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Mittelung von Thermoelementen und Widerstandsthermometern
Inhalt
Thermoelemente können so angeordnet werden, dass ihre kombinierten Ausgänge eine gemittelte Temperatur anzeigen. Dies kann durch physische Verdrahtungsmethoden, wie beispielsweise parallele oder serielle Verschaltungen, erreicht werden.
Thermoelemente in Parallelschaltung
Das Verbinden von Thermoelementen in Parallelschaltung ermöglicht, dass sich ihre Ausgänge zu einer gemittelten Spannung addieren; damit dies zuverlässig funktioniert:
- Die Schleifenwiderstände zwischen der Messstelle jedes Thermoelements und der gemeinsamen Verbindung müssen angeglichen werden.
- Dies wird in der Regel erreicht, indem Thermoelemente gleicher Bauart und Länge verwendet werden (siehe Abbildung 6.1).
Abbildung 6.1 : Thermoelemente in Parallelschaltung
Schaltungsabgleich mit Widerständen
Eine weitere Methode besteht darin, Widerstände hinzuzufügen, um jeden Zweig der Thermoelementschaltungen abzugleichen (siehe Abbildung 6.2).
- Wenn Widerstände verwendet werden, ist es am besten, diese aus passenden Thermoelementmaterialien zu wählen.
- Werden herkömmliche Widerstände verwendet, setzen Sie diese in die Kupferleitungen ein und wählen Sie Materialien mit thermoelektrischen Eigenschaften ähnlich denen von Kupfer.
Abbildung 6.2 : Schaltungsabgleich mit Widerständen
Idealfall: Zwei Widerstände
Die ideale Konfiguration umfasst zwei Widerstände von gleichem Wert—je einer an jeder Seite der Kupferschleife (siehe Abbildung 6.3 ) Dies hilft, parasitäre Thermospannungen auszugleichen.
Abbildung 6.3: Der Idealfall – mit zwei Widerständen
Praktische Hinweise
- Die Ausgangsspannungen von Thermoelementen sind nicht perfekt linear; Schwankungen der thermoelektrischen Eigenschaften und Widerstandsänderungen mit der Temperatur können die Genauigkeit beeinträchtigen
- Alle Messstellen müssen elektrisch isoliert sein, um parallele Leitungswege zu vermeiden.
- Zusätzliche Widerstände sollten in einem thermisch stabilen Gehäuse untergebracht werden, um unbeabsichtigte Temperatureffekte zu vermeiden.
Tip: Zur genauen Messung des Schleifenwiderstands verwenden Sie eine Niederfrequenz-Wechselstrombrücke. Thermoelektrische Spannungen können die Messwerte bei der Verwendung von Gleichstromgeräten verfälschen. Überprüfen Sie dies deshalb immer durch Umkehrung der Polarität, um solche Effekte zu erkennen.
Thermoelemente in Reihe
Thermoelemente können auch zur Mittelwertbildung in Reihe geschaltet werden
- Jeder Sensor benötigt eine eigene Vergleichsstelle.
- Die Ausgangsspannung ist die Summe der einzelnen Thermoelementspannungen
- Die mittlere Temperatur wird dann berechnet, indem man diese Summe durch die Anzahl der Thermoelemente teilt.
Da in einer Spannungsmessanordnung kein nennenswerter Strom fließt, ist der Schaltungswiderstand nicht kritisch. Dennoch ist Folgendes zu beachten:
- Sicherstellen der elektrischen Isolation zwischen den Messstellen.
- Berücksichtigen Sie Empfindlichkeitsänderungen bei Temperaturänderungen.
Digitale Mittelwertbildung und Datenaufzeichnung
Digitale Systeme, wie etwa Datenlogger oder intelligente Messgeräte, können Temperaturmesswerte in Echtzeit oder während der späteren Datenverarbeitung mitteln. Dieses Verfahren bietet mehrere Vorteile:
- Keine Notwendigkeit, Thermoelement- oder RTD-Schaltungen physisch zu verändern.
- Ermöglicht Mittelwertbildung in Echtzeit oder nachträglich.
- Erlaubt die Gewichtung von Sensoren oder den Ausschluss fehlerhafter Daten (z. B. von einem sich verschlechternden Thermoelement).
RTDs und Mittelwertbildung
Im Gegensatz zu Thermoelementen unterstützen RTDs (Widerstandstemperaturdetektoren) aufgrund der Natur der Widerstandsmessung nicht ohne Weiteres die Hardware-Mittelwertbildung:
- RTDs messen den Spannungsabfall über einem Widerstand, häufig unter Verwendung einer Wheatstone-Brücke oder Stromquelle.
- Eine praktikable Lösung besteht darin, mehrere RTDs über eine gemeinsame Konstantstromquelle zu speisen und zwischen ihnen digital umzuschalten.
- Die Durchschnittstemperatur wird dann durch digitale Verarbeitung im angeschlossenen Gerät berechnet.
Bei einfacheren Anwendungen kann die Schaftempfindlichkeit von RTDs eine natürliche Mittelwertbildung über die Länge der Sonde ermöglichen – die Gesamtwiderstandsänderung spiegelt eine gemittelte Temperatur über den Schaft wider.
iViele RTD-Baugruppen sind auch in Duplex- oder Triplex-Ausführung erhältlich, wodurch sie sich für die flächenbasierte Mittelwertbildung eignen.
Zusammenfassung
Thermoelemente unterstützen die physikalische Mittelwertbildung über parallele oder serielle Verdrahtung, wobei jedoch die Anpassung der Widerstände und die Isolierung der Verbindungsstellen unerlässlich sind. Die digitale Mittelwertbildung mit einem Datenlogger oder Messgerät ist oft einfacher und genauer.
RTDs eignen sich weniger für die Hardware-Mittelwertbildung, können jedoch mithilfe von gemeinsam genutzten Stromquellen und digitaler Umschaltung gemittelt werden. Stielempfindlichkeit und Mehrpunktbaugruppen bieten ebenfalls praktische Mittelwertbildung für industrielle Anwendungen.
Hinweis: Die Informationen in diesem Leitfaden dienen ausschließlich allgemeinen Informations- und Bildungszwecken. Obwohl wir auf Genauigkeit achten, werden alle Daten, Beispiele und Empfehlungen „wie besehen“ ohne jegliche Gewährleistung bereitgestellt. Normen, Spezifikationen und Best Practices können sich im Laufe der Zeit ändern; bestätigen Sie daher vor der Verwendung stets die aktuellen Anforderungen.
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