Datenübertragung zwischen zwei Geräten gewährleistet. Ethernet-Verbindungen werden mit einer Vielzahl von Verschlüsselungsmechanismen unterstützt, um die Datensicherheit zu gewährleisten.
Fazit
Drahtloser Empfänger mit großem Messbereich Nichtlineare Temperaturmessgeräte erfordern eine Signalaufbereitung zur Linearität und Fehlerkompensation. Darüber hinaus muss die geringe Millivolt-Ausgabe von Thermoelementen und RTDs durch Verstärkung kompensiert werden. Die Genauigkeit des Signals hängt auch von der Übertragung ab. Die Umwandlung des Sensorausgangs in einen 4- bis 20-mA-Prozessausgang liefert ein robusteres Signal, das über große Entfernungen mit geringen Störungen übertragen werden kann. Die digitale und Ethernet-Übertragung ermöglicht die Signalübertragung über größere Entfernungen und mit höheren Geschwindigkeiten.
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