Funktionsgrundlagen

Voraussetzungen

Die Thermoelementmodule FM33xx-B110-xxxx können Thermoelemente der Typen J und K auswerten. Die Linearisierung der Kennlinien und die Ermittlung der Vergleichstemperatur erfolgt direkt im Modul. Temperaturen werden in 1/10°C ausgegeben. Über den Buskoppler bzw. die Steuerung ist das Modul vollständig konfigurierbar. Die Linearisierung der Kennlinie und die Ermittlung und Verrechnung der Vergleichstemperatur (Temperatur an den Anschlusskontakten der Klemme) ist abschaltbar.

Messprinzip des Thermoelements

Thermoelemente gehören zu der Kategorie der aktiven Messwertaufnehmer; ausgenutzt wird hier der thermoelektrische Effekt (Seebeck, Peltier, Thomson). An den Berührungsstellen zweier elektrischer Leiter aus unterschiedlichen Materialien (z.B. Eisen-Konstantan) tritt eine Ladungsverschiebung an den Berührungspunkten auf. Es entsteht eine Kontaktspannung, die eine eindeutige Funktion der Temperatur ist. Diese Thermospannung ist sowohl eine Funktion der Messtemperatur T_m als auch der Vergleichstemperatur T_v an den Anschlusskontakten des Thermoelementes (s. Abb. „Prinzip des Thermoelementes“)

Thermoelementmessung

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 der Metalle 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 die Temperatur an der Messstelle besser als ein Zehntel Kelvin genau bestimmt werden.

An den Kontaktstellen der Legierungen entstehen zur Temperatur proportionale Spannungen. Diese Spannungen bewegen sich in der Größenordnung von typischen 50uV/°C beim Element Typ K. Die Eingänge für die Thermoelemente müssen dadurch in der Lage sein, Spannungen im Micro- und Millivoltbereich zu messen. Neben der eigentlichen Signalmessungen erfüllt das Modul Anforderungen zur Fehlererkennung, Störunterdrückung und Schutzfunktionen gegenüber Fremdspannungen.

Eingangsbeschaltung

Das Modul kann z.B. aus bis zu 32 Thermoeingängen bestehen. Eine galvanische Trennung der Kanäle untereinander war aus Platz- und Kostengründen nicht zu realisieren. Um eine gegenseitige Beeinflussung auszuschließen, ist jeder Eingang mit einem hochohmigen Differenzverstärker ausgestattet. Dieser unterdrückt Störspannungen die in die Thermoleitung eingekoppelt werden können. Spannungsdifferenzen zwischen einzelnen Thermoelementen werden ebenfalls unterdrückt, ohne dass diese sich gegenseitig beeinflussen.

Drahtbrucherkennung

Die Drahtbrucherkennung ist eine Diagnoseerkennung für den Zustand des Thermoelements. Die Erkennung erfolgt über den unendlichen Widerstand des unterbrochenen Thermoelements. Eine Drahtbrucherkennung erfolgt bei geerdeten als auch bei nicht geerdeten Thermoelementen.

Kaltstellenkompensation

Die Temperaturmessung mit dem Thermoelement liefert neben der Thermospannung an der Messstelle der Thermoelemente eine weitere Thermospannung an der gegenüberliegenden Anschlussseite. Speziell bei dem Modul werden an den 12- bzw. 64-poligen Kontaktleisten die Buchsenkontakte mit dem Thermodraht verbunden. Eine direkte Messung an den Buchsenkontakten ist aufgrund der Anforderungen nicht möglich (Steckbarkeit ohne Kontaktverlust und Spannungsfestigkeit für Netzspannung). Der Kaltstelle an der Buchsenseite steht eine weitere Kaltstelle an der Steckerseite gegenüber. Der gute Temperaturausgleich zwischen Stecker- und Buchsenkontakt und eine thermische Isolation der Buchsen und Steckerkontakte sorgen für den Ausgleich der Thermospannungen auf beiden Seiten. Die Spannungen heben sich dadurch gegenseitig auf. Für diesen Aufbau ist im Modul die Verbindung zwischen Steckerkontakt und der Leiterplatte mit dem jeweils notwendigen Thermomaterial ausgeführt (J- oder K-Typ). Die resultierende Kaltstelle entsteht auf der Leiterplatte der Modulelektronik. An dieser Stelle kann eine einfache und effektive Temperaturmessung zur Kompensation der Kaltstellentemperatur durchgeführt werden.

Back Voltage Protection

Die Back-Voltage Protection ist ein Schutz gegen Fremdspannungen an den Thermoeingängen. Dabei werden Spannungen bis 230 V_AC toleriert bzw. vom Modul unbeschadet überstanden. Die nicht betroffenen Thermoeingänge sind weiterhin funktionsfähig bzw. werden nur kurzfristig beeinträchtigt. Das Modul schaltet den betroffenen Kanal messtechnisch und spannungsmäßig ab, dadurch kann die Fremdspannung über eine längere Zeit am Thermoeingang anliegen. Sofern auf den Thermokanal verzichtet werden kann, ist eine sofortige Fehlerbehebung nicht notwendig.

Wirkungsweise der Back Voltage Protection

Die Thermoeingänge sind im Modul gegen Spannungen die außerhalb des zulässigen Signalbereiches liegen geschützt. Der zulässige Bereich liegt bei ca. –10V..+10V. Treten Spannungen außerhalb dieses Bereiches auf, wird der Strom durch interne Widerstandsbeschaltungen begrenzt und auf eine Schutzbeschaltung abgeleitet. Die strombegrenzende Wirkung der Eingangsbeschaltung schützt die Thermoleitung vor überhöhten Kurzschlussströmen und somit vor deren Zerstörung. Eine Schutzbeschaltung ist für eine Gruppe von maximal acht Thermoeingänge zuständig. Die zentrale Schutzbeschaltung erkennt die Überspannung und schaltet alle Thermoeingänge der Gruppe aus. Dieser Vorgang beeinträchtigt die aktuelle Messung der Kanäle dieser Gruppe und macht eine erneute Messung notwendig. Durch die Gruppenüberwachung und Gruppenabschaltung konnte der direkt gestörte Kanal nicht erkannt werden. Die Selektion des gestörten Thermoeingangs erfolgt durch einzelnes Einschalten der abgeschalteten Kanäle. Sobald nach dem Einschalten eines Kanals wieder die Schutzbeschaltung der Thermoeingänge aktiviert wird, ist dieser Kanal als gestört erkannt und bleibt ausgeschaltet. Nachdem alle Kanäle der Gruppe getestet wurden und wieder in Betrieb sind oder als gestörte Kanäle ausgeschaltet wurden, kann der normale Messablauf fortgesetzt werden. Die Störung der abgeschalteten Kanäle wird nach einer konfigurierbaren Zeit durch erneutes Einschalten überprüft und ermöglicht eine automatische Inbetriebnahme der gestörten Kanäle.

Anschlussleiste für Thermoelemente bei Thermoelementmodul FM33xx-B110-xxxx

Die Thermoelemente werden an den 24-poligen bzw. 64-poligen Steckerleistendes Moduls angeschlossen. Die Anschlussbelegung und Polung ist entsprechend zu beachten. Die Kaltstellenkompensation ist im Inneren des Moduls auf der Leiterplatte realisiert. Die Verbindung zwischen der Modulelektronik und den Anschlussstiften ist mit dem jeweiligen Thermomaterial ausgeführt. Der Einsatz anderer als in dieser Dokumentation angegebener Thermoelemente ist nicht zulässig. Durch eine gute Wärmeleitung der Stecker und Buchsen des Moduls entsteht an der Steckverbindung keine relevante Thermospannung. Um einen größeren Temperaturfehler zu vermeiden, ist eine thermische Isolation an der Buchsenseite der Steckverbindung zu gewährleisten. Insbesondere Zugluft und ungleichmäßige Wärmezonen sind zu vermeiden.

Übersicht geeigneter Thermoelemente

Folgende Thermoelemente sind für die Temperaturmessung mit der FM33xx-B110-xxxx geeignet (siehe untere Tabelle)

Verwendung FM33xx-B110-xxxx im TwinCAT System Manager

Im Vollausbau (alle möglichen PDO aktiviert, s. PDO Assignment) bietet z.B. das Modul FM3332-B110-1010 folgende Prozessdaten zur Verwendung an:

Im Fall des FM3332-B110-1010 sind 32 Sätze an Prozessdaten vorhanden, für jeden Messkanal einer.

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Underrange: Messbereich unterschritten

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Overrange: Messbereich überschritten ("Leitungsbruch" zusammen mit "Error")

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Error: Das Fehlerbit wird gesetzt, wenn das Prozessdatum ungültig ist (Leitungsbruch, Overrange, Underrange)

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Back Voltage State: Backvoltage Fehler ist erkannt worden. Das Modul versucht alle 10 s einen Backvoltage-Reset durchzuführen

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Wirebreak: Ein Drahtbruch ist erkannt worden

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TxPDO State: Gültigkeit der Daten der zugehörigen TxPDO (0=valid, 1=invalid).

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TxPDO Toggle: Der TxPDO Toggle wird vom Slave getoggelt, wenn die Daten der zugehörigen TxPDO aktualisiert wurden. Dies lässt einen Rückschluss auf die aktuell benötigte Wandlungszeit zu

Weitere Informationen zu Einstellungen und Betriebsmodi lesen Sie bitte das Kapitel "Prozessdaten und Betriebsmodi".