Präzisionsmesstechnik-Lösungen für Temperaturen Signalerfassung ohne Stolpersteine

Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Exakte Temperatur-Messwerte spielen bei der Steuerung und Regelung von Fertigungsanlagen oder am Prüfstand eine wichtige Rolle. Interface-Technologien wie USB und Ethernet schaffen zwar die Grundlage, moderne Präzisionsmesstechnik auf einfache Weise in Prozessabläufe und Anlagen einzubinden; will man aber genaue Messwerte auch bei rauen Bedingungen sicherstellen, sind einige wichtige Punkte zu beachten.

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Messgeräte-Hersteller Data Translation gibt die Genauigkeit seiner Messinstrumente nicht nur in Bezug auf die Spannung, sondern auch mit einer garantierten Temperaturgenauigkeit an.
Messgeräte-Hersteller Data Translation gibt die Genauigkeit seiner Messinstrumente nicht nur in Bezug auf die Spannung, sondern auch mit einer garantierten Temperaturgenauigkeit an.
( Archiv: Vogel Business Media )

Die präzise Erfassung von sehr kleinen Spannungen wird heute von Messgeräten mit modernen 24 Bit Sigma-Delta A/D-Wandlern realisiert, die Spannungen von weniger als 0,015 μV bzw. 1/16 ppm auflösen können. Dies kommt besonders bei der Temperaturmesstechnik zum Tragen, weil Thermoelemente einen typischen Spannungsbereich von etwa 50 mV haben und Spannungsänderungen von weniger als 40 μV weitergeben. Sigma-Delta-Wandler können selbst solche Signale zuverlässig auflösen.

Eine wesentliche Rolle spielt dabei auch deren Konfiguration. Bei Mehrpunktmessungen kommt idealerweise ein Sigma-Delta-Wandler je Messkanal zum Einsatz. Jeder Kanal stellt für sich dann ein eigenes Messinstrument dar. Ältere Lösungen nutzen meist Multiplexer, die mehrere Messkanäle auf einen einzigen A/D-Wandler schalten. Diese Konfiguration wird jedoch komplett funktionsuntüchtig, wenn dieser beschädigt wird und ermöglicht keine galvanische Isolation.

Temperatur an jeder Klemmstelle präzise erfassen

Bei Messungen mit Thermoelementen sollte zusätzlich auf die Kaltstellenkompensation (Cold Junction Compensation, CJC) geachtet werden. Da die Thermospannung durch den Temperaturunterschied zwischen der Kontakt- und der Klemmstelle entsteht, muss ein Bezug zur absoluten Temperatur hergestellt werden. Dabei misst die CJC die absolute Temperatur an der Klemmstelle und liefert somit die Basis zur Temperaturermittlung am Messpunkt. Deshalb ist es wichtig, die CJC so nah wie möglich an der Klemmstelle des Thermoelements zu platzieren. Ältere Systeme nutzen in der Regel nur eine CJC, weshalb zwangsläufig Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Klemmstellen nicht berücksichtigt werden. Eine CJC pro Kanal hingegen erlaubt es, die Temperatur an jeder Klemmstelle präzise zu erfassen und somit hochgenaue Messungen durchzuführen.

Rauschanteil durch Filtern unterdrücken

Einen weiteren Stolperstein auf dem Weg zum exakten Messwert stellt des allgegenwärtige Phänomen Rauschen dar. Es lässt sich systembedingt kaum vermeiden, folglich wird die Genauigkeit einer Messung davon wesentlich beeinflusst und begrenzt.

Auch wenn Sigma-Delta-Wandler oberhalb der Nyquist-Frequenz effizient filtern, sind im Signal Rauschanteile enthalten. Dieses Rauschen als eine Funktion der Zeit folgt einer Gaußschen Normalverteilung. Bei Messungen kleiner Temperaturdifferenzen ist es notwendig, diesen Rauschanteil durch Filtern des Sigma-Delta-Wandlerausgangs zu unterdrücken. Das gefilterte Signal erlaubt dann, auch kleinste Temperaturschwankungen von Thermoelementen oder RTD-Sensoren zu erkennen.

Galvanische Isolation trennt das Signal vom Rauschen

Rauschen kann aber auch eine Folge externer Störungen sein, die sich insbesondere bei industriellen Produktionsprozessen nicht vermeiden lassen. Beim Bogenschweißen z.B. werden hohe Stromstöße benötigt, die Störungen in Signalleitungen induzieren. Bei der Messung kleiner Temperaturänderungen in dieser Umgebung muss das Messdatenerfassungssystem, an welches der Thermosensor angeschlossen ist, diese Störungen unterdrücken und darf nur das Nutzsignal erfassen; das gilt auch dann, wenn dieses von Spannungsstößen überlagert wird, die hundertfach höher sind als die Thermospannung.

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