Grundlagen der TC-Technologie

Die Thermoelementmodule können Thermoelemente der Typen B, C, E, J, K, L, N, R, S, T und U auswerten. Die Linearisierung der Kennlinien und die Ermittlung der Vergleichstemperatur erfolgt direkt im EtherCAT-Steckmodul. Temperaturen werden z. B. in 1/10°C ausgegeben (geräteabhängig). Über den Buskoppler bzw. die Steuerung ist das Modul 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 des Moduls) 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 U_th angegeben, die an einem Typ-K-Thermoelement bei der Temperatur Tm anliegt:

U_th = (k_NiCr - k_Ni) x ΔT

mit

ΔT = T_m - T_v

Ein Thermoelement vom Typ K besteht aus einem Übergang zwischen einer Nickel-Chrom-Legierung und Nickel, wobei k_NiCr und k_Ni die thermoelektrischen Koeffizienten von Nickelchrom und Nickel darstellen. Durch Umstellen der Gleichung nach T_m 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.

U_k = U_m+ U_v

T_out = f(U_k)

Übersicht geeigneter Thermoelemente

Folgende Thermoelemente sind für die Temperaturmessung geeignet:

*nicht genormt nach EN60584-1
**nach DIN 43710